1.引 言
電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量是評價電力系統(tǒng)運行性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而電壓又是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，因此，電壓的穩(wěn)定性對電力系統(tǒng)運行性能來說顯得尤為重要。電壓穩(wěn)定與否主要取決于系統(tǒng)中無功功率的平衡，如果用電負荷的無功需求波動較大，而電網(wǎng)的無功功率來源及其分布不能及時調(diào)控，就會導(dǎo)致線路電壓超出允許極限;另外，對于負荷一側(cè)，電力系統(tǒng)多由輸配電線、變壓器、發(fā)電機等構(gòu)成，其內(nèi)阻抗主要呈感性，使得負載無功功率的變化對電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性帶來極為不利的影響。
無功功率補償是涉及電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動化技術(shù)、理論電工等領(lǐng)域的重大課題。由于電力電子技術(shù)裝置的應(yīng)用日益普及生產(chǎn)、生活各個領(lǐng)域，無功補償問題引起人們越來越多的關(guān)注。據(jù)有關(guān)科學(xué)統(tǒng)計，如果全國都通過優(yōu)化配置計算來安裝無功補償裝置，在總投資不變的條件下，估計每年可以節(jié)省電量大約3億千瓦時。因此，電力系統(tǒng)的無功補償和電壓調(diào)整是保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的重要措施。目前，由于電力電子技術(shù)的飛速進步，無功功率補償方面也取得了突破性的進展。
2.連續(xù)無功補償裝置發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展前景
工程上應(yīng)用的無功補償器主要包括旋轉(zhuǎn)無功補償器和靜止無功補償器，其具體分類見圖1。
2.1連續(xù)無功補償裝置的發(fā)展歷史
旋轉(zhuǎn)無功補償器以同步調(diào)相機為代表，同步調(diào)相機實際上就是在過勵或欠勵狀態(tài)下運行的同步電機，它既能發(fā)出容性無功，也能發(fā)出感性無功，因而同步調(diào)相機能對變化的無功功率進行動態(tài)補償。由于其存在諸多缺點(見表1)，70年代以來逐漸被靜止無功補償器取代。
靜止無功補償技術(shù)經(jīng)歷了圖1所示的3代發(fā)展：
第Ⅰ代屬于慢速無功補償裝置，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較早，目前也仍在應(yīng)用;
第Ⅱ代屬無源、快速動態(tài)無功補償裝置，出現(xiàn)于20 世紀70 年代，國外應(yīng)用普遍，我國目前有一定應(yīng)用，主要用于配電系統(tǒng)中，輸電網(wǎng)中應(yīng)用很少，SVC 可以看成是電納值能調(diào)節(jié)的無功元件，它依靠電力電子器件開關(guān)來實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)。 SVC 作為系統(tǒng)補償時可以連續(xù)調(diào)節(jié)并與系統(tǒng)進行無功功率交換;
第Ⅲ代屬快速的動態(tài)無功補償裝置，國外從20世紀80年代開始研究，90年代末得到較廣泛的應(yīng)用。隨著大功率全控型電力電子器件GTO、IGBT、及IGCT的出現(xiàn)，特別是相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)、四象限變流技術(shù)的提出，使得電力電子逆變技術(shù)得到快速發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的無功補償技術(shù)也得以迅速發(fā)展。靜止同步補償器，作為FACTS家族最重要的成員，在美國、德國、日本、中國相繼得到成功應(yīng)用。此外，SVG和SVC相比還擁有調(diào)節(jié)速度更快、調(diào)節(jié)范圍更廣、欠壓條件下的無功調(diào)節(jié)能力更強等優(yōu)點，同時諧波含量和占用空間都大大減少。3代無功補償裝置的優(yōu)缺點見表1。
2.2國內(nèi)外電網(wǎng)動態(tài)無功補償?shù)默F(xiàn)狀
我國電網(wǎng)中目前使用最為廣泛的補償裝置是機械投切的并聯(lián)電容器組。為滿足調(diào)壓要求，在低壓供電網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)了大量的并聯(lián)電容器組，在中壓配電網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)了少量的并聯(lián)電容器組。牡丹江科海電氣設(shè)備有限公司設(shè)計生產(chǎn)的G(X)JF1型電容器跟蹤投切柜(箱)采用了KH-ZK電容器智能投切開關(guān);G(X)JK1型接觸器式電容器跟蹤投切柜(箱)投切電容過程涌流小，整機使用壽命長, 維修量小,無功補償響應(yīng)快，可頻繁投切，多級補償一次到位。包括G(X)D1型電容投切產(chǎn)品都是該補償裝置的進步發(fā)展。
目前，我國輸電系統(tǒng)中一共有5地 6套大容量SVC投入使用，它們分別被裝設(shè)在廣東江門、湖南云田、湖北鳳凰山(2套)、河南小劉以及遼寧沙嶺的500kV變電站中。此類SVC多為進口，其中有3套是ABB公司的產(chǎn)品。
SVC在大型工礦企業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛，在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用尤為突出，武漢鋼鐵公、包頭鋼鐵公司、寶山鋼鐵公司、濟南鋼鐵公司、張家港沙鋼鐵公司、天津鋼管公司等均裝有該補償裝置，如濟南鋼鐵公司中厚板廠二期工程在35kV母線上安裝了由西門子公司設(shè)計制造的一套容量為25Mvar的SVC，2001年底帶負荷一次投運成功。
從國際范圍來講，目前SVC與SVG都已得到普遍的應(yīng)用。SVC出現(xiàn)早，應(yīng)用時間長，僅ABB公司，其目前在全世界投運的SVC就已超過370套，ABB 與西門子兩個公司已安裝的SVC總?cè)萘考s為9萬Mvar(包括已退役裝置)。SVG裝置在20世紀主要以示范工程為主，從上世紀90年代末到本世紀初，SVG在日本及歐美得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在冶金、鐵道等需要快速動態(tài)無功補償?shù)膱龊稀?999 年3月，我國第一臺工業(yè)化STATCON在河南省洛陽市朝陽變電站成功并網(wǎng)運行，標(biāo)志著我國掌握了高壓大容量FACTS 設(shè)備的設(shè)計制造技術(shù)。
2.3靜止無功補償裝置的發(fā)展前景
隨著電力電子技術(shù)的日新月異以及各門學(xué)科的交叉影響，靜止無功補償?shù)陌l(fā)展趨勢主要有以下幾點：
(1)在城網(wǎng)改造中，運行單位往往需要在配電變壓器的低壓側(cè)同時加裝無功補償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補償控制器和配電綜合一體化的問題。
(2)快速準(zhǔn)確地檢測系統(tǒng)的無功參數(shù)，提高動態(tài)響應(yīng)時間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況(如大的沖擊負荷或負荷波動較頻繁的場合)。隨著計算機數(shù)字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無功補償中引入一些先進的控制方法，如模糊控制、微機控制等。
(3)目前無功補償技術(shù)還主要用于低壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)由于受到晶閘管水平的限制，是通過變壓器降壓接入的，如用于電氣化鐵道牽引變電所等。研制高壓動態(tài)無功補償?shù)难b置具有十分重要的意義，關(guān)鍵是要解決補償裝置晶閘管和二極管的耐壓，即多個晶閘管元件串聯(lián)及均壓、觸發(fā)控制的同步性等問題。
(4)由單一的無功功率補償?shù)骄哂袨V波以及抑制諧波的功能。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，供電系統(tǒng)或負荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有無功補償與電力濾波器雙重優(yōu)點的晶閘管開關(guān)濾波器，將成為改善系統(tǒng)功率因數(shù)、抑制諧波、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。有源電力慮波器(APF)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)正是既能補償諧波，又能補償無功的裝置，雖然有電流中的高次諧波，單臺容量低，成本較高等問題，但是其發(fā)展前景仍然看好。
(5)將一個由晶閘管換流器產(chǎn)生的交流電壓串入并疊加在輸電線相電壓上，使其幅值和相角皆可連續(xù)變化，從而實現(xiàn)線路有功和無功功率的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，并可提高輸送能力以及阻尼系統(tǒng)振蕩。目前綜合潮流控制器(UPFC)發(fā)展較為迅速，美國西屋電氣公司研制出串聯(lián)潮流控制器(SPFC)，其造價明顯低于UPFC，功能可與之相比且優(yōu)于SVG。