无功补偿装置的分类与比较

无功补偿装置有着多种不同的分类方法。按照补偿装置与电网的连接关系，补偿装置分为并联型与串联型；按照补偿容量的调节机构，补偿装置分为静止开关型与机械开关型；按照无功补偿的原理，补偿装置可划分为无源型与有源型。无源补偿装置以交流电容器或电抗器作为无功补偿元件，而有源补偿装置采用逆变电源向电网注入无功电流来达到无功补偿的目的，如图3-2所示。

（1）MSC型无功补偿器

MSC（Mechanically Switched Capacitor）属于并联、无源、机械开关型无功补偿装置。MSC采用机械开关实现电容器的分组自动投切，其目的在于补偿负载无功，提高功率因数，稳定母线电压。MSC是目前高低压系统中常用的一种无功补偿装置。

MSC型无功补偿装置由电容器组、投切开关、保护设备及控制器等组成。在存在谐波的场合，常在电容器支路串联电抗器，防止电容器对谐波的放大或构成调谐滤波器。由于机械开关的动作特性，MSC存在如下缺点：

1）投入时刻不能精确确定，导致投入时在电容器中产生很大涌流。

2）切除时刻不能精确确定，导致切除时在开关器件触头处产生电弧。

3）投切速度慢，动态跟踪补偿性能差。

4）机械开关投切次数有限，寿命短。

针对MSC型无功补偿装置的缺点，随着电力电子技术的发展，出现了以晶闸管开关为代表的静止无功补偿器（Static Var Compensator，简称SVC）。晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，简称TSC）实现了电容器投切时刻的准确控制和快速投切，解决了投入涌流和切除电弧问题，而晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，简称TCR）实现了补偿无功的连续调节。

（2）TSC型静止无功补偿器

TSC是SVC的基本型式之一，属于并联、无源、静止开关型无功补偿装置。TSC采用晶闸管开关实现电容器的分组自动投切，其目的在于补偿负载无功，提高功率因数，稳定母线电压。

由于晶闸管在电流过零时自然关断，TSC自然实现了“切除无电弧”的目标。但要实现“投入无涌流”的目标，需要准确选择晶闸管的初始开通时刻：电容器在电源电压瞬时值与电容器当前初始电压相等的时刻（即晶闸管两端电压为零时）投入电网。

TSC解决了电容器投入涌流、切除电弧以及响应快速性问题，TSC的响应时间可以控制到一个基波周期之内。TSC既可以实现三相共补，也可以实现分相补偿。在存在谐波的场合，常在电容器支路串联电抗器，防止电容器对谐波的放大或构成调谐滤波器。TSC的缺点在于补偿功率不能连续调节。

（3）TCR型静止无功补偿器

TCR是SVC的另一种基本型式，属于并联、无源、连续调节型无功补偿装置。利用晶闸管相位控制，可以连续调节电抗器支路在一个工频周期中的接通时间，实现了补偿无功功率的动态连续调节。由于负载通常是感性的，因而，TCR常与固定电容器（Fixed Capacitor，FC）并联，一起构成双向无功补偿装置。

由于三相TCR支路的每一相晶闸管的触发角都可以单独控制，因此，TCR与FC混合而成的TCR型静止无功补偿装置具有平衡三相不对称负载的能力。(www.xing528.com)

TCR的主要缺点是：产生较大的谐波，而且补偿容量受到电源电压的影响，当电源电压较低时，补偿容量明显下降。通常，在FC支路串联电抗器，构成抑制谐波的调谐滤波器。

（4）VSC型静止无功补偿器

随着电力电子技术的发展，特别是L.Gyugyi提出利用换流器进行无功功率补偿的理论以来^［3］，基于自换相换流器电路和PWM控制技术的静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）得到了广泛研究和快速发展。1986年美国研制出1Mvar的STATCOM，1991年和1995年日本和美国又相继研制出80Mvar和100Mvar的STATCOM。1999年，我国自主研发的首台20Mvar静止同步补偿器投入运行。

STATCOM是目前最新的一种并联有源型静止无功补偿装置，其主要特征是采用VSC电路拓扑和PWM控制技术。随着电力电子器件、电路拓扑和控制技术的发展，STATCOM的发展趋势主要有：

1）主电路由多重化阶梯波换流器发展为以H桥级联型多电平换流器为主要型式。

2）电力半导体器件由早期的GTO转变为以IGBT和IGCT器件为主。

3）应用范围由早期的输电系统扩展到了中低压配电系统。虽然配电系统用STATCOM的电压和容量较低，但配电系统中三相电压不对称和谐波问题普遍存在，会影响STATCOM的性能和安全稳定运行。

STATCOM具有无功双向连续调节、谐波含量少、控制能力强、同容量下占地面积小等优点。STATCOM相当于一个无功电流源，其无功电流值不受系统电压的影响，可在系统电压较低的条件下提供无功支持，快速进行无功补偿，从而可以有效抑制电网电压波动和闪变，提高电网电压稳定性。图3-3给出了静止无功补偿装置的伏安特性，可以看出，STAT-COM的特性最佳，其输出无功补偿电流几乎不受电网电压变化的影响。

图3-3 静止无功补偿器的伏安特性比较

STATCOM应用于配电系统时，常简称为DSTATCOM（Distribution STATCOM），或称为静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）。本书以下将基于VSC的静止无功补偿器统一称为静止无功发生器，或简称SVG。

随着计算机控制技术和电力电子技术的发展，无功功率补偿技术和装置不断得到改进，以适应电力系统不断发展的需要。无功补偿装置的发展分为主电路和控制器两个方面。主电路的发展在于：提高无功连续调节的程度；提高无功调节的响应速度；具有分相补偿或平衡三相不对称负载的能力；不受谐波干扰或具有抑制谐波的功能；补偿容量不受电网电压变化的影响。控制器的发展主要在于：采取更为完善的控制策略和监控措施；提高控制的精度和速度；实现复合控制功能。表3-1对当前几种典型的无功补偿装置的性能进行了比较。

表3-1 无功补偿装置的性能比较