無功功率補償技術及發展

1.無功功率補償裝置的主要作用是：提高負載和係統的功率因數，減少設備的功率損耗，穩定電壓，提高供電質量。在長距離輸電中，提高係統輸電穩定性和輸電能力，平衡三相負載的有功和無功功率等。
2.無功功率補償技術的現狀目前，國內電網采用的電容補償技術主要是集中補償與就地補償技術。就地補償技術主要適用於負荷穩定，不可逆且容量較大的異步電動機補償(如風機、水泵等)，其它各種場合仍主要采用集中補償技術。下麵是幾種常用的補償裝置。
2.1　同步調相機 早期的無功功率補償裝置主要為同步調相機，多為高壓側集中補償。同步調相機目前在現場仍有少量使用。
2.2　靜止補償裝置的基本作用是連續而迅速地控製無功功率，即以快速的響應，通過發出或吸收無功功率來控製它所連接的輸電係統的節點電壓。靜止補償器由於其價格較低、維護簡單、工作可靠，在國內仍是主流補償裝置。靜止補償器(SVC)先後出現過不少類型，目前來看，有發展前途的主要有直流助磁飽和電抗器型、可控矽控製電抗器型和自飽和電抗器型3種。上述**種又可分為：固定連接電容器加可控矽控製的電抗器(fixedcapacitor＆thyristor controlledreactor，FC－TCR)；可控矽開關操作的電容器加可控矽控製的電抗器(thyristor switchedcapacitor＆thyristor controlled reactor，TSC－TCR)。實際上，由斷路器(電磁型交流接觸器)操作的電容器和電抗器在電網中正在大量使用，可以說這種補償技術是靜態的，因為它不能及時響應無功功率的波動。這種裝置以電磁型交流接觸器為投切開關，由於受電容器承受湧流能力、放電時間及電容器分級以及接觸器操作頻率、使用壽命等因素製約，因而無法避免以下不足：
(1)補償是有級的、定時的，因而補償精度差，跟隨性不強，不能適應負荷變化快的場合；受交流接觸器操作頻率及壽命的限製，靜態補償裝置一般均設有投切延時功能，其延時時間一般為30s。對一般穩定負荷，即負荷變化周期大於30s的負荷，這類補償裝置是有效的，但對一些變化較快的負荷，如電梯、起重、電焊等，這類補償裝置就無法進行跟蹤補償。
(2)不能做到無湧流投入電容器，對於接觸器加電抗器方案，增加損耗較大，對於容性接觸器方案，事故率較大，對金屬化電容器的使用壽命影響很大；目前，低壓電力電容器以金屬化自愈式電容器為主，這種電容器的引線噴金屬端麵對湧流承受能力有限，因此，湧流的大小及次數是影響電容器使用壽命的主要因素。
(3)運行噪聲較大。
(4)由於控製部分的負載是接觸器的線圈，在投切過程中，造成火花乾擾，影響補償裝置的可靠性和使用壽命。針對上述問題，基於智能控製策略的TSC補償裝置正在引起關注。TSC的基本結構如圖1所示。事實上，如果能夠進行動態無功功率補償則能夠克服以上不足。
 
圖1　TSC的基本結構
將微處理器用於TSC，可以完成複雜的檢測和控製任務，從而使動態補償無功功率成為可能。基於智能控製策略的TSC補償裝置的核心部件是控製器，由它完成無功功率(功率因數)的測量及分析，進而控製無觸點開關的投切，同時還可完成過壓、欠壓、功率因數等參數的存貯和顯示。因此，與斷路器操作的電容器裝置相比，儘管單台無觸點開關的造價比交流接觸器高，但該裝置仍然有以下幾個特點：
①無湧流，允許頻繁操作；
②跟蹤響應時間快，動態跟蹤時間0.02～2s(可調)；
③采用編碼循環式投切電容器，可均勻使用電容器，從而延長整個裝置的使用壽命；
④具有各種保護功能，如過壓保護、缺相保護及諧波分量超限保護等。
2.3靜止無功發生器(static vargenerator，SVG)又稱靜止同步補償器(STATCOM)，是采用GTO構成的自換相變流器，通過電壓電源逆變技術提供超前和滯後的無功，進行無功補償。與SVC相比，其調節速度更快且不需要大容量的電容、電感等儲能元件，諧波含量小，同容量占地麵積小，在係統欠壓條件下無功調節能力強。SVG的等效電路如圖2所示。其中，變壓器與補償器可看作逆變器電路。從電力係統一側來觀察，我們可以把逆變器電路看成是一個產生基波和諧波電壓的交流電壓源，控製補償器基波電壓大小與相位來改變基波無功電流的大小與相位。當逆變器基波電壓比交流電源電壓高時，逆變器就會產生一個超前(容性)無功電流。反之，當逆變器基波電壓比交流電源電壓低時，則會產生一個滯後(感性)無功電流，因此能與係統進行有功、無功之間的交換。若控製方法得當，SVG在補償無功功率的同時還可以對諧波電流進行補償。在穩態情況下，SVG的直流側和交流側之間冇有有功功率交換，無功功率在三相之間流動，因此直流隻需要較小容量的電容即可。此外，SVG裝置用銅和鐵較少，且有優良的補償特性，因此是新一代無功補償裝置的代表，有很大的發展前途。

圖2　SVG等效電路
我國台20MvarSVG於1999年3月並入河南電網試運行。
3.無功功率補償技術的發展趨勢
3.1　電力有源濾波器電力有源濾波器(activepower filter，APF)的基本原理如圖3所示。

圖3　電力有源濾波器的基本原理
電力有源濾波器的交流電路分為電壓型和電流型。目前實用的裝置90％以上為電壓型。從與補償對象的連接方式來看，電力有源濾波器可分為並聯型和串聯型。並聯型中有單獨使用、LC濾波器混合使用及注入電路方式，目前並聯型占實用裝置的大多數。目前電力有源濾波器仍存在一些問題，如電流中有高次諧波，單台容量低，成本較高等。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發展前景。
3.2　綜合潮流控製器 綜合潮流控製器(unified power flowcontroller，UPFC)將一個由晶閘管換流器產生的交流電壓串入並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，並可提高輸送能力以及阻尼係統振蕩。美國西屋電氣公司研製出一種簡化的UPFC稱為串聯潮流控製器(serialpower flowcontroller，SPFC)，其基本結構和SVG類似，區彆是其輸出變壓器串聯接入輸電線。SPFC造價明顯低於UPFC，功能可與之相比且優於SVG。中國電力科學研究院、東南大學、清華大學等單位也進行了理論研究和仿真實驗，研究結果表明：UPFC具有良好的效果和功能。
4.結束語
由於性價比較高，目前我國廣泛使用的還是靜止補償器(SVC)。其中，能夠進行無功功率動態補償的基於智能控製策略的TSC仍然需要大力推廣。實際上，國內外對SVC的研究仍在繼續，研究的重點集中在控製策略上，試圖借助於人工智能提高SVC的性能。隨著大功率電力電子器件技術的高速發展，未來的功率器件容量將逐步提高，應用有源濾波器進行諧波抑製，以及應用柔**流輸電係統技術進行無功功率補償，必將成為今後電力自動化係統的發展方向。