电力系统中无功补偿装置分类及选择

惠立新，崔绍伟

（1.河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021；2.南水北调中线干线工程建设管理局，石家庄 050000）

电力系统中无功补偿装置分类及选择

惠立新1，崔绍伟2

（1.河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021；2.南水北调中线干线工程建设管理局，石家庄 050000）

无功补偿是电力系统广泛采用的改善电网质量、节能降损最经济有效的方法之一，通过对各种自动无功补偿装置的分类比较，介绍了各类无功补偿的优缺点，说明了无功补偿装置的选择方法。

电力系统；无功补偿；电网质量；选择

1 概述

随着我国经济的飞速发展和国际化能源紧张局势的加剧，加强电能质量和节能降损管理已成为国家政策的重要内容。电力系统中电压和频率是衡量电能质量的两个最重要指标。为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在规定的范围内。其中电压控制的重要方法就是对电力系统的无功功率进行控制，采用无功补偿装置已成为电力系统改善电网质量、节能降损最经济有效的方法之一。

无功补偿装置在供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。在电力系统中，存在大量的电感性负载，在运行中消耗大量无功，无功储备不足将会导致电网电压水平降低，冲击性的无功功率负载还会使电压产生剧烈的波动，恶化电网的供电质量。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的重要位置。

无功补偿装置种类繁多，针对性较强，技术水平参差不齐。随着电子技术的飞速发展，可控硅的工业控制技术和工业应用技术已经成熟，从而为无功功率补偿装置的发展奠定了坚实的基础。

2 无功补偿装置分类

无功补偿装置分类有很多种方法，按能源供给的角度可分为无源补偿和有源补偿两大类。

2.1 无源补偿

无源补偿装置仅能发出无功功率，而不能吸收无功功率，早期的无功补偿装置主要是无源装置，是在系统母线上并联或者在线路中串联一定容量的电容器或者电抗器。按控制方式可分为静态、动态及混合方式3种。

静态补偿指以电磁型交流接触器为电容器投切开关的自动无功补偿装置，即控制器控制的投切器件是有触点的开关；动态补偿指采用可控硅投切电容器、电抗器的无功补偿装置，即控制投切的开关是无触点的复合开关，快速投切调节器。

无源补偿的技术发展主要经历了2代：第1代为机械式投切的无源补偿装置，属于固定补偿、分组投切的慢速无功补偿装置，在电力系统中应用较早，目前仍在应用；第2代为晶闸管投切的静止无功补偿器（SVC）（自饱和电抗器型SSR、晶闸管投切电容器型TSC、晶闸管相控电抗器型TCR、高阻抗变压器型TCT等），SVC依靠电力电子器件开关来实现无功调节，由于其换流元件关断不可控，易产生较大的谐波电流，而且对其电网电压波动的调节能力不够理想，出现于20世纪70年代，国内外应用较为普遍。

2.2 有源补偿

有源补偿装置不仅能够发出无功功率，而且也能够吸收无功功率，具有双向调节的强大能力。早期的如同步调相发电机，现代常见的为静止同步补偿器（SVG）。

同步调相发电机相应速度慢，噪声大，损耗大，技术陈旧，属淘汰技术；静止同步补偿器（SVG）指采用电力电子器件IGBT功率模块搭建整流和逆变电路，组成可控电压源有源发生装置，提供感性或容性电流自动连续补偿，实现功率因数全过程调节。SVG属快速的无功补偿装置，国外从20世纪80年代开始研究，90年代末得到较广泛的应用。

3 无功补偿装置特点

3.1 静态补偿

（1）电容器容量存在级差，分级投切使补偿容量不连续，经常发生投则过补，不投则欠补的问题，系统不能处在最佳经济补偿状态之下，功率因数不会补偿得很高。

（2）受电容器承受涌流能力、放电时间限制，不能连续频繁投切电容。接触器操作频率制约投切速度慢，功率因数不稳定，不能对快速变化的负荷进行补偿。

（3）采用接触器或断路器做投切开关，无法实现零电压投切，存在较大操作电压，需串接电抗器或限流电抗器，容易引起电容器与系统产生串联谐振或并联谐振，造成电容器过电流或过电压，损坏设备。

（4）机械触电动作速度慢，不具备快速性、反复性、连续性的特点，对快速频繁波动的冲击性负荷不能有效补偿，不能实现短时纠正电压升高或降落的功能，造成电压不稳。

（5）谐波严重系统不能使用，否则会造成电容击穿，发生爆炸。

3.2 动态补偿

（1）采用可控硅光电触发技术，实现无触点电子开关，开关寿命大大延长。

（2）触发精度高，实现一次系统和二次系统隔离，保证高可靠性触发。

（3）实现过零投切，投切过程无冲击、无涌流、无过渡，不引入暂态和谐波，提高了电力系统的静态和动态稳定性。

（4）有效稳定负载端电压，改善电压质量，保证用电设备运行在良好的工况下，提高经济效益，最大限度地延长电容器的使用寿命。

（5）在规定的动态响应时间内，多级电容器可实现快速频繁投切，一次到位，响应速度快。

（6）降低网损和变压器损耗，提高电气设备效率，增加变压器带载能力，充分挖掘供电设备潜力，起到良好的节能效果。

（7）造价较高，可控硅附加损耗增加，本身也是谐波源，污染电网。

3.3 有源补偿

（1）实现双向、动态无功功率的连续调节，即可补偿系统中的感性无功，又可补偿系统中的容性无功，抑制电压闪变，有效提高功率因数，降低线路损耗。

（2）响应速度快，即可跟踪补偿冲击性负荷的冲击电流，实现基波无功电流，也可对谐波电流进行补偿。

（3）取消传统的无功补偿装置中的电容器、电抗器，占地面积大为减少，节约空间，调节过程平滑无阶跃，可实现功率因数全程趋于1，最大限度地降低线路和变压器的无功损耗，从机理上避免了因系统运行方式改变或设备参数变化而与系统串联或并联谐振的发生。

（4）工作状态不受系统参数变化影响，能实时跟踪快速响应，动态特性好。（5）输出电流为标准的正弦波，自身不产生谐波。（6）造价偏高，运行维护水平要求较高。

3.4 无功补偿装置主要技术性能及参数比较

无功补偿装置主要技术性能及参数比较如表1所示。

表1 无功补偿装置主要技术性能及参数对比

4 无功补偿装置选择及其应用

应根据工程特点及具体要求，选择适宜的无功补偿装置，包括不同补偿方式及补偿容量。

4.1 补偿方式选择

4.1.1 根据负荷性质选择

（1）对负荷平稳、大型冲击负荷不多、冲击不频繁的系统优先采用静态补偿；或虽有大型冲击负荷，但每日投切次数很少，起动时虽造成瞬时电压波动，但只要与之相连的母线其他设备能够承受的，宜采用静态补偿。如连续工作制为主的棉纺企业，用电负荷主要为连续工作制电动机，三相负载基本平衡，无功补偿量稳定，采用静态补偿即可。

（2）对大型冲击负荷、非线性负荷、频繁起动负荷的系统宜采用动态补偿或有源补偿。如炼钢企业的电弧炉，设备容量大、负荷变化无规律，负荷冲击强、无功负荷瞬时变化大，选用动态补偿或有源补偿方可稳定母线电网电压，提高生产效率。

（3）对单项负荷严重不平衡的系统，如电气化铁路供电系统中的电力机车采用单相交流供电，供电网三相严重不平衡，采用分相补偿装置的分相补偿可改善不平衡状态，提高系统功率因数。

（4）对大多数动态负荷只占一部分的场合，可采用动态补偿和静态补偿相结合的补偿方式，如高层住宅区、大型商场、写字楼等用电场所既存在较多的单相负荷又有电梯、空调等动力负荷。空调负荷季节性强，负荷电流平稳、无功负荷变化小，电梯等动力负荷运行时间短、启动频繁，采用混补方式效果明显。动态补偿作为负荷变化时的快速补偿，静态补偿作为不频繁投切的基本负荷补偿。

（5）对谐波含量较大的用电负荷，可在无功补偿装置基础上增加滤波功能。如钢铁行业中的各种整流设备、电熔炼设备等非线性负荷，谐波含量大，均应进行谐波治理。

4.1.2 根据调节方式选择

（1）以节能为主进行补偿者，采用无功功率参数调节；当三相负荷平衡时，也可采用功率因数参数调节。如一般性生产企业、区域变电站等，以减少无功需求或提高功率因数、减少系统损耗为目的，此种补偿主要为静态补偿。

（2）为改善电压偏差为主进行补偿者，应按电压参数调节。如远距离输电工程，主要控制指标为电压偏移。

（3）对冲击性负荷、动态变化快的负荷及三相不平衡负荷，可采用晶闸管（电子开关）控制，必要时可采用组合调节方式。如钢铁企业的大型轧机，主要通过快速补偿稳定电压，提高功率因数，节能降损。

（4）对三相负荷不平衡系统，采用分相补偿或混合补偿方式；对含有谐波的配电系统，补偿装置中应设置抑制谐波和涌流的措施。

4.2 无功补偿容量计算

设置无功补偿装置的目的就是要提高配电网的运行指标，因此补偿容量的确定方法分为两种。

4.2.1 提高功率因数和降低线损

某引水工程渠首泵站，装机容量3×250kW，水泵电机自然功率因数0.78，系统要求补偿至0.95，依据补偿容量QC计算公式：QC=Pmj（tgφ1-tgφ2）=Qpj计算，需补偿容量355.5kvar，选择补偿容量400kvar。

4.2.2 提高运行电压

某引水工程加压泵站，装机容量3×1000kW，配电电压10kV，配电距离4km，架空线路导线型号LGJ-70，输电线路感抗0.4×4=1.6Ω，平时运行电压偏低，现技术改造欲提高运行电压1.5%（150V），依据运行电压公式△U计算，需在泵房加装补偿容量937.5kvar，选择安装容量1000kvar。

5 结语

无功补偿技术发展经历了从同步调相机→开关投切固定电容→静止无功补偿器（SVC）→静止无功发生器（SVG）的几个不同阶段，技术日益成熟，实际应用中，无功补偿装置选择应根据具体工程负荷性质、运行工况、工艺要求、运行维护水平等具体分析，既要考虑补偿装置的技术先进性，也要考虑装置的经济型，以达到最优的增容、稳压和节能效果。

［1］国航空工业规划设计研究院，等.工业与民用配电设计手册（第三版）［K］.北京：中国电力出版社，2006.

［2］翁双安.供配电工程设计指导［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［3］汤继东.低压配电常见问题分析［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［4］靳龙章.电网无功补偿实用技术［M］.北京：中国水利水电出版社，1997.

［5］方大千.输配电速查速算手册［K］.北京：中国水利水电出版社，2004.

Classification and Choice of Reactive Power Compensation Device

HUI Li-xin1，CUI Shao-wei2
（1.The Second Institute for Design and Research of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China；2.Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion middle Route Project，Shijiazhuang 050000，China）

Reactive power compensation is one of the most economic effective way and widely used to improve power quality and save energy in power system.This paper introduces the classification of reactive power compensation，the advantages and disadvantages of all kinds of reactive power compensation，given the choice of reactive power compensation principle.

electrical power system;reactive power compensation;power quality;choice

TV737；TM714

A

1672-9900（2013）01-0054-04

2012-11-05

惠立新（1966-），男（汉族），河北霸州人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作，（Tel）13398610202。