ABSTRACT

The three-phase power system unbalance seriously affects the quality of power supply and the safe operation of electrical equipment, so that power consumption increases. For the current unbalance compensations, this article analyzed each compensation’s principle, structure and development prospects, and given the range of applications and the unbalanced compensations’ development trend based on the advantages and disadvantages of each compensation device.

Keywords:Three-Phase Unbalanced, Power Quality, Unbalance Compensation Means, Static Var Compensator

三相不平衡补偿装置综述

刘萌，边敦新，张潇，李伟，逯明

山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博

收稿日期：2016年7月16日；录用日期：2016年8月8日；发布日期：2016年8月15日

摘 要

电力系统中的三相不平衡严重影响供电质量，使得电能损耗增加，并影响用电设备的安全运行。本文针对目前出现的不平衡补偿装置，对各补偿装置的原理、结构、发展前景进行分析比较，给出基于各补偿装置优缺点的应用范围以及未来不平衡补偿装置的发展趋势。

关键词 :三相不平衡，电能质量，不平衡补偿装置，静止无功补偿器

1. 引言

近年来，伴随我国经济的发展，配电网中的负荷日益增多，给电网的运行带来巨大压力。与此同时，用户端存在的大量的单相负荷使得柱上的三相电网不平衡，严重威胁电网的安全运行。当系统发生三相不平衡时，会产生大量的负序电流及零序电流，严重影响供电质量。此时，配变设备会出现出力降低，电能损耗增加；此外，三相不平衡还会影响用电设备安全运行，降低设备利用率，减损设备寿命并极易引起保护装置的误动作。

随着电力电子技术的不断发展，针对电力系统中三相不平衡的补偿方式也在不断进步，补偿效果更加高效。先后出现电容补偿器、同步调相机、静止无功补偿器和静止无功发生器。

2. 三相不平衡补偿装置介绍

2.1. 电容补偿器

电容补偿器作为最早的不平衡补偿装置，是电网中用得较多的一种专用的无功功率补偿设备 [1] 。其基本原理是把感性功率负荷与具有容性负荷的装置并联，当感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量；而容性负荷释放能量时，感性负荷则吸收能量，这样，能量便可在两种负荷间互相转换，由此，感性负荷所吸收的无功功率便可由容性负荷输出的无功功率补偿 [2] 。文献 [3] 对电容器的原理与应用做了更加详细的说明。

电容补偿器具有原理简单、价格便宜、安装、运行和维护方便的优点。但其只可以补偿感性无功，并对系统中的高次谐波有放大作用，不能对系统进行连续调节 [4] 。电容器的无功功率调节特性相对于其他产品还是较差的，所以也逐渐被其他产品所替代 [5] 。图1是电容补偿器串联在电路中的模型。

2.2. 同步调相机(SC—Synchronous Compensator)

调相机出现较早，作为一种传统无功补偿装置，其可在不带机械负荷的情况下，通过励磁或欠励磁方式来运行 [6] 。作为专门用以产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可分别发出大小不同的容性或感性无功 [7] 。当系统出现电压偏低，调相机会通过励磁运行来供给系统无功功率，从而调高系统电压；而当系统电压偏高，调相机又会通过欠励磁运行来吸收系统过多的无功功率，从而降低系统电压。它能够实现双向、独立、连续的调节无功的大小，并具有较大的过载能力 [8] 。图2为同步调相机原理图。

此外，同步调相机对维持负荷中心的电压水平和调节负荷中心的无功功率平衡有较强的补偿控制功能 [8] 。由于电力系统中的发电、输电、配电和用电必须同时完成，要求系统时刻处于动态平衡，因此要求系统不平衡无功补偿装置响应迅速，如达到周波级的响应速度，才能便于系统问题的处理；同时由于同步调相机是旋转设备，运行维护复杂，响应速度慢，且随着负荷中心地区对环境要求的提高，旋转设备带来的噪声问题也成为其一大缺点 [9] 。图3为步调相机运行曲线图。

2.3. 静止无功补偿器(SVC)

静止无功补偿器是于20世纪70年代兴起的一种补偿装置，现在已经发展成为很成熟的FACTS装置，

图1. 串联电容补偿

图2. 同步调相机原理图

图3. 同步调相机运行曲线

被广泛应用于现代电力系统的负荷补偿和输电线路补偿。SVC主要通过控制不同的静止开关来投切电抗器或电容器，使装置具有发出或吸收无功电流的功能，从而有效提高系统的功率因数和系统电压的稳定性，并能够明显抑制系统振荡。

目前的静止无功补偿装置一般是指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下四种类型：

2.3.1. 具有饱和电抗器的静止无功补偿装置(Saturated Reactor—SR)

饱和电抗器可简单地视为一个具有磁饱和特性的线圈。其运行原理为：当与电抗器串联的电力电子开关导通时，电流从零开始逐步增加，在电流较小时，电抗器工作在不饱和区，随着电流的继续增大，电抗器的铁心逐渐达到磁饱和。在假定回路中的总电阻保持不变的条件下，不饱和时由于电感较大，则时间常数(L/R)也较大，电路呈现较大感性，阻碍电流上升；在饱和区域，电抗值变小，时间常数也较小，电路电感特性不明显，电流流通较为顺畅，从而达到了在小电流时限制电流变化率的作用 [10] 。

SR型SVC通常分为可控饱和电抗型与自饱和电抗型。

自饱和电抗型能够通过电抗器自身的调节来稳定电压，在调节时，它能够利用铁心自身的饱和特性，使得滞后相位无功功率的大小与端电压的升降成正比。图4是带斜率校正的自饱和电抗器型静止补偿装置的原理图及该装置的工作特性曲线 [11] 。

图中C为固定电容器组，Cs为斜率校正电容，Ls为自饱和电抗器。从图4中可知，当母线电压升高ΔU时，则按特性曲线滞后的电流增加ΔI，该增加的电流会在网络电抗Xs上产生压降ΔU，从而保持系统电压不变；反之，当母线电压下降ΔU时，则超前电流增加ΔI，该电流在网络电抗Xs上产生压升ΔU，从而维持系统电压不变。该装置对电压波动的响应速度较好，响应时间一般在10~20 ms。缺点是电抗硅钢片需达到饱和状态，因而使铁心损耗增大，并伴有振动和噪声 [12] 。

可控饱和电抗器型静止无功补偿装置原理图如图5所示。该型补偿装置能够改变饱和电抗器控制绕组中的电流大小，使绕组中的感抗发生变化，从提供所需补偿的无功功率值。可控饱和电控器较自饱和电抗型能够更好的应用于母线电压波动较大的情况，但其振动和噪声仍较大 [13] 。

正常情况下，该电抗器运行在高磁饱和状态，电抗器所呈现的动态电抗一般是绕组的漏抗，因此时间常数很小，具有较快的响应速度 [14] 。

与同步调相机相比，饱和电抗器的响应速度快，具有静止型的优点。但由于其工作时铁心需达到磁饱和状态，会产生较大的损耗和噪声，且不能对系统进行分相调节，所以未能成为静止无功补偿装置的主流 [14] 。

2.3.2. 晶闸管控制电抗器(Thyristor Control Reactor switch capacitor—TCR)

晶闸管相控电抗器(TCR)是SVC的最重要组成部件之一，IEEE将TCR定义为：一种并联型晶闸管控制电抗器，通过控制晶闸管的导通时间，它的有效电抗可以连续变化。单相TCR的电路结构如图6所示，将两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，反并联的一对晶闸管就像一个双向开关，一个晶闸管在供电电压的负半周期导通，另一个晶闸管在供电电压的正半周期导通。晶闸管的触发角α在其两端之间的电压的过零点时刻作为计算的起点 [15] 。

TCR型静止无功补偿装置的原理图及装置的基频电压-电流特性曲线如图5所示。当TCR投入电网后，通过对反并联的晶闸管对的移相触发脉冲进行控制，使得电抗器的等效电纳发生变化，进而输出连续的、可变的无功功率 [16] 。该电路即相当于电感负荷的交流调压电路结构。其中电抗器为储能元件，即产生可调感性无功，达到调节调节感性无功的作用 [17] 。

整个TCR的作用就像一个连续可调的电感，仅能够吸收无功，一般通过增加固定的并联电容器组来扩充整个装置的补偿范围到超前和滞后的两个象限中。但是FC-TCR有一个明显的可调性范围，若超出该范围，FC-TCR就变成固定电容器或固定电抗器了。由于TCR运行时会产生大量的谐波，因此在选用TCR时需为系统加装滤波器装置 [5] 。通常将SVC与无源滤波器并联，但这样不仅会增加成本，而且在实际运行时，有可能由于系统发生或接近于谐振而使某些谐波严重放大而不是衰减。另外，由于SVC的工作范围较窄，当系统电压降低到一定程度时，输出无功将随着电压降落而降落降，不能对系统提供持续有效的支持 [18] 。因此目前通常将FC设计成具有双重功能，既补偿功率因数，又具有滤波功能。

在实际电网中用于三相电路时，一般电抗器组一般也是进行三相多组投切，接法可以为三角形接法，

图4. 带斜率校正的自饱和电抗静止无功补偿器及工作特性曲线

图5. 可控饱和电抗器型静止无功补偿器装置原理图

星形接法 [19] 。

2.3.3. 晶闸管投切电容器(Thyristor Control Capacitor—TSC)

与TCR相比，TSC运行时不产生谐波，损耗较小，因此在电力系统中获得了有效应用，但TSC不具有动态补偿三相不平衡的能力，且不能连续调节无功 [19] 。

在TSC结构中，两个反并联晶闸管能够实现电容器与电网的接通或关断，其结构中串联的小电感用来抑制电容器投入电网时产生的冲击电流。当电容器运行时，TSC的电压-电流特性与该电容的伏安特性一致。在实际工程当中，一般将电容器分成几组，如图7所示，每组都可单独由晶闸管投切，并可根据电网的无功需求对电容器进行投切，实际上TSC可看做具有分级可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，其电压-电流特性如图7所示，按照投入电容器组数的不同可为图中三条不同的斜线。当TSC用于三相电路时，其连接方式选Y联结或Δ联结均可，每一组都可以设计成如图7所示的自由分组投切形式 [15] 。

图6. 晶闸管相控电抗型静止无功补偿器装置原理图

图7. 晶闸管投切电容器型静止无功补偿装置原理及工作特性曲线

图7所示为TSC型静止无功补偿装置原理图及电压–电流特性曲线。根据负载感性无功功率的变化，切除或投切电容器组时，晶闸管只作为投切电容的开关，而不像TCR型中的晶闸管起相控的作用。在实际运行系统当中，为降低系统电流晶闸管产生的冲击，并避免与系统阻抗产生的谐振，需要在电容器组中串联阻尼电抗器。在一定范围内对晶闸管投切电容器组时，通常将过零点或系统电压峰值作为晶闸管投切的必要条件。除此之外，因TSC中的电容器只在额定正弦电流和零电流之间切换，在系统运行时不会产生谐波。但其响应速度较差 [19] 。

2.3.4. TCR+TSC混合型

TCR + TSC型SVC由若干个TSC单元和一个TCR单元并联组成。电容器可以实现分级投切，但在每个分级之间的无功可以通过TCR实现连续调节。SVC最大的感性调节范围与TCR容量一致。TSC支路通过串联电抗器被调谐在不同的主导谐波频率上。TCR和TSC通常设计成三角形接线方式，可单独对每相TCR和TSC支路的触发角进行控制，从而达到分相调节无功的目的 [19] 。

TCR + TSC混合型SVC原理及电压–电流特性曲线8所示。TCR + TSC型SVC一般由多组电容器和一组晶闸管相控电抗器组合，根据系统需要，补偿系统所需的无功 [20] 。在运行电压高于系统电压时，通过调整投入系统的电容器组数，来补偿一定的容性无功，再通过晶闸管相控电抗器的感性无功功率对过补偿的容性无功进行抵消；在运行电压低于系统电压时，切除所有接入系统的电容器组，此时系统中只有TCR装置运行 [21] 。

TCR + TSC型SVC的单相结构如图8所示，根据装置的晶闸管参数、容量、谐波影响、成本等因素而由n (n为正整数)条TSC支路(或者是容性滤波支路)和m (m为正整数)条TCR支路构成，图中n = 1，m = 1，各TSC，TCR参数一致。通常，TCR支路的容量稍大于TSC支路的容量 [22] 。

这种型式的SVC装置，TCR的运行特性会“插入”电容器特性之间。如果TCR的特性有一个小的正斜率，则合成的特性将如图8中的实线所示。从图7中可知，TCR的电流额定值应当稍大于一组电容器在额定电压下的值，否则就会得到上图阴影所示的死区 [22] 。

2.3.5. 静止同步补偿器(STATCOM)

80年代以来，一种更为先进的静止型无功补偿装置出现了，这便是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，称之为静止同步补偿器(STATCOM)，或者静止调相机(Static Condenser-STATCOM)。STATCOM不仅可用于输电系统中，也可用于配电系统中。此时，其亦称为D-STATCOM (Distribution STATCOM)，作用是提供或吸收无功功率，维持母线电压稳定，必要时还看滤除负荷产生的谐波。目前，世界各国对静止同步补偿器的研究方兴艾 [23] 。图9为静止同步补偿器原理图。

静止同步补偿器是由基于GTO，或IGBT的电压型逆变器和直流电容器构成的，是现代柔性交流输电系统(FACTS)的核心组成部分，同常规的静止无功补偿装置相比，STATCOM具有以下几大优点 [23] - [30] ：

(1) 连接电抗小，谐波量小，能显著提高系统的暂态稳定性并降低阻尼系统振荡；

(2) STATCOM装置采用直流电容器代替交流电容器，使STATCOM装置的体积减小，损耗降低，不仅可调节系统的无功功率，还可调节系统的有功功率；

(3) 对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，其仍可维持最大无功电流，并能够输出稳定的系

图8. (TCR + TSC)混合型静止无功补偿装置原理图和可能的工作特性曲线

统电压；

(4) 静止运行，控制灵活，调节范围广，安全稳定，无磨损、无机械噪声，大大提高了装置寿命，改善环境影响；

2.4. 静止无功发生器(SVG—Static Var Generator)

近年来电力电子技术得到了迅猛发展，使得基于GTO电压型变流器的新型静止无功发生器进入了实用阶段，由此，采用自换相变流技术的静止无功补偿装置——新型静止无功发生器(Static Var Generator— SVG)开始进入人们的视线。图10为SVG的基本构成，它由GTO电压型变流器、直流电容和与系统连接的变压器构成，SVG的电压电流特性曲线在下图中一并给出 [31] 。

由电力电子变流装置的相关特性可知，当系统电压小于SVG的输出电压时，SVG相当于电容器，能够吸收超前的无功功率；当系统电压大于SVG的输出电压时，SVG相当于电抗器，能够发出超前的无功功率；当系统电压与SVG的输出电压相等时，系统与SVG之间不会产生无功功率的交换。因此，SVG能够兼顾谐波抑制与无功补偿，并且没有功率损耗 [32] - [34] 。

目前我国对SVG的建模、结构设计、控制模式以及不对称控制等都做了相关的研究，但将这些技术

图9. 静止同步补偿器原理图

图10. SVG系统原理图和SVG电压–电流特性曲线

表1. 各不平衡补偿器特点比较

应用于实际当中还存在一定的问题，如：SVG的复杂结构、高难度控制过程、以及较高的生产成本等。如要将SVG应用于实际电力系统中，这些问题都亟需解决 [31] 。

3. 结论

目前，已出现的主要不平衡补偿器特点如表1所示。

截止目前，三相不平衡补偿器的发展已基本能够满足电网运行需求，目前主流的不平衡补偿器在响应速度、补偿精度、谐波抑制方面已取得长足进步。如今，电容补偿器、调相机因其调节精度及响应速度方面的劣势正步退出历史舞台。SVC正成为电网三相不平衡补偿的首选装置，以其快速的响应，适中的价格，在工业领域和输配电领域达到了前所未有的高速发展。STATCOM作为一种新型的无功补偿调节装置，己经成为现代无功补偿装置的发展方向，因而己成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。对于SVG，虽然具有其它补偿装置难以比拟的各项优势，但其技术尚处于起步阶段，实用化仍需要一段时间。

文章引用

刘 萌,边敦新,张 潇,李 伟,逯 明. 三相不平衡补偿装置综述
Summary of Three-Phase Unbalanced Devices Compensation[J]. 智能电网, 2016, 06(04): 165-174. http://dx.doi.org/10.12677/SG.2016.64019

参考文献 (References)