电力系统无功补偿技术的应用与发展

徐 靖

（海军驻711研究所军代表室，上海 201108）

0 引 言

现代船舶电力系统面临着如何最大限度地发挥输电线路的设计容量以及提高系统运行稳定性两大问题[1]。随着电力电子技术的发展，非线性负载的冲击性和不平衡性使电网的无功损耗增加以及受电端电压下降，大量的无功功率在电网中的传输使电能利用率大大降低，且严重影响供电质量。

在电力系统中，大多数网络元件和负载都要消耗无功功率，当无功功率供给不足时，将导致电流增大和供电设备的视在功率增大，造成电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格增大，设备及线路损耗增加，变压器及线路压降增大，电网电压波动。因此无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。

1 无功功率补偿的作用

无功补偿的作用主要有以下几方面：

1) 提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量和减少功率损耗；

2) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中的合适点设置动态无功补偿装置，可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力；

3) 在三相负载不对称的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相负载。

2 无功补偿方法

目前，常用的补偿方法包括采用同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器、静止无功补偿装置和静止无功发生器（SVG）等。其中前3种已逐渐被电容器及新型的SVC和SVG所取代。其中SVG以其优良的补偿性能已受到越来越广泛的重视。

同步发电机[2,3]是较早应用的无功补偿设备之一，其工作原理是通过调整励磁电流，使发电机在超前的功率因数下运行，同时输出有功功率和无功功率。同步调相机是在同步电动机不带负载运行时专门向电网提供无功功率。但由于其效率低下，已逐渐被新型补偿装置所取代。

并联电容是继同步发电机之后的一种较实用的无功补偿方法[4]。其原理是给感性电路并联电容 C，使电压相量U与电流相量I之间的相位差变小，整个回路的功率因数得到提高。补偿容量与供电电压的平方成正比是并联电容器的缺点，更为严重的是与谐波之间的相互影响：

1) 谐波电流叠加在基波电流上，使电容温升增加，引起过热而降低电容的使用寿命；

2) 并联电容对谐波的放大不仅造成其本身的损害，且危及电网中的其他设备，影响电网的正常运行。

电力电子技术的迅速发展，使得经济而有效的可控硅串、并联无功补偿装置得以应用[5,6]。SVC作为新型的并联补偿装置，从20世纪60年代后期发展起来，1967年英国制成了第一批自饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后，1977年静态无功补偿器首次被应用于115kV的电网[7]，有效弥补了老式补偿装置的不足。SVC具有半导体控制投切电容（TSC）和可控电抗器（TCR）两种结构。

1) TSC无功补偿装置[8]，见图1。主回路有多台电容器并联，根据所需无功电流的大小来决定投入电容的数量和补偿电流大小来满足下面关系式：

式中：第j台电容未投入时 Kj= 0 ；第j台电容投入时 Kj= 1 。 Icj为第j台电容补偿电流。

图1 TSC主回路

由于TSC的响应时间小于半周波，补偿电流中不含谐波，因此，在高压集中补偿和低压就地补偿中都有使用。但是，由式(1)分析可知，TSC的无功调节是有级的，为适应动态补偿的需要级差必须足够小，而要在保证级差的条件下增加补偿总容量就必须增加电容器数量。

2) TCR无功补偿装置[9]，见图2。TCR为并联型无功补偿装置，图中，IcL——电抗器电流， Icc——电容器电流，满足电流关系式：

图2 TCR主回路

由主回路可知，控制双向晶闸管的导通角，可以控制电抗器电流 IcL。当IcL=- Icc时，补偿电流为0；当 IcL为0时补偿电流最大。TCR的响应时间小于半周波，可连续调节无功输出。但其电流中有谐波，因为容性无功电流的变化是借助改变电流导通角实现的，且电抗器体积大，使整个装置的成本、体积增加。

通常将TSC与TCR混合使用[10]，这样即可以解决单独使用TSC时无法产生连续补偿电流的问题，又可以解决在进行大容量补偿时单独使用 TCR装置体积过大的问题。再则，两者混合使用可同时补偿感性无功和容性无功。另外，TCR还常常与电容器并联使用，因为TCR本身要消耗无功，并联电容后可以在电网正常工作情况下，减小总的无功消耗。该方法也可以同时补偿感性无功和容性无功。

然而，随着电网中对补偿容量的需求不断增加，SVC的缺点也逐渐显现出来。SVC装置需要电抗或电容作为主要工作元件，为补偿0～100%容量变化的无功功率，就需要100%容量的电容器和超过100%容量的晶闸管控制电抗器，当补偿容量增加时，就要增加元件的个数或容量，铜和铁的消耗很大，导致设备线路复杂，成本高，体积大。同时，使用SVC如想达到连续调节容性和感性无功的话，要将TCR与TSC混合使用，这在一定程度上也影响了设备的小型化，简单化。另外，SVC内部的电力电子开关元件多为晶闸管。晶闸管在导通期间处于失控状态，这使 SVC每步补偿时间间隔至少约达工频的半个周期。当被补偿的负荷为急剧波动性负荷时，常用的SVC无法快速响应。

随着可关断晶闸管的出现， SVG[2,11]以其特有的优势受到了广泛的关注。SVG的电路结构与有源电力滤波器类似，为自换相桥式电路。其工作原理是将自换相桥式电路通过电抗器或直接并联到电网上，适当调节其交流侧输出电压的相位和幅值，或直接控制交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。SVG有全新的补偿工作原理，与以 TCR型为代表的 SVC装置相比，SVG的调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或脉冲宽度调制（PWM）技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是，在对称三相电路中不需要电感器或电容器就能按人们的意愿产生感性或容性无功功率，大大减小了设备的体积和成本，且补偿数量连续可调，调节性能优于现有的其他无功设备。

SVG通常由多组电压源型逆变器构成。SVG装置在大功率应用场合中，所用的开关器件是门极可关断晶闸管（GTO），构成的逆变器具有较高的耐压值。而目前，中低压领域的主流器件是绝缘栅双极型晶体管（IGBT），其单管耐压值低于GTO，但具有高开关速度，适于应用PWM控制技术，补偿性能更好，随着大功率IGBT的研制以及多器件串联应用技术的开发，由IGBT为主的补偿电路将得到更广泛的应用。

SVG的可控输出电压0V与系统电压LU 同相，当输出电压大于系统电压时发出无功功率，当输出电压小于系统电压时则可吸收无功功率。这种原理与旋转同步调相机相似，因此 SVG也被称为静止同步调相器（STATCOM或STATCON）。单组逆变器的输出电压为矩形波，多组逆变器的组合则可输出接近于正弦波的电压波形。在GTO的门极端上可在任意时刻加入适当的控制信号，使GTO由导通向关断或由关断向导通转换，从而使 SVG随着无功功率的变化迅速改变其输出无功功率，以达到抑制电压闪变的目的，见图3。

图3 大功率单组三相式六脉冲逆变器原理

3 发展趋势

当前，电力系统无功补偿技术的发展如下：

1) 新型信息检测和信号处理技术的应用。目前，广义瞬时无功功率检测方法由于在电网电压不对称或畸变的情况下，仍能精确地分离出基波正序瞬时无功电流和不对称及高次谐波瞬时无功功率电流，并对它们进行有选择性的补偿或完全补偿，受到人们的广泛关注。基于电力系统存在数据多、数据类型混杂、数据质量差而同时系统又要求根据数据作出快速准确的反应等特点，数据挖掘和粗糙集技术已经得到电力行业广泛的重视[12~14]，并已开始应用于电力系统海量数据的处理和重要信息的获取。

2) 随着计算机技术的飞速发展，先进的控制器、控制理论和控制方法将在无功补偿装置中得到应用。新型的数字化处理器将提高数据采集、处理的实时性和精度，先进的控制理论，以及控制方法将增强补偿系统的效率和可靠性[15]。

3) 提高电力电子器件性能[16]。电力电子器件的性能，直接影响无功补偿装置的效果。应从材料、工艺、技术等方面入手，加大力度提升全控型和半控型电力电子器件的性能。尤其是国内薄弱的全控型电力电子器件，这方面的突破必然为无功补偿技术带来质的飞跃。

4) 船舶电网无功补偿技术应用。由于船舶电力系统总体容量较小，负载类型较少，其无功主要靠发电设备自身进行小幅度调整，很少专门配备无功补偿装置。而随着船舶电网容量的不断增大、存在无功需求的负载不断增多，尤其是电力推进新型船舶及相应的综合电力系统技术[17]的应用，都对船舶电网无功补偿性能提出了新的要求[18,19]。船舶电力系统无功补偿技术研究势在必行。

4 结 语

随着陆地到船舶应用领域的不断拓展，以及计算机科学、电力电子技术、控制理论和数学等研究工具的不断推陈出新，电力系统的无功补偿技术也将不断发展、完善。更多的有效方法将在今后的工业生产和人们的日常生活中得到应用。

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