淺談無功補償技術在電氣自動化中的應用

彭永鎮

（廣西恒潤電力有限公司，廣西 南寧 530000）

所謂無功功率補償，就是在用戶變電所或在用電設備等處裝設無功功率電源，以改變電力系統中無功功率的流動，從而提高電力系統的電壓水平，減小網絡損耗和降低配電線路的成本節約電能，保證電網安全穩定和經濟地運行。當前，隨著電氣自動化技術及其設備的單相電力牽引負荷變化復雜和非線性因素增強，需要對電氣自動化中的無功補償技術進行深入研究，以更好地解決國民生產中電力資源的浪費問題。

1 無功補償的作用

（1）提高電網及負載的功率因數，降低輸電線路立即用電設備所需容量，減少不必要的損耗。

（2）穩定電網電壓，提高電網質量，而在長距離輸電線路中安裝合適的動態無功補償裝置，配置適當的調節器，可提高系統的穩定性及輸電能力，提高了電力系統的抗干擾能力。

（3）在三相負載不平衡的場合，可對三相視在功率起到平衡作用。

（4）裝設靜止無功補償器（SVS）還能改善電網的電壓波形，減小諧波分量和解決負序電流問題，對電容器、電纜、電機、變壓器等，還能避免高次諧波引起的附加電能損失和局部過熱。

2 無功補償技術的研究現狀

無功功率是電力系統設計和良好運行的基本要素之一，其補償或控制對于電力系統減少功率傳輸損失、增加有功功率傳輸能力以及維持供電電壓，起著重要的作用。隨著電氣化程度的加深和一些先進技術的采用，國內外在無功補償技術方面進行了一些研究。

自20世紀80年代以來，靜止同步補償器（STATCOM）出現了，也有人稱之為靜止無功發生器（SVG），其與傳統無功補償裝置相比，STATCOM 大大減小了體積，節省了材料，并具有響應速度快、調節性能好、能綜合補償無功和諧波含量少的特點，逐步成為無功補償裝置重要的一員。

國內在借鑒和結合國外先進技術的基礎上，我國的電氣自動化鐵道變電所對于無功補償技術和諧波綜合治理方法進行了多種深入研究，其中大部分都是力求在基波下補償牽引負荷的感性無功功率，對于提高電氣的功率因數、降低負荷以及構成有效的濾波通路、濾除、抵消指定諧波有著重要作用。

3 無功補償技術的實現途徑及其特點

3.1 真空斷路器投切電容器

真空斷路器具有體積小、滅弧性能好、壽命長、維護量小、使用安全等優點，在中壓系統及配電電網中應用日益廣泛。特別是由于其適合頻繁操作的特點。其缺點是合閘時，在斷路器斷口會出現很高的過電壓，致使設備損壞，加之開關壽命的限制，不能頻繁投切，從而影響動態補償效果。

3.2 有源濾波器（APF）

有源濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，其既可補償非線性負荷產生的高次諧波，又能自動使用電網阻抗和頻率的快速變化。這種方案可動態濾除各次諧波，對系統內的諧波能夠完全吸收；不會產生諧振；缺點是造價太高，受硬件限制，在大容量場合無法使用。

3.3 LC無源濾波器

無源濾波器，又稱 LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，具有補償和濾波功能。其原理分析如下，補償器的阻抗為：

3.4 并聯混合型有源濾波器

并聯混合型有源濾波器由 LC濾波器和有源濾波器組成。該技術是只由無源部分補償無功功率，有源部分和無源部分共同抑制諧波，使其兼具較大容量的無功補償和諧波抑制能力以及較小的逆變器容量的特點，同時實現對電網諧波先由無源濾波器進行“初濾”，再由有源濾波器進行“精濾”的諧波治理思路。特點是它充分利用無源補償的大容量；有源補償的靈活性、可控性兩個優點。目前，該技術仍處于研究階段。

另外，動態無功補償的裝置還有：固定濾波器＋晶閘管調節電抗器（TCR）、固定濾波器＋晶閘管調節變壓器、固定濾波器＋可控飽和電抗器、固定濾波器（FC）＋電容器（TC）＋電抗器（TL）的調壓等。

4 無功補償技術存在的問題

（1）大量無功潮流從發電廠涌向高壓變電站，再通過輸電線路輸送至中低壓變電站，造成大量無功潮流遠距離穿越、傳輸。

（2）電容器具有一定的抗諧波能力，但諧波含量過大時會對電容器的壽命產生影響，甚至造成電容器的過早損壞，并且由于電容器對諧波有放大作用，因而使系統的諧波干擾更嚴重。

（3）存在無功向配電網倒送現象，無功倒送將會增加電網損耗，造成電壓偏高，加重配電線路負擔，尤其是采用固定電容器補償方式的用戶，可能在負荷低谷時造成無功倒送。

（4）無功補償容量配置不合理，大多變電站補償電容為整組投切，不能根據負荷變化需要做到就地平衡，高負荷時功率因數太低，低負荷時又出現過補償。

5 無功補償技術的發展趨勢

5.1 無涌流電容投切器

無涌流電容投切器是一種采用智能控制策略的無功補償裝置。該裝置的特點有：①無涌流，允許頻繁操作；②跟蹤響應時間快，動態跟蹤時間0.02～0.2 s；③采用編碼循環方式投切電容器，可均勻使用電容器，從而延長整個裝置的使用壽命；④具有過壓保護、缺相保護及諧波分量超限保護等多種保護功能；⑤只在投切動作瞬間耗電，平時不耗電，降低了成本，真正達到了節能、降耗的目的等，這些優點，正成為了低壓供電系統無功功率補償領域的重要途徑之一。

5.2 靜止無功發生器（SVG）

靜止無功發生器將功率開關構成的三相橋式變流電直接或通過電抗器并聯到電網上，通過電壓源逆變技術提供超前或滯后的無功功率，進行無功補償。由于SVG具有直流電容量較小、成本較低、能調節電網電壓、在電壓很低的情況下仍能輸出額定無功電流等優點，由此可顯示SVG是未來靜止無功補償技術發展的主要方向。

5.3 電力有源濾波器（APF）

電力有源濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。目前，電力有源濾波器的研究仍存在著電流中有高次諧波、單臺容量低、成本較高等問題。隨著電力半導體器件向大容量、高頻化方向發展，這類既能補償諧波又能補償無功的裝置必然有很好的前景。

5.4 綜合潮流控制器（UPFC）

綜合潮流控制器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防止系統振蕩。UPFC技術是目前電力系統輸配電技術的最新發展方向，對電網規劃建設和運行將帶來重要的影響。

6 結束語

實踐證明，無功補償技術的應用降低了網損，高效節能，提高了電氣設備效率，在不改變變壓器原設計的基礎上增加了變壓器的帶載容量。當前，隨著電力電子技術和控制技術的發展，將有更多的具有無級調節能力的無功補償裝置被設計并投入生產使用，以期能快速、有效地補償系統無功，從而提高牽引供電系統電能質量和運行的經濟效益。

1 李智東.電力系統無功功率補償技術的幾點思考［J］.今日科苑，2009（20）