广西电网有限责任公司柳州供电局 广西柳州 545005
摘 要我国电网建设和运行中，无功补偿容量不足和配备不合理是长期存在的一个问题，特别是可调快速响应的无功补偿容量严重不足，快速响应的无功调节设备更少。以上问题的出现使得在电网中装设无功补偿装置成为稳定电网运行的必要手段。
关键词：供电质量；无功补偿；电网电压
1. 引言
1.1 研究的目的和意义
随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子装置的功率因数很低，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的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数偏低、系统电压下降。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。因此，研究快速、动态无功补偿技术迫在眉睫。
2.无功补偿的原理与作用
2.1 无功补偿的原理与作用
在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。
频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。这便是本文探讨无功补偿装置的原因所在。
无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。实际供用电系统中的电力负荷并不是纯感性或纯容性的，是既有电感或电容、又有电阻的负载。这种负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位差，相位角的余弦cosφ称为功率因数。它是有功功率与视在功率之比。三相功率因数的计算公式为：
注：cosφ为功率因数；P为有功功率，KW；Q为无功功率，kVar；S为视在功率，kVA。
无功补偿的主要作用就是提高功率因数以提高供电设备带负载能力和减少功率损耗；稳定电网的电压，提高供电质量；在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。这是由于无功补偿装置可以补偿掉负序电流分量，同时通过合理的绕组接线使零序电流无法流通，就可使三相负荷平衡。对感性负载进行无功补偿的基本原理说明图如图1所示。
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图1 无功补偿原理说明图
3.无功补偿装置应用现状及趋势
3.1 无功补偿装置的现状及趋势
无功补偿技术的发展经历了从同步调相机——开关投切固定电容器——静止无功补偿器(SVC)——静止无功发生器(SVG)的过程。
并联电容器是电网中应用最多的一种专用无功补偿装置，它价格便宜，易于安装维护。但是由于电容量固定，不能实现系统无功的无级补偿；由于电容器的负电压效应，使系统电压下降更大；在系统存在谐波时，可能发生并联谐振，放大谐波电流。以上缺点使并联电容器已不能适应电力系统发展的需要。并联电容补偿无功功率补偿原理见图2。
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图2 并联电容静态无功功率补偿原理
同步调相机是最早采用的一种无功补偿设备。同步调相机又称同步补偿器，是作为并联补偿设计的一种同步机，它属于有源补偿器。同步调相机同电容器相比，该装置的优点是：在系统电压下降时，靠维持或提高本身的出力，可以给系统提供紧急的电压支持。同步调相机具有调相的优点，但动态响应速度慢，发出单位无功功率的有功损耗大，运行维护复杂，不适应各类非线性负载的快速变化。由于同步调相机属于旋转设备，损耗、噪声都很大，并且运行维护复杂，在并联电容器得到大量使用后，它便逐渐居于次要地位。
随着研究的进一步深入，静止无功补偿技术进入人们的视线中。静止无功补偿技术是指用静止开关投切电容器或电抗器，通过吸收或发出无功电流提高电力系统的功率因数，稳定系统电压。由晶闸管控制电抗器 ( T hyristorCon trolledReactor TCR ) ，晶闸管投切电容器( Thyristor Sw itched CapacitorTSC) 和以及二者的混合装置( TCR+ TSC) 等主要形式组成的静止补偿器( Static Var Compensator SVC) 实际上可看作一个可调节的并联电纳，其性能比固定并联电容器要好得多。而所谓静止是指没有运动部件，这和同步调相机不一样。静止补偿器最重要的性质是它能维持其端电压实际上不发生变化，所以它要连续调节与电力系统变换功率，其第二个重要性质是响应速度。传统静止补偿器对电力系统状况的调整和暂态性能的改善起到了重要的作用，且其控制技术也比较成型，在实际电力系统中也得到了不少的有效应用。但是它们都是利用可控硅晶闸管进行换相控制，在无功变动时容易发生逆变现象，并且都需要大电感或大电容来产生感性和容性无功。
早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（Saturated reactor——SR）。其拓扑结构图如图3所示。
饱和电抗器分为自饱和式和可控饱和式。自饱和电抗器利用铁心的饱和特性，使无功功率随着端电压的升降而增减。自饱和电抗器的动态响应速度很快，其缺点是铁心损耗较多，伴有振动和噪声。可控饱和电抗器通过改变控制绕组的电流来控制铁心的饱和度，从而改变电抗器的电抗，进一步改变无功电流的大小。它能够更好的适应母线电压较大的变化，但是振动和噪声仍很大。
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图3 单相饱和电抗器拓扑结构图
总的来说，SR装置具有响应速度快的优点，并且在一直电压闪变方面比晶闸管相控电抗器装置要好，但是它存在较大的有效材料消耗(约为3kg/kVA)，电抗器硅钢片长期处于饱和状态，故铁心损耗较大（比并联电容器大2-3倍），有振动和噪声，这些缺点使SR式静止无功补偿装置目前应用较少，一般只在超高压输电线路中配合电容器组，起到限制操作过电压及吸收超前无功功率的作用。
1977年后，使用晶闸管的静止无功补偿装置得到了广泛的重视，并占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置(SVC)这个词往往专指使用晶闸管的静止无功补偿装置。
随着电力电子技术的进一步发展，出现了采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，这就是静止无功发生器(SVG)，也被称为高级静止无功补偿装置(ASVC)、静止调相机(STATCON)或者静止补偿器(STATCOM)。其基本原理图如图4所示。
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图4电压型SVG主电路原理图
SVG的基本原理就是将自换相桥式电路并联在网上( 或者通过电抗器与电网并联) ，通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位、幅值或者直接调节其交流侧电流，都可以使桥式电路吸收或发出符合要求 的无功功率，从而达到动态无功补偿的目的。
与SVC装置相比，SVG 装置只需要维持直流侧电压的较小容量的电容器，大大减小了装置的体积和成本。同时SVG装置的调节速度更快、运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中的谐波含量。因为SVG比SVC的调节速度更快、运行范围更宽，所用电抗器的容量也大为降低，所以 SVG 是动态无功补偿装置发展的重要方向。
表1是对各种无功补偿装置性能的简要对比。
表1 各种无功补偿装置简要对比
SR TCR TSC TCT SVG 响应速度 较快 较快 较快 较快 快 吸收无功 连续 连续 分级 连续 连续 控制 不可控 较简单 较简单 较简单 复杂 谐波电流 大 大 无 大 小 分相调节 不可 可以 有限 可以 可以 损耗 较大 中 小 小 小 噪声 大 小 小 小 小4.基于可变电抗的静止无功补偿器
4.1 基于可变电抗器的静止无功补偿器补偿原理
基于可变电抗的静止无功补偿装置由固定电容器、可变电抗器和智能控制器组成，其结构如图5所示。
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图5 基于可变电抗的静止无功补偿器结构图
其特点是将晶闸管与电抗器串联设计成可变电抗器。可变电抗器由可变电抗变换器和电力电子功率变换器两部分组成，可变电抗器分为原边和副边，原边主线圈与负载并联，副边线圈与电力电子功率变换器相连接。与以往的无功补偿装置相比，该补偿器具有以下优点：1.它利用可变电抗器电抗值连续可调实现功率的无级调节；2.利用高低压隔离的方法，在低压端进行控制，降低了对电力电子器件的要求，使控制易于实现同时节约了成本；3.装置采用无源结构，与有源结构相比运行可靠性较高，运行费用较低。同时选用IGBT作为功率变换器还可抑制谐波的产生。
由于电网中感性负载消耗大部分无功功率，使得负载电流相位滞后于电压，相位差越大，功率因数就越低，因此，基于可变电抗器的静止无功补偿器将负载的无功功率和无功电流作为目标参数，调节可变电抗的电抗值，来补偿负载所需的无功功率，从而提高功率因数。
4.2 基于可变电抗器的静止无功补偿器拓扑结构
基于可变电抗器的静止无功补偿器补偿的拓扑结构有两种：使用晶闸管以及IGBT的拓扑结构。使用晶闸管的拓扑结构如图6所示。
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图6使用晶闸管的拓扑结构图
当电网中的负载为感性负载时，电流滞后电压，调节晶闸管触发角α使可变电抗器的阻抗减小，小于电容器的容抗值，这时无功补偿器阻抗呈容性，和负载并联后会降低其感抗，功率因数增大，无功功率减小；当负载为容性负载时，电流超前电压，调节晶闸管导通角α使可变电抗器的阻抗增大，大于电容器的容抗值，这时无功补偿器阻抗呈感性，和负载并联后会增大其感抗，功率因数增大，无功功率减小。
使用IGBT与二极管作为功率变换元件，通过调节IGBT触发脉冲PWM波的占空比δ，改变可变电抗器阻抗大小，从而实现系统动态无功补偿。其基本原理与使用晶闸管的结构相似，但是使用PWM控制减少谐波的含量；同时由于同等容量二极管价格较晶闸管更为便宜，此结构具有成本低的优势。在加大容量时，可以并联多个IGBT，使结构扩展更为简单。其基本结构图如图7所示。
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图7 使用IGBT的拓扑结构图
5.结语
电力系统电压无功特性是实现我国电网稳定运行的一个重要研究方面。目前有关静止无功补偿装置的研究多集中于具体拓扑结构以及对其应用于系统补偿的各种场合时控制策略和方法的进一步探讨。从无功功率补偿装置的应用来看，SVC装置因为控制简单、价格低能满足大多用户对于无功补偿装置的需要，因此应用最为普遍， 目前在电力系统和工矿企业用户中拥有广大的市场，是并联无功补偿的主要应用装置。
基于可变电抗的无功补偿装置，通过可变电抗实现变压器隔离，用低电压的功率变换电路来调控较高电压主电路的电抗值，从而达到动态调节无功功率的目的，在实际应用中可提高配电网的运行效率，还能降低配电系统的损耗，起到节能的作用，亦可应用于调压、调功控制以及谐波治理等场合，其应用前景广阔。
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论文作者:肖晓军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/23
标签：功率论文; 装置论文; 电压论文; 晶闸管论文; 电抗器论文; 电容器论文; 负载论文; 《电力设备》2017年第35期论文;