1.2　電能質量問題的內涵發生了較大改變
交流輸電功率包括有功功率和無功功率。在有功功率不變的情況下，無功功率越大就會使功率因數降低，

視在功率增大，從而需要增大發、輸、配電設備的容量，增加投資和電力損耗費用；使輸電線路電壓降變

大，不利于有功電力的輸送與合理應用。但如果無功儲備不足將會導致電網電壓水平降低，沖擊性的無功

功率負載還會使電壓產生劇烈的波動，惡化電網的供電質量。對于給定的有功分布，要想使無功潮流最小

以減少系統的損耗，就要求對無功功率的流向與轉移進行很好的控制。
隨著電網的不斷發展，對無功功率進行控制與補償的重要性與日俱增：① 輸電網絡對運行效率的要求日

益提高，為了有效利用輸變電容量，應對無功進行就地補償；② 電源（尤其水電）遠離負荷中心，遠距

離的輸電需要靈活調控無功以支撐解決穩定性及電壓控制問題；③ 配電網中存在大量的電感性負載，在

運行中消耗大量無功，使得配電系統損耗大大增加；④ 直流輸電系統要求在換流器的交流側進行無功控

制；⑤ 用戶對于供電電能質量的要求日益提高。因此，對電網的無功進行就地補償，尤其是動態補償，

在輸配電系統中十分必要。
1無功補償裝置的發展
電力系統中，常見的無功控制方法有同步發電機、同步電動機、同步調相機、并聯電容器和靜止無功補償

裝置等，這里主要討論靜止無功補償裝置。
靜止無功補償技術經歷了3代：第1代為機械式投切的無源補償裝置，屬于慢速無功補償裝置，在電力系統

中應用較早，目前也仍在應用；第2代為晶閘管投切的靜止無功補償器（SVC），屬無源、快速動態無功補

償裝置，出現于20世紀70年代，國外應用普遍，我國目前有一定應用，主要用于配電系統中，輸電網中應

用很少；第3代為基于電壓源換流器的靜止同步補償器（Static synchronous Compensator ，STATCOM）

，亦稱SVG，屬快速的動態無功補償裝置，國外從20世紀80年代開始研究，90年代末得到較廣泛的應用，

我國的STATCOM示范應用工程在河南省。
早期的無功補償裝置主要是無源裝置，方法是在系統母線上并聯或者在線路中串聯一定容量的電容器或者

電抗器。這些補償措施改變了網絡參數，特別是改變了波阻抗、電氣距離和系統母線上的輸入阻抗。無源

裝置使用機械開關，它不具備快速性、反復性、連續性的特點，因而不能實現短時糾正電壓升高或降落的

功能。
20世紀70年代以來，以晶閘管控制的電抗器（TCR）、晶閘管投切的電容器（TSC）以及二者的混合裝置（

TCR+TSC）等主要形式組成的靜止無功補償器（SVC）得到快速發展。SVC可以看成是電納值能調節的無功

元件，它依靠電力電子器件開關來實現無功調節。SVC作為系統補償時可以連續調節并與系統進行無功功

率交換，同時還具有較快的響應速度，它能夠維持端電壓恒定。
SVC雖然能對系統無功進行有效的補償，但是由于換流元件關斷不可控，因而容易產生較大的諧波電流，

而且其對電網電壓波動的調節能力不夠理想。隨著大功率全控型電力電子器件GTO、IGBT及IGCT的出現，

特別是相控技術、脈寬調制技術（PWM）、四象限變流技術的提出使得電力電子逆變技術得到快速發展，

以此為基礎的無功補償技術也得以迅速發展。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用。電壓型的STATCOM直流側采用直流電容為儲能元件，通過逆變器中

電力半導體開關的通斷將直流側電壓轉換成交流側與電網同頻率的輸出電壓。當只考慮基波頻率時，

STATCOM可以看成一個與電網同頻率的交流電壓源通過電抗器聯到電網上。由于STATCOM直流側電容僅起電

壓支撐作用，所以相對于SVC 中的電容容量要小得多。此外，STATCOM和SVC相比還擁有調節速度更快、調

節范圍更廣、欠壓條件下的無功調節能力更強的優點，同時諧波含量和占地面積都大大減小。
2. 國內外電網動態無功補償的現狀
我國電網中目前使用最為廣泛的補償裝置是機械投切的并聯電容器組。為滿足調壓要求，在低壓供電網絡

中裝設了大量的并聯電容器組，在中壓配電網絡中裝設了少量的并聯電容器組。20世紀70年代初，武漢鋼

鐵公司在1.7 cm軋機工程中進口了由比利時直流勵磁飽和電抗器與日本電容器組成的靜止補償裝置后，國

內才對動態無功補償問題引起了重視。自20世紀80年代以來，我國對晶閘管控制的SVC投入了大量研發力

量，目前已有了一定的技術基礎，但高壓大容量產品仍主要依靠進口。
目前，我國輸電系統中一共有5地6套大容量SVC投入使用，它們分別被裝設在廣東江門、湖南云田、湖北

鳳凰山（2套）、河南小劉以及遼寧沙嶺的500 kV變電站中。此類SVC多為進口，其中有3套是ABB公司的產

品。高電壓等級下SVC面臨的最為嚴重的問題是電容器爆炸，如廣東江門500 kV變電站中SVC運行5年后并

聯電容器爆炸，湖南云田500 kV變電站中SVC自1988年以來發生了4次電容器組爆炸事故。
在380 V~10 kV配電系統中，近年來主要采用無平滑調節功能的TSC實現分級無功補償。
SVC在大型工礦企業中的應用較為廣泛，在鋼鐵企業中的應用尤為突出，武漢鋼鐵公司、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35 kV母線上就安裝了由西門子公司設計制造的一套容量為25 Mvar的 SVC，2001年底

帶負荷一次投運成功。
1999年3月，我國第一臺工業化STATCOM在河南省洛陽市朝陽變電站成功并網運行，標志著我國掌握了高壓

大容量FACTS設備的設計制造技術。該STATCOM基于GTO器件，主電路核心部分是電壓型多重化逆變器，容

量為±20 Mvar，由清華大學電機系柔性輸配電系統研究所與河南省電力局聯合研制。為了進行機理研究

，事先還研制了1臺300 kvar中間工業試驗裝置，于1995年8月并網閉環運行。目前，清華大學電機系正和

上海市電力局聯合研制基于鏈式結構的±50 Mvar STATCOM，它將應用于上海500 kV電網中。
從國際范圍來講，目前SVC與STATCOM都已得到普遍的應用。SVC出現早，應用時間長，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總容量約為9萬Mvar（包括已退役

裝置）。STATCOM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，STATCOM在日本及歐

美得到了廣泛應用，尤其是在冶金、鐵道等需要快速動態無功補償的場合?！　?001~2003年，美國在輸

電網接連投運了百Mvar級的大容量STATCOM，表明STATCOM在輸電網中已完全進入實用階段。由于都是基于

電壓源換流器技術，這些STATCOM裝置僅通過改變母線接線方式，就可以變成背靠背的直流輸電，能對電

網的潮流進行更有效的控制。據ABB公司2001的統計，目前全世界SVC的投運容量超過32 000 Mvar，

STATCOM的投運容量已超過1 500 Mvar。
3 動態無功補償裝置的工作原理及其在輸電網中的應用
3.1 SVC的工作原理及在電網中應用
TCR+TSC型SVC的基本拓撲結構見圖1。它由1臺TCR、2臺TSC以及2個無源濾波器組成，在實際系統中，TSC

及無源濾波的組數可根據需要設置。

　　TCR的工作原理是通過控制與相控電抗器連接的反并聯晶閘管對的移相觸發脈沖來改變電抗器等效電

納的大小，從而輸出連續可變的無功功率。圖1中兩個晶閘管分別按照單相半波交流開關運行，通過改變

控制角α可以改變電感中通過的電流。α的計量以電壓過零點為基準，α在90o～180o之間可部分導通，

導通角增大則電流基波分量減小，等價于用增大電抗器的電抗來減小基波無功功率。導通角在90o～180o

之間連續調節時電流也從額定到0連續變化，TCR提供的補償電流中含有諧波分量。
TSC的工作原理是根據負載感性無功功率的變化通過反并聯晶閘管對來切除或者投入電容器。這里，晶閘

管只是作為投切開關，而不像TCR中的晶閘管起相控作用。在實際系統中，每個電容器組都要串聯一個阻

尼電抗器，以降低非正常運行狀態下產生的對晶閘管的沖擊電流值，同時避免與系統產生諧振。用晶閘管

投切電容器組時，通常選取系統電壓峰值時或者過零點時作為投切動作的必要條件。由于TSC中的電容器

只是在兩個極端的電流值之間切換，因此它不會產生諧波，但它對無功功率的補償是階躍的。
TCR和TSC組合后的運行原理為：當系統電壓低于設定的運行電壓時，根據需要補償的無功量投入適當組數

的電容器組，并略有一點正偏差（過補償），此時再利用TCR調節輸出的感性無功功率來抵消這部分過補

償容性無功；當系統電壓高于設定電壓時，則切除所有電容器組，只留有TCR運行。圖2給出了該控制方式

下穩定系統電壓時采用的控制框圖，控制器所需信號為系統線電壓和線電流。如果用于補償系統無功功率

或校正系統功率因數，只需將電壓設定值改為相應的無功設定值或功率因數設定值即可?？刂埔幝刹捎每?/p>

變參數的PI 調節器，其算法簡單、可靠，而且易實現 。

SVC應用于電力系統中對系統產生的影響有：① 增強系統的暫態穩定性。SVC安裝于中長距離輸電線路中

點可以改善系統的暫態穩定性，其P—δ特性曲線給故障后電機提供的減速面積和暫態裕量比沒有補償的

情況下要大。② 有力的支持系統電壓，防止電壓崩潰。系統發生故障或者負荷電流（尤其是無功電流）

急劇增高的瞬間，SVC能夠對系統進行瞬時無功補償來支撐電壓以抑制電壓崩潰的趨勢。③ 有效的阻尼系

統振蕩。TCR可以用極高的速度平滑地調節無功和電壓，具有調制狀態工作的可能。它可以在一個與工頻

50 Hz不同的頻率下作適當浮動，如果浮動與系統搖擺或振蕩頻率相同而相位相反，就可以增大系統的阻

尼而抑制振蕩。④ 補償不平衡負荷。負荷不平衡時，SVC不平衡控制策略可以補償系統使供電電流變成三

相平衡，能夠使單相負荷變成三相平衡負荷而沒有無功分量。⑤ 抑制負荷側電壓波動和閃變，校正功率

因數。 SVC也有其自身的弱點，它是阻抗型補償，隨著電壓的降低其無功輸出也會與電壓成平方關系降低

，若采用基于電壓源逆變器的STATCOM將會取得更好的效果。
3.2 STATCOM的工作原理及在電網中應用
　　我國首次研制成功的±20 Mvar STATCOM的總體構成框圖見圖3。它主要由直流電壓源（通常以直流電

容代替）、基于GTO的逆變器和連接變壓器3部分組成。以二極管構成的整流橋從交流系統吸取少量有功功

率對直流電容C充電，保持其電壓穩定?？刂破鞲鶕娋W無功變化情況，通過6 個全控型開關器件構成的

三相逆變器向系統輸入感性或容性無功。STATCOM 向系統注入的無功Q為

式中，VS為系統電壓；RS為逆變橋等效電阻；δ為SVG輸出電壓與VS 的夾角 。
由公式可知，通過調節δ的大小，就可以控制STATCOM 注入系統的無功功率。由于RS很小，所以調節范圍

非常大。如果多臺STATCOM并聯移相輸出，則既可提升補償容量，又能抑制裝置本身的諧波電流。

STATCOM在控制策略上與SVC 的區別在于：在SVC 裝置中, 由外閉環調節器輸出的控制信號用作SVC 等效

電納的參考值，以此信號來控制SVC 調節到所需的等效電納。而在STATCOM中, 外閉環調節器輸出的控制

信號則被視為補償器應產生的無功電流（或無功功率）的參考值，然后由參考值調節STATCOM來產生所需

無功電流。其具體控制方法可分為間接控制和直接控制兩大類，STATCOM采用電流直接控制方法的響應速

度和控制精度比間接控制法有很大的提高。
STATCOM在輸電系統中的作為無功補償裝置用時，除具有SVC的所有良好性能外，運行范圍更寬，且輸出無

功電流不受系統電壓影響。采用多重化技術的STATCOM，諧波含量少，不需要濾波器，能夠有力的提高系

統的暫態性能。
3.3 STATCOM及SVC應用于輸電網的仿真研究
STATCOM和SVC應用于大規模輸電網中以加強動態無功補償、改善電網末端或大負荷中心電壓穩定性以及作

為直流輸電無功控制設備，已經做了大量的研究工作。近年來，由于經濟的快速發展，我國形成了京津唐

、長三角以及珠三角3大負荷中心。這3個地區都具有遠離電源、缺乏足夠的無功備用以及空調負荷比例高

等特點，因此，均有不同程度的電壓穩定問題。
根據已有的仿真分析，北京電網在負荷突增時會出現暫態電壓失穩現象，需要在安定、老君堂、西大望等

地安裝STATCOM（或者SVC）以防止電壓崩潰。上海的黃渡分區內150 Mvar 調相機退出運行后，只有一個

12 MW的小火電接入，并且這里將是三峽直流的落點，若發生故障將會出現嚴重的電壓失穩，需要安裝

STATCOM提供快速的無功支撐，目前正在研制的50 Mvar STATCOM將在這里投入使用。廣東電網是擁有多直

流的交直流混聯系統，直流落點本身需要大量的無功支撐，STATCOM無疑是最佳的選擇；同時在直流退出

運行的情況下，需要在交流長輸電線路中點賀州安裝STATCOM以提升線路傳輸極限，維持電壓穩定；此外

，負荷突增情況下，弱受端系統會出現持續的電壓跌落，選擇合適的地點安裝STATCOM可以增強系統的電

壓維持能力。
4 動態無功補償裝置在配電網及大型工礦企業的應用
4.1 SVC在配電網和工礦企業的應用
無功傳輸對配電網的影響，一是會導致電力用戶電壓水平的惡化，二是會造成線損的上升。為了降低無功

傳輸帶來的不利影響，可以在配電網無功負荷集中處安裝一定容量的SVC，由SVC向負荷點就近提供無功功

率，以減少系統流入的Q，這樣不僅可使網絡產生的壓降△U變小，同時也可使網絡的線損△A減小。當在

配電網絡中并入容量為Qb的SVC之后，網絡的壓降和線損為

由以上兩式可見，Qb增大，壓降△U就會變小，即降損的效果就會增大；當Qb=Q時，由無功傳輸帶來的壓

降損失和線損為0，其改善電壓和降損的效果達到最佳；如果Qb> Q，則會出現無功倒流入系統的情況，這

時壓降損失反而會增大，降損的效果也會逐步開始惡化。所以，配網側SVC在一定條件下不僅可以改善配

網用戶的電壓質量，同時還可以降損節電。
4.2 DSTATCOM基本原理及應用
在配電網中，將中小容量的STATCOM安裝在某些特殊負荷（如電弧爐）附近，可以顯著地改善負荷與公共

電網連接點處的電能質量，如提高功率因數、克服三相不平衡、消除電壓閃變和電壓波動、抑止諧波污染

等。這種在配電網中用來提高電能質量的STATCOM一般稱為（請給出DSTATCOM的中文名稱）

（Distribution STATCOM，DSTATCOM）。
和高壓大容量STATCOM類似，DSTATCOM的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上或者直接

并聯在電網上, 適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位, 或者直接控制其交流側電流就可以使

該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流, 實現動態無功補償的目的。
DSTATCOM主要應用在經濟效益受電能質量影響較大的工礦企業，如鋼鐵、冶金、礦山、電氣化鐵路、風電

廠以及其他具有或者靠近沖擊性負荷和大容量電動機的工業領域。DSTATCOM能夠有效改善配電網的電能質

量，可以為配電網中的廠礦用戶帶來可觀的經濟效益。以瑞典Uddeholm Tooling鋼鐵公司的DSTATCOM項目

為例，該鋼廠有1臺電弧爐和1臺精煉爐，額定功率共37.5 MVA，2座電爐均由132 kV線路通過132 /10.5

kV變壓器供電。在其10.5 kV供電母線上安裝了1套+22 MVA的DSTATCOM設備后，鋼廠的各項指標發生了下

列變化：① 功率因數高于0.95，避免了電力部門的罰款。② 冶煉時間從124 min/爐 降至106 min/爐，

縮短了18 min/爐，即14.5% 。③ 電極消耗量從2.39 kg/t降至2.12 kg/t，減少了0.2 kg/t，即8.4% 。

④ 耗電量從625 kWh/t降至600 kWh/t，減少了25 kWh/t，即4% 。⑤ 電壓閃變減少3~5倍。⑥ 熔化期時

，DSTATCOM投運前10 kV母線電壓在9.7 ~10.8 kV之間波動，波動幅度為1.1 kV, 即10.5% ，而投運后，

電壓為10.4 kV，波動幅度在0.1 kV之內, 即0.95% 。按目前生產資料價格、電價以及年產量計算，安裝

DSTATCOM后，該鋼廠每年因節能降耗和增產所創造經濟效益的總和有逾千萬元人民幣。
5 STATCOM與SVC的技術經濟比較
　　 STATCOM（包括DSTATCOM）和SVC都為動態無功補償裝置，但它們的特性功能卻存在著相當的差異。

一般說來，STATCOM和SVC相比有下列優越性：
（1）STATCOM輸出電流不依賴于電壓，表現為恒流源特性，具有更寬的運行范圍。而SVC本質是阻抗型補

償，輸出電流和電壓成線性關系。因此系統電壓變低時，同容量STATCOM可以比SVC提供更大的補償容量。
（2）STATCOM比SVC具有更快的響應速度，因而更適合抑制電壓閃變。STATCOM響應時間在10 ms以內，而

SVC響應時間一般在20~40 ms。STATCOM從額定容性無功功率變為額定感性無功功率(或相反)可在1 ms之內

完成，這種響應速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償。
（3）STATCOM采用橋式交流電路的多重化技術、多電平技術或PWM技術來消除次數較低的諧波，并使較高

次數如7、11等次諧波減小到可以接受的程度。而SVC本身要產生一定量的諧波，如TCR型的5、7次特征次

諧波量比較大，占基波值的5%~8%；其他如SR，TCT等也產生3、5、7、11 等次的高次諧波，這給SVC 系統

的濾波器設計帶來許多困難。（4）在故障條件下，STATCOM比SVC具有更好的控制穩定性。SVC使用了大量

電容器電抗器，當外部系統容量與補償裝置的容量可比時，SVC會產生不穩定性。STATCOM對外部系統運行

條件和結構變化不敏感。
（5）同容量STATCOM占地面積小于SVC。由于STATCOM使用直流電容器儲能，因而可以減小電容器體積，且

不需要并聯電抗器即可以控制無功功率平滑變化，因此安裝尺寸大大減小。
（6）STATCOM能夠在一定范圍內提供有功功率，減少有功功率沖擊。SVC只能提供無功功率，不具備提供

有功功率的功能。
（7）STATCOM中電容、電感等元件采用了與SVC完全不同的技術和制作工藝，運行過程中電磁噪聲顯著降

低。
（8）STATCOM具有優良的可擴展性。STATCOM技術為許多FACTS設備如UPFC、APF、BESS等提供了堅實的基

礎，因此擁有廣闊的應用前景。
一般仿真研究表明，暫態穩定問題中為使得電壓恢復效果相同，安裝STATCOM容量要比SVC節約20%左右。

但SVC發展歷史相對于STATCOM來說要久遠，因此其技術實現比較成熟，同時它還具有結構簡單、控制算法

容易實現、成本較低的優勢，在一些對無功補償性能要求不高的場合，SVC依然是一個合適的選擇；此外

，SVC具有多種拓撲組合，可以根據用戶需求選擇相應的組合。應用　　STATCOM取代SVC中的TCR，與TSC

形成的組合也是一種可選的經濟方案，該組合綜合了STATCOM快速性、諧波含量低、正負無功平滑調節以

及TSC的經濟性、分級補償的特點。
6結束語
動態無功補償裝置SVC、STATCOM及DSTATCOM等在輸電網、配電網、大型工礦企業中應用廣泛，起到了

電壓支撐、無功補償、抑制閃變等關鍵作用。隨著技術的發展以及電網安全和電力用戶的需要，動態無功

補償裝置將會得到更為廣泛的應用，且應用的方式也將隨著使用場合的不同而靈活采用不同的無功補償方

式，或者同時綜合應用多種無功補償技術。