常用的无功补偿设备详解

无功补偿设备自电力系统诞生之日起就得到了较快的发展。最早采用机械投切的电容器和电抗器对系统进行无功功率补偿，以改善系统的电压水平。由于投切电容或电抗器会造成较大的冲击，人们开始在负荷中心安装同步调相机，调相机可以平滑地调节无功功率，并且既可以吸收无功功率也可以发出无功功率，具有较强的补偿控制功能，对调节负荷中心的无功功率平衡和维持负荷中心的电压水平有重要的作用。但调相机是旋转设备，运行维护复杂，响应速度慢，随着负荷中心地区对环境要求的提高，旋转设备带来的噪声问题严重，不能满足现代电力技术的发展要求。随着大功率电力电子技术的发展，到20世纪70年代，出现了一系列的晶闸管投切的并联补偿装置和晶闸管控制的并联补偿设备，如晶闸管投切电容器、晶闸管投切电抗器、晶闸管控制电抗器以及综合的静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）等。这些并联补偿装置不仅可以快速动作（响应时间在几十毫秒），而且还可以快速平滑调节无功功率，使电力系统的并联补偿装置进入了一个新的发展阶段。

从发电机和高压输电线供给的无功功率，一般不能满足负荷的需要，所以在电网中需要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的要求，保证用电设备在额定电压下工作。

可控设备的多样性是无功优化区别于有功优化的主要困难之一，各类无功可控设备的控制能力和特点差异很大，目前常用的几种无功控制设备主要有同步发电机、变压器、并联电容器、并联电抗器、串联电容器、静止无功补偿器、同步调相机。

1.同步发电机

同步发电机是系统唯一的有功电源，同时也是系统主要的无功电源，它的容量较大，调节也最方便。在发电机有功功率保持不变时，无功功率的大小将受到三个因素的限制，即电枢电流极限、磁场电流极限和端部热极限。

电力系统中大部分的无功功率都是由同步发电机供给的。当发电机机端电压大于电网电压时，发电机发出无功功率；当机端电压小于电网电压时，发电机吸收无功功率；当机端电压等于电网电压时，发电机发出的无功功率为零。同步发电机在过励磁条件下提供无功功率的能力对防止电力系统发生电压失稳具有非常重要的作用。在轻负荷时，利用发电机进相吸收系统无功功率是解决轻负荷系统高电压的有效措施。

2.变压器

带有可调分接头的变压器是全系统各个电压等级控制的重要手段，连接不同电压等级的自耦变压器通常装有有载分接头，对这些分接开关可采用自动控制或手动控制。操作分接头位置就可调节低压侧电压，可以给较低电压网络的电容器组合线路充电，并减少较低电压网络的无功损耗。输电系统变压器分接头变化的延时要短些，以促使负荷更快地恢复。由于分接头改变，超高压侧电压将下降，这将导致超高压电网的无功损耗增加。为防止这种情况发生，分接头改变必须与投切输电网的并联电容器和电抗器相配合。

通过切换变压器的分接头来改变电压比，可以改善无功/电压分布，降低系统有功网损。只有当系统无功功率电源容量充足时，用改变变压器电压比调压才能有效，否则，不但被调节节点的电压变化不大，而且还会引起上一级电压的进一步下降，甚至导致整个系统的电压崩溃。因此，当系统无功功率不足时，首先应装设无功功率补偿设备，使系统无功功率容量有一定的裕度。

3.并联电容器

并联电容器可以提供无功功率并提高局部电压。它的最大特点是价格便宜且易于安装维护。在负荷区附近进行并联补偿的主要目的是调节电压和保持负荷稳定。电容器通过提高受电端负荷功率因数可以有效地扩大其电压稳定极限。并联电容器总是连接在母线上而不是线路上，机械开关投切电容器（MSC）安装在负荷区的主变电站中，也常常安装在大型自耦变压器三次侧，用于调节输电线电压。

并联电容器的优点是：可分散、集中、分相补偿；投资少、功率损耗小。缺点是它的输出功率随安装母线电压降低而成二次方降低，只能全部或部分调节，而无法实现平滑调节。(https://www.xing528.com)

4.并联电抗器

并联电抗器常用于补偿线路无功，特别是限制由于线路开路或轻负荷所引起的电压升高。通常采用两种连接方式：①并联电抗器直接接到超高压线路上。这样可以限制高压线路的工频过电压和操作过电压。高压电抗器加中性点适当小电抗，可以帮助超高压长距离输电线路在单相重合闸过程中促使故障相易于消弧，从而保证单相重合闸成功。在超高压输电线路上装设高压电抗器还有一个好处，就是当系统全停后，可以加速超高压电网的恢复，避免因出现过电压拖延系统的恢复时间和可能引起的重大事故。并联电抗器本身损耗较小，但造价较高。②并联电抗器接到主变压器三次侧。这种方式的优点是造价较低，操作方便。

5.串联电容器

串联电容器补偿是提高长线路重负荷送电水平及系统稳定水平的措施。串联电容器补偿可以减小线路的净感抗，其提供的无功功率能补偿输电线路消耗的无功功率。串联电容器发出的无功功率与电流二次方成正比，可在系统最需要无功功率时提供更多的无功功率。串联电容器设备一般设在线路中间某点上或者线路端口。

6.静止无功补偿器

静止无功补偿器（SVC）不仅用于传输网络中，而且广泛应用于配电系统中。它是一种不受超前-滞后范围限制的、大多无响应延迟的无功功率补偿装置。其优点是①SVC直接调节电压，这点在负荷区发电量很少时非常有用；②SVC剩余的无功容量能很好地指示接近电压不稳定的程度；③SVC能快速调节瞬时过电压。其缺点是：①SVC过负荷容量有限，在增压极限处，SVC变成普通电容器组；②系统的临界或崩溃电压变成由SVC控制的电压，一旦一台SVC达到增压极限，会容易发生失稳；③SVC的价格偏高。

7.同步调相机

同步调相机是没有原动机或机械负荷的同步机。通过控制励磁，它可以用于发生或吸收无功功率。通过电压调节器，它可以自动调节无功功率输出，以保证恒定的端电压。它从电力系统吸收小部分有功功率以补偿损耗。同步调相机的初始成本和运行费用高，因此通常无法与静止无功补偿器相竞争。但同步调相机在电压很弱的网络中，有比静止无功补偿器更为优越之处，同步调相机能够提供更为稳定的电压特性。它可用于下列情况：①装在弱受端系统中，提供短路电流，以提供受端电压支持，提高接受远方大容量电源送电的能力。②对于较弱的受端系统，在传送大容量电力的超高压长距离输电线路的中途，装设同步调相机作并联补偿，以提供动态无功支持。③高压直流输电出现后，为了保证较弱的受电侧能提供足够的短路电流，也需要在交流受电侧装设足够容量的同步调相机。

8.静止同步补偿器

静止同步补偿器（Static Synchronous Compensatory，STATCOM）是由可关断的大功率电力电子器件（如GTO晶闸管或IGBT）逆变形成的无功功率发生装置，响应时间为20～30ms。STATCOM可控性能好，其电压幅值相位可快速调节，端电压对外部系统的运行条件和结构变化不敏感。因此，STATCOM不仅可以得到较好的静态稳定性能，而且可以得到大干扰故障下较好的暂态稳定性能。由于STATCOM中电容器容量较小，相当于电流源，在电网内使用不会产生低频谐振，一般安装在高压直流输电（HVDC）换流站。