電力系統中無功補償裝置分類及選擇

惠立新，崔紹偉

（1.河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021；2.南水北調中線干線工程建設管理局，石家莊 050000）

電力系統中無功補償裝置分類及選擇

惠立新1，崔紹偉2

（1.河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021；2.南水北調中線干線工程建設管理局，石家莊 050000）

無功補償是電力系統廣泛采用的改善電網質量、節能降損最經濟有效的方法之一，通過對各種自動無功補償裝置的分類比較，介紹了各類無功補償的優缺點，說明了無功補償裝置的選擇方法。

電力系統；無功補償；電網質量；選擇

1 概述

隨著我國經濟的飛速發展和國際化能源緊張局勢的加劇，加強電能質量和節能降損管理已成為國家政策的重要內容。電力系統中電壓和頻率是衡量電能質量的兩個最重要指標。為確保電力系統的正常運行，供電電壓和頻率必須穩定在規定的范圍內。其中電壓控制的重要方法就是對電力系統的無功功率進行控制，采用無功補償裝置已成為電力系統改善電網質量、節能降損最經濟有效的方法之一。

無功補償裝置在供電系統中所承擔的作用是提高電網的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。在電力系統中，存在大量的電感性負載，在運行中消耗大量無功，無功儲備不足將會導致電網電壓水平降低，沖擊性的無功功率負載還會使電壓產生劇烈的波動，惡化電網的供電質量。所以無功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個不可缺少的重要位置。

無功補償裝置種類繁多，針對性較強，技術水平參差不齊。隨著電子技術的飛速發展，可控硅的工業控制技術和工業應用技術已經成熟，從而為無功功率補償裝置的發展奠定了堅實的基礎。

2 無功補償裝置分類

無功補償裝置分類有很多種方法，按能源供給的角度可分為無源補償和有源補償兩大類。

2.1 無源補償

無源補償裝置僅能發出無功功率，而不能吸收無功功率，早期的無功補償裝置主要是無源裝置，是在系統母線上并聯或者在線路中串聯一定容量的電容器或者電抗器。按控制方式可分為靜態、動態及混合方式3種。

靜態補償指以電磁型交流接觸器為電容器投切開關的自動無功補償裝置，即控制器控制的投切器件是有觸點的開關；動態補償指采用可控硅投切電容器、電抗器的無功補償裝置，即控制投切的開關是無觸點的復合開關，快速投切調節器。

無源補償的技術發展主要經歷了2代：第1代為機械式投切的無源補償裝置，屬于固定補償、分組投切的慢速無功補償裝置，在電力系統中應用較早，目前仍在應用；第2代為晶閘管投切的靜止無功補償器（SVC）（自飽和電抗器型SSR、晶閘管投切電容器型TSC、晶閘管相控電抗器型TCR、高阻抗變壓器型TCT等），SVC依靠電力電子器件開關來實現無功調節，由于其換流元件關斷不可控，易產生較大的諧波電流，而且對其電網電壓波動的調節能力不夠理想，出現于20世紀70年代，國內外應用較為普遍。

2.2 有源補償

有源補償裝置不僅能夠發出無功功率，而且也能夠吸收無功功率，具有雙向調節的強大能力。早期的如同步調相發電機，現代常見的為靜止同步補償器（SVG）。

同步調相發電機相應速度慢，噪聲大，損耗大，技術陳舊，屬淘汰技術；靜止同步補償器（SVG）指采用電力電子器件IGBT功率模塊搭建整流和逆變電路，組成可控電壓源有源發生裝置，提供感性或容性電流自動連續補償，實現功率因數全過程調節。SVG屬快速的無功補償裝置，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。

3 無功補償裝置特點

3.1 靜態補償

（1）電容器容量存在級差，分級投切使補償容量不連續，經常發生投則過補，不投則欠補的問題，系統不能處在最佳經濟補償狀態之下，功率因數不會補償得很高。

（2）受電容器承受涌流能力、放電時間限制，不能連續頻繁投切電容。接觸器操作頻率制約投切速度慢，功率因數不穩定，不能對快速變化的負荷進行補償。

（3）采用接觸器或斷路器做投切開關，無法實現零電壓投切，存在較大操作電壓，需串接電抗器或限流電抗器，容易引起電容器與系統產生串聯諧振或并聯諧振，造成電容器過電流或過電壓，損壞設備。

（4）機械觸電動作速度慢，不具備快速性、反復性、連續性的特點，對快速頻繁波動的沖擊性負荷不能有效補償，不能實現短時糾正電壓升高或降落的功能，造成電壓不穩。

（5）諧波嚴重系統不能使用，否則會造成電容擊穿，發生爆炸。

3.2 動態補償

（1）采用可控硅光電觸發技術，實現無觸點電子開關，開關壽命大大延長。

（2）觸發精度高，實現一次系統和二次系統隔離，保證高可靠性觸發。

（3）實現過零投切，投切過程無沖擊、無涌流、無過渡，不引入暫態和諧波，提高了電力系統的靜態和動態穩定性。

（4）有效穩定負載端電壓，改善電壓質量，保證用電設備運行在良好的工況下，提高經濟效益，最大限度地延長電容器的使用壽命。

（5）在規定的動態響應時間內，多級電容器可實現快速頻繁投切，一次到位，響應速度快。

（6）降低網損和變壓器損耗，提高電氣設備效率，增加變壓器帶載能力，充分挖掘供電設備潛力，起到良好的節能效果。

（7）造價較高，可控硅附加損耗增加，本身也是諧波源，污染電網。

3.3 有源補償

（1）實現雙向、動態無功功率的連續調節，即可補償系統中的感性無功，又可補償系統中的容性無功，抑制電壓閃變，有效提高功率因數，降低線路損耗。

（2）響應速度快，即可跟蹤補償沖擊性負荷的沖擊電流，實現基波無功電流，也可對諧波電流進行補償。

（3）取消傳統的無功補償裝置中的電容器、電抗器，占地面積大為減少，節約空間，調節過程平滑無階躍，可實現功率因數全程趨于1，最大限度地降低線路和變壓器的無功損耗，從機理上避免了因系統運行方式改變或設備參數變化而與系統串聯或并聯諧振的發生。

（4）工作狀態不受系統參數變化影響，能實時跟蹤快速響應，動態特性好。（5）輸出電流為標準的正弦波，自身不產生諧波。（6）造價偏高，運行維護水平要求較高。

3.4 無功補償裝置主要技術性能及參數比較

無功補償裝置主要技術性能及參數比較如表1所示。

表1 無功補償裝置主要技術性能及參數對比

4 無功補償裝置選擇及其應用

應根據工程特點及具體要求，選擇適宜的無功補償裝置，包括不同補償方式及補償容量。

4.1 補償方式選擇

4.1.1 根據負荷性質選擇

（1）對負荷平穩、大型沖擊負荷不多、沖擊不頻繁的系統優先采用靜態補償；或雖有大型沖擊負荷，但每日投切次數很少，起動時雖造成瞬時電壓波動，但只要與之相連的母線其他設備能夠承受的，宜采用靜態補償。如連續工作制為主的棉紡企業，用電負荷主要為連續工作制電動機，三相負載基本平衡，無功補償量穩定，采用靜態補償即可。

（2）對大型沖擊負荷、非線性負荷、頻繁起動負荷的系統宜采用動態補償或有源補償。如煉鋼企業的電弧爐，設備容量大、負荷變化無規律，負荷沖擊強、無功負荷瞬時變化大，選用動態補償或有源補償方可穩定母線電網電壓，提高生產效率。

（3）對單項負荷嚴重不平衡的系統，如電氣化鐵路供電系統中的電力機車采用單相交流供電，供電網三相嚴重不平衡，采用分相補償裝置的分相補償可改善不平衡狀態，提高系統功率因數。

（4）對大多數動態負荷只占一部分的場合，可采用動態補償和靜態補償相結合的補償方式，如高層住宅區、大型商場、寫字樓等用電場所既存在較多的單相負荷又有電梯、空調等動力負荷?？照{負荷季節性強，負荷電流平穩、無功負荷變化小，電梯等動力負荷運行時間短、啟動頻繁，采用混補方式效果明顯。動態補償作為負荷變化時的快速補償，靜態補償作為不頻繁投切的基本負荷補償。

（5）對諧波含量較大的用電負荷，可在無功補償裝置基礎上增加濾波功能。如鋼鐵行業中的各種整流設備、電熔煉設備等非線性負荷，諧波含量大，均應進行諧波治理。

4.1.2 根據調節方式選擇

（1）以節能為主進行補償者，采用無功功率參數調節；當三相負荷平衡時，也可采用功率因數參數調節。如一般性生產企業、區域變電站等，以減少無功需求或提高功率因數、減少系統損耗為目的，此種補償主要為靜態補償。

（2）為改善電壓偏差為主進行補償者，應按電壓參數調節。如遠距離輸電工程，主要控制指標為電壓偏移。

（3）對沖擊性負荷、動態變化快的負荷及三相不平衡負荷，可采用晶閘管（電子開關）控制，必要時可采用組合調節方式。如鋼鐵企業的大型軋機，主要通過快速補償穩定電壓，提高功率因數，節能降損。

（4）對三相負荷不平衡系統，采用分相補償或混合補償方式；對含有諧波的配電系統，補償裝置中應設置抑制諧波和涌流的措施。

4.2 無功補償容量計算

設置無功補償裝置的目的就是要提高配電網的運行指標，因此補償容量的確定方法分為兩種。

4.2.1 提高功率因數和降低線損

某引水工程渠首泵站，裝機容量3×250kW，水泵電機自然功率因數0.78，系統要求補償至0.95，依據補償容量QC計算公式：QC=Pmj（tgφ1-tgφ2）=Qpj計算，需補償容量355.5kvar，選擇補償容量400kvar。

4.2.2 提高運行電壓

某引水工程加壓泵站，裝機容量3×1000kW，配電電壓10kV，配電距離4km，架空線路導線型號LGJ-70，輸電線路感抗0.4×4=1.6Ω，平時運行電壓偏低，現技術改造欲提高運行電壓1.5%（150V），依據運行電壓公式△U計算，需在泵房加裝補償容量937.5kvar，選擇安裝容量1000kvar。

5 結語

無功補償技術發展經歷了從同步調相機→開關投切固定電容→靜止無功補償器（SVC）→靜止無功發生器（SVG）的幾個不同階段，技術日益成熟，實際應用中，無功補償裝置選擇應根據具體工程負荷性質、運行工況、工藝要求、運行維護水平等具體分析，既要考慮補償裝置的技術先進性，也要考慮裝置的經濟型，以達到最優的增容、穩壓和節能效果。

［1］國航空工業規劃設計研究院，等.工業與民用配電設計手冊（第三版）［K］.北京：中國電力出版社，2006.

［2］翁雙安.供配電工程設計指導［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［3］湯繼東.低壓配電常見問題分析［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［4］靳龍章.電網無功補償實用技術［M］.北京：中國水利水電出版社，1997.

［5］方大千.輸配電速查速算手冊［K］.北京：中國水利水電出版社，2004.

Classification and Choice of Reactive Power Compensation Device

HUI Li-xin1，CUI Shao-wei2
（1.The Second Institute for Design and Research of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China；2.Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion middle Route Project，Shijiazhuang 050000，China）

Reactive power compensation is one of the most economic effective way and widely used to improve power quality and save energy in power system.This paper introduces the classification of reactive power compensation，the advantages and disadvantages of all kinds of reactive power compensation，given the choice of reactive power compensation principle.

electrical power system;reactive power compensation;power quality;choice

TV737；TM714

A

1672-9900（2013）01-0054-04

2012-11-05

惠立新（1966-），男（漢族），河北霸州人，高級工程師，主要從事水利水電工程設計工作，（Tel）13398610202。