电力变电设计中的无功补偿技术探讨

余健敏

摘要：无功补偿就是通过并联的方式将带有容性以及感性两种功率负荷的装置安装在同一线路上。文章以无功补偿的原理为切入点，并阐述无功补偿在变电站中的重要性，最后通过无功补偿的发展概述，对主要的无功补偿装置作了简要的介绍，说明无功补偿在变电站中的作用对比效果。

关键词：电力变电站；变电设计；无功补偿；感性负荷功率；容性负荷功率 文献标识码：A

中图分类号：TM714 文章编号：1009-2374（2015）03-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0205

1 无功补偿的原理和重要性

无功补偿就是通过并联的方式将带有容性以及感性两种功率负荷的装置安装在同一线路上，如此，两种负荷装置就能当作一种能量的转换器，实现两者的能量的相互转换，其输出的无功功率也能实现互相补偿的作用。运用到变电设计中就是将原本是电网或变压器输出的无功功率，变成交流电力容器来输出。

不管是民用亦或工业负荷，其多数是感性负荷功率，并且基本全部的电感负载都要利用大量的无功功率进行补偿，而提供无功功率的主要有两种方式，即补偿电容器和输电系统。如果是输电系统提供，那么输电系统设计的时候就要同时考虑有功和无功功率。但是，通过输电系统进行无功功率传输，变压器以及输电线路在损耗方面会有显著的提升，从而降低系统的经济效益。如果是补偿电容器提供，就可以不用输电系统进行传输，也就会减少损耗。无功传输不是说功率传输是没有用的，反而具有很大的用处。在电动机中产生旋转磁场并对其进行维持，进而通过转子的转动让机械也产生运动，而电动机中转子磁场的建立就是通过电源获取的无功功率。

变压器一次线圈的磁场同样也是通过无功功率而产生的，这样二次线圈才会感应到电压。故而，电动机如果缺少无功功率就无法转动，变压器也无法变压，交流接触器也就无法吸合。就正常情况而言，电源会将无功功率和有功功率都提供给用电设备。一旦电力系统中无功功率供应不足，用电设备就无法有充足的无功功率构建正常的电磁场，也就无法保持在额定情况之下运行，电压就会降低，最后也会导致用电设备无法正常运行。

2 电力变电设计中的无功补偿技术

2.1 调相机

最早将无功补偿应用到设备的就是同步调相机，其作用原理和空载运作的同步电动机类似，即通过励磁运行的作用让系统接收到无功功率，从而让无功电源发挥作用；当欠励磁运行的时候，系统又将感性功率传输给它，发挥无功负荷的效果。在这种装置中会针对励磁的运行安装自动调节装置，这样同步调相机就可以根据该装置产生的电压对输出或者吸收的无功功率作出改变，从而通过对电压的调节来保障系统的稳定性。不过，同步调相机属于旋转机械，有功损耗太大，大概是容量的1.6%～5.4%。而且如果同步调相机采用小容量的话，那么其单位容量的成本要远远高于大容量的。目前，这种无功补偿的装置还是在生产中使用，且在控制技术不断进步的条件下，其控制性能得到了很好地改善。

2.2 电容器

电容器在无功补偿的运用，其作用原理就是并联在系统中，提高容性负载，然后再向系统吸收和输出容性功率，达到线路以及感性负荷对感性无功功率的要求，从而实现无功补偿的效果。通过电容器来无功补偿，不仅只需要较少的一次性投资与运行费用，而且安装调试方便、损耗低、效率高，不仅能够集中使用，也能分散装设。现阶段，我国电力系统中通过并联电容器实现了大概90%的无功补偿容量。然而，这种装置提供的无功功率和相关的节点电压数值的平方是正比关系，也就是说如果节点电压降低，要提高无功功率的时候，其提供系统的无功功率却会减少。这就意味着，就补偿效果而言，

系统电压改变的时候，这种装置的补偿效果并不理想。

2.3 电抗器

在无功补偿装置中，并联电抗器属于重要的组成部分，其最大的作用就是可以通过增加感性无功功率能平衡电力系统多余的容性无功功率，针对电力系统输送功率小、轻负荷有着优良的效果。因此，无论是电力系统的早期还是后期都非常重要。当电力系统出现上述两种情况的时候，输电线路的感性无功功率会降低，但是导线中的电容性是为了让输电线路生产的容性充电功率要超过感性无功功率，为了保证系统电压水平的平衡，就需要保持系统无功平衡，要不然就会导致电力系统的电压增大，其运行的安全性也会受到威胁。

2.4 无功补偿器（SVC）

无功补偿器，也就是静止无功补偿器，属于第二代无功补偿装置，其应用的地方有输电系统的波阻补偿以及负载无功补偿。其实际代表有固定电容器+晶闸管控制电抗器（FC+TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管投切电抗器（TCR）。

TCR结构（见图1）的无功补偿器其无功补偿的原理是利用控制晶闸管触发角，将接入系统的等效电纳进行改变，从而使系统中无功功率的输出得到调节。但是这种装置存在一个问题：因为晶闸管具有班控的特性，如果被触发导通，那么只有等其流经的电流低于维持电流之后才会关断，所以，每半个电源周期的时间之内，反并联晶闸管对仅可以受控导通一次，这就意味着，TCR理论上难免会出现控制滞后，这对补偿系统的动态响应性能有着一定的影响。

2.5 静止无功发生器（SVG）

在电力技术不断进步的条件下，电力系统开始使用静止无功补偿装置，这种装置使用的线路是自变换变流，其实质就是静止无功发生器（SVG），也被称作静止同步补偿器，属于第三代无功补偿装置。

SVG的等效电路见图2。因为SVG使用的是全控制器件，可以随便控制其交流上电压的相位，即使交流上电压的幅值会因为直流上电压幅值影响，但是还是可以在限定的范围进行控制。因此，能利用控制交流上电压幅值以及相位进而对其进行改变，也就是说，能完成交流上电流相位超过或落后电网电压相位90o，进而实现输出和吸收无功功率的效果。假如忽视无功发生器产生的损耗，那与系统就不存在有功交换，只有无功交换，直流上电容电压也会维持不变。只有当SCG启动的时候，吸收足够的有功功率，然后对电容进行充电，才会建立直流电压。在正常运行过程中，因为存在损耗，电网电压和电流矢量无法垂直，就要向电网吸收有功功率来补偿SVG的损耗。因为高压全控型器件的售价偏高，所以当SVG应用到低压系统的时候，可以直接利用交流电抗器与电网进行连接，当应用到高压系统的时候，利用串联变压器连接到电网上。

3 各种无功补偿技术的比较

并联电容器与并联电抗器适用场所是负载变化较慢且对补偿性能要求不高。电容器无功补偿技术的缺点是补偿精度差，无法实现无涌流投进电容器，对电容器的使用寿命有一定的影响，还会使系统中增加谐波电流。而电抗器可以利用可控技术，对回路电流的励磁进行控制，进而使铁心的饱和度得以改变，实现无功输出的平滑调节。

SVC和SVG都属于动态的无功补偿装置，两者都具有较好的补偿跟随性，在一个正弦波周期之内就可以产生响应，且还可以实现补偿容性无功。但是SVC的容量与电抗器的容量有着直接关系，因此相同容量的情况，与SVG相比，SVC要求更大的电抗器。此外，因为SVG的拓扑结构利用了PWM控制技术，并拥有6对开关管，可以利用数字信号处理器对其进行控制，具有较快的运算速度和较强的处理能力，在跟随性上要强于SVC，动态和静态性能上也有着良好的表现。不过，因为SVG中使用了大量的全控型开关管，在性价比上要差于SVC。

4 结语

随着技术的改革，同步调相机正逐步退出无功补偿装置领域。并联电容器具有较高的无功补偿容量，因此，现阶段国内外还是将其作为主要的无功补偿方式，而并联电抗器大多用在输电系统中。SVC具有较强的稳定性，对电网的稳定性有着重要的作用，SVG因响应速度快和运算能力强，成为了无功补偿技术研究的新方向，其今后发展的重点是性价比的提高。

参考文献

[1] 胡进辉.变电站无功补偿技术研究与应用[D].华北电力大学，2013.

[2] 杨孝志.几种无功补偿技术的分析和比较[J].安徽电力，2006，（2）.

（责任编辑：周 琼）