无功补偿综述

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【摘 要】无功补偿是保持电力系统平稳运行的主要手段之一。本文综合阐述了国内外无功补偿的现状和发展趋势，分析与研究了电网参数的测量方法，以及常见的无功补偿方式方法及其适用环境和优缺点。

【关键词】无功补偿；功率因数；静止无功补偿器；静止无功发生器

0.概述

近年来，随着我国科学技术的提高，我国的电力工业也有了长足的发展。各种电力电子装置在电力系统、工业及家庭中的应用日益广泛，而大多数电力电子设备的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大比例。无功功率的增加会导致线路电流的增加，线路的损耗也随之增加，导致大量有用电能损耗。同时使功率因数偏低、系统电压下降。如果无功功率得不到补偿，就会造成配电、输电和发电设备不充分发挥作用，降低发、输电能力，使电网的供电质量恶化，严重时会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。

无功补偿装置，在电力供电系统中用于提高电网的功率因数，降低供电变压器级输送线路的损耗，提供供电效率，改善供电环境。因此无功补偿装置在电力系统中处于一个不可缺少的非常重要的位置。

1.无功补偿的原理

电力系统中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的，磁场所具有的磁场能是由电源供给的。变压器和电动机在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用与建立磁场和静电场，它存储与电感和电容中，通过电力网往返与电源和电感、电容之间。无功功率在电网组件中流动，便会在电网中引起电压损耗和有功损耗，降低电网质量，增加电网的线损率。无功补偿装置即把具有容性功率负荷的装置和感性功率负荷装置并接在同一电路中，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷之间交换。这样当线路中有感性负荷吸收无功功率时，可以从容性负荷释放的无功功率中得到补偿，当线路中有容性负荷吸收无功功率时，可以从感性负荷释放的无功功率中得到补偿。

2.无功补偿的研究和发展趋势

早期的无功补偿装置主要分同步调相机和并联电容器两种[1]。同步调相机可以理解为用来产生无功功率的同步电机，可根据需要控制同步电机的励磁，使其工作在过励磁或欠励磁的状态下，从而发出不同大小的容性或感性无功功率，来得以实现对系统中的无功进行动态补偿。但同步调相机在运行中损耗和噪声比较大，维护复杂，成本高，而且响应速度比较慢，难以满足快速动态补偿的要求。并联电容器相比之下简单经济，灵活方便，但其阻抗固定，不能根据电网需求动态补偿，而且对电网补偿时会出现“涌流”现象影响电网运行，也会影响电容器寿命。

随着电力电子技术的发展，近年来出现了多种电力系统无功补偿的新技术。采用电力电子器件从根本上改变了交流电网过去基本依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制局面，为交流电网提供了快速、连续和精准的无功补偿控制方式。无功补偿控制器已由基于晶闸管控制串联电容的静止无功补偿器发展到基于GTO的静止无功发生器等方式。

静止无功补偿器（SVC）早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器型，1967年英国GEC公职制成了全世界第一批饱和电抗器型SVC[2]。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快，但由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪音都很大，所以没有占据静止无功补偿装置的主流。随后使用晶闸管的SVC研制成功，具有优良的特性，使其占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此SVC一般专指使用晶闸管的静止补偿装置。但由于晶闸管很容易受“涌流”的冲击而损坏，因此晶闸管必须过零触发，就是当晶闸管两端电压为零的瞬间发出触发信号。

静止无功发生器（SVG）也称静止同步补偿器（STATCOM）或先进型静止无功发生器（ASVG）。其分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种。电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能组件，交流侧通过串联电抗器并入电网；电流型桥式电路，直流侧采用电感作为储能组件，交流侧并联电容后接入电网。目前SVG大都采用电压型桥式电路。SVG整个主回路主要由以下3部分组成：（1）直流侧电容，目的是为装置提供一个电压支撑，同时使SVG直流侧呈低阻抗的电压源特性。（2）由大功率电力电子开关器件（如GTO、IGBT）组成的电压源逆变器，通过脉宽调制（PMW）技术控制功率开关器的通断，将直流电压变换为具有一定频率、幅值和相位的交流电压。（3）连接电抗器，其作用一方面将逆变装置与电力系统耦合在一起，另一方面还可以通过它滤除逆变器输出电压中的高次谐波，实现SVG输出电压正弦化。

与SVC相比，SVG有以下优点：

（1）调节速度快。

（2）运行范围宽。

（3）可以对感性到容性的整个范围中进行连续的调节。

（4）SVG不需要大容量的电容、电感等储能组件，直流侧所使用的电容组件和电抗器的容量远比SVC中使用的小，可大大缩小装置的体积和成本。

（5）谐波含量小。SVG采用PWM技术等措施后，可大大减少补偿电流中的谐波含量。

3.无功补偿控制量的选择

3.1功率因数控制

再表示有功功率在线路中所占的比例。即当cos?=1时，线路中没有无功损耗。提高功率因数以减少无功损耗成为这类控制器的目标。一般控制器将无功补偿的投切门限设为cos?=0.95，当cos?大于0.95时，控制器将不再有补偿指令。但当线路负载很大时，即使cos?大于0.95，此时线路上的无功功率仍然很大，而采用这种控制方式，无功补偿装置将不能给予有效充分的补偿。

3.2无功功率控制

无功功率的控制器可以比较完善的解决功率因数的缺陷。控制器对电网的电压、电流进行采样检测，计算当前的无功功率值。若当前检测值大于一个电容的补偿值，则投入一个电容器组；若当前值已经超前，则切除一个电容器组。以无功功率作为装置投切控制判据，可使电网无功补偿更加到位，避免反复投切对电网和电容器影响。

4.常见的补偿方式分析

电网系统中常见的无功补偿方式包括：

（1）集中补偿：在高低压配电线路中安装并联电容组。

（2）单台电动机就地补偿：在单台电动机处安装并联电容器。

（3）分组补偿：在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器。

就三种补偿方式而言，无功就地补偿克服了集中补偿和分组补偿的缺点，是一种较为完善的补偿方式，然后从经济角度考虑，无功就地补偿也有成本高的缺点，选择补偿方式应从实地需要考虑选择合适的补偿方式。

5.总结

本文通过对无功补偿的原理、无功补偿装置的发展趋势和种类，以及在实地应用的一些无功补偿方式的阐述，充分说明了无功补偿在电力系统中的重要性，它与人们日常生活是密不可分的。通过对无功补偿装置的认识，研制更加完善的无功补偿装置，对提高电网输送的电能质量和我国的科技发展有重大意义。 [科]

【参考文献】

[1]杨孝志.几种无功补偿技术的分析和比较[M].合肥：安徽电力，2006：40-43.

[2]刘懿.静止型无功补偿装置控制系统的研究[D].沈阳：沈阳理工大学，2008：16.