无功补偿设备及其保护配置特点

陈海光 任百群 陈 炜

（上海国城能源科技有限公司）

0 引言

柔性交流输电系统FACTS（Flexible AC Transmission Systems）是电力系统中多种补偿设备的总称，包括SVC（静止无功补偿器）、STATCOM（静止无功发生器）、MSVC（磁控式静止无功补偿器）等。这些设备无一例外都是通过控制其输出无功功率的大小和方向，以达到稳定系统电压、改善电能质量的目的。FACTS在一定程度上可以被看做是一套完整的系统，包括高压一次设备、二次保护装置、二次控制装置、监控系统等。

但是FACTS又不是完全独立的，如果将该系统视为一个带接口的封闭黑匣子，通过与主电网相连，一方面FACTS设备经电磁场转换从电网获取能量，另一方面由控制系统根据电网的不同工况，向其提供相应大小和性质的无功功率。作为完整的系统，FACTS的二次保护装置可以识别发生在黑匣子范围内的各种主要故障类型，并根据故障程度发出告警或跳闸信号，以及时隔离故障并保护黑匣子内的设备安全；作为非独立系统，当发生FACTS设备区外故障时，因一次储能设备的影响，有可能造成其他高压保护装置的异常动作。

1 无功补偿

电力系统中的绝大部分负荷，如电动机、变压器等都是感性负荷，为维持这部分负荷的正常运行，电网需向这些设备提供相应的无功功率。如果直接从电源点即发电机侧提供，一方面无功功率降低了发电机的发电效率，另一方面大量的无功功率在输电系统中传送，降低了电网的有功输送能力。如果在电网中某些节点，有选择地安装并联电容器、并联电抗器等无功补偿设备，实现无功功率的就地平衡，即可减少无功功率在电网中的流动，从而提高发电机端的功率因数、提高输电线路的输送能力，降低线路损耗等。

1.1 原理

电网的功率分为两类：有功功率和无功功率。有功功率的定义比较直观，它直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学能等，并利用这些能量做功。无功功率的定义相对而言比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并在电气设备中建立和维持电磁场的电功率，它不对外做功，也不消耗电能。如电感线圈建立磁场所需的电能，电容器建立电场所需的电能等。

当电流在电感元件中做功时，电流总是滞后于电压90°；而电流在电容元件中做功时，电流总是超前电压90°。在一个电感和电容的并联电路中，电感电流与电容电流方向相反，相位互差180°。在实际应用中，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中，无功能量就会在两种负荷之间相互交换，以实现无功功率的就地补偿。

图1是电压和不同类型负载的相量示意图，其中ES为系统电压相量，IR为纯阻性负载的电流相量，IL为纯感性负载的电流相量，IC为纯容性负载的电流相量。

图1 电压电流相量图

1.2 分类

无功补偿装置按照使用地点分为集中供电补偿和分散就地补偿。就地补偿主要直接针对终端负荷，补偿效果最好，但补偿总投资较大。集中供电补偿一方面可以弥补分散补偿投资大的缺点，另一方面可以补偿上一级变电站至负荷站之间的无功损耗。目前电力系统中常采用供电部门提供就地补偿，而各主要用电单位采用分散补偿的模式，既可以保证负荷侧的电能质量，也能稳定电网电压。

按照补偿模式可分为投切型、半控型和全控型。常规的并容、并抗则多属于投切型，用于负荷波动不是很大的变电站。但是频繁投切操作，会严重影响开关和补偿设备的电气寿命。半控型模式以SVC为代表，利用晶闸管器件实现动态补偿，也是目前使用最多、性价比最好的无功补偿模式。全控型以STATCOM为代表，利用了IGBT等全控型器件，实现单装置双向无功功率调节，技术先进。

1.3 作用

电力系统中装设无功补偿装置，可以实现如下的主要功能[1-2]：

（1）对负荷进行功率因数校正

低功率因数一方面降低了负荷的工作效率，另一方面会受到供电公司的罚款，严重影响企业用户的经济效益。无功补偿装置能确保功率因数维持在一个较高的数值上。

（2）改善电压质量

动态负荷在工作过程中，随着无功功率的波动会引起供电电压的波动。动态无功补偿装置可以抑制电压波动。

（3）提高电力系统的静态稳定性

电力系统会经常受到小干扰的影响，一旦系统的静态稳定储备不足，则容易导致系统崩溃及解列。动态无功补偿装置可以降低小干扰带来的供电系统稳定问题。

（4）提高电力系统的动态稳定性

动态无功补偿设备可以在电力系统发生故障及大规模甩负荷等状况时，通过设备的快速响应特性，迅速支撑系统电压，提高电网的动态稳定性。

（5）阻尼功率振荡

电力系统的故障经常伴随功率振荡，一旦电网的阻尼较弱，则容易导致电网失稳。动态无功补偿设备可以通过特殊的控制策略增强系统阻尼，抑制振荡。

（6）降低过电压

电网甩负荷或空充线路时，经常会有过电压出现，影响一次设备的电气绝缘，危及设备安全。动态无功补偿设备快速投入并联感性无功，降低系统过电压。

（7）抑制电压闪变

工业用户尤其是钢厂的电弧炉在生产过程中，会产生电压闪变，严重影其他相关设备的正常工作。性能优秀的动态无功补偿装置可以更有效地抑制电压波动和闪变。

（8）减少负荷的不平衡

电弧炉等冲击性负荷在冶炼过程中，经常出现不对称短路工况，可能造成严重的负荷不平衡。采用分相控制的动态无功补偿设备可以有效减少这类负荷的不平衡。

2 电磁场转换

电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的总称。电场与磁场在电力系统中往往不可分割，随时间变化的电场产生磁场，而随时间变化的磁场也会产生电场，二者互为因果。

2.1 磁场能[3]

电感是产生并储存磁场能的元件，在电路中具有通直流、阻交流、通低频、阻高频的作用。其物理意义可以描述为：电流通过一匝线圈产生磁通Φ，那么通过N匝线圈产生磁链ψ =NΦ。电感可以用下式表示

作为储能元件，储存在电感L中的磁场能可以用下式表示

可以看出电感元件将电能转换为磁场能储存在线圈中，当电流增大时，磁场能增大，电感元件从电源取用电能；当电流减小时，电感元件向电源放还能量。

无功补偿设备中常见的电感元件包括相控电抗器、滤波电抗器等。

2.2 电场能[3]

电容是产生并储存电场能量的元件。在电路中具有隔直流通交流、滤波、耦合、旁路、调谐和能量转换的作用。

作为储能元件，储存在电容中的电场能可以用下式表示

可以看出电容将电能转换为电场能储存在电容中，当电压增大时，电场能增大，电容元件从电源取用电能；当电压减小时，电场能减小，电容元件向电源放还能量。

电力电容器是无功补偿设备中的电容元件。

3 工程应用

在电力系统中进行电能质量治理的设备主要有并联电容器（滤波器）、并联电抗器以及相关电力电子产品。

并联电容器由电力电容器、电抗器和电阻器等通过适当组合构成，实际工程中，它通常由若干个交流无源滤波器并联而成。每个滤波器在一个谐波频率附近或者在某一个频带内呈现低阻抗特性，从而能够吸收相应的谐波电流，以使流入交流系统的相应谐波电流减小，达到滤除谐波的目的。滤波器投入电网中工作时，往往与谐波源并联滤除特定次谐波电流。在基波下，滤波器通常呈容性，所以，除了起滤波作用外，还可兼顾无功补偿的需要，起到并联电容器的作用。

而并联电抗器相对而言比较简单，通常主要由电感元件构成，并联于电力系统的某电压等级处，用以提供感性无功功率。

用于提供无功功率的并联电容器和并联电抗器，在各级变电站中普遍采用。为了实现快速动态无功补偿，还引进了电力电子装置，以配合完成更多更复杂的无功补偿任务。

4 仿真分析

4.1 仿真模型

在电力系统仿真软件PSCAD中搭建一个简单的系统，如图2所示。

图2 系统等值图

图2中的仿真模型中设置了降压变压器T，为简化模型，变压器中压侧空载，低压母线装设3组并联电容器C1、C2、C3，1组并联电抗器。考虑到输电系统和用户站采用的电容器组类型，将该三个支路均设置为单调谐滤波器，且谐振点分别为150Hz、250Hz和350Hz，即构成3、5、7次滤波器。

为方便分析无功补偿设备对高压保护装置的影响，在图2中设置两处故障点：低压侧母线两相故障点F1；主变低压侧区内两相故障点F2。

4.2 仿真结果

（1）模拟F1故障

对于变压器保护装置，F1故障点属于区外故障，而对低压母线保护装置来说，该点又属于区内故障。

图3～图5分别是故障发生前后流过三组电容器的电流波形。

图3 流过C1的电流

从上面的波形可以得出以下结论：

1）故障发生前，各滤波器中流入了对应次数的谐波电流；

2）故障发生后，非故障相中的电流以基波含量居多；

图4 流过C2的电流波形

图5 流过C3的电流波形

3）故障发生后，故障相中流过谐波电流，谐波次数为对应的滤波通道次数；

4）故障相的谐波电流衰减时间常数很大。

产生上述波形的主要原因见前文所述，电容器为储存电能的元件，当母线发生故障时，电容器上的电能通过LC振荡回路流入故障点，从而产生本滤波通道的特征谐波。

当母差保护带有谐波闭锁功能时，有可能引起母差保护的拒动。建议对装设有电容器类设备的母线，其母线保护需要考虑谐波闭锁可能引起的保护拒动。

（2）模拟F2故障

F2是主变保护的区内故障，低压母线保护的区外故障。该点故障对流过各支路电容器上的电流而言与F1处故障没有区别，所以本节不再重复对支路电流进行波形分析。

图6是故障前后流过主变低压侧套管CT的电流波形。

对故障后的电流波形进行谐波分析，如图7所示。

综合分析可以得出以下结论：

1）低压侧发生区内故障时，有大量的谐波电流流经套管CT。

2）谐波电流的次数和低压电容器组的特征谐波一致。

图6 主变低压侧电流

图7 谐波次数

3）谐波电流的衰减时间常数很大。

对主变保护而言，当发生F2故障时，可能会影响带谐波闭锁功能的保护，引起主变保护拒动。建议如果某一侧对装设有电容器类设备的变压器，其主变保护需要考虑谐波闭锁可能引起的保护拒动。

5 结束语

本文在分析了电网基本元件电气特征的基础上，对电网中常用的无功补偿设备进行了总结，结合仿真结果对变压器保护和母差保护给出了建议。

[1]王兆安, 杨军, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京: 机械工业出版社, 1998.

[2](美)尼尔森, (美)里德尔, 著. 周玉坤, 等译. 电路[M]. 8版. 北京: 电子工业出版社, 2008.

[3]龙启, 杨方明, 肖遥, 等. 南方电网交直流滤波器调谐特性分析[J]. 南方电网技术, 2012, 6(5): 76-78.