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无功补偿装置抑制电力系统电压波动与闪变的理论分析
1无功补偿装置的分类 随着我国各种产业的迅速发展，现代电力系统规模日益扩大，对电网运行的可靠性要求越来越高。在电力负荷中，有相当一部分属感性负荷。这些负荷投入运行后除了消耗大量的有功功率之外还要吸收大量的无功功率。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。如果电力系统当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的情况下工作，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，所以在电力系统当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求，这样用电设备才能在额定电压下工作。
1.1基本原理
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的装置并联接在同一电路，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。
1.2对电力的影响
无功功率的存在对电力系统的影响主要有几个方面：无功功率的增加会使输电线路上总电流增大，视在功率增大，线路压降增大。另外，会使功率因数降低，设备的利用率变小。当整个系统无功功率严重缺乏时，还会使整个电力系统崩溃。
因此无功补偿是维持现代电力系统的稳定和经济运行所必需的因素，电力系统无功补偿包括以单纯改善负荷性能为目的的负荷补偿和以整个输电性能的改善和传输能力的提高为目标的输电补偿。
改善用电设备的特性对于抑制电力系统电压波动与闪变的效果是有限的，通过供电方式的改善，如架设专用线路等可以有限降低电力系统电压波动与闪变问题的严重程度，然而，这种方法通常需要很高的代价，需要经过衡量经济与效益的关系来决定是否采用。
电力用户的大功率波动性负荷，其无功功率变动量是导致电压幅值波动的主要因素。因此，安装无功补偿装置是最常用的技术措施。
1.3分类
装设无功补偿装置可以按以下不同的标准进行分类。
对电力系统无功补偿装置的分析，无功补偿装置有调相机、并联电容补偿装置、静止补偿装置、并联电抗补偿装置和超高压并联电抗器等。
对工业企业无功补偿装置的分析，如按照并联电容器的安装地点划分，分为集中补偿方式、分散补偿方式、就地补偿方式。集中补偿方式，将高压电容器集中安装于总降压变电所或功率因数较低、负荷较大的配电所高压母线上。
分散补偿方式，对用电负荷分散和功率因数较低的车间变电所，采用低压并联电容器安装在低压电气室的方式，可减少动力变压器和低压配电线路的电力损耗，提高变压器的输出功率。一般工业用户多采用这种补偿方式。
就地补偿方式，对容量较大、经常运转的低压设备，采用低压并联电容器对单台设备进行补偿的方式。电容器安装于电动机旁，并同电动机共用一个开关。
如按照并联电容器的投切方式划分，其投切的方式可采用手动方式，亦可采用自动方式。
如按照电容器调节方式划分，分为静态补偿装置和动态补偿装置。
还有其他补偿的方式，如按照并联补偿装置器件不同可以分为机械投切阻抗型装置，如传统的断路器投切电抗器、电容器等；晶闸管投切或控制的阻抗型装置，如静止无功补偿器，然而静止无功补偿器可以分为机械投切电容器、机械投切电抗器、自饱和电抗器、晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电抗器；基于变流器的可控有源补偿装置有静止同步补偿器、有源滤波器等。
按补偿对象的不同无功补偿技术可以分为负荷补偿和系统补偿两类。其中输电系统装设无功补偿装置主要是保证输电系统安全可靠输送电能，维持电网枢纽点处的电压稳定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流，降低线损等。
然而负荷补偿是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，其目的是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由于冲击性负荷、不对称负荷或非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。负荷补偿的目的有功率因数校正、改善电压调节、负荷平衡。
2无功补偿装置的基本原理及其应用情况
前面已经将无功补偿装置进行了分类，下面就分析比较这些常用装置的基本原理及其应用情况[10]。
2.1并联电容器和同步调相机
传统的无功调节装置是并联电容器和同步调相机。并联电容器的特点是价格便宜，易于安装维护，主要用于控制负荷功率因数之用，也可用于无功功率补偿。
它的缺点是当电压降的时候，特别是由于故障而电压降低时，系统需要电压支持，而并联电容器输出无功功率却急剧下降，不能满足系统要求。
同步调相机相当于空载运行的同步电动机。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率起无功电源的作用；在欠励磁运行时，它从系统吸收感性无功功率起无功负荷作用。
由于实际运行的需要和对稳定性的要求，欠励磁最大容量只有过励磁容量的50%-65%。装有自动励磁调节装置的同步调相机，能根据装设地点电压的数值平滑改变输出或吸取的无功功率，进行电压调节。
同步调相机的基本原理是当系统电压下降时，通过控制励磁发出和吸收无功功率，并通过电压调节器自动调节无功功率的大小以维持端电压恒定。应用时不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。
同步调相机的优点是：在系统发生故障并引起电压降低时，同步调相机可提供电压支持，还可以在短时间进行强行励磁，对提高电力系统的稳定性有很大的好处。它的主要缺点是由于同步调相机是旋转机械，有功功率损耗和噪声都较大，运行维护复杂，响应速度慢，难以适应动态无功控制的要求。
2.2静止同步补偿器
随着可关断电力电子器件的快速发展，无功补偿设备的原理、构造及特性发生着巨大的变化，基于可关断器件实现的静止同步补偿器，是由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。
静止同步补偿器的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上。适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。
2.3静止无功补偿器
常用的静止无功补偿器的形式分别有：
(1)饱和电抗器型，由于其铁心需磁化到饱和状态，因此损耗和噪声都很大，且因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，所以未能占据无功补偿的主流。
与晶闸管控制电抗器相比，饱和电抗器的损耗相对较大，通常应用在控制电压的大幅偏移、缓解电压闪变、在直流输电终端进行无功补偿等领域。
(2)晶闸管投切电容器，如图3-1。晶闸管投切电容器由电容器和双向导通晶闸管组成，晶闸管仅起到开关的作用。
图3-1 晶闸管投切电容器的电路结构
晶闸管投切电容器只能提供容性电流，将多组晶闸管投切电容器并联使用，根据容量需要，然后逐个投入，可以获得连续的容抗。
晶闸管投切电容器虽然不会产生谐波且损耗较小，但它对于冲击性负荷引起的电压波动与闪变不能进行很好的抑制。
(3)固定电容、晶闸管控制电抗器型，如图3-2。晶闸管控制电抗器和若干个不可控电容器并联而成，其中电容器为固定连接，晶闸管控制电抗器支路采用触发延迟控制，形成连续可控的感性电流。
图3-2 固定电容、晶闸管控制电抗器的电路结构
晶闸管控制电抗器容量大于固定电容的容量，以保证既能输出容性无功功率也能输出感性无功功率。
(4)晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器的混合装置，如图3-3。
晶闸管投切电容器的工作原理是根据负载感性无功功率的变化通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。这里，晶闸管只是作为投切开关，而不像晶闸管控制电抗器中的晶闸管起相控作用。
在实际系统中，每个电容器组都要串联一个阻尼电抗器，以降低非正常运行状态下产生的对晶闸管的冲击电流值，同时避免与系统产生谐振。用晶闸管投切电容器组时，通常选取系统电压峰值时或者过零点时作为投切动作的必要条件。
由于晶闸管投切电容器中的电容器只是在两个极端的电流值之间切换，因此它不会产生谐波，但它对无功功率的补偿是阶跃的。
晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器组合后的运行原理为：当系统电压低于设定的运行电压时，根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组，并略有一点过补偿，此时再利用晶闸管控制电抗器调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功，当系统电压高于设定电压时，则切除所有电容器组，只留有晶闸管控制电抗器运行。
晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器混合装置的优点是谐波含量低，而且响应速度快，可快速改变发出的无功，具有较强的无功调节能力，提供动态无功补偿，从而提供动态电压支持，加快暂态电压恢复，有效抑制电力系统电压波动与闪变，提高系统电压稳定水平。
随著柔性交流输电概念的提出，特别是电力电子技术得到长足发展以后。静止无功补偿器有了拫好的发展。
在工业界，静止无功补偿器通常是专指使用晶闸管的静止无功补偿器。它包括晶闸管投切电容器和晶闸管控制电抗器以及两者的混合装置等。
静止无功补偿器是一种静态无功发生器与无功吸收器的并联装置。与调相机这一传统无功补偿装置比较。静止无功补偿装置具有没有旋转元件、可靠性高、可快速调节无功补偿功率的大小等优点。静止无功补偿器可控制母线电压在一定的水平上，减少迅速波动的负荷造成的电压波动和闪变。
目前静止无功补偿器广泛地应用在输电系统和配电网中。
图3-3 晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器混合装置的电路结构
2.4静止无功补偿器的工作特性分析
(1)晶闸管控制电抗器的工作特性
晶闸管控制电抗器的电路原理图和电压—电流特性曲线如图3-4所示。 （b）电压—电流特性曲线
图3-4 晶闸管控制电抗器的单相原理图和电压—电流特性曲线
由于目前晶闸管在实际使用时，往往采用多个晶闸管串联使用，以满足需要的电压和容量要求，串联的晶闸管要求同时触发导通，而当电流过零时自动阻断。
由图3-4可知，基本单相晶闸管控制电抗器由一对反并联晶闸管S1/S2与一个线性的空心电抗器相串联组成。
反并联晶闸管就像一个双向开关，晶闸管阀S2在供电电压的正半波导通，而晶闸管阀S1在供电电压的负半波导通。晶闸管的触发角以其两端电压的过零点时刻作为计算的起点。
晶闸管控制电抗器触发角的可控范围是90°-180°。当触发角为90°时，晶闸管全导通，此时晶闸管控制电抗器中的电流为连续的正弦波形。当触发角从90°接近180°时，晶闸管控制电抗器中的电流呈非连续脉冲形，对称分布于正半波和负半波。
当触发角为180°时，电流减小到零。所以一般在90°-180°范围内调节。
晶闸管控制电抗器的作用就像一个可变电纳，改变触发角就可以改变电纳值，因为所加的交流电压是恒定的，改变电纳值就可以改变基波电流，从而导致电抗器吸收无功功率的变化。
但是，当触发角超过90°以后，电流变为非正弦的，随之就产生了谐波。如果两个晶闸管在正半波和负半波对称触发，就只会产生奇数次谐波。
由于在电力系统应用中要求系统应具有可控的感性无功功率，因此在晶闸管控制电抗器上并联了一个电容器。这个电容器可以是固定的，也可以是可投切的，通过机械开关或者是晶闸管开关。
晶闸管控制电抗器的主要优点是控制的灵活性和易于扩容。不同的控制策略均可容易地实现，特别是对那些涉及外部辅助信号以显著提高系统性能的控制，参考电压和电流的斜率都能够用简单的方式加以控制。
(2)晶闸管投切电容器工作特性
晶闸管投切电容器的电路原理图和电压—电流特性曲线。晶闸管投切电容器的单相原理图和电压—电流特性曲线，两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。晶闸管投切电容器实际上是断续可调的吸牧容性无功功率的动态无功补偿器。
从图3-5可知. 其A、B、C为无功可调的三个等级，而所给出的电路原理结构图只为多组投切电容器的一组。电容器分组的方法比较灵活，当然，电容值级数越多越好。
晶闸管投切电容器可以补偿系统所需的无功功率。如果级数分的足够细化，基本上可以实现无级调节，但晶闸管投切电容器对于抑制冲击负荷引起的电压波动与闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所以晶闸管投切电容器装置一般与电感相并联，其典型设备是晶闸管投切电容器和晶闸管控制电抗器一起使用。
晶闸管投切电容器的关键技术问题是投切电容器时刻的选取，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端的电压等于电源电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。
这种补偿装置为了保证更好的投切电容器，必须预先对电容器充电，充电结束后再投切电容器。
2.5静止无功发生器
静止无功发生器的基本原理是将桥式变流电路通过电抗器并联或直接串联在电网上，适当调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。
静止无功发生器的主要功能：
(1)提高线路输电的稳定性
在长距离输电线路上安装静止无功发生器,不但可以在正常运行状态下补偿线路的无功损耗，抬高线路电压，提高有效输电容量，而且可以在系统故障情况下提供及时的无功调节，阻尼系统振荡，提高输电系统稳定性。
(2)加强电力系统电压稳定性
对于负荷中心而言，由于负载容量大，又没有大型的无功电源支撑，因此容易造成电网电压偏低甚至发生电压崩溃的稳定亊故。
静止无功发生器具有快速的无功功率调节能力，可以维持负荷侧电压，提高负荷侧供电系统的电压稳定性。
(3)补偿电力系统无功功率
电力系统中的大量负荷，如异步电动机、电弧炉、轧机以及大容量的整流设备等，在运行中需要大量的无功；同时，输配电网络中的变压器、线路阻抗等也会产生一定的无功，导致系统功率因数降低。
对电力系统而言，负荷的低功率因数会增加供电线路的能量损耗和电压降落，降低了电压质量。同时，无功也会导致发电、输电、供电设备的利用率降低；对于电力用户而言，低功率因数会加大生产成本。
(4)抑制电压波动和闪变
电压波动和闪变主要是负荷的急剧变化引起的。负荷的急剧变化会导致负荷电流产生对应的剧烈波动，剧烈波动的电流使系统电压损耗快速变化，从而引起受电端电网电压波动与闪变，引起电压波动与闪变的典型负荷有电弧炉、轧钢机、电力机车等。
静止无功发生器能够快速地提供变化的无功电流，以补偿负荷变化引起的电压波动和闪变现象。
(5)抑制三相不平衡
配电网中存在若大量的三相不平衡负载，典型的如电力机车牵引负荷和交流电弧炉等。同时，线路、变压器等输配电设备三相阻抗的不平衡也会导致电压不平衡问题的产生。
静止无功发生器能够快速地补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供用电的电能质量。
3无功补偿装置抑制电力系统电压波动与闪变的作用
无功补偿装置抑制电力系统电压波动与闪变的作用
(1)串联补偿装置除了用来提高线路末端电压外，还特别适用于接有很大冲击负荷的线路上，用来消除电压的剧烈波动。
因为串联电容器在线路中对电压降落的补偿作用是随着通过电容器的负荷变化而变化，具有随负荷变化而瞬时调节的性能，能自动维持负荷端的电压值。在高压输电系统中，能增强系统稳定性，提高输电能力。
高压远距离输电线路的感抗对限制输电能力起着决定性作用，将电容器串入输电回路，利用其容抗抵消部分线路感抗，相当于缩短了线路的电气距离，从而提高了系统的稳定极限和送电能力。
(2)并联补偿装置主要包括调相机、并联电容补偿器、静止无功补偿器、并联电抗补偿器和超高压并联电抗器等。
它们的特点都大致相同，调相机向电网提供可无级连续调节的容性和感性无功，维持电网电压，提高电网稳定性；并联电抗补偿装置，向电网提供可阶梯调节的感性无功，补偿电网剩余的容性无功，保证电压稳定在允许的范围内；然而静止无功补偿器能向电网提供可快速连续调节的容性和感性无功，降低电压波动和波形畸变率，全面提高电压质量，并兼有减少有功损耗、提高系统稳定性、降低工频过电压的功能。
(3)固定电容补偿，固定无功补偿方案是补偿无功功率的常规方法，其补偿无功的容量根据平均负荷的大小而确定，是一个不可调的固定量，通常由电抗器和电容器串联组成，其功能主要是补偿负荷产生的感性无功，并对电压波动有抑制的作用。
(4)静态无功补偿，静态无功补偿的功能是提高功率因数及滤除谐波，由于静态无功补偿的补偿容量是固定的，一般适合电压相对比较稳定的场合，对于电压波动比较大的场合，补偿效果就不是很理想。
(5)动态无功补偿装置，随着现代科学技术的发展，无功自动调节及动态无功电容补偿逐渐取代传统的无功电容补偿方式，按设计的电容器容量，固定接入系统中，电容器分相，但不分组、不分段的技术方案，自动调节电容器两端的电压以改变无功电容电流方法。
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