無功補償原理和作用及補償方式詳解
前言
隨著電網進一步發展完善，無功補償技術是在電網中提高系統運行電壓、保證系統無功功率平衡、降低網損、提高供電質量的一種重要手段，并得到廣泛的應用。本文論述了無功補償的概念和作用、分類，并簡單介紹了幾種柔性交流輸電裝置的補償原理。
1.無功補償的概念和作用 1.1無功補償的概念 在電力系統中無功功率，是由處于輕載條件下的線路和電纜產生的，并可被負載，變壓器和重載的線路所吸收。發電機在控制系統電壓時會發出或吸收無功。如不對輸電網中的無功功率加以控制就有可能影響系統的穩定性并導致過壓等問題，而某些類型的工業負荷快速變化的無功需求則可能會導致無法接受的電壓波動。采用電力電子裝置（電力電容或調相機等）可以通過提供可調的無功功率來解決上述問題，從而降低或免卻供電網輸送的無功電流、線路損耗，提高電網的效率，可控性和供電質量。 1.2無功補償的作用 在電力供電系統中提高系統的負載功率因數和改善負載，減少輸電線路上各種設備的功率損耗，穩定系統的傳輸電壓，提高系統的供電電壓質量。在長距離輸電中，提高系統輸電能力和穩定性，平衡電力系統各支路末端三相負載的有功和無功功率等。 2.無功補償的分類 無功補償裝置按照接入電網的形式可分為串聯補償和并聯補償。 2.1串聯補償 串聯補償主要是串聯電容器補償，就是在系統中接入串聯電容器，改變系統的等效阻抗，提高線路的輸送能力。通過調節輸電線路的阻抗可以控制輸電線路中的輸送功率，串聯電容器補償是提高長距離輸電線路輸電能力的有力措施。由P=V1V2sin/X可知，當串聯電容器后，串聯容抗與部分線路電感相抵消，線路的等效電感隨之減小，電氣距離得以縮短，增加了傳輸功率。在低電壓等級的電網中，大部分線路壓降是由于線路電感所致，串聯補償可根據負載波動調節補償電容的大小，盡可能減少的線路壓降。串聯電容能夠自發響應且迅速，因其屬于無源電路元件，故串聯補償有助于電壓調節，有效解決電壓閃變的問題。 2.2并聯補償 并聯補償按照輸出功率的性質，又可分為有功補償和無功補償，在電力系統中增加并聯電容器、并聯電抗器等補償系統無功功率。絕大部分電氣設備的等效電路可以看做電阻與電感串聯的電路，再與電容并聯，使得回路電壓電流之間相位差變小，功率因數提高。并補的主要作用：提高系統和負荷的功率因數，減少系統損耗，提高系統靜穩特性，改善系統動穩特性，提高系統暫穩特性，穩定節點電壓，實現負荷的三相不平衡補償等。3.柔性交流輸電裝置（SVC、STATCOM、TCSC）的補償原理
3.1SVC（靜止無功補償器）
利用電容器和電抗器組成的可提供感性或容性無功補償的裝置，能平滑控制動態無功功率。負荷側的無功經常變化，固定無功補償不能穩定母線電壓。如果保證系統中某些母線處的無功量恒定或恒定接近于零，就能消除由負荷變化引起的母線電壓波動。負荷變化率（由零到額定值）在1S以上的，采用調相機。負荷變化率在1S以下的，采用調相機很難勝任，需采用靜補。一般有六種補償方式：固定容性、固定感性、可變容性、可變感性、固定容性+可變感性、可變容性+可變感性，通常用后兩種補償方式。FC（濾波電容器）提供無功補償的基本量，TSC（晶閘管投切的電容器）、TCR（晶閘管控制的電抗器）提供無功補償的連續平滑調節量。補償原則：其中為線路注入變電站母線的無功，為無功負荷，為無功補償裝置提供的補償量。通常采用欠補償或全補償。 3.2靜止同步補償器（STATCOM）靜止同步補償器功能上類似于能產生三相正弦對稱電壓的旋轉同步電機，在電力系統中能夠進行無功或有功交換。補償器與SVC不同之處在于向系統提供的容性無功不受系統電壓因素的影響，適應各種系統電壓且保持額定無功功率不變，因此靜止同步補償器能夠為系統提供更好的電壓支持，防止電壓崩潰，該特點在系統故障時表現得尤為突出。
補償器的逆變器根據系統無功和有功參量來調整其輸出電壓的幅值、相位。當逆變器的輸出電壓與系統電壓同相位時，即控制參量Pf為零而Qf不為零時，靜止同步補償器只與系統進行無功交換，而沒有有功交換。
當系統與補償器之間沒有有功交換時，在理想情況下，逆變器的直流電容電壓保持不變。當補償器只與系統進行無功交換時，逆變器的輸出電壓幅值大于系統電壓幅值時，補償器向系統注入無功；逆變器的輸出電壓幅值小于系統電壓幅值時，補償器從系統吸收無功。當逆變器的輸出電壓與系統電壓相位不同時，即控制參量Pf不為零，此時補償器將與系統之間進行有功交換，逆變器的直流電容電壓將發生變化，需對逆變器的直流電容電壓進行控制。當補償器與系統進行有功交換時，逆變器的輸出電壓的相位超前于系統電壓相位時，補償器向系統注入有功；逆變器的輸出電壓相位滯后系統電壓相位時，補償器從系統吸收有功。
3.3TCSC（晶閘管控制串聯電容器）
為便于調節，保證輸電線路始終通暢，串聯電容器直接串聯在線路里，在其兩端并聯電抗器與電子開關的串聯支路。若需調節投入線路的串聯補償量，是通過調節與電容器并聯的電抗量來間接實現的。為能夠連續平滑地改變串聯補償量，TCSC主要借助調節變換晶閘管的觸發導通角，實現高效保質地控制線路中的潮流。TCSC既可以有效地改善電力系統特性，控制電力系統傳輸線路中的潮流和提高輸送功率，也可以抑制阻尼功率振蕩和次同步振蕩，以使得系統電壓性能得到保障，系統穩定性得以提高。TCSC調節晶閘管觸發延遲角的范圍可從90°到180°。而TCSC的穩態阻抗特性以諧振點為劃分，分為容性運行區和感性運行區。與諧振點對應的控制觸發延遲角α的大小由電容和電感的參數決定。可控串補的控制原理就是根據系統穩定控制、恒功率控制、恒阻抗控制等目的，計算出串補輸出的基波阻抗值，再根據曲線得到與該阻抗值對應的觸發角。
4.結語
采用無功補償技術是提高電能質量不可或缺的方法，不僅能實現節能的目的，還能不斷挖掘電網的潛力。電力電子逆變技術是無功補償技術未來的主要發展方向的核心，得益于電力電子變流裝置的突出特點，可考慮在諧波抑制的同時實現無功補償。
（作者單位：廣西電網有限責任公司柳州供電局）
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