第5章 静止无功补偿装置
本文第4章中介绍的无功补偿电容器是传统的无功补偿装置，其阻抗是固定的，不能跟踪负荷无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。
传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机（Synchronous Condenser，缩写为SC）。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过激磁或欠激磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自二、三十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而，由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。所以七十年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置（Static Var Compensator，缩写为SVC）所取代，目前有些国家甚至已不再使用同步调相机。
早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（Saturated Reactor，缩写为SR）型的。1967年，英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后，各国厂家纷纷推出各自的产品。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。
电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管器件的静止无功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静补装置。1978年，在美国电力研究院（Electric Power Research Institute）的支持下，西屋电气公司（Westinghouse Electric
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Corp.）制造的使用晶闸管的静补装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套这类装置。西安电力机械制造公司已具备自行设计制造这类装置的能力，自八十年代末以来，已先后承接了十多个此类工程，并向泰国出口。
由于使用晶闸管器件的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近十多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置（或SVC）这个词往往是专指使用晶闸管器件的静补装置，包括晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，缩写为TCR）和晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，缩写为TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC），或者晶闸管控制电抗器与固定电容器（Fixed Capacitor，缩写为FC）或机械投切电容器（Mechanically Switched Capacitor，缩写为MSC）混合使用的装置（如TCR+FC、TCR+MSC等）。本章在对动态无功补偿的原理作简要分析之后，将分别对晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器这两种主要的静止无功补偿装置作详细介绍。
随着电力电子技术的进一步发展，八十年代以来，一种更为先进的静止型无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，本书称之为静止无功发生器（Static Var Generator，缩写为SVG），也有人称之为高级静止无功补偿器（Advanced Static Var Compensator，缩写为ASVC），或者静止调相器（Static Condenser，缩写为STATCON）。最近，日本和美国已分别有数台SVG装置投入实际运行。本章将在5.4节对这种新型静补装置作细致介绍。
最后，在本章结尾，作者将对各种无功功率补偿装置作简单对比，并就有关的发展趋势作一讨论。
5.1 无功功率动态补偿的原理
对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下
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的功能：[103, 108]
⑴对动态无功负荷的功率因数校正； ⑵改善电压调整；
⑶提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡； ⑷降低过电压； ⑸减少电压闪烁； ⑹阻尼次同步振荡；
⑺减少电压和电流的不平衡。
应当指出，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿器往往只能以其中某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此而不同。此外，这些功能有的属于对一个或几个在一起的负荷的补偿效果（负荷补偿），有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目标（输电补偿），而改善电压调整，提高电压的稳定度，则可以看作是二者的共同目标。在不同的应用场合，对补偿装置容量的要求也不一样。以电弧炉、电解、轧机等大容量工业冲击负荷为直接补偿对象的无功补偿装置，要求的容量较小，而以电力系统性能为直接控制目标的系统用无功补偿装置，则要求具有较大的容量，往往达到几十或几百兆乏。
补偿功率因数的功能及其原理是大家熟知的，下面仅以改善电压调整的基本功能为例，对无功功率动态补偿的原理作一简要介绍。
V0 Z=R+jX Q Ql 负荷 V0 V C B Q? A 系统电压V Q? 补偿器 Ql O
QA Q
a） b） 图5-1 无功功率动态补偿的原理
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a） 单相电路图 b） 动态补偿原理
图5-1a所示为系统、负荷和补偿器的单相等效电路图。其中V为系统线电压，R和X分别为系统电阻和电抗。设负荷变化很小，故有△V< V?V0(1?或者写为 Q) （5-1） SSC?V?Q （5-2） ??V0SSC其中V0为无功功率为零时的系统电压，Ssc为系统短路容量。可 见，无功功率的变化将引起系统电压成比例的变化。 投入补偿器之后，系统供给的无功功率为负荷和补偿器无功功率之和，即 Q?Ql?Q? （5-3） 因此，当负荷无功功率Ql变化时，如果补偿器的无功功率Q?总能够弥补Ql的变化，从而使Q维持不变，即△Q=0，则△V也将为0，供电电压保持恒定。这就是对无功功率进行动态补偿的原理。图5-1b示出了进行动态的无功补偿，并使系统工作点保持在 Q?QA?常数 （5-4） 的示意图。当使系统工作点保持在Q=0处，即图中的C点时，就实现了功率因数的完全补偿。可见补偿功率因数的功能可以看作是改善电压调整的功能的特例。 在工程实际中，为了分析方便，常常把负荷也包括在系统之内考虑，总体等效为一个串联一定内阻的电压源，即将图5-1a中虚框内的部分等效为图5-2a中虚框内的部分，并忽略内部阻抗中 170 的电阻，而电抗记为XS。等效后系统电源电压为等效前连接点处未接补偿器时的电压。另外，由于补偿器具有维持连接点电压恒定的作用，故可以将其视为恒定电压源，电压值取为系统未接补偿器（即补偿器吸收的无功电流为零）时连接点处的正常工作电压，也就是图5-1中补偿器未接且负荷无功不变时的供电电压，记为Vref。其电压—电流特性如图5-2b所示，为一水平直线，由于电流为无功电流，电压又维持一定，因此也可以看作电压-无功功率特性曲线。这样，整个等效电路即如图5-2a所示。 Xs 系统 I V 补偿器 Vre fV Vs=Vref+?Vs Vref IC (QC) O IL I (QL) (Q) a） b） 图5-2 理想补偿器的等效电路及特性 a） 等效电路 b） 电压—电流（无功功率）特性 当图5-1a中未接补偿器而由于某种原因（例如负荷无功的变 化）使连接点处电压变化△VS时，也就是在图5-2a中系统电源电压变化△VS时，接入补偿器后，连接点电压即可以回到正常值。由图5-2a可得，此时补偿器所吸收的无功功率应为 Q???VS?Vref （5-5） XS换句话说，一台可吸收无功功率为Q?的补偿器，可以补偿的系统电压变化为 ?VS?XSQ? （5-6） Vref注意，按照电力系统中的常规做法，这里采用的是标幺制，各量均为标幺值，故三相电路与单相电路的公式是一样的，且与三相的联结方式无关[109]。 171