并联电抗器无功补偿

并联电抗器

1． 并联电抗器在电力系统中的作用

并联电抗器无功功率补偿装置常用于补偿系统电容。它通过向超高压、大容量的电网提供可阶梯调节的感性无功功率，补偿电网的剩余容性充电无功功率控制无功功率潮流，保证电网电压稳定在允许范围内。实践证明，对于一些电压偏高的电网，安装一定数量的并联电抗器是解决系统无功功率过剩，降低电压的有效措施，特别是限制由于线路开路或轻载负荷所引起的电压升高。所以在一定的运行工况中，在超高压输电线路手段装设并联电抗器以吸收输电线路电容所产生的无功功率，称为并联电抗器补偿。

由于目前应用于电力系统的电抗器大都为固定容量的电抗器，其容量不能改变，无法随时跟踪运行工况的无功功率变化，造成电抗器容量的浪费，与目前节能减排的主题不相符合，所以，有必要研究可控电抗器这个热门话题，使得电抗器的容量可控可调，这也在一定程度上符合我国发展智能电网的要求。

2． 可控并联电抗器的分类、基本原理和优缺点

图1可控并联电抗器的分类

2.1 传统机械式可调电抗器

调匝式和调气隙式是最早出现并广泛应用的可调电抗器。其基本原理是通过调节线圈匝数或调节铁芯气隙的长度来改变电抗器的磁路磁导，从而改变电抗值。调匝式可控电抗器较易实现，但是电抗值不能做的无级调整。调气隙式由于机械惯性和电机的控制问题无法在工程上应用。

2.2 晶闸管可控电抗器（TCR）

晶闸管可控电抗器，是随着电力电子技术发展起来的一种新型的可控电抗器，它采用线性电抗器与反并联晶闸管串联的接线方式，通过控制晶闸管的触发角就可以控制电抗器的等效电抗值。

TCR的控制灵活，响应速度快，缺点是在调节时会产生大量的谐波，需要加装专门的滤波装置。在高电压大容量的场合下，必须采用多个晶闸管串联的方式，造价昂贵，这使得它在超高压电网中的应用受到了相当大的限制，目前主要应用范围是35kV和10kV的配电网中。

2.3 磁控电抗器

磁控电抗器是通过改变铁芯的磁阻来实现电感值可调。磁阻大，电感小；磁阻小，电感大，改变磁阻的方法一般有两种：一种是外加直流助磁来改变磁路的饱和程度；另一种是在控制绕组外加交流电流调节电抗器铁芯中的来实现电抗值可调的目的。

2.3.1 直流可控电抗器

直流可控电抗器属于磁控电抗器的一种。它包括直流助磁式可控电抗器、高漏抗变压器式可控电抗器、磁阀式可控电抗器和正交磁芯式可控电抗器。

（1）直流助磁式可控电抗器

直流助磁式可控电抗器是通过改变电抗器副边控制绕组的直接电流来改变磁路的饱和程度。当直流电流增大时，磁路饱和程度加深，交流有效磁导率降低，有效电抗值减小；反之，直流电流减小时，有效电抗值增大。由于直流控制绕组和交流工作绕组含有较大谐波分量，并且噪声问题比较严重，因此此类电抗器有一定的适用范围。

（2）磁阀式可控电抗器

“磁阀”的概念是前苏联学者在1986年提出的，使可控电抗器的理论向前发展了一

大步。磁阀式可控电抗器是借助控制回路直流控制电流的激磁改变铁心的磁饱和度，从而达到平滑调节感抗的目的。磁阀式可控电抗器的铁心截面积具有减小的一段，在整个容量调节范围内，只有小面积的那一段饱和，其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量，这就磁阀名称的由来。磁阀式可控电抗器制造工艺简单，成本低廉，对于提高电网的输电能力，调整电网电压，补偿无功功率，以及限制过电压都有非常大的应用潜力。

图2（a）为磁阀式可控电抗器的结构原理图，（b）为相应的电路图。

（a）结构原理图 （b）电路原理图

图2 磁阀式电抗器的原理图

当KP1，KP2均不导通时，由绕组结构的对称性可知，其与空载变压器作用相同。

当电源电压处于正半波时，晶闸管KP1承受正向电压，KP2承受反向电压。此时，若触发KP1使之导通，电源通过变比为δ的“自耦变压器”，由匝数为N2的线圈向电路提供直流控制电压和电流。当KP2在电源的负半波被触发导通时，同样也产生直流控制电压和

电流，而且控制电流的方向与KP1导通时一致。这样，KP1和KP2在一个工频周波内轮流导通，构成全波整流，二极管起续流作用，保证晶闸管在相应的正向电压过零时能够顺利关断。改变KP1和KP2的导通角，便可改变被控电流的大小，从而改变铁心的饱和度，实现电抗值连续可变。

（3）高漏抗变压器式可控电抗器

高漏抗变压器式可控电抗器是在晶闸管可控电抗器（TCR）的基础上发展起来的，其一、二次绕组间的短路阻抗很大，二次绕组用晶闸管短路。通过调节二次绕组中晶闸管的导通角来调节二次绕组的中的短路电流，可以实现电抗值的连续平滑可调。此可控电抗器相对于TCR的优点是将可控硅元件转移到变压器低压侧，降低了设备的成本，但仍然存在谐波问题，需要增加滤波装置。

2.3.2 交流可控电抗器

（1）基于磁通控制式可控电抗器

基于磁通控制式可控电抗器是一种新的可控电抗器。它通过在带气隙的变压器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流侧成比例的电流，改变二次侧注入电流的大小即可实现变压器一次侧等效阻抗的连续可调。此种电抗器铁芯不饱和，理论上不会产生谐波，但仍处于理论研究阶段。

（2）变压器式可控电抗器

变压器式可控电抗器是在高漏抗式可控电抗器基础上提出的一种拓扑结构。其电路原

理图如图3所示，通过分级控制各控制绕组的反并联晶闸管的导通和关断以达到分级平滑调节整个电抗器等效阻抗的目的。由于晶闸管工作于全关断或导通，所以不会对系统产生谐波污染。

图3变压器式可控电抗器

（3）调电容式可控电抗器

调电容式可控电抗器原理电路图如图4所示。在电抗器工作时，当有较大的感性电流时，利用晶闸管分组投入电容器，利用电容电流限制部分电感电流，通过改变接入其中电容组数，达到补偿电流的目的。此种可控电抗不会产生谐波，但由于分级控制，不能做到无级调节，另外由于增加了电容器，所以增加了设备的容量，使成本增加。

图4调电容式可控电抗器

2.4 PWM控制电抗器

这种电抗器是近几年来发展起来的一种新型可调电抗器，它利用PWM技术来调节电抗器侧的电压的幅值和相位，从而调节其输入电网的电流的幅值和相位，这便可以等效的改变送入电网的无功功率，从而起到动态无功功率补偿的作用。其优点是谐波含量少，电抗量可平滑调节，但缺点同样十分突出，电力电子器件的耐压水平限制了其在超高压电网中的应用，同时其控制相当复杂，成大非常大。

2.5 超导可控电抗器

尚不能实现，故在此不做讨论。

3.可控电抗器的国内外现状与发展

国内外可控电抗器在实际中应用得较多的是磁阀式可控电抗器，国际上磁阀式电抗器在110kV及以上高压系统的应用在前苏联国家，见表1所示。

表1 磁阀式电抗器在110kV及以上高压系统的应用情况

在国内，我国自主研发的首套500kV、100Mvar磁控式可控电抗器于2007年9月在湖北江陵换流站投运成功，是国际上首次将磁控式可控电抗器应用到500kV输电线路侧，并在系统运行中发挥了重要作用，为我国特高压可控电抗器的研制、运行与维护积累了宝贵经验。2006年9月，由中国电力科学研究院设计的忻都500kV高阻抗变压器式可控并联电抗器示范工程成功投入运行,该装置通过运行方式的切换可分别作为母线并联电抗器和线路并联电抗器使用。

综上所述，在目前来看，磁阀式可控电抗器和高阻抗变压器式可控电抗器是发展的重点，也是今后应用于实际电网的重点。