近年来，无功补偿的重要性被越来越多的人认同。目前常用的无功补偿装置主要由投切开关和电容器两部分组成。
无功功率补偿，简称无功补偿，在电子供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。
无功补偿的原理：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷之间交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功补偿的原理。SVC、SVG均属无功补偿装置，是将具有容性功率的负荷装置与具有感性功率的负荷同时并联在同一电路中，当供配电系统中容性负荷释放能量时，则启动无功补偿装置的感性负荷来吸收系统中的能量;当感性负荷释放能量时，则启动无功补偿装置的容性负荷吸收能量，进而确保供配电系统中的容性和感性分量始终维持平衡，以改善供配电系统中供电质量水平。
一、交流电力系统中无功补偿的作用
交流电力系统可以看成是有功电源负荷和无功电源负荷两个并存且不可分割的电力系统。如果说交流系统运行的目的是传输和消费电能，那么无功系统运行就是为此目的而不可缺少的手段。使用无功系统不仅使交流电电压维持稳定，确保电网供电系统工作的稳定性及可靠性，并降低电网在传送电量过程中的能量损失。
当前能够对能源进行有效利用并便于传输的供电系统基本上都是交流电形式，即其电压和电流变化在时间轴上的变化规律是按照正弦周期性变化。
电流及电压值随时间轴按正弦方式作周期变化的交流电力系统，是当今有效利用能源、方便传输能量、灵活使用能量的有利工具。相比于直流供电形式，交流系统电源主要以两种方式向负载供应电功率：有功功率及无功功率，有功功率即实现将电能转为其他用途的功率(如光能、机械能等)，而无功功率则主要在电网线路内部用于电、磁场之间的转化，以及在一些特殊电器件中形成并保持磁场。在正常情况下电力系统中的无功功率是由异步电动机、电力变压器，电弧炉和线路无功损耗以及串并联电抗器等无功负荷产生的，其中电机、变压器在电网中所占的无功功率比例是最高的，有些甚至占全厂负荷载重的80%之上。若此时电网供给的无功功率不能满足其负载需求，则无功电源及其负载保持低电压平衡。由于电力系统运行电压水平低，会给电力系统带来一系列危害，表现在以下四个方面：
1设备出力不足
线路及变压器装置允许的通过容量减少，由于并联电容器与之电压有平方关系，故其也减少出力，进而造成无功功率更少，导致发电机出力不足，电压降低幅度在10%到15%，有功、无功功率出力降低约为10%到15%。
2设备损坏
由于电压低，用户电动机出力降低。如果电压降低20%，电动机转矩减少36%，电流增加约为20~25%，设备温度升高12~15%。若电压降低，则无法带动电机轴正常运转，造成其堵转，绕组形成过电流，因发热过多而烧坏设备。
3电力系统损耗增加
线路、变压器有功损耗和无功损耗增加。如果线路电压平均降低15%，线路损耗增加大约32%。
4电力系统稳定度降低
若电网系统的无功功率不足时，则发电机无功出力将被迫增大，同时受端系统的电压值降低。若送电线路突发故障时，电源供给的无功功率更小，则受端系统的电压降低幅度更大，若电压降到低于额定值的70%或更多，则可能会造成电压崩溃，进而造成断电。
由于无功不足带来的危害极大，需要用无功补偿设备补偿系统中无功功率的不足，以维持整个系统的无功平衡和稳定。电容器、调相机和静止无功补偿器是无功补偿的主要设备，而其中的电容器具有小成本投入、有功功耗低且运维管理便利等特点，因而常使用并联形式的电容器用于电网运行系统中的无功功率补偿器件。当其连接到电网线路时，需注意以下要求：
(1)为降低因无功功率在传输中造成的电网有功功率的损耗，原则上应对无功功率进行就地平衡补偿，即低电压区的无功功率使用低压电容器件进行补偿，高电压区进行高压补偿;另外，在正常环境下的电厂中，低压电容器应尽量以分散形式补偿;针对容量大、负荷稳定且频繁工作的用电设备的无功功率补偿，应单独就地进行。
(2)若使用的电容器容量值较大，则应按照其工作电压变化情况、负荷跳动、设备本身的技术条件、电网处的背景谐波含量等因素进行分组，且分组后的电容器装置在各组中工作时，不能出现谐振情况。
(3)为了抑制谐波和抑制涌流，电容器组宜串联适当参数的电抗器。仅用于抑制涌流时，电抗率宜取0.1%~1.0%。在对谐波进行抑制时，电抗率的选定需以并联电容器件接到电网处的背景谐波含量为参考依据。
(4)为更好地对无功功率进行补偿，并减少功耗，应避免用户向电网传输无功功率;在高压区无高压负载时，不应在高压区安装并联电容器。
综上所述，在供配电电网中进行无功补偿和无功平衡，是保障电网中电压稳定及满足用户对用电质量需求的必要方法，同时对降低电能的损耗，提高电网在供电上的有效利用率方面也极具重要意义。
那么在配电网建设中，无功补偿遵循什么原则？采用无功补偿方式有哪些？
二、配电系统中无功补偿的多种方式
1供配电网无功补偿原则及方式
1.1无功补偿原则
《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》中明确规定：供配电系统中配电变压器的无功补偿装置容量，应按配电变压器最大负载率在75%且负荷自然功率因数在0.85以上进行考虑，且经无功补偿后到配电变压器最大负荷工况时其高压侧功率因数不应小于0.95，或按照配电变压器容量的20%～40%进行无功补偿容量配置。
1.2供配电系统无功补偿方式
(1)变电站集中无功补偿方式。在变配电站进行集中无功补偿，主要是通过合理的无功补偿以改善输配电线路的功率因数，无功补偿装置通常设置在变配电站的10kV母线上，并采用有载调压接头来合理调节供配电系统电压，以达到节能降耗的目的。
(2)配电变压器低压侧集中无功补偿方式。在配电变压器低压380V侧采取无功集中补偿方式，并结合微机控制等技术，可以实现几十到几百Kvar范围的补偿。此种补偿方式比较适用于工厂、企业等专用变的无功补偿，对于负荷类型较多、种类较繁杂的公用变而言，如在每台变配电变压器低压侧均设置无功补偿装置，则其设备综合投资太大，无功补偿经济效益性能不太理想。
(3)电力用户终端就地分散无功补偿方式。在电力用户终端采取低压无功补偿措施就地分散补偿，能够最大限度地降低供配电系统输电线路损耗并维持系统供电电压稳定。在GB50052-2009《供电系统设计规范》中明确指出：对于容量较大、负荷较平稳且频繁使用的用电设备而言，宜采用无功分散就地补偿方式，节能降耗效果好。
2供配电系统无功补偿必须性分析
例如某企业的空压站配电一次系统，共三条6kV线路，分别为空压站变电所6kV1#线、2#线、应急进线，电源均引自炼油总降变。其中，1#线和2#线经阻燃电缆引至空压配电一次系统的6kVI段母线和6kVII段母线上，采用1250A的高压6kV断路器进行进线线路保护，利用ATS自动切换装置实现1#线和2#线的相互投切，互为明备用。应急进线经阻燃电缆引至空压配电一次系统的6kV应急段母线上，采用1250A的高压6kV断路器进行进线线路保护，并与应急段正常进线互为闭锁状态，正常采用I、II段母线供电，当I、II段母线出现故障后，由6kV应急进线供电，确保一级负荷(空压机K-101B/C1500PH/126A、热水循环泵P-101C/D400kW/47.7A及低压应急变)的供电安全可靠性。空压配电一次系统，按照单母线分段接线方式进行设计，中间加设母联开关，I段母线、II段母线、应急段母线分别引出一条6kV线路将电源给6/0.4KV，1250kVA，Dyn11的1#、2#变压器，以及6/0.4kV，100kVA，Dyn11的低压应急变。空压配电一次系统中有400kW/47.7A的高温热水泵、热水循环泵、以及K-101A，1500PH/126A空压机等6kV负荷，也有空压机、水泵、照明配电箱等0.4kV负荷。据运行统计资料表明，配电室6kV高压侧在负荷集中用电时段，高压功率因数只有0.856，低压功率因数只有0.84，整个配电室一次配电系统线损相当高。由此，采取合适的无功补偿方案改善空压配电一次系统运行环境，提高系统功率因数和供电可靠性，对空压配电一次系统节能降耗研究具有非常重要的工程实践应用意义。
3供配电系统无功补偿方案
3.1补偿方案
空压配电一次系统中，高压6kV主要为6kV异步电动机负荷，而低压0.4kV也多为0.4kV异步电动机负荷和照明负荷，按照文章第1部分所述无功补偿原则，采取高压就地补偿和低压就地补偿方案，6kVI段母线和II段母线分别补偿300kVar无功容量，低压0.4kV采用多组25kVar电容器组成两面低压无功补偿柜进行无功补偿。低压补偿采用接触器式控制，低压补偿采用都凯提rego控制器，采用1∶2∶2的投切方式，电容器采用三角形接法的干式电容器，电容器与电抗器相串联后并入电网;高压电容采用Y形接法，经高压断路器合闸后投后电网运行;这样采用6kV高压和0.4kV低压分别就地集中补偿方式，能够有效解决配电一次系统中负荷运行可能引起输电线路无功电流的增大、配电线路截面不匹配等问题。
3.2补偿效果分析
按照3.1所描述的无功补偿方案进行盘柜设计安装后，经调试投运后，按高低压II段进行数据采集，空压配电一次系统6kV和0.4kV侧母线电压畸变率得到有效控制，补偿后总谐波畸变率分别为0.67%和0.53%，高压6kV侧功率因数由补偿前的0.856有效升高到0.967，相应设备利用率提高11.48%，此时高压无功补偿量为300kVar，所选300kVar补偿柜能够满足实际运行需求;低压0.4kV侧功率因数由补偿前为0.84，投切第二组50kVar后，达到0.94，相应设备利用率提高10.64%，所选0.4kV无功补偿柜进行动态补偿经济效益较好。由此可以看出，采用无功补偿装置对空压配电一次系统进行技术升级改造后，高、低压侧电压畸变率、线路损耗等均有较为明显降低，系统功率因数、设备节电率等也有较大提高，空压配电一次系统运行节能经济效益较好。
三、无功补偿新型负荷开关：采用吸收晶闸管过零触发的技巧的复合开关
传统的无功补偿设备通过控制交流接触器或者晶闸管开关来实现电容器的投切，但是交流接触器难以保证过零投切。在投切过程中由于电容器两端电压的存在必然产生冲击电流，当冲击电流严重的时候，电弧重燃，会导致过电流和过电压的产生，损坏补偿装置。之后，随着电力电子技术的发展，晶闸管开关在无功补偿中得到广泛使用。由半导体为主要原料制成的晶闸管开关解决了过零问题。
然而，由于晶闸管开关在导通时两端会有电压差，不仅会造成功率损耗而且会使补偿装置产生较高的温升，影响装置的使用寿命。复合开关是将交流接触器与晶闸管有机结合在一起，投切瞬间由晶闸管开关导通，以保证过零投切;稳定运行时晶闸管关断，接通交流接触器，以降低损耗。这种开关具有损耗低，寿命长等优点，是具有广阔应用前景的无功补偿装置。
1开关模型的建立
复合开关投时刻应尽量保证投入过程没有冲击电流，也就是导通晶闸管的导通的时电网电压和被投切电容器两端电压相等，否则就会产生冲击电流。
晶闸管投切电容器的数学模型如图1所示：L是系统总的等效电感，为简化起见模型忽略了电阻，拉普拉斯电压变换方程如下：
U(S)=(LS+1/CS)I(S)+U0/S(1)
电源电压设为：u=Umsin(棕0t+琢)，电容初始电压设为U0，系统等效电感L的初始电流设为0，通过拉普拉斯反变换，可知电容器两端瞬时电流，电压的表达式如下：
i(t)=AcUm棕0c[cos(棕0t+琢)-cos琢cos棕nt]-n棕0c(U0-AcUm
sin琢)sin棕nt(2)
u(t)=AcUmsin[(棕0t+琢)-cos琢cos棕nt]-n(U0-AcUmsin琢)sin棕nt(3)
n=棕n/棕0=1/棕0(4)
Ac=(5)
在表达式中，Ac是电路的放大系数，棕0是工频角频率，棕n是自然角频率，Um是峰值电压。满足晶闸管能再次触发且不会引起过大冲击电流的条件是：
U0-AcUmsin琢=0(6)
晶闸管两端电压为零的时，电容器投入，此时公式变为：i(t)=AcUm棕0c[cos(棕0t+琢)-cos琢cos棕nt](7)
因此在实际工程中电容器应该在晶闸管两端电压为零的时候投入，在电流过零点的时候切断。
2无功补偿开关的投切过程分析
2.1投入电容器的工作过程当单片机接收到上级控制器的投入命令后，系统过零检测电路检测到电压过零时，单片机发出导通信号，晶闸管导通，投入电容器，延时2-3个周期后，单片机发出信号，使交流接触器导通，等交流接触器稳定工作后，停止发出触发信号，关断晶闸管。这样大部分导通时间是由交流接触器承担的。
2.2切除电容器的工作过程当单片机接到上级控制器的切除指令后，由单片机发出晶闸管的导通触发信号和交流接触器的关断信号，因为晶闸管拥有承受正向电压和触发脉冲的两个条件才能导通当交流接触器关断的过程中，两端电压逐渐升高，当达到特定值时，晶闸管瞬间导通，两端电压又降为很低的值，有利于交流接触器的关断。延时一定时间，待接触器完全关断，停止发出晶闸管触发信号，晶闸管在电流过零点自动关断。图2为复合开关开关时序图。
3复合开关软硬件设计
3.1复合开关的硬件电路为了实现复合开关的导通和切断，使其可与多种交流接触器和大功率继电器配合使用，本文旨在设计一种以单片机AT89S51为核心的复合开关，开关包括以AT89S51单片机为核心的控制电路，负责系统供电的电源电路，晶闸管触发电路，接触器触发电路，安全保护电路以及显示通讯电路等，其整体结构框架如图3所示。
其中过零检测电路将晶闸管两端的交流正弦电压转变为单片机可以接受的方波信号，传送给以单片机为核心的控制电路，单片机通过内部程序控制晶闸管触发电路和接触器触发电路控制开关的投切，电源电路将交流电转化为直流电给整个开关系统供电，通讯显示电路可以将一些关键数据传送给上位机，并可以通过LCD显示在开关装置上。
3.2复合开关的软件设计复合开关的单片机程序如图4所示：
复合开关投切要讲求时序，当开关接收到投入命令时，让晶闸管先过零导通，延时2周期后，继电器闭合，这时为保证晶闸管可靠关闭，应当停止晶闸管触发脉冲，在下一个电流过零点晶闸管自行关断。这样，负载电流只由交流接触器分流。在接收到切除命令后，应该同时发出晶闸管触发信号和继电器关断信号这样继电器在低压情况下关断后，延迟40ms，停止发出晶闸管触发脉冲，晶闸管在下一个电流过零点自行关断。
供配电网络系统中，根据用电设备功能、特性等因素，合理选择无功补偿位置、容量和调控方案，可大大降低无功功率，提高供配电网网络供电电能质量和供电电压，降低输电线路损耗，确保电气设备功能的正常发挥，具有安全供电、节能降损、高效可靠等优点，是供配电网进行技术升级改造，经济调控运行的重要技术手段，在工程中具有较高的应用前景。
