无功补偿综述

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1、1 我国间歇性可再生能源发展现状 我国间歇式可再生能源发电主要是指风力发电和光伏发电，截至 2009 年底，我国吊装 风电装机容量达到 2601万千瓦，实现连续4年翻番。新增风电装机容量 1380万千瓦，居世 界首位。我国已成为世界风电发展最快的国家。1=1黑计 =1新增年增长率I1996-2009年我国风电装机容量截至 2009 年底，我国光伏发电利用容量达到 30 万千瓦，比2008 年翻了一番。我国太 阳能热水器集热面积居世界第 1位，约占世界总量的三分之二。5累计口新增我国光伏发电装机容量我国太阳能集热面积及占世界比重2 目前间歇式发电系统存在的问题风电、太阳能发电的间歇性、随机性特点

2、给电力系统功率平衡、电压无功控制带来了困 难,大规模的并网存在并网消纳问题（一是由于风电与传统的火电相比，具有波动性、间歇 性等特性，大规模接入会对电网安全造成影响。二是我国的风电资源远离用电负荷中心，当 地电力市场无法消纳）风力发电：（1）电网调峰能力不足风电出力具有随机性、间歇性、大规模风电接入导致电网等效负荷峰谷差变大，即反调 节特性明显，增加了系统调峰难度。（2）电压控制难度增加大规模风电场介入电力系统时，风电场对无功功率的需求是导致电网电压稳定性降低的主要原因。目前，风力发电多采用异步发电机，它需要外部系统提供无功支持。当风电场容 量大，无功控制能力不足时，易影响电压的稳定性。（3）

3、对电能质量的影响风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率呈波动性，可能会 影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。（4）调频问题风电机组输出的有功功率主要随风能变化而调整，我国现行标准没有对于风电机组参与 系统调频提出要求，现有运行风电机组均不参与系统频率调整，而是由传统电厂分担。在大 规模风电接入电网的情况下，随着风电装机容量在电网中比重增加，参与电网调频电源容量 的比例显著下降，需同步配套相应容量的调频电源。光伏发电：（1）资源与负荷逆向分布带来的送出与消纳问题采用“集中开发、高压送出”模式开发的大规模光伏电站多集中在西北、华北等日照资 源丰富的荒漠/半

4、荒漠地区，这些地区一般地域范围广，但是本地负荷小，光伏电站的电力 需要进行远距离输送。（2）幅照强度波动性、随机性强，运行控制问题突出 光伏电源受光照强度变化的影响比较大，其出力波动性和随机性特点明显，且光伏电站 自身无惯性环节，呈现有功功率阶跃性变化特点，需要增加电网的旋转备用容量进行调节。 电压无功控制的难度加大。（3）光伏分布式接入配电网对电网安全产生影响 光伏分布式接入配电网会带来特有的计划外孤岛运行问题，会威胁线路维护人员人身安 全；造成与孤岛地区相连的用户供电质量受影响；孤岛电网与主网非同步重合闸造成操作过 电压；单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电，目前所有的防孤岛检测算

5、法均存 在检测盲区。（4）光伏分布式接入配电网对继电保护产生影响 在线路发生故障后，继电保护以及重合闸的动作行为都会受到光伏发电系统的影响。对 基于断路器的三段式电流保护的影响最为显著，尤其是导致线路保护的灵敏度降低以及相邻 线路的瞬时速断保护误动，并失去选择性。（5）大量使用电力电子并网设备带来的电能质量问题严重 光伏并网逆变器采用高频调制，易产生谐波；并联输出谐波放大现象难以预测与治理； 输出功率不确定性易造成电网电压波动、闪变；需要电网配置相应电能质量治理装置。3 间歇式能源发电系统无功补偿的意义随着行业分工的细化、工业领域的扩大、电力电子技术的应用，各种各样的冲击性负荷 相继出现且日益

6、增多，轧钢机、大型工业电弧炉、电力半导体逆变装置就是其典型代表。这 些装置的特点是启动频率比较高，启动过程快，有时在电网中进行快速的投切，产生大量谐 波的同时吸收大量的动态无功，而电网电压和无功功率的传输有很大关系，这就会造成电网 电压的快速波动，给电力系统的稳定运行带来极大的影响。同时，无功功率增加会导致功率因数偏低，使电流增大，系统电压下降。同时设备及线 路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无 功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降 低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大

7、面积停 电事故。无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供 电质量，在长距离输电中提高系统输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功 率。无功补偿使电能的质量提高了，电网运行安全性也提高了，在此期间由于线路压降减小 用户端用电电压提高，提高了用电效率，节约资源，是不可缺少的节电设备。风力发电： 一般来说，风电场的无功功率需求来自于两个方面：风机与变压器，其中变压器的无功 损耗又分为正常运行时的绕组损耗和空载运行时的铁心损耗。大多数风力发电机组都选用异 步发电机，异步发电机的最大特点是需要从电网系统吸收相应的无功功率才可向外输出电 能，即发电机的激磁无功

8、电流以及定转子漏抗消耗无功电流要由电网提供或电容器补偿。若 由电网提供，则会使电网功率因数降低，电网损耗增大。严重时甚至会造成电网电压下降， 供电网络崩溃。若由电容器补偿，则需增加无功补偿设备，维持风力发电机输出电能时的功 率因数与电网相同，保持在理想功率因数状态。风力发电厂在运行中，均采用由电容器组成 的无功补偿设备，就地为异步发电机提供发电时所需的无功功率。因此, 对风力发电进行无 功补偿, 提高功率因数具有重要的意义。电容的无功输出特性会随着电压的降低呈平方关系。风机转速降低时，发电机需要从电 力系统吸收更多的无功功率，这会导致发电机端部的电压水平继续降低。而安装在风电场的 补偿电容器，

9、无功功率输出能力此时恰恰随着电压的降低大幅度减弱，导致对电网的无功功 率需求继续增加。如果此时没有足够的电容器投入，则可能引发连锁反应，最终导致风电场 的电压崩溃！光伏发电： 因为光伏发电设备中的电感和电容元件要做功，就必须吸收无功。根据国家电网公司 光伏电站接入电网技术规定（试行）规定，大型和中型光伏电站的功率因数应该能够在0.98 （超前）0.98（滞后）范围内连续可调。因此，光伏发电系统也需要进行无功补偿，提高功率 因数。4 无功补偿技术的发展现状 在发电系统中的无功补偿设备从最早的电容器开始，历经了电容器、同步调相机、静止 无功补偿器（Static Var Compensator, S

10、VC）,直到静止无功发生器（SVG）几个不同阶段， 如图 1.1 所示：电容器补偿无功补偿装置早期无功补偿装置同步调相机（SC）饱和电抗器（SR）静止无功补偿器（SVC）现代无功补偿装置静止无功发生器（SVG）机械投切电容器（MSC）晶闸管投切电容（TSC）晶闸管投切电抗（TCR）各种装置的混合（TCR+FC， TCR+TSC）图 1.1 无功补偿装置的发展电容器无功补偿的优点是原理简单，安装、运行维护都很方便。但是，它只能补偿感性 无功，且不能连续调节，无法实现无级补偿，电容只能全部投入或切除，只能补偿固定的无 功功率，即使通过投切组数来改变这个固定值，这种改变也是阶梯型的，更重要的是它有负

11、 电压效应，当电网电压下降时，电容器上的补偿电流相应下降，使补偿的无功量急剧下降， 系统电压下降更大。在系统有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电 容器的烧毁。同步调相机是传统的无功功率补偿装置，其无功输出可以通过调节励磁电流而连续控 制。当同步调相机接入交流电网中后，在欠励磁的情况下其行为类似于电抗器，从交流电网 中吸收无功功率；而在过励磁情况下，其作用类似于电容器，向交流电网注入无功功率。正 常运行时，同步调相机的机端电压等于系统电压，励磁电流为基准电流，此时同步调相机处 于浮空状态，与系统没有无功功率交换。自二三十年代以来的几十年来，同步调相机在电力 系统无功功率控制中

12、一度发挥着主要作用。然而它的损耗和噪声大，运行维护复杂以及响应 速度慢，所以很多情况下已经无法适应快速无功功率补偿的要求。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（Saturated Reactor，SR）型的。这种补偿器是 由一个多相的谐波补偿自饱和电抗器与一个可投切电容器并联组成。饱和电抗器对无功功率 进行控制，而电容器提供超前功率因数的偏置。简单的铁心饱和电抗器不能作为补偿器来使 用，因为它会导致电压电流波形的严重畸变。饱和电抗器的谐波通过采用特殊设计的多路耦 合式三三型电抗器来最小化。 1967 年，英国 GEC 公司制成了世界上第一批饱和电抗 器型无功补偿装置。此后，各国厂家纷纷推出各自的

13、产品。饱和电抗器和同步调相机相比， 具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁心需要磁化到饱和状态，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，将使用晶闸管控制的静止无功补偿装置 （SVC）推上了电力系统无功功率控制的舞台。SVC能够自动跟踪负荷的运行情况，通过 控制晶闸管的导通角来快速连续调整并联电抗器的大小，从而达到对无功功率的无级补偿， 对提高负荷的功率因数、稳定和平衡系统电压有着显著的效果。静止无功补偿装置（SVC） 近年来获得了很大发展，已被广泛用于长距离输

14、电的分段补偿，也大量应用于负载无功补偿。1977 年美国 GE 公司首次在实际电力系统中运行了使用晶闸管控制的静止无功补偿装置。 1978年，西屋电气公司在美国电力研究院的支持下，制造了使用晶闸管控制的SVC,并投 入实际运行。随后， ABB， Siemens ， Alstom 和三菱公司相继推出了相关产品，而且这些厂 商的技术已经很成熟了。经过对国外 SVC 制造技术二十多年的研究，国内已有像中国电科 院电力电子、西安整流器厂、鞍山荣信等公司有 SVC 的供货能力，但在技术水平上与国外 大公司相比，仍有一定的差距。随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，静止无功发生器（SVG）在

15、 电力系统中得到了应用。SVG是一种采用自换相变流电路的静止无功补偿装置。简单的说, SVG 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，实现动态无功补偿的目的。表 1.1 不同种类补偿装置比较序号指标补偿电容SCSRSVCSVG1控制范围容性感性和容 性感性和容 性感性和容 性感性和容 性2控制性质极差连续连续连续连续3响应时间快慢快快快4电压控制有限好好好好7谐波产生无无很小大小8过电压与过负荷能力无很好很好小小11损耗小较小，有 旋转损耗较小，随 着滞相电 流的增大 而增大较小，随 着滞相电 流的增大 而增大小12投入系统快，有暂态 过程慢快，有暂 态过程快，有暂 态过程快，有暂态 过程13噪声小大大小小14投资低高中中高15技术成熟度好好好好一般各种类型的无功补偿装置参数比较如表 1.1 所示。由表中可以看出 SVG 在无功补偿 的性能方面比其他无功补偿装置都要好，但由于 SVG 的控制方法和控