隨著現代電力電子技術的發展，產生了一些靜止形態的動態無功補償裝置。電力電子裝置不僅可以發送而且還可以吸收無功功率，其本身也成為產生無功的功率源。在許多情況下，動態補償有功功率或在補償無功的同時也補償部分有功功率，對改善電能質量會有更好的效果。隨著電網中精密電能用戶的增多，要求電網必須提供與用戶所要求的質量指標相適應的電能。近年來，為了進一步提高配電電能質量指標，出現了多種動態的改善電能指標的電力電子設備。這些提高電能質量和供電可靠性的技術稱為契約電力(custompower)。補償技術發展的初期，人們已經注意到補償無功功率和補償系統參數存在某些相同的效果，有時甚至會產生更適合用戶的效果，因此，補償參數技術在電網中有著重要的應用領域。最常用的是串聯電容輸電補償，他對減少電壓變動，提高電力系統穩定性起到重要的作用。本文對電力系統中為提高電能質量所使用的各種補償技術及動態補償方式作了概括性的介紹，重點敘述了補償技術的發展及其技術前景，討論了正在開展的新的補償技術以及補償用能源的合理使用，并表明了對當前電網中應用各種補償方式的看法和評價。電力電子技術應用于電網和用戶后使電網上產生了更多的無功和諧波，而用于濾波的技術實際上與補償技術是相互聯系也是相互影響的，因此，對濾波技術的進展也作了介紹。1并聯無功補償1.1同步調相機同步調相機是最早用于電網的無功補償設備，適合于電網電壓調節。但調相機的反應速度較慢，因此對瞬時電壓波動效果較差。他以勵磁電流調節來改變發出電壓，從電壓的幅值大小決定無功功率的輸出，同步電機的啟動和運行需要很大的維護工作量，這是他的弱點。同步調相機運行中轉子有慣性，在故障瞬間調相機向系統輸出短路電流，增大系統的短路容量。對系統容量偏小而且電網短路電流不夠大的電網(如直流輸電的受端)，同步調相機還是有顯著作用的。但是，在一般電網中，由于短路容量往往偏大，甚至于需要采取限流措施，不適合采用同步調相機。目前，除了需要加大短路容量外，作為無功和電壓補償的同步調相機已經被完全淘汰。1.2靜止無功補償器(staticvarcompansator，SVC)平滑動態補償是指所補充進電網的無功電流，他是按照電網無功需求的變化而變化的。由于無功是與電壓直接聯系的，所以調節無功在很大程度上是為了系統電壓的質量和電壓支撐。靜止無功補償器目前主要有以下2種類型，一種是品閘管投切電容器(TSC)，另一種是品閘管控制電抗器(TCR)。TSC與普通電容器不同之處，在于用晶閘管代替了斷路器作電容器組的投切。TCR則連續調節電抗器電流大小，使無功按要求變化，下面分別說明其特點。1.2.1晶閘管投切電容器(TSC)電容器組的投切開關處用晶閘管開關取代了機械式的開關，例如油斷路器或真空斷路器。晶閘管開關由反并聯的晶閘管組成，也可以用一只晶閘管與一只二極管反并聯。TSC用的晶閘管只有2個狀態，導通和斷開。晶閘管由一個控制器控制。用晶閘管開關取代普通有接點開關的優點是，在投切過程中沒有沖擊電流和過電壓，這是由于電容器的接入是在晶閘管兩端電壓過零瞬間完成，而電容器的切斷是由晶閘管在電流過零時完成。這樣電容器可以任意頻繁的投切。由于與TSC相連的由一般斷路器投切的電容器或電纜線路會向TSC放電，因此，在TSC的電容器電路上串聯有電抗器，他既可限制放電電流也能防止電容器組產生某些次諧波的諧振_圖1是2種主要的TSC電路。△形接線電路的TSC可以在任何電網使用。Y0形接線電路的TSC則只能用在電源變壓器有中心點連出的系統中。目前，Y0接線只用在低壓系統。圖2是國產10kV，1000kvar的TSC裝置，他采用電磁觸發和自然用冷卻，這種選擇對較小的容量較為適宜。對于TSC的使用范圍，最近比較通行的看法是用在低壓系統，即在600V及以下電壓等級系統中用一臺或多臺TSC控制無功和電壓是既經濟又可靠的選擇。1.2.2晶閘管控制電抗器(TCR)TCR是靜止補償器中的重要組成員，他調節晶閘管的導通角度以改變電抗器電流。TCR總與電容器并聯使用，當系統需要較多電容時，TCR使電抗電流減小，若系統需求電容電流下降，TCR則使電抗電流加大，用電抗電流多抵消電容電流，這相當于使接入系統的電容電流減小。TCR本身會產生諧波，所以，往往用濾波器代替部分并聯的電容器組，也可用TSC。在電容器組切除后，TCR可以接受感性無功，這樣，在電網夜間電壓過高時，TCR可以起到降低受端電壓的作用。圖3是TCR及其系統接線。其中，變壓器可以是任何一種接線。濾波器除濾掉TCR產生的諧波外，也要濾掉負荷所產生的部分諧波，要根據負荷性質考慮濾除諧波的次數。TCR和TSC都可以分相調節，也就是可以按每相電壓或無功的要求確定。瞬時補償無功量。他們都有減小不對稱電流和電壓的效果，并且具有在不對稱故障時支撐電網電壓的作用，使電網不因電壓崩潰而失步。1.2.3晶閘管投切濾波器(TSF)晶閘管投切濾波器在結構上與晶閘管投切電容器TSC相同，但其參數不同，且有獨特的運行狀態。TSC和TSF都有補償系統無功的能力。TSC的電抗器是為了避免電容涌流和躲過諧振頻率而設置的。TSF的電抗器是為了使某一次諧波取得低阻抗通道設計的。運行中TSF可能有大量的諧波流過，高次諧波電流流過濾波器時每基波(50Hz)電流相加使總電流可能產生多次過零的現象，這時，要求控制器有按反向電流流過而給晶閘管觸發信號的能力，這要求控制器能在同步之外符合電流方向給以觸發。雖然，晶閘管投切濾波器是新的技術，但已經顯示出他的重要作用，到目前其的運行效果是令人滿意的。1.3無功發生器(STATCOM，SVG)隨著電力電子技術向可控關斷和快速觸發方向發展，有可能制造出動作頻率更高的電力開關器件，從而研究開發出可以在任何相位運行的逆變器。無功發生器(SVG)就是一個可以產生超前電流90°或滯后電流90°的逆變器，同時，他帶有自整流充電能力。SVG的工作原理是從三相電網上取得電壓向一個直流電容充電，再將直流電壓逆變成交流電壓送回電網。SVG最簡單的原理見圖4。如果產生的電壓大于系統電壓，那么變壓器上流過的電流超前電壓90°，使電網帶上電容性負荷，或者說SVG供應無功；如果產生的電壓小于系統電壓，流過變壓器的電流滯后電壓90°，使SVG成為電感性負載，或者說SVG吸收無功。這樣，如果按需要調節發生器的電壓就可以得到適宜的無功輸出，而且SVG可以在感性和容性間快速連續調整。簡化(略去諧波)后可用向量關系來描述上述原理(見圖5)。無功發生器的直流側電容只提供直流電壓，他的電壓則由三相6個二極管充電得到。因此，在系統電壓下降時，他仍能供出額定的無功電流。而靜止補償器類的設備，其輸出的電流與電壓是成比例減小的。在原理上，無功發生器在故障中有更好地支撐電壓的效果。無功發生器難于應付系統的不對稱。無功發生器在系統電壓不對稱時，會產生很大的負序電流，這個電流必須流過直流電容器，也就是無功發生器本身不能承擔過大的不對稱電流。另外，無功發生器在系統不對稱時產生的不對稱電流將擾亂系統的正常運行。目前采取的方法是，在系統發生不對稱時將無功發生器自動切除。由于電力系統中的故障多數是不對稱的，這使得無功發生器能產生額定無功電流的優勢不能充分發揮出來。2串聯電容補償2.1靜態串聯電容補償裝置(SC)從補償電網負荷側電壓下降的角度看，用電容補償無功并不能使電壓的變化率減小。如果系統電壓用E表示，電網阻抗是R和X，受端電壓為U，在負荷電流i和功率因數cos中時，電流可以分解成有功電流ip(ip=icos^)和無功電流iq(iq=isin^)2個分量。受端電壓與系統電壓之間的關系其中ipR和iqX二項與U方向相同，是影響電壓降AU的主要成分，而ipX和iqR二項與電壓U垂直，主要生成兩端電壓的角度。，即功率角。有功電流和無功電流引起的電壓降向量圖見圖6。因此，對于以改善電能質量為目的的補償應該主要著眼于ipR和iqX二項。從圖6中可以看出，ipR一般所占比例較小，且不便于補償，因此，補償iqX項是唯一可行的。iq是無功電流，U是受端電壓，無功Q=iqU。如果經補償使iq減小，也就是無功Q減小，電壓降分量iqX就可以降低，從而使電壓降減小。如果要動態補償iq，可采用TCR或TSC裝置隨時改變電容電流以減小iq，，但TCR和TSC的投資會大于電容器組。如果用固定電容器補償，有功電流幾乎沒有改變，而無功電流則成為iq-ic(ic，是電容電流)。在iq=-ic，時，無功電流達到最小；而iq=0時，無功電流是一ic，這時，不僅電壓沒有下降反而會升高，即用固定電容補償并不能減少電壓的波動。同樣，固定電容也不能減少功角6的變化。在電壓降項iqX內，不能減小iq時，用降低X的辦法也是可行的。X是系統電抗，其線路電抗基本是感性的。如果串聯一組電容器，容抗與系統電抗抵消一部分，使iqX減小，電壓質量也會得到改善。這種串聯電容補償方法在補償參數的同時，由于電抗X減小，使功率因數也得到改善(從送端看)，而且明顯縮小功角6，因此還可增進電力系統的穩定性。圖7是串聯電容補償的向量圖。其中U1和I1是未補償前的受端電壓和電流，U2和I2是補償后的電壓和電流。雖然負荷的功率因數和功率沒有變化，但受端電壓在補償后明顯提高，也就是電壓降減小。同時補償后功率因數也得到提高(從電網側看)，即中+62中+61。口串聯電容補償與并聯電容補償相比較，串聯電容補償在負荷變化時，受端的電壓變化幅度小，他和并聯的動態補償有相似的功能。但由于串聯電容補償技術稍復雜，所以推廣較少。國內在80年代初已有成套串聯電容補償產品供應，并經國家鑒定，串聯補償在實際運行中對改善電壓質量、增加輸電容量的效果很好。2.2可控串聯電容補償(TCSC)串聯電容補償有減小電壓降和減小功角的能力。如果他能夠快速隨電流的振蕩來改變電容容抗，則既可以阻尼系統的低頻振蕩，從而更加增加系統的輸電容量，也可以抑制串聯補償引起的次同步諧振，即發電機軸系的扭振。動態補償系統阻抗參數X的具體方法是，在串聯電容器上并聯一組可控電抗器，借改變晶閘管的導通角改變電感電抗值，從而改變容抗及補償度。補償度定義為k=xc/x。圖8是一相可控串補的電路圖。可控串聯補償設備全部置于絕緣平臺上，按線路絕緣選用支架瓷瓶。因此，電容及電感晶閘管都處于高電位，而控制器裝置則在地面，中間測量和控制信號由光纖傳送，也可用電流互感器傳送電流值。巴西南北的500kV聯絡線上，始端、末端各配置有一組可控串聯補償裝置，中間分布3級不可控串聯補償裝置，輸送容量達到1300MW。瑞典和美國電網也都配置有可控串聯補償裝置，這項技術正處在發展成熟過程中。由于他的設置復雜，因此只適用于長距離交流輸電線路。當線路需要擴大傳輸容量、設計線路需要輸送超常規模的負荷以及系統需要增大暫態和動態穩定時，可控串聯補償是一種可選的方法。和高壓直流輸電對比，可控串聯補償有其特點。3動態有功與無功補償3.1蓄電池儲能補償（BSEE）在美國加州CHINO地方，有一組蓄電池儲能補償加入了南加州電網。為了補充電力系統峰期電能要求，吸收低谷時余裕電能。他由一組鉛酸蓄電池和一組逆變器與電網相連接由于蓄電池儲能可以放在負荷中心附近，而且占地很小，對周圍沒有污染，因此，用蓄電池儲能補償有功功率余缺效果是很好的。從直流電源到交流的逆變采用多重化方案可以減少逆變過程中產生的諧波。CHINO的逆變器每相用3個逆變器，相位分別差20°，三相則需要9個單相逆變器，再經過3組變壓器的交互接線，使輸電電壓波形較接近于正弦，并且相位變化很小。90年代以前，西柏林也建造了功率為17MW的蓄電池儲能裝置，對補償有功功率的短缺起到很好的作用。目前蓄電池有向小型化發展的趨勢。蓄電池儲能補償也可以補償無功，只要在逆變器的控制器上改變觸發角度即可使其成為無功發生器，當然也可以在補償無功功率的同時補償部分有功功率。補償有功功率對配電系統中線路電阻比較大的情況有很好的效果。目前，由于蓄電池儲能對時差電位有特殊的經濟效果，因此，一些企業在夜間電位低的“谷”位時段對蓄電池進行充電，以便在白天電位高時補償用電，形成了高電位時使用原位電力的現象，即使加上蓄電池和逆變系統的損耗，這樣仍是合算的。而且，這種行為填補了峰谷需求差，對電網也是有利的。暫態有功功率補償對電能質量的影響很大。蓄電池系統對幾分鐘到幾十分鐘的補償或周期間歇瞬態電壓波動的補償或抑制是極有效的。3.2超導貯能（SMES）當溫度降到接近絕對溫度時，異體會呈現沒有電阻的現象，這種現象稱作超導。超導的電感線圈中若一旦被注入電流，電流會長久的在線圈的閉合電路中循環流動不消失，流動時也不需要電源，這種現象說明線圈中存入了磁（電）能。超導在許多領域都有不同目的的應用，在電力系統中有超導變壓器、發電機和超導電纜等，用超導儲能作暫態和動態補償是一個較新的方向。超導儲能的特點：他可以快速釋放出大的能量，即有很大的吞吐量；他是一個電流源，其結構不允許超導線圈斷路。圖9是一個為了平息系統低頻振蕩的超導儲能系統示意圖。超導線圈L中的電流原來經過旁路晶閘管的斷路器飽和電抗器電路循環流過，一旦系統需要電源，旁路晶閘管關斷，電流經過十二脈沖橋逆變成交流，并送入電力系統，在消耗功率的同時循環電流會急劇減小，此時要連續調節十二脈沖橋的觸發角，以維持應有的輸出。美國西海岸電網在80年代曾利用如圖9所示的超導儲能設備平抑了該系統0.35Hz的低頻振蕩，該設備的主要參數如下：①最大儲能30MJ；②全充電流4.9kA；③線圈電壓2.1kV；④最大磁場2.85T；⑤溫度:4.5K；⑥最大功率10MW；⑦保持電流約1h；⑧線圈電感2.6H。超導最大儲能為30MJ，折成電量雖不足8kWh，但他在很短時間能釋放出來，對系統產生極大的阻尼作用。這方面一些發達國家正在進行更實用化的研究，我國也有研究項目在進行中，美國商品化的是一種小型的超導設備，目的在于校正電壓波形的瞬態畸變，如電壓波形上的過沖或下陷，儲能僅1MJ，暫態輸出約有1MW。主要用在要求有嚴格正弦波形和電壓高度穩定抗干擾電源的精密電子制造業上。4動態電壓恢復器(dynamicvoltagerectorer，DVR)電網運行中不可避免的會發生事故和故障，即使可靠性很高的系統仍需要防止事故發生時不使影響范圍擴大的保護措施用以分隔事故區域和無故障區域，在事故發生時，即使最快速的保護切斷故障部分也需要零點幾秒，而在這個時間會使許多負荷受到影響，事故時的特點是故障電流增大，系統電壓降低，