低压无功补偿柜
高压低压动态无功补偿装置
整理：赫特电气 阿杜
随着现代电力电子技术的发展，产生了一些静止形态的动态无功补偿装置。电力电子装置不仅可以发送而且还可以吸收无功功率，其本身也成为产生无功的功率源。在许多情况下，动态补偿有功功率或在补偿无功的同时也补偿部分有功功率，对改善电能质量会有更好的效果。随着电网中精密电能用户的增多，要求电网必须提供与用户所要求的质量指标相适应的电能。近年来，为了进一步提高配电电能质量指标，出现了多种动态的改善电能指标的电力电子设备。这些提高电能质量和供电可靠性的技术称为契约电力(custom power)。补偿技术发展的初期，人们已经注意到补偿无功功率和补偿系统参数存在某些相同的效果，有时甚至会产生更适合用户的效果，因此，补偿参数技术在电网中有着重要的应用领域。最常用的是串联电容输电补偿，他对减少电压变动，提高电力系统稳定性起到重要的作用。本文对电力系统中为提高电能质量所使用的各种补偿技术及动态补偿方式作了概括性的介绍，重点叙述了补偿技术的发展及其技术前景，讨论了正在开展的新的补偿技术以及补偿用能源的合理使用，并表明了对当前电网中应用各种补偿方式的看法和评价。电力电子技术应用于电网和用户后使电网上产生了更多的无功和谐波，而用于滤波的技术实际上与补偿技术是相互联系也是相互影响的，因此，对滤波技术的进展也作了介绍。
1 并联无功补偿
1.1 同步调相机
同步调相机是最早用于电网的无功补偿设备，适合于电网电压调节。但调相机的反应速度较慢，因此对瞬时电压波动效果较差。他以励磁电流调节来改变发出电压，从电压的幅值大小决定无功功率的输出，同步电机的启动和运行需要很大的维护工作量，这是他的弱点。同步调相机运行中转子有惯性，在故障瞬间调相机向系统输出短路电流，增大系统的短路容量。对系统容量偏小而且电网短路电流不够大的电网（如直流输电的受端），同步调相机还是有显著作用的。但是，在一般电网中，由于短路容量往往偏大，甚至于需要采取限流措施，不适合采用同步调相机。目前，除了需要加大短路容量外，作为无功和电压补偿的同步调相机已经被完全淘汰。
1.2 静止无功补偿器(static var compansator，SVC)
平滑动态补偿是指所补充进电网的无功电流，
他是按照电网无功需求的变化而变化的。由于无功是与电压直接联系的，所以调节无功在很大程度上是为了系统电压的质量和电压支撑。
静止无功补偿器目前主要有以下2种类型，一种是晶闸管投切电容器(TSC)，
另一种是晶闸管控制电抗器(TCR)。TSC与普通电容器不同之处，在于用晶闸管代替了断路器作电容器组的投切。TCR则连续调节电抗器电流大小，使无功按要求变化，下面分别说明其特点。
1.2.1 晶闸管投切电容器(TSC)
电容器组的投切开关处用晶闸管开关取代了机械式的开关，例如油断路器或真空断路器。晶闸管开关由反并联的晶闸管组成，也可以用一只晶闸管与一只二极管反并联。TSC用的晶闸管只有2个状态，导通和断开。晶闸管由一个控制器控制。
用晶闸管开关取代普通有接点开关的优点是，在投切过程中没有冲击电流和过电压，这是由于电容器的接入是在晶闸管两端电压过零瞬间完成，而电容器的切断是由晶闸管在电流过零时完成。这样电容器可以任意频繁的投切。由于与TSC相连的由一般断路器投切的电容器或电缆线路会向TSC放电，因此，在TSC的电容器电路上串联有电抗器，他既可限制放电电流也能防止电容器组产生某些次谐波的谐振。
图1是2种主要的TSC电路。△形接线电路的TSC可以在任何电网使用。Y0形接线电路的TSC则只能用在电源变压器有中心点连出的系统中。目前，Y0接线只用在低压系统。图2是国产10
kV，1 000 kvar的TSC装置，他采用电磁触发和自然用冷却，这种选择对较小的容量较为适宜。
对于TSC的使用范围，最近比较通行的看法是用在低压系统，即在600
V及以下电压等级系统中用一台或多台TSC控制无功和电压是既经济又可靠的选择。
1.2.2 晶闸管控制电抗器(TCR)
TCR是静止补偿器中的重要组成员，他调节晶闸管的导通角度以改变电抗器电流。TCR总与电容器并联使用，当系统需要较多电容时，TCR使电抗电流减小，若系统需求电容电流下降，TCR则使电抗电流加大，用电抗电流多抵消电容电流，这相当于使接入系统的电容电流减小。TCR本身会产生谐波，所以，往往用滤波器代替部分并联的电容器组，也可用TSC。
在电容器组切除后，TCR可以接受感性无功，这样，在电网夜间电压过高时，TCR可以起到降低受端电压的作用。图3是TCR及其系统接线。其中，变压器可以是任何一种接线。滤波器除滤掉TCR产生的谐波外，也要滤掉负荷所产生的部分谐波，要根据负荷性质考虑滤除谐波的次数。
TCR和TSC都可以分相调节，也就是可以按每相电压或无功的要求确定。瞬时补偿无功量。他们都有减小不对称电流和电压的效果，并且具有在不对称故障时支撑电网电压的作用，使电网不因电压崩溃而失步。
1.2.3 晶闸管投切滤波器(TSF)
晶闸管投切滤波器在结构上与晶闸管投切电容器TSC相同，但其参数不同，且有独特的运行状态。TSC和TSF都有补偿系统无功的能力。TSC的电抗器是为了避免电容涌流和躲过谐振频率而设置的。TSF的电抗器是为了使某一次谐波取得低阻抗通道设计的。运行中TSF可能有大量的谐波流过，高次谐波电流流过滤波器时每基波(50
Hz)电流相加使总电流可能产生多次过零的现象，这时，要求控制器有按反向电流流过而给晶闸管触发信号的能力，这要求控制器能在同步之外符合电流方向给以触发。虽然，晶闸管投切滤波器是新的技术，但已经显示出他的重要作用，到目前其的运行效果是令人满意的。
1.3 无功发生器(STATCOM，SVG)
随着电力电子技术向可控关断和快速触发方向发展，有可能制造出动作频率更高的电力开关器件，从而研究开发出可以在任何相位运行的逆变器。无功发生器(SVG)就是一个可以产生超前电流90°
或滞后电流90°的逆变器，同时，他带有自整流充电能力。SVG的工作原理是从三相电网上取得电压向一个直流电容充电，再将直流电压逆变成交流电压送回电网。SVG最简单的原理见图4。如果产生的电压大于系统电压，那么变压器上流过的电流超前电压90°，使电网带上电容性负荷，或者说SVG供应无功；如果产生的电压小于系统电压，流过变压器的电流滞后电压90°，使SVG成为电感性负载，或者说SVG吸收无功。这样，如果按需要调节发生器的电压就可以得到适宜的无功输出，而且SVG可以在感性和容性间快速连续调整。简化(略去谐波)后可用向量关系来描述上述原理（见图5）。
无功发生器的直流侧电容只提供直流电压，他的电压则由三相6个二极管充电得到。因此，在系统电压下降时，他仍能供出额定的无功电流。而静止补偿器类的设备，其输出的电流与电压是成比例减小的。在原理上，无功发生器在故障中有更好地支撑电压的效果。
无功发生器难于应付系统的不对称。无功发生器在系统电压不对称时，会产生很大的负序电流，这个电流必须流过直流电容器，也就是无功发生器本身不能承担过大的不对称电流。另外，无功发生器在系统不对称时产生的不对称电流将扰乱系统的正常运行。目前采取的方法是，在系统发生不对称时将无功发生器自动切除。由于电力系统中的故障多数是不对称的，这使得无功发生器能产生额定无功电流的优势不能充分发挥出来。
2 串联电容补偿
2.1 静态串联电容补偿装置(SC)
从补偿电网负荷侧电压下降的角度看，用电容补偿无功并不能使电压的变化率减小。如果系统电压用E表示，电网阻抗是R和X，受端电压为U，在负荷电流i和功率因数cosφ时，电流可以分解成有功电流ip(ip=icosφ)和无功电流iq(iq=isinφ)2个分量。受端电压与系统电压之间的关系
其中ipR和iqX二项与U方向相同，是影响电压降ΔU的主要成分，而ipX和iqR二项与电压U垂直，主要生成两端电压的角度δ，即功率角。有功电流和无功电流引起的电压降向量图见图6。因此，对于以改善电能质量为目的的补偿应该主要着眼于ipR和iqX二项。从图6中可以看出
，ipR一般所占比例较小，且不便于补偿，因此，补偿iqX项是唯一可行的。iq是无功电流，U是受端电压，无功Q=iqU。如果经补偿使iq减小，也就是无功Q减小，电压降分量iqX就可以降低，从而使电压降减小。如果要动态补偿iq，可采用TCR或TSC装置随时改变电容电流以减小iq，，但TCR和TSC的投资会大于电容器组。如果用固定电容器补偿，有功电流几乎没有改变，而无功电流则成为iq－ic（ic，是电容电流）。在iq=－ic，时，无功电流达到最小；而iq=0时，无功电流是－ic，这时，不仅电压没有下降反而会升高，即用固定电容补偿并不能减少电压的波动。同样，固定电容也不能减少功角δ的变化。
在电压降项iqX内，不能减小iq时，用降低X的办法也是可行的。X是系统电抗，其线路电抗基本是感性的。如果串联一组电容器，容抗与系统电抗抵消一部分，使iqX减小，电压质量也会得到改善。这种串联电容补偿方法在补偿参数的同时，由于电抗X减小，使功率因数也得到改善(从送端看)，而且明显缩小功角δ，因此还可增进电力系统的稳定性。
图7是串联电容补偿的向量图。其中U1和I1是未补偿前的受端电压和电流
，U2和I2是补偿后的电压和电流。虽然负荷的功率因数和功率没有变化，但受端电压在补偿后明显提高，也就是电压降减小。同时补偿后功率因数也得到提高(从电网侧看)，即φ+δ2φ+δ1。
串联电容补偿与并联电容补偿相比较，串联电容补偿在负荷变化时，受端的电压变化幅度小，他和并联的动态补偿有相似的功能。但由于串联电容补偿技术稍复杂，所以推广较少。国内在80年代初已有成套串联电容补偿产品供应，并经国家鉴定，串联补偿在实际运行中对改善电压质量、增加输电容量的效果很好。
2.2 可控串联电容补偿(TCSC)
串联电容补偿有减小电压降和减小功角的能力。如果他能够快速随电流的振荡来改变电容容抗，则既可以阻尼系统的低频振荡，从而更加增加系统的输电容量，也可以抑制串联补偿引起的次同步谐振，即发电机轴系的扭振。
动态补偿系统阻抗参数X的具体方法是，在串联电容器上并联一组可控电抗器，借改变晶闸管的导通角改变电感电抗值，从而改变容抗及补偿度。补偿度定义为k=xc/x。图8是一相可控串补的电路图。
可控串联补偿设备全部置于绝缘平台上，按线路绝缘选用支架瓷瓶。因此，电容及电感晶闸管都处于高电位，而控制器装置则在地面，中间测量和控制信号由光纤传送，也可用电流互感器传送电流值。
巴西南北的500 kV联络线上，始端、末端各配置有一组可控串联补偿装置，中间分布3级不可控串联补偿装置，输送容量达到1
300 MW。瑞典和美国电网也都配置有可控串联补偿装置，这项技术正处在发展成熟过程中。
由于他的设置复杂，因此只适用于长距离交流输电线路。当线路需要扩大传输容量、设计线路需要输送超常规模的负荷以及系统需要增大暂态和动态稳定时，可控串联补偿是一种可选的方法。和高压直流输电对比，可控串联补偿有其特点。
3 动态有功与无功补偿
3.1 蓄电池储能补偿（BSEE）
在美国加州CHINO地方，有一组蓄电池储能补偿加入了南加州电网。为了补充电力系统峰期电能要求，吸收低谷时余裕电能。他由一组铅酸蓄电池和一组逆变器与电网相连接。由于蓄电池储能可以放在负荷中心附近，而且占地很小，对周围没有污染，因此，用蓄电池储能补偿有功功率余缺效果是很好的。
从直流电源到交流的逆变采用多重化方案可以减少逆变过程中产生的谐波。CHINO的逆变器每相用3个逆变器，相位分别差20°，
三相则需要9个单相逆变器，再经过3组变压器的交互接线，使输电电压波形较接近于正弦，并且相位变化很小。
90年代以前，西柏林也建造了功率为17
MW的蓄电池储能装置，对补偿有功功率的短缺起到很好的作用。目前蓄电池有向小型化发展的趋势。
蓄电池储能补偿也可以补偿无功，只要在逆变器的控制器上改变触发角度即可使其成为无功发生器，当然也可以在补偿无功功率的同时补偿部分有功功率。补偿有功功率对配电系统中线路电阻比较大的情况有很好的效果。
目前，由于蓄电池储能对时差电位有特殊的经济效果，因此，一些企业在夜间电位低的“谷”位时段对蓄电池进行充电，以便在白天电位高时补偿用电，形成了高电位时使用原位电力的现象，即使加上蓄电池和逆变系统的损耗，这样仍是合算的。而且，这种行为填补了峰谷需求差，对电网也是有利的。
暂态有功功率补偿对电能质量的影响很大。蓄电池系统对几分钟到几十分钟的补偿或周期间歇瞬态电压波动的补偿或抑制是极有效的。
3.2 超导贮能（SMES）
当温度降到接近绝对温度时，异体会呈现没有电阻的现象，这种现象称作超导。超导的电感线圈中若一旦被注入电流，电流会长久的在线圈的闭合电路中循环流动不消失，流动时也不需要电源，这种现象说明线圈中存入了磁（电）能。超导在许多领域都有不同目的的应用，在电力系统中有超导变压器、发电机和超导电缆等，用超导储能作暂态和动态补偿是一个较新的方向。
超导储能的特点：他可以快速释放出大的能量，即有很大的吞吐量；他是一个电流源，其结构不允许超导线圈断路。图9是一个为了平息系统低频振荡的超导储能系统示意图。超导线圈L中的电流原来经过旁路晶闸管的断路器饱和电抗器电路循环流过，一旦系统需要电源，旁路晶闸管关断，电流经过
十二脉冲桥逆变成交流，并送入电力系统，在消耗功率的同时循环电流会急剧减小，此时要连续调节十二脉冲桥的触发角，以维持应有的输出。
美国西海岸电网在80年代曾利用如图9所示的超导储能设备平抑了该系统0.35
Hz的低频振荡，该设备的主要参数如下：①最大储能30 MJ；②全充电流4.9 kA；③线圈电压2.1
kV；④最大磁场2.85 T；⑤温度：4.5 K ；⑥最大功率10 MW；⑦保持电流约1 h；⑧线圈电感2.6 H。
超导最大储能为30 MJ，折成电量虽不足8
kWh，但他在很短时间能释放出来，对系统产生极大的阻尼作用。这方面一些发达国家正在进行更实用化的研究，我国也有研究项目在进行中，美国商品化的是一种小型的超导设备，目的在于校正电压波形的瞬态畸变，如电压波形上的过冲或下陷，储能仅1
MJ，暂态输出约有1 MW。主要用在要求有严格正弦波形和电压高度稳定抗干扰电源的精密电子制造业上。
4 动态电压恢复器（dynamic voltage rectorer，DVR）
电网运行中不可避免的会发生事故和故障，即使可靠性很高的系统仍需要防止事故发生时不使影响范围扩大的保护措施用以分隔事故区域和无故障区域，在事故发生时，即使最快速的保护切断故障部分也需要零点几秒，而在这个时间会使许多负荷受到影响，事故时的特点是故障电流增大，系统电压降低，这就使接触器式的开关发生低电压释放而停电。对于某些工业，如造纸和化学制药工业，会因为电压突然下降而使生产停顿。有的则使生产程序受到冲击而使质量下降，导致很大的经济损失。对于较小容量的负荷，可以使用在线UPS。而对于工业企业和重要科研机构，最直接最有效的方法是使用动态电压恢复器（DVR）。
动态电压恢复器是在测出电压瞬时降低后，立即由直流电源逆变一组交流，与电源电压相加（串联），这样输出电压可以维持在允许的范围内，直到系统电压回升到正常值。动态电压恢复器单向电路见图10，其中V1，V2是2组3相逆变器，所产生的电压是严格按照系统各相电压与标准电压之差及相位之差产生，而逆变器为了取得快速反应只能是用脉宽调制（PWM）方法，为了取得较快的调制频率的效果，逆变器应该采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为开关器件，或者采用相近的高速器件。由于故障时不仅电压下降，相电压的相位也会出现很大的相位变化，这给快速补偿器的测量辨析增加了困难。目前，有的选用坐标变换的方法，有的选用其他智能方法。总之，快速补偿电压测量控制是电压恢复成功的关键，也是难度较大的技术。
目前，动态电压恢复器已经用在造纸厂、化工厂、制药厂和电子工业企业，其使用范围与超导储能不同，动态电压恢复器补偿的电压波形大约在1
s之内，多为0.5 s以下，补偿的目的是三相不平衡的故障状态，而超导储能所补偿的大多是20
ms内的一些波形上的缺欠，也可能是重复的，但每周期补偿的也只有不足1
ms的缺欠。像前面所介绍的美国西海岸电网抑制低频振荡，所需能量较大，目前尚不见商品性的设备上市。
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