无功补偿装置原理_无功补偿方式及分类

无功功率补偿（VARCOMPENSATOR）简称无功补偿装置，在电力供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。 

 

无功补偿的工作原理 

在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。 

有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。无功功率比较抽象，它用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。 

无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。 

在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。 

但是从发电机和高压输电线供给的无功功率远远满足不了负荷的需要，所以在电网中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需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。 

无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接

 

在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。 

无功补偿可以改善电能质量、降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力、无功补偿减少用户电费支出，是一项投资少，收效快的节能措施。不过在确定无功补偿容量时应注意在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功功率势必造成功率损耗增加；另外功率因数越高，补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿。 

无功补偿可以收到下列的效益： 

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。 无功补偿的分类： 

从技术原理上讲无功补偿装置是在电网中呈感性或容性的元件，由于目前我国中低压电网以架空线路为主且基本上带感性负载，所以系统所采用的无功补偿装置多数呈容性，也就是说它是由电容器和相应的附属设施组成的。 

由于负荷多数集中在配电网络，所以多年来用于无功补偿的电容器组基本上安装在电网的中压侧和低压侧，包括35KV、10KV和0.4KV几个电压等级。从运行需要上说，无功补偿装置由电容器组、投切元件、检测及保护元件组成。 

早在20世纪70年代，当时的低压无功补偿装置自动化程度较低，多数电容器组是通过空气开关由人工进行投切的，保护措施简单粗糙，当电容器组出现整组故障时才能由空气开关的热偶元件启动空气开关跳闸，切除故障。可见，老式无功补偿装置技术性能不好，主要表现为自动化程度偏低和可靠性不高，不能在电网中长期安全可靠运行，运行寿命往往只有二三年。而补偿装置技术性能好坏是决定其是否能被普遍使用的关键。 

无功补偿的常用装置：

 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、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。上述第二种又可分为：固定连接电容器加可控硅控制的电抗器（FIXEDCAPACITOR＆THYRISTORCONTROLLEDREACTOR，FC－TCR）；可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器（THYRISTORSWITCHEDCAPACITOR＆THYRISTORCONTROLLEDREACTOR，TSC－TCR）。 

实际上，由断路器（电磁型交流接触器）操作的电容器和电抗器在电网中正在大量使用，可以说这种补偿技术是静态的，因为它不能及时响应无功功率的波动。这种装置以电磁型交流接触器为投切开关，由于受电容器承受涌流能力、放电时间及电容器分级以及接触器操作频率、使用寿命等因素制约，因而无法避免以下不足： 

补偿是有级的、定时的，因而补偿精度差，跟随性不强，不能适应负荷变化快的场合；受交流接触器操作频率及寿命的限制，静态补偿装置一般均设有投切延时功能，其延时时间一般为30S。对一般稳定负荷，即负荷变化周期大于30S的负荷，这类补偿装置是有效的，但对一些变化较快的负荷，如电梯、起重、电焊等，这类补偿装置就无法进行跟踪补偿。不能做到无涌流投入电容器，对于接触器加电抗器方案，增加损耗较大，对于容性接触器方案，事故率较大，对金属化电容器的使用寿命影响很大；目前，低压电力电容器以金属化自愈式电容器为主，这种电容器的引线喷金属端面对涌流承受能力有限，因此，涌流的大小及次数是影响电容器使用寿命的主要因素。运行噪声较大。 

由于控制部分的负载是接触器的线圈，在投切过程中，造成火花干扰，影响补偿装置的可靠性和使用寿命。针对上述问题，基于智能控制策略的TSC补偿装置正在引起关注。事实上，如果能够进行动态无功功率补偿则能够克服以上不足。将微处理器用于TSC，可以完成复杂的检测和控制任务，从而使动态补偿无功功率成为可能。基于智能控制策略的TSC补偿装置的核心部件是控制器，由它完成无功功率（功率因数）的测量及分析，进而控制无触点开关的投切，同时还可完成过压、欠压、功率因数等参数的存贮和显示。因此，与断路器操作的电容器装置相比，尽管单台无触点开关的造价比交流接触器高，但该装置仍然有以下几个特点： 

1. 无涌流，允许频繁操作； 

2. 跟踪响应时间快，动态跟踪时间0.02～2S（可调）； 

3. 采用编码循环式投切电容器，可均匀使用电容器，从而延长整个装置的

使用寿命； 

4. 具有各种保护功能，如过压保护、缺相保护及谐波分量超限保护等； 3、静止无功发生器 

静止无功发生器（STATICVARGENERATOR，SVG）又称静止同步补偿器（STATCOM），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。是灵活交流输电系统FACTS：FLEXIBLEACTRANSMISSIONSYSTEMS技术中一个重要的基础部件。该部件与其它的无功补偿装置相比，虽然SVG装置的成本要高一些，但其灵活的动态调节特性、优越的补偿效果以及更小的设备体积都是其它装置不能比拟的。与SVC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。 

在SVG装置中，由于要涉及到大量的复杂计算（如滤波计算、瞬时无功计算）和各种控制手段（如矢量控制、PI控制）以及诸多信号的采集和发送。因此，系统对控制器的运算速度、接口资源、稳定性以及成本等方面要求很高。 

 

无功补偿的主要方式： 

配电网无功补偿的主要方式有五种：变电站补偿、配电线路补偿、随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。 

变电站补偿：针对电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡电网的无功功率，改善电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。这些补偿装置一般集中接在变电站10KV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，缺点是这种补偿方式对10KV配电网的降损不起作用。 

配电线路补偿：线路无功补偿即通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。线路补偿点不宜过多；控制方式应从简，一般不采用分组投切控制；补偿容量也不宜过大，避免出现过补偿现象；保护也要从简，可采用熔断器和避雷器作为过流和过压保护。线路补偿方式主要提供线路和公用变压器需要的无功，该种方式具有投资小、回收快、便于管理和维护等优点，适用于功率因数低、负荷重的长线路。缺点是存在适应能力差，重载情况下补偿不足等问题。 

随机补偿：随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电动机同时投切的一种无功补偿方式。县级配电网中有很大一部分的无功功率消耗在电动机上，因此，搞好电动机的无功补偿，使其无功就地平衡，既能减少配电线路的损耗，同时还可以提高电动机的出力。随机补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿装置投入；用电设备停运时，补偿装置退出。更具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低的特点。适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，可较好的限制配电网无功峰荷。年运行小时数在1000H以上的电动机采用随机补偿较其他补偿方式更经济。 

随器补偿：随器补偿是指将低压电容器通过低压熔断器接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配电变压器空载无功是农网无功负荷的主要部分。随器补偿的优点是接线简单，维护管理方便，能有效地补偿配电变压器空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配电变压器利用率，降低无功网损，提高用户的功率因数，改善用户的电压质量，具有较高的经济性，是目前无功补偿最有效的手段之一。缺点是由于配电变压器的数量多、安装地点分散，因此补偿工作的投资比较大，运行维护工作量大。 

跟踪补偿：是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在用户配电变压器低压侧的补偿方式。这种补偿方式，部分相当于随器补偿的作用，主要适用与100KVA及以上的专用配电变压器用户。跟踪补偿的优点是可较好地跟踪无功负荷的变化，运行方式灵活，补偿效果好，但是费用高，且自动投切装置较随机或随器补偿的控制保护装置复杂，如有任一元件损坏，则可导致电容器不能投切。其主要适于大容量大负荷的配变。 

 

无功补偿的主要应用场合： 

电弧炉 

电弧炉做为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网产生一系列不良影响，其中主要是：导致电网严重三相不平衡，产生负序电流，产生高次谐波，其中普遍存在如2、4次偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波共存的状况，使电压畸变更趋复杂化，存在严重的电压闪变，功率因数低。 

彻底解决上述问题的唯一方法是用户必须安装具有快速响应速度的动态无功补偿器（SVC）。向电弧炉快速提供无功电流并且稳定电网电压，增加冶金有功功率的输出，提高生产效率，并且最大限度地降低闪变的影响。SVC具有的分相补偿功能可以消除电弧炉造成的三相不平衡，滤波装置可以消除有害的高次谐波及改善电能质量，并通过向系统提供容性无功来提高功率因数。 

轧机 

轧机及其他工业对称负载在工作中所产生的无功冲击会对电网造成如下影响：引起电网电压降及电压波动，严重时使电气设备不能正常工作，降低了生产效率；使功率因数降低；负载的传动装置中会产生有害高次谐波，主要是以5、7、11、13次为代表的奇次谐波及旁频，会使电网电压产生严重畸变。 

电力机车供电 

电力机车运输方式在保护环境的同时也对电网造成了严重“污染”，因电力机车为单相供电，这种单相负荷就造成了供电网的严重三相不平衡及低的功率因数，并产生负序电流。 

目前世界各国解决这一问题的唯一途径就是在铁路沿线适当位置安装SVC系统，通过SVC的分相快速补偿功能来平衡三相电网，并通过滤波装置来提高功率因数。 

提升机 

提升机等其它重工业负载在工作中会对电网产生如下影响：引起电网电压降及电压波动，功率因数低，传动装置会产生有害高次谐波。 

远距离电力传输 

全球电力目前正在趋向长距离输电，高能量消耗，同时也迫使输配电系统不得不更加有效，SVC可以明显提高电力系统输配电性能，这已在世界范围内得到了广泛的证明，即当在不同的电网条件下，为保持一个平衡的电压时，可在电网的一处或多处适合的位置上安装SVC，以达到如下目的：稳定弱系统电压，减少传输损耗，增加传输能力，使现有电网发挥最大效率，提高瞬变稳态极限，增加小干扰下的阻尼，增强电压控制及稳定性，缓冲功率振荡。