论文部分内容阅读
[摘 要]本文主要介绍了无功补偿的重要性以及发展现状，分析了一些常用无功补偿装置的优点和不足，并在此基础上，简单介绍了低压成套设备，最后展望无功补偿技术的发展方向。
[关键词]无功补偿、无功功率、无功补偿装置
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0318-01
1 无功补偿的作用
无功补偿可以收到以下效益：①提高用户的功率因数，从而提高电工设备的利用率；②减少电力网络的有功损耗；③合理地控制电力系统的无功功率流动，从而提高电力系统的电压水平，改善电能质量，提高了电力系统的抗干扰能力；④在动态的无功补偿装置上，配置适当的调节器，可以改善电力系统的动态性能，提高输电线的输送能力和稳定性；⑤装设静止无功补偿器（SVS）还能改善电网的电压波形，减小谐波分量和解决负序电流问题。对电容器、电缆、电机、变压器等，还能避免高次谐波引起的附加电能损失和局部过热。
2 无功功率补偿技术的现状
目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿（如风机、水泵等），其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。
2.1 几种常用的补偿装置
2.1.1 同步调相机
早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。同步调相机目前在现场仍有少量使用。
2.1.2 静止补偿装置
静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。
静止补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。静止补偿器（SVC）先后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。
2.1.3 静止无功发生器
静止无功发生器（SVG）又称静止同步补偿器（STATCOM），是采用GTO构成的自换相变流器，通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功，进行无功补偿。与SVG相比，其调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下无功调节能力强。
2.2 基子柔性交流输电系统（FACTS）的无功补偿技术
柔性交流输电系统（FlexibleACTransmission Sys-tem）是随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的广泛应用而产生的。目前基于FACTS技术且应用于无功补偿最为广泛的是静止无功补偿器（SVC）[2]。
SVC常用的有以下几种形式：固定电容加晶闸管控制电抗器型（FC+TCR）、晶闸管开关电容器型（TSC）、饱和电抗器型（SR）以及混合型（TCR+TSC）。FC+TCR型补偿器由TCR和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。由于该补偿器响应时间快（小于半周波），灵活性大，而且可以连续调节无功输出，所以目前在我国的电力系统中应用最为广泛。但该补偿装置输出的电流中含有较多的高次谐波，而且电抗器体积大，成本也比较高。
2.3 基于电力电子逆变技术的无功补偿技术
静止无功补偿器（SVC）虽然能对系统无功进行有效的补偿，但是由于换流元件没有断流能力，使其容易对电网产生较多的谐波电流，而且对电网电压波动的调节能力不够理想。随着大功率全控型晶闸管GTO及IGBT的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术（PWM）、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿技术也正成为研究的热点。
2.3.1 静止无功发生器（SVG）
静止无功发生器（Static Var Generator）又称静止无功调相机（Static Synchronous Compensator，STAT-COM），也是柔性交流输电系统的重要装置之一，已在日本、美国、德国相继得到成功应用。SVG可以分为电压型和电流型两种类型，直流侧分别采用电容和电感作为储能元件。电压型由于结构简单、能量损耗小、成本低而且易于控制，所以采用电压型逆变器的SVG较多。
2.3.2有源滤波器（APF）
有源滤波器（Active Power Filter）的电路结构图与静止無功发生器相似，但补偿机理不同。SVG是以系统无功为补偿目标，而APF是以系统中的谐波电流为主要补偿目标，在消除谐波的同时可以补偿无功。和SVG一样，APF根据直流侧储能元件的不同，可以分为电压型和电流型，而按照其与电网的连接方式不同又可分为并联型和串联型两种。串联型APF根据检测分离出的谐波电流，输出与其成正比的较大倍数的电压。这样APF对于谐波电流表现为纯电阻，而对于基波电流，则表现为零电阻，所以它能有效滤除系统中的谐波。但由于补偿后负载端电压幅值变化较大，所以无功补偿效果不很理想。并联型APF则能根据谐波电流的大小，向系统注入与谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，使系统中只含有基波电流。如果在补偿电流中加入适当的基频分量，则可以补偿系统的无功功率。
2.4 信号检测技术
补偿装置对系统无功功率的补偿效果很大程度上依赖于对系统电参数瞬时值的检测，因此，实时精确的检测方法对无功补偿的研究十分重要。通常的信号检测是采用AC/DC整流电路，但这种方法不仅实时性差，而且信号中含有较多的谐波成分。目前研究人员提出的检测方法主要有：基于Fryze时域分析的有功电流分离法、基于频域分析的FFT分解法、基于Akagi的瞬时无功功率检测法、同步检测法、自适应检测法等。这些方法各有优缺点：如基于Fryze时域分析的有功电流分离法和基于频域分析的FFT分解法都有较大时延，实时性较差，后者对高次谐波的检测精度较差；基于Akagi的瞬时无功功率检测法虽然实时性较好，但由于乘法器较多，影响检测精度，而且只能用于三相平衡系统。
3 低压成套设备
低压成套开关设备，是由一个或多个低压开关设备和相关的控制、测量、保护等设备以及所有内部的电气、机械的相互连接与结构部件完全组装好的一种组合体.它是各种低压开关屏、箱、柜的统称，是低压系统的配电、用电设备，是人们经常操作与接触的设备之一[3]。
低压成套开关设备在低压供电系统中负责电能的控制、保护、测量、转换和分配。由于低压成套开关设备深入到生产现场、公共场所、居民住宅等地点，可以说凡是使用电气设备的地方都应配备低压设备，我国电能的80%左右都是通过低压成套开关设备供出，低压成套开关设备的发展源于材料工业、低压电器、加工工艺和设备、基础设施建设和人民的生活水平，所以低压成套开关设备的水平从一个侧面反映了一个国家的经济实力与科学技术、生活水平。我国低压成套开关设备在20世纪70年代以前基本处于停滞不前的状态，主要反映在产品的品种单一，质量差，技术参数低，工艺设备落后，产品种类长年不变和标准的落后（当时只有一个标准JB617）。进入20世纪80年代后，由于基础设施和电力能源投入的加大，使低压成套开关设备行业开始有了较大的发展空间，市场需求量逐年增大，刺激了行业的发展，表现在生产厂家大量增加，产品的翻新速度加快，品种增多，产品的标准也在逐步向国际标准靠拢。
参考文献
[1] 刘志勇，余志东.无功功率补偿技术及发展趋势[J].农村电气化2004（6）.
[2] 董云龙，吴杰，王念春，张颖.无功补偿技术综述[J].节能，2003（9）.
[3] GB/T14048.1-2000低压开关设备和控制设备总则[S]，2001.
[关键词]无功补偿、无功功率、无功补偿装置
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0318-01
1 无功补偿的作用
无功补偿可以收到以下效益：①提高用户的功率因数，从而提高电工设备的利用率；②减少电力网络的有功损耗；③合理地控制电力系统的无功功率流动，从而提高电力系统的电压水平，改善电能质量，提高了电力系统的抗干扰能力；④在动态的无功补偿装置上，配置适当的调节器，可以改善电力系统的动态性能，提高输电线的输送能力和稳定性；⑤装设静止无功补偿器（SVS）还能改善电网的电压波形，减小谐波分量和解决负序电流问题。对电容器、电缆、电机、变压器等，还能避免高次谐波引起的附加电能损失和局部过热。
2 无功功率补偿技术的现状
目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿（如风机、水泵等），其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。
2.1 几种常用的补偿装置
2.1.1 同步调相机
早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。同步调相机目前在现场仍有少量使用。
2.1.2 静止补偿装置
静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。
静止补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。静止补偿器（SVC）先后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。
2.1.3 静止无功发生器
静止无功发生器（SVG）又称静止同步补偿器（STATCOM），是采用GTO构成的自换相变流器，通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功，进行无功补偿。与SVG相比，其调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下无功调节能力强。
2.2 基子柔性交流输电系统（FACTS）的无功补偿技术
柔性交流输电系统（FlexibleACTransmission Sys-tem）是随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的广泛应用而产生的。目前基于FACTS技术且应用于无功补偿最为广泛的是静止无功补偿器（SVC）[2]。
SVC常用的有以下几种形式：固定电容加晶闸管控制电抗器型（FC+TCR）、晶闸管开关电容器型（TSC）、饱和电抗器型（SR）以及混合型（TCR+TSC）。FC+TCR型补偿器由TCR和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。由于该补偿器响应时间快（小于半周波），灵活性大，而且可以连续调节无功输出，所以目前在我国的电力系统中应用最为广泛。但该补偿装置输出的电流中含有较多的高次谐波，而且电抗器体积大，成本也比较高。
2.3 基于电力电子逆变技术的无功补偿技术
静止无功补偿器（SVC）虽然能对系统无功进行有效的补偿，但是由于换流元件没有断流能力，使其容易对电网产生较多的谐波电流，而且对电网电压波动的调节能力不够理想。随着大功率全控型晶闸管GTO及IGBT的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术（PWM）、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿技术也正成为研究的热点。
2.3.1 静止无功发生器（SVG）
静止无功发生器（Static Var Generator）又称静止无功调相机（Static Synchronous Compensator，STAT-COM），也是柔性交流输电系统的重要装置之一，已在日本、美国、德国相继得到成功应用。SVG可以分为电压型和电流型两种类型，直流侧分别采用电容和电感作为储能元件。电压型由于结构简单、能量损耗小、成本低而且易于控制，所以采用电压型逆变器的SVG较多。
2.3.2有源滤波器（APF）
有源滤波器（Active Power Filter）的电路结构图与静止無功发生器相似，但补偿机理不同。SVG是以系统无功为补偿目标，而APF是以系统中的谐波电流为主要补偿目标，在消除谐波的同时可以补偿无功。和SVG一样，APF根据直流侧储能元件的不同，可以分为电压型和电流型，而按照其与电网的连接方式不同又可分为并联型和串联型两种。串联型APF根据检测分离出的谐波电流，输出与其成正比的较大倍数的电压。这样APF对于谐波电流表现为纯电阻，而对于基波电流，则表现为零电阻，所以它能有效滤除系统中的谐波。但由于补偿后负载端电压幅值变化较大，所以无功补偿效果不很理想。并联型APF则能根据谐波电流的大小，向系统注入与谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，使系统中只含有基波电流。如果在补偿电流中加入适当的基频分量，则可以补偿系统的无功功率。
2.4 信号检测技术
补偿装置对系统无功功率的补偿效果很大程度上依赖于对系统电参数瞬时值的检测，因此，实时精确的检测方法对无功补偿的研究十分重要。通常的信号检测是采用AC/DC整流电路，但这种方法不仅实时性差，而且信号中含有较多的谐波成分。目前研究人员提出的检测方法主要有：基于Fryze时域分析的有功电流分离法、基于频域分析的FFT分解法、基于Akagi的瞬时无功功率检测法、同步检测法、自适应检测法等。这些方法各有优缺点：如基于Fryze时域分析的有功电流分离法和基于频域分析的FFT分解法都有较大时延，实时性较差，后者对高次谐波的检测精度较差；基于Akagi的瞬时无功功率检测法虽然实时性较好，但由于乘法器较多，影响检测精度，而且只能用于三相平衡系统。
3 低压成套设备
低压成套开关设备，是由一个或多个低压开关设备和相关的控制、测量、保护等设备以及所有内部的电气、机械的相互连接与结构部件完全组装好的一种组合体.它是各种低压开关屏、箱、柜的统称，是低压系统的配电、用电设备，是人们经常操作与接触的设备之一[3]。
低压成套开关设备在低压供电系统中负责电能的控制、保护、测量、转换和分配。由于低压成套开关设备深入到生产现场、公共场所、居民住宅等地点，可以说凡是使用电气设备的地方都应配备低压设备，我国电能的80%左右都是通过低压成套开关设备供出，低压成套开关设备的发展源于材料工业、低压电器、加工工艺和设备、基础设施建设和人民的生活水平，所以低压成套开关设备的水平从一个侧面反映了一个国家的经济实力与科学技术、生活水平。我国低压成套开关设备在20世纪70年代以前基本处于停滞不前的状态，主要反映在产品的品种单一，质量差，技术参数低，工艺设备落后，产品种类长年不变和标准的落后（当时只有一个标准JB617）。进入20世纪80年代后，由于基础设施和电力能源投入的加大，使低压成套开关设备行业开始有了较大的发展空间，市场需求量逐年增大，刺激了行业的发展，表现在生产厂家大量增加，产品的翻新速度加快，品种增多，产品的标准也在逐步向国际标准靠拢。
参考文献
[1] 刘志勇，余志东.无功功率补偿技术及发展趋势[J].农村电气化2004（6）.
[2] 董云龙，吴杰，王念春，张颖.无功补偿技术综述[J].节能，2003（9）.
[3] GB/T14048.1-2000低压开关设备和控制设备总则[S]，2001.