1　引 言

　　電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量是評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)運(yùn)行性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而電壓又是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，電壓的穩(wěn)定性對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行性能來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。電壓穩(wěn)定與否主要取決于系統(tǒng)中無(wú)功功率的平衡，如果用電負(fù)荷的無(wú)功需求波動(dòng)較大，而電網(wǎng)的無(wú)功功率來(lái)源及其分布不能及時(shí)調(diào)控，就會(huì)導(dǎo)致線路電壓超出允許極限；另外，對(duì)于負(fù)荷一側(cè)，電力系統(tǒng)多由輸配電線、變壓器、發(fā)電機(jī)等構(gòu)成，其內(nèi)阻抗主要呈感性，使得負(fù)載無(wú)功功率的變化對(duì)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性帶來(lái)極為不利的影響。

　　無(wú)功功率補(bǔ)償是涉及電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動(dòng)化技術(shù)、理論電工等領(lǐng)域的重大課題。由于電力電子技術(shù)裝置的應(yīng)用日益普及生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域，無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。據(jù)有關(guān)科學(xué)統(tǒng)計(jì)，如果全國(guó)都通過(guò)優(yōu)化配置計(jì)算來(lái)安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，在總投資不變的條件下，估計(jì)每年可以節(jié)省電量大約3億千瓦時(shí)。因此，電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償和電壓調(diào)整是保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施。目前，由于電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，無(wú)功功率補(bǔ)償方面也取得了突破性的進(jìn)展。

2　連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償裝置發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展前景

　　工程上應(yīng)用的無(wú)功補(bǔ)償器主要包括旋轉(zhuǎn)無(wú)功補(bǔ)償器和靜止無(wú)功補(bǔ)償器，其具體分類見(jiàn)圖1。

2.1　連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展歷史

　　旋轉(zhuǎn)無(wú)功補(bǔ)償器以同步調(diào)相機(jī)為代表，同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上就是在過(guò)勵(lì)或欠勵(lì)狀態(tài)下運(yùn)行的同步電機(jī)，它既能發(fā)出容性無(wú)功，也能發(fā)出感性無(wú)功，因而同步調(diào)相機(jī)能對(duì)變化的無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。由于其存在諸多缺點(diǎn)（見(jiàn)表1），70年代以來(lái)逐漸被靜止無(wú)功補(bǔ)償器取代。

　　靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)歷了圖1所示的3代發(fā)展：

　　第Ⅰ代屬于慢速無(wú)功補(bǔ)償裝置，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較早，目前也仍在應(yīng)用；

　　第Ⅱ代屬無(wú)源、快速動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 70 年代，國(guó)外應(yīng)用普遍，我國(guó)目前有一定應(yīng)用，主要用于配電系統(tǒng)中，輸電網(wǎng)中應(yīng)用很少，SVC 可以看成是電納值能調(diào)節(jié)的無(wú)功元件，它依靠電力電子器件開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功調(diào)節(jié)。 SVC 作為系統(tǒng)補(bǔ)償時(shí)可以連續(xù)調(diào)節(jié)并與系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率交換；

　　第Ⅲ代屬快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，國(guó)外從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究，90年代末得到較廣泛的應(yīng)用。隨著大功率全控型電力電子器件GTO、IGBT、及IGCT的出現(xiàn)，特別是相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）、四象限變流技術(shù)的提出，使得電力電子逆變技術(shù)得到快速發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也得以迅速發(fā)展。靜止同步補(bǔ)償器，作為FACTS家族最重要的成員，在美國(guó)、德國(guó)、日本、中國(guó)相繼得到成功應(yīng)用。此外，SVG和SVC相比還擁有調(diào)節(jié)速度更快、調(diào)節(jié)范圍更廣、欠壓條件下的無(wú)功調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)諧波含量和占用空間都大大減少。3代無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

2.2　國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)狀

　　我國(guó)電網(wǎng)中目前使用最為廣泛的補(bǔ)償裝置是機(jī)械投切的并聯(lián)電容器組。為滿足調(diào)壓要求，在低壓供電網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)了大量的并聯(lián)電容器組，在中壓配電網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)了少量的并聯(lián)電容器組。牡丹江科海電氣設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的G(X)JF1型電容器跟蹤投切柜（箱）采用了KH－ZK電容器智能投切開(kāi)關(guān)；G（X）JK1型接觸器式電容器跟蹤投切柜（箱）投切電容過(guò)程涌流小，整機(jī)使用壽命長(zhǎng), 維修量小,無(wú)功補(bǔ)償響應(yīng)快，可頻繁投切，多級(jí)補(bǔ)償一次到位。包括G（X）D1型電容投切產(chǎn)品都是該補(bǔ)償裝置的進(jìn)步發(fā)展。

　　目前，我國(guó)輸電系統(tǒng)中一共有5地 6套大容量SVC投入使用，它們分別被裝設(shè)在廣東江門(mén)、湖南云田、湖北鳳凰山（2套）、河南小劉以及遼寧沙嶺的500kV變電站中。此類SVC多為進(jìn)口，其中有3套是ABB公司的產(chǎn)品。

　　SVC在大型工礦企業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛，在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用尤為突出，武漢鋼鐵公、包頭鋼鐵公司、寶山鋼鐵公司、濟(jì)南鋼鐵公司、張家港沙鋼鐵公司、天津鋼管公司等均裝有該補(bǔ)償裝置，如濟(jì)南鋼鐵公司中厚板廠二期工程在35kV母線上安裝了由西門(mén)子公司設(shè)計(jì)制造的一套容量為25Mvar的SVC，2001年底帶負(fù)荷一次投運(yùn)成功。

　　從國(guó)際范圍來(lái)講，目前SVC與SVG都已得到普遍的應(yīng)用。SVC出現(xiàn)早，應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，僅ABB公司，其目前在全世界投運(yùn)的SVC就已超過(guò)370套，ABB 與西門(mén)子兩個(gè)公司已安裝的SVC總?cè)萘考s為9萬(wàn)Mvar（包括已退役裝置）。SVG裝置在20世紀(jì)主要以示范工程為主，從上世紀(jì)90年代末到本世紀(jì)初，SVG在日本及歐美得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在冶金、鐵道等需要快速動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合。1999 年3月，我國(guó)第一臺(tái)工業(yè)化STATCON在河南省洛陽(yáng)市朝陽(yáng)變電站成功并網(wǎng)運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)掌握了高壓大容量FACTS 設(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。

2.3　靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展前景

　　隨著電力電子技術(shù)的日新月異以及各門(mén)學(xué)科的交叉影響，靜止無(wú)功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

　?。?）在城網(wǎng)改造中，運(yùn)行單位往往需要在配電變壓器的低壓側(cè)同時(shí)加裝無(wú)功補(bǔ)償控制器和配電綜合測(cè)試儀，因此提出了無(wú)功補(bǔ)償控制器和配電綜合一體化的問(wèn)題。

　?。?）快速準(zhǔn)確地檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)功參數(shù)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況(如大的沖擊負(fù)荷或負(fù)荷波動(dòng)較頻繁的場(chǎng)合)。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無(wú)功補(bǔ)償中引入一些先進(jìn)的控制方法，如模糊控制、微機(jī)控制等。

　?。?）將一個(gè)由晶閘管換流器產(chǎn)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(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)線路有功和無(wú)功功率的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，并可提高輸送能力以及阻尼系統(tǒng)振蕩。目前綜合潮流控制器（UPFC）發(fā)展較為迅速，美國(guó)西屋電氣公司研制出串聯(lián)潮流控制器（SPFC），其造價(jià)明顯低于UPFC，功能可與之相比且優(yōu)于SVG。

3　無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)母灸康?/p>

　　工程運(yùn)用中，為了提高電網(wǎng)功率因數(shù)及穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，通常引入無(wú)功補(bǔ)償裝置。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，能夠改變功率因數(shù)，降低系統(tǒng)損耗，大大提高電網(wǎng)功率的運(yùn)行效率。另外，無(wú)功補(bǔ)償還可以減少電壓閃變、降低過(guò)電壓以及提高電力系統(tǒng)的靜止和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等，就其經(jīng)濟(jì)價(jià)值而言，具有重要意義。

3.1　減少線路壓降，提高電壓的穩(wěn)定性

　　無(wú)功補(bǔ)償裝置的引入，平衡了系統(tǒng)中無(wú)功功率，提高了電壓的穩(wěn)定性。由于線路傳送電流小了，系統(tǒng)的線路電壓損失也相應(yīng)減小，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定(輕載時(shí)要防止超前電流使電壓上升過(guò)高)，有利于大電機(jī)裝置的起動(dòng)。

3.2　降低系統(tǒng)能耗，提高資源的利用率

　　功率因數(shù)的提高，能一定程度減少線路損耗及變壓器的銅耗。
　　設(shè)為線路電阻，   為原線路損耗，引入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，線路損耗為

，則線路損耗減少： 

　　引入補(bǔ)償后，由于功率因數(shù)提高，

，為分析方便，可近似認(rèn)為                      

，則：

　　當(dāng)功率因數(shù)從0.8提高至0.9時(shí)，通過(guò)上式計(jì)算，可求得有功損耗降低20.99％左右。
在輸送            

不變情況下，功率因數(shù)提高，則I相對(duì)降低。設(shè)

分別為補(bǔ)償前、后變壓器的電流，銅耗分別為

，則：（5）

　　由（5）式可知，功率因數(shù)從0.8提高至0.9時(shí)，銅耗相當(dāng)于原來(lái)的79％。

3.3　改善功率因數(shù)，減少相應(yīng)電費(fèi)

　　根據(jù)國(guó)家水電部，物價(jià)局頒布的《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》，規(guī)定三種功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，相應(yīng)減少電費(fèi)：

　　(1)高壓供電的用電單位，功率因數(shù)為0.9以上。
　　(2)低壓供電的用電單位，功率因數(shù)為0.85以上。
　　(3)低壓供電的農(nóng)業(yè)用戶，功率因數(shù)為0.8以上。

　　根據(jù)《辦法》，補(bǔ)償后的功率因數(shù)以分別不超出0.95、0.94、0.92為宜，因?yàn)槌^(guò)此值，電費(fèi)并沒(méi)有減少，相反初次設(shè)備增加，是不經(jīng)濟(jì)的。

3.4　增加供電功率，減少用電投資

　　對(duì)于原有供電設(shè)備來(lái)講，同樣的有功功率下，功率因數(shù)

提高，負(fù)荷電流減小，因此向負(fù)荷傳輸功率所經(jīng)過(guò)的變壓器、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線等配電設(shè)備都增加了功率儲(chǔ)備，發(fā)揮了設(shè)備的潛力。對(duì)于新建項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，降低了變壓器容量，減少了投資費(fèi)用，同時(shí)也減少了運(yùn)行后的基本電費(fèi)。

4　無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊话惴椒?/p>

　　無(wú)功功率補(bǔ)償通常采用的方法主要有3種：低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償和高壓集中補(bǔ)償。

4.1　低壓個(gè)別補(bǔ)償

　　低壓個(gè)別補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無(wú)功的需求，將單臺(tái)或多臺(tái)低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接。它與用電設(shè)備共用一套斷路器，通過(guò)控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切，隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個(gè)別大容量且連續(xù)運(yùn)行(如大中型異步電動(dòng)機(jī))的無(wú)功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無(wú)功為主。低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：根據(jù)用電設(shè)備運(yùn)行或者停運(yùn)，無(wú)功補(bǔ)償投入或者退出，不會(huì)造成無(wú)功倒送。具有投資少、體積小、安裝容易、配置方便、操作靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

4.2　低壓集中補(bǔ)償

　　低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器通過(guò)低壓開(kāi)關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無(wú)功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)低壓母線上的無(wú)功負(fù)荷直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓集中補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：配置容易、維護(hù)簡(jiǎn)單、平衡迅捷，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是目前無(wú)功補(bǔ)償常用手段之一。

4.3　高壓集中補(bǔ)償

　　高壓集中補(bǔ)償是指將并聯(lián)電容器組直接接在變電所6～10kV高壓母線上的補(bǔ)償方式。適用于遠(yuǎn)離變電所或在供電線路末端的用戶，用戶本身又有一定的高壓負(fù)荷時(shí)，可以減少對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功的消耗，起到一定的補(bǔ)償作用；補(bǔ)償裝置根據(jù)負(fù)荷的大小自動(dòng)投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費(fèi)的增加。高壓集中補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：配置靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單，補(bǔ)償效益高等。

5　無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)幕驹?/p>

　　在電力系統(tǒng)中，無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)如下諸多功能，比如：

　?、賹?duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功負(fù)荷的功率因數(shù)校正；②調(diào)整電壓；③提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性；④降低過(guò)電壓；⑤減少電壓閃爍；⑥阻尼功率振蕩；⑦阻尼次同步振蕩；⑧減少電壓和電流的不平衡。

　　雖然以上八種功能相互關(guān)聯(lián)，然而，實(shí)際的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置往往只能以其中的某一條或某幾條為直接控制目標(biāo)，盡可能的兼顧其它功能，并且，在控制策略和控制方式有所側(cè)重。本文僅以改善電壓調(diào)整的基本功能做一介紹。

　　補(bǔ)償原理：