1．引 言

電力系統中，電能質量是評價電力系統運行性能優劣的重要指標，而電壓又是衡量電能質量的一個重要指標，因此，電壓的穩定性對電力系統運行性能來說顯得尤為重要。電壓穩定與否主要取決于系統中無功功率的平衡，如果用電負荷的無功需求波動較大，而電網的無功功率來源及其分布不能及時調控，就會導致線路電壓超出允許極限；另外，對于負荷一側，電力系統多由輸配電線、變壓器、發電機等構成，其內阻抗主要呈感性，使得負載無功功率的變化對電網電壓的穩定性帶來極為不利的影響。

無功功率補償是涉及電力電子技術、電力系統、電氣自動化技術、理論電工等領域的重大課題。由于電力電子技術裝置的應用日益普及生產、生活各個領域，無功補償問題引起人們越來越多的關注。據有關科學統計，如果全國都通過優化配置計算來安裝無功補償裝置，在總投資不變的條件下，估計每年可以節省電量大約3億千瓦時。因此，電力系統的無功補償和電壓調整是保證電網安全、優質、經濟運行的重要措施。目前，由于電力電子技術的飛速進步，無功功率補償方面也取得了突破性的進展。

2．連續無功補償裝置發展歷史、現狀和發展前景

工程上應用的無功補償器主要包括旋轉無功補償器和靜止無功補償器，其具體分類見圖1。

2.1連續無功補償裝置的發展歷史

旋轉無功補償器以同步調相機為代表，同步調相機實際上就是在過勵或欠勵狀態下運行的同步電機，它既能發出容性無功，也能發出感性無功，因而同步調相機能對變化的無功功率進行動態補償。由于其存在諸多缺點（見表1），70年代以來逐漸被靜止無功補償器取代。

靜止無功補償技術經歷了圖1所示的3代發展：

第Ⅰ代屬于慢速無功補償裝置，在電力系統中應用較早，目前也仍在應用；

第Ⅱ代屬無源、快速動態無功補償裝置，出現于 20 世紀 70 年代，國外應用普遍，我國目前有一定應用，主要用于配電系統中，輸電網中應用很少，SVC 可以看成是電納值能調節的無功元件，它依靠電力電子器件開關來實現無功調節。 SVC 作為系統補償時可以連續調節并與系統進行無功功率交換；

第Ⅲ代屬快速的動態無功補償裝置，國外從20世紀80年代開始研究，90年代末得到較廣泛的應用。隨著大功率全控型電力電子器件GTO、IGBT、及IGCT的出現，特別是相控技術、脈寬調制技術（PWM）、四象限變流技術的提出，使得電力電子逆變技術得到快速發展，以此為基礎的無功補償技術也得以迅速發展。靜止同步補償器，作為FACTS家族最重要的成員，在美國、德國、日本、中國相繼得到成功應用。此外，SVG和SVC相比還擁有調節速度更快、調節范圍更廣、欠壓條件下的無功調節能力更強等優點，同時諧波含量和占用空間都大大減少。3代無功補償裝置的優缺點見表1。

2.2國內外電網動態無功補償的現狀

我國電網中目前使用最為廣泛的補償裝置是機械投切的并聯電容器組。為滿足調壓要求，在低壓供電網絡中裝設了大量的并聯電容器組，在中壓配電網絡中裝設了少量的并聯電容器組。牡丹江科海電氣設備有限公司設計生產的G（X）JF1型電容器跟蹤投切柜（箱）采用了KH－ZK電容器智能投切開關；G（X）JK1型接觸器式電容器跟蹤投切柜（箱）投切電容過程涌流小，整機使用壽命長， 維修量小，無功補償響應快，可頻繁投切，多級補償一次到位。包括G（X）D1型電容投切產品都是該補償裝置的進步發展。

目前，我國輸電系統中一共有5地 6套大容量SVC投入使用，它們分別被裝設在廣東江門、湖南云田、湖北鳳凰山（2套）、河南小劉以及遼寧沙嶺的500kV變電站中。此類SVC多為進口，其中有3套是ABB公司的產品。

SVC在大型工礦企業中的應用較為廣泛，在鋼鐵企業中的應用尤為突出，武漢鋼鐵公、包頭鋼鐵公司、寶山鋼鐵公司、濟南鋼鐵公司、張家港沙鋼鐵公司、天津鋼管公司等均裝有該補償裝置，如濟南鋼鐵公司中厚板廠二期工程在35kV母線上安裝了由西門子公司設計制造的一套容量為25Mvar的SVC，2001年底帶負荷一次投運成功。

從國際范圍來講，目前SVC與SVG都已得到普遍的應用。SVC出現早，應用時間長，僅ABB公司，其目前在全世界投運的SVC就已超過370套，ABB 與西門子兩個公司已安裝的SVC總容量約為9萬Mvar（包括已退役裝置）。SVG裝置在20世紀主要以示范工程為主，從上世紀90年代末到本世紀初，SVG在日本及歐美得到了廣泛應用，尤其是在冶金、鐵道等需要快速動態無功補償的場合。1999 年3月，我國第一臺工業化STATCON在河南省洛陽市朝陽變電站成功并網運行，標志著我國掌握了高壓大容量FACTS 設備的設計制造技術。

2.3靜止無功補償裝置的發展前景

隨著電力電子技術的日新月異以及各門學科的交叉影響，靜止無功補償的發展趨勢主要有以下幾點：

（1）在城網改造中，運行單位往往需要在配電變壓器的低壓側同時加裝無功補償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補償控制器和配電綜合一體化的問題。

（2）快速準確地檢測系統的無功參數，提高動態響應時間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況（如大的沖擊負荷或負荷波動較頻繁的場合）。隨著計算機數字控制技術和智能控制理論的發展，可以在無功補償中引入一些先進的控制方法，如模糊控制、微機控制等。

（3）目前無功補償技術還主要用于低壓系統。高壓系統由于受到晶閘管水平的限制，是通過變壓器降壓接入的，如用于電氣化鐵道牽引變電所等。研制高壓動態無功補償的裝置具有十分重要的意義，關鍵是要解決補償裝置晶閘管和二極管的耐壓，即多個晶閘管元件串聯及均壓、觸發控制的同步性等問題。

（4）由單一的無功功率補償到具有濾波以及抑制諧波的功能。隨著電力電子技術的發展和電力電子產品的推廣應用，供電系統或負荷中含有大量諧波。研制開發兼有無功補償與電力濾波器雙重優點的晶閘管開關濾波器，將成為改善系統功率因數、抑制諧波、穩定系統電壓、改善電能質量的有效手段。有源電力慮波器（APF）、統一潮流控制器（UPFC）正是既能補償諧波，又能補償無功的裝置，雖然有電流中的高次諧波，單臺容量低，成本較高等問題，但是其發展前景仍然看好。

（5）將一個由晶閘管換流器產生的交流電壓串入并疊加在輸電線相電壓上，使其幅值和相角皆可連續變化，從而實現線路有功和無功功率的準確調節，并可提高輸送能力以及阻尼系統振蕩。目前綜合潮流控制器（UPFC）發展較為迅速，美國西屋電氣公司研制出串聯潮流控制器（SPFC），其造價明顯低于UPFC，功能可與之相比且優于SVG。

3．無功功率補償的根本目的

工程運用中，為了提高電網功率因數及穩定電網電壓，通常引入無功補償裝置。對系統進行無功補償，能夠改變功率因數，降低系統損耗，大大提高電網功率的運行效率。另外，無功補償還可以減少電壓閃變、降低過電壓以及提高電力系統的靜止和動態穩定性等，就其經濟價值而言，具有重要意義。

3.1減少線路壓降，提高電壓的穩定性

無功補償裝置的引入，平衡了系統中無功功率，提高了電壓的穩定性。由于線路傳送電流小了，系統的線路電壓損失也相應減小，有利于系統電壓的穩定（輕載時要防止超前電流使電壓上升過高），有利于大電機裝置的起動。

3.2降低系統能耗，提高資源的利用率

功率因數的提高，能一定程度減少線路損耗及變壓器的銅耗。

由（5）式可知，功率因數從0.8提高至0.9時，銅耗相當于原來的79％。

3.3改善功率因數，減少相應電費

根據國家水電部，物價局頒布的《功率因數調整電費辦法》，規定三種功率因數標準值，相應減少電費：

（1）高壓供電的用電單位，功率因數為0.9以上。

（2）低壓供電的用電單位，功率因數為0.85以上。

（3）低壓供電的農業用戶，功率因數為0.8以上。

根據《辦法》，補償后的功率因數以分別不超出0.95、0.94、0.92為宜，因為超過此值，電費并沒有減少，相反初次設備增加，是不經濟的。

3.4增加供電功率，減少用電投資

對于原有供電設備來講，同樣的有功功率下，功率因數提高，負荷電流減小，因此向負荷傳輸功率所經過的變壓器、開關、導線等配電設備都增加了功率儲備，發揮了設備的潛力。對于新建項目來說，降低了變壓器容量，減少了投資費用，同時也減少了運行后的基本電費。

4．無功補償的一般方法

無功功率補償通常采用的方法主要有3種：低壓個別補償、低壓集中補償和高壓集中補償。

4.1低壓個別補償

低壓個別補償就是根據個別用電設備對無功的需求，將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設備并接。它與用電設備共用一套斷路器，通過控制、保護裝置與電機同時投切，隨機補償適用于補償個別大容量且連續運行（如大中型異步電動機）的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償的優點：根據用電設備運行或者停運，無功補償投入或者退出，不會造成無功倒送。具有投資少、體積小、安裝容易、配置方便、操作靈活、維護簡單、事故率低等優點。

4.2低壓集中補償

低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線上的無功負荷直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進行，做不到平滑的調節。低壓集中補償的優點：配置容易、維護簡單、平衡迅捷，從而提高配變利用率，降低網損，具有較高的經濟價值，是目前無功補償常用手段之一。

4.3高壓集中補償

高壓集中補償是指將并聯電容器組直接接在變電所6～10kV高壓母線上的補償方式。適用于遠離變電所或在供電線路末端的用戶，用戶本身又有一定的高壓負荷時，可以減少對電力系統無功的消耗，起到一定的補償作用；補償裝置根據負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加。高壓集中補償的優點：配置靈活、維護簡單，補償效益高等。

5．無功功率補償的基本原理

在電力系統中，無功功率的動態補償，可以實現如下諸多功能，比如：

①對動態無功負荷的功率因數校正；②調整電壓；③提高電力系統的動態和靜態穩定性；④降低過電壓；⑤減少電壓閃爍；⑥阻尼功率振蕩；⑦阻尼次同步振蕩；⑧減少電壓和電流的不平衡。

雖然以上八種功能相互關聯，然而，實際的靜止無功補償裝置往往只能以其中的某一條或某幾條為直接控制目標，盡可能的兼顧其它功能，并且，在控制策略和控制方式有所側重。本文僅以改善電壓調整的基本功能做一介紹。

補償原理：

將電路具體分為系統、負載和補償器三部分的等效電路，其動態補償原理如圖2所示。

系統的特性曲線可近似用下式表示：

由（7）式可以看出，無功功率的變化，引起系統電壓成比例的變化，系統供給的無功功率為負載和補償器無功功率之和，即：

Q=QL+QY

在電力工程運行過程中，負載無功功率QL變化時，補償器的無功功率QY總能夠彌補負載無功功率QL的變化，從而使得△Q=Q1－Q2，無功功率Q維持不變。由（7式）可知，△U=0，系統電壓U維持恒定，這就是對無功功率進行動態補償的基本原理。

圖2b標繪出了動態的無功補償，系統的工作點保Q=QA的 點處，即U=UA；當使系統的工作點保持在Q=0的C點處時，即U=U0，系統即實現了功率因數的完全補償。

工程實際運用過程中，一般把負載包括在系統之內，進行總體等效，將圖2a系統和負載部分等效為圖 3a系統虛框內的部分。忽略內部阻抗中的電阻，電抗XS。由于補償器具有維持連續點電壓恒定的作用，可以將其視為恒定電壓源，電壓值取為等效前連接點處未接補償器且負載無功不變時的供電電壓Urd。

當Xr為零時，補償器具有圖3b中所示的水平的理想補償器特性，而實際的靜止無功補償裝置不設計成具有水平的電壓－電流特性，而是該圖中所示的傾斜特性，傾斜的方向是電壓隨吸收的感性電流的增加而升高，這種傾斜特性還可以兼顧補償器容量和電壓穩定的要求，可以改善并聯補償器之間的電流分配，并有利于預留穩定要求的無功備用。

投入補償器后，補償器所吸收的無功功率為：

因為實際補償器中Xr不為零，所以補償器吸收的無功功率相對理想補償情況而言是減小了。連接點電壓也并不像理想補償器時保持原正常值不變，而是變化了：

因此，在具有傾斜特性的無功功率特性中，實際補償器所需容量比理想補償器所需容量有較大幅度的減小。當Xr=Xs時，能維持連接點電壓變化為系統電源電壓變化一半的補償器，所需容量為理想補償器的一半，這就是所謂的補償器容量與電壓調整之間折中的問題。

6．結合實例淺談無功補償的作用

以某大型項目能源中心為例，該項目供電電源的電壓等級為10kV，設備裝機容量約為21000多千瓦，其中高壓電動機設備容量為5400多千瓦，其他低壓設備容量為5000多千瓦。經過經濟分析，采用10kV作為高壓電動機的供電電壓等級，投資較省，減少變電環節，同時亦減少了故障點。根據負荷計算，共采用六路10kV電源，分別對高壓電動機直配。

該項目中，高壓電動機主要用于中央空調機組、冷凍水循環泵和冷卻水循環泵等多臺設備。這些設備單機容量很大，離心機組單機最大達2810kW（共5臺），小的870kW（共4臺），冷凍水循環泵單機560kW（共9臺），冷卻水循環泵單機380kW（共3臺），自然功率因數在0.8左右。如果在10kV配電室集中補償電容，不采用高壓無功自動補償的話，如此大容量的電動機起、停會使10kV側功率因數不穩定，有可能造成過補償，引起系統電壓升高。同時，從配電室至冷凍機房高壓電動機的線路最近50m，最遠140m，線路損耗相當可觀，綜合考慮到高壓自動補償元件、技術、價格均要求較高，因此采用高壓電容器就地補償，與電動機同時投切。高壓電容器組放置在電動機附近，這些電動機采用自耦降壓起動方式，高壓就地補償裝置以并聯電容器為主體，采用熔斷器做保護，裝設避雷器用于過電壓保護，串聯電抗器抑制涌流和諧波。這樣做，不僅提高了電動機的功率因數，降低了線路損耗，同時釋放了系統容量，縮小了饋電電纜的截面，節約了投資。

對于低壓設備，由二臺1000kVA及二臺1600kVA變壓器配出，低壓電機配置較分散，因此，在變電所變壓器低壓側采用電容器組集中自動補償。雖然一些低壓電動機的容量也不小，但這些設備主要用于鍋爐房和給排水設備，鍋爐房的設備不如冷凍機房集中，環境較差，管理不便，因此，在低壓配電室采用按功率因數大小自補償是較合適的。

7．結 語

隨著電力電子技術的發展和電力電子器件的不斷研制創新，無功功率補償也處于不斷發展之中，目前，國內外的研制成果發展迅速，出現了許多種類的SVC、SVG補償裝置。比如：牡丹江科海電氣設備有限公司研制開發的G（X）JF1型、G（X）JK1型（接觸器式）、G（X）D1型電容器跟蹤投切柜（箱）以及VQCL—D12/J12無功補償控制器；哈爾濱工大威翰科技開發有限責任公司研制開發的HVC高壓自動無功電壓綜合調節裝置和TSC系列可控硅動態無功功率補償器；深圳市賽源電氣技術有限公司研制開發的JKWA－15A型和JKWA—12J型低壓無功補償控制器等等。雖然兼顧價格、質量、體積、操作等一系列因素最優化配置的補償裝置目前還沒有面世，但是，發展前景比較廣闊。

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