无功补偿原理和作用及补偿方式

葫芦岛电工

      随着电网进一步发展完善，无功补偿技术是在电网中提高系统运行电压、保证系统无功功率平衡、降低网损、提高供电质量的一种重要手段，并得到广泛的应用。本文论述了无功补偿的概念和作用、分类，并简单介绍了几种柔性交流输电装置的补偿原理。
　　1.无功补偿的概念和作用
　　1.1无功补偿的概念
　　在电力系统中无功功率，是由处于轻载条件下的线路和电缆产生的，并可被负载，变压器和重载的线路所吸收。发电机在控制系统电压时会发出或吸收无功。如不对输电网中的无功功率加以控制就有可能影响系统的稳定性并导致过压等问题，而某些类型的工业负荷快速变化的无功需求则可能会导致无法接受的电压波动。采用电力电子装置（电力电容或调相机等）可以通过提供可调的无功功率来解决上述问题，从而降低或免却供电网输送的无功电流、线路损耗，提高电网的效率，可控性和供电质量。
　　1.2无功补偿的作用
　　在电力供电系统中提高系统的负载功率因数和改善负载，减少输电线路上各种设备的功率损耗，稳定系统的传输电压，提高系统的供电电压质量。在长距离输电中，提高系统输电能力和稳定性，平衡电力系统各支路末端三相负载的有功和无功功率等。
　　2.无功补偿的分类
　　无功补偿装置按照接入电网的形式可分为串联补偿和并联补偿。
　　2.1串联补偿
　　串联补偿主要是串联电容器补偿，就是在系统中接入串联电容器，改变系统的等效阻抗，提高线路的输送能力。通过调节输电线路的阻抗可以控制输电线路中的输送功率，串联电容器补偿是提高长距离输电线路输电能力的有力措施。由P=V1V2sin/X可知，当串联电容器后，串联容抗与部分线路电感相抵消，线路的等效电感随之减小，电气距离得以缩短，增加了传输功率。在低电压等级的电网中，大部分线路压降是由于线路电感所致，串联补偿可根据负载波动调节补偿电容的大小，尽可能减少的线路压降。串联电容能够自发响应且迅速，因其属于无源电路元件，故串联补偿有助于电压调节，有效解决电压闪变的问题。
　　2.2并联补偿
　　并联补偿按照输出功率的性质，又可分为有功补偿和无功补偿，在电力系统中增加并联电容器、并联电抗器等补偿系统无功功率。绝大部分电气设备的等效电路可以看做电阻与电感串联的电路，再与电容并联，使得回路电压电流之间相位差变小，功率因数提高。并补的主要作用：提高系统和负荷的功率因数，减少系统损耗，提高系统静稳特性，改善系统动稳特性，提高系统暂稳特性，稳定节点电压，实现负荷的三相不平衡补偿等。
　　3.柔性交流输电装置（SVC、STATCOM、TCSC）的补偿原理
　　3.1SVC（静止无功补偿器）
　　利用电容器和电抗器组成的可提供感性或容性无功补偿的装置，能平滑控制动态无功功率。负荷侧的无功经常变化，固定无功补偿不能稳定母线电压。如果保证系统中某些母线处的无功量恒定或恒定接近于零，就能消除由负荷变化引起的母线电压波动。负荷变化率（由零到额定值）在1S以上的，采用调相机。负荷变化率在1S以下的，采用调相机很难胜任，需采用静补。一般有六种补偿方式：固定容性、固定感性、可变容性、可变感性、固定容性+可变感性、可变容性+可变感性，通常用后两种补偿方式。FC（滤波电容器）提供无功补偿的基本量，TSC（晶闸管投切的电容器）、TCR（晶闸管控制的电抗器）提供无功补偿的连续平滑调节量。补偿原则：其中为线路注入变电站母线的无功，为无功负荷，为无功补偿装置提供的补偿量。通常采用欠补偿或全补偿。
　　3.2静止同步补偿器（STATCOM）
　　静止同步补偿器功能上类似于能产生三相正弦对称电压的旋转同步电机，在电力系统中能够进行无功或有功交换。补偿器与SVC不同之处在于向系统提供的容性无功不受系统电压因素的影响，适应各种系统电压且保持额定无功功率不变，因此静止同步补偿器能够为系统提供更好的电压支持，防止电压崩溃，该特点在系统故障时表现得尤为突出。
　　补偿器的逆变器根据系统无功和有功参量来调整其输出电压的幅值、相位。当逆变器的输出电压与系统电压同相位时，即控制参量Pf为零而Qf不为零时，静止同步补偿器只与系统进行无功交换，而没有有功交换。
　　当系统与补偿器之间没有有功交换时，在理想情况下，逆变器的直流电容电压保持不变。当补偿器只与系统进行无功交换时，逆变器的输出电压幅值大于系统电压幅值时，补偿器向系统注入无功；逆变器的输出电压幅值小于系统电压幅值时，补偿器从系统吸收无功。当逆变器的输出电压与系统电压相位不同时，即控制参量Pf不为零，此时补偿器将与系统之间进行有功交换，逆变器的直流电容电压将发生变化，需对逆变器的直流电容电压进行控制。当补偿器与系统进行有功交换时，逆变器的输出电压的相位超前于系统电压相位时，补偿器向系统注入有功；逆变器的输出电压相位滞后系统电压相位时，补偿器从系统吸收有功。
　　3.3TCSC（晶闸管控制串联电容器）
　　为便于调节，保证输电线路始终通畅，串联电容器直接串联在线路里，在其两端并联电抗器与电子开关的串联支路。若需调节投入线路的串联补偿量，是通过调节与电容器并联的电抗量来间接实现的。为能够连续平滑地改变串联补偿量，TCSC主要借助调节变换晶闸管的触发导通角，实现高效保质地控制线路中的潮流。TCSC既可以有效地改善电力系统特性，控制电力系统传输线路中的潮流和提高输送功率，也可以抑制阻尼功率振荡和次同步振荡，以使得系统电压性能得到保障，系统稳定性得以提高。TCSC调节晶闸管触发延迟角的范围可从90°到180°。而TCSC的稳态阻抗特性以谐振点为划分，分为容性运行区和感性运行区。与谐振点对应的控制触发延迟角α的大小由电容和电感的参数决定。可控串补的控制原理就是根据系统稳定控制、恒功率控制、恒阻抗控制等目的，计算出串补输出的基波阻抗值，再根据曲线得到与该阻抗值对应的触发角。
　　4.结语
　　采用无功补偿技术是提高电能质量不可或缺的方法，不仅能实现节能的目的，还能不断挖掘电网的潜力。电力电子逆变技术是无功补偿技术未来的主要发展方向的核心，得益于电力电子变流装置的突出特点，可考虑在谐波抑制的同时实现无功补偿。