高压静止无功补偿测试研究.doc

装订线安徽工业大学工商学院 1.绪论 1.1 选题背景及意义电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备；如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等。同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备：如计算机，医用设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定不能动态的跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。 20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为1030s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。无功功率对供电系统和负荷的运行都十分重要。电力系统为了输送有功功 率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这可以在相当范围内实现；为了输送无功功率，则要求两端电压又一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数电力系统的网络元件消耗无功功率，大多数的负载也需要消耗无功功率。他们所需要的无功功率必须从网络中的某个地方获得。显然，这些无功功率如果全由发电机提供并经过长距离输送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。我国电网建设和运行中，长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备 不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。电气化铁路、电弧炉、轧机、矿井提升机等冲击性负荷使得电网无功功率不平衡，将导致系统电压的波动、闪变，严重时会导致用电设备损坏，出现系统电压崩溃和稳定性被破坏事故。因此无功功率补偿对电力系统十分重要。无功补偿的作用主要有以下几点： 1提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减小功率损耗。 2稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线路的合适地 点设置动态无功补偿装置可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 3在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡 三相的有功及无功功率。 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍（约为10s），对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置（SR：SaturatedReactor）；第二类是晶闸管控制电抗器（TCR：Thyristor ControlReactor）、晶闸管投切电容器（TSC：Thyristor SwitchCapacitor），这两种装置统称为SVC（StaticVar Compensator）；第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置高级静止无功发生器（ASVG：Advanced Static VarGenerator）。1.2无功补偿装置的发展历程并联无功补偿电容器是传统的无功补偿装置，其阻抗是固定的，不能跟随负荷无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿，最大的优点是费用节省。而随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大，并联无功补偿电容器显然不能满足需求。传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机(Synchronous Compensator SC)。它是用来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，可以分别发出不同大小的感性或容性无功功率。自20世纪二三十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥主要作用。由于它是旋转电机，损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。早期的静止无功补偿装置(Static Var Compensator,SVC)是饱和电抗器(Saturated Reactor， SR)型的。1967年，英国GEC公司制成了世界上第一台饱和电抗器型静止无功补偿装置。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止性的优点，响应速度快，但铁芯须磁化到饱和状态，损耗和噪声都很大，不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能成为静止无功补偿装置的主流。电力电子技术的发展将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上电力系统无功功率控制的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行使用晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司竞相推出了系列产品。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，近二十年来，世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，并已占据了的主导地位。因此，SVC往往是指使用晶闸管的静止型无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor,TCR)和晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor，TSC)，以及这两者的混合装置(TCR+TSC)，或者TCR与固定电容器(Fixed Capacitor，FC)或机械投切电容器(Mechanically Switched Capacitor，MSC)混合使用的装置(如TCR+FC、TCR+MSC等)。晶闸管控制高阻抗变压器(Thyristor Controlled Transformer，TCT)是一种特殊类型的TCR，它利用高阻抗变压器替代电抗器与晶闸管串联构成。 随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代后，一种更为先进的静止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)，也称作静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)。它不需要体积大的电力电容器与电力电抗器，体积小，调节速度快，可以做成模块式结构，根据电力系统需要灵活配置。1991年和1994年日本和美国分别研制成功了一套80MVA和一套100MVA的采用GTO晶闸管的SVG装置，并且成功投入商业运行。目前，世界上大量采用SVC的国家包括美国、加拿大、英国、中国、俄罗斯、挪威、巴西、印度等。截至2004年，世界上已投运或即将投运的SVC已经达到上千台，其中仅ABB公司制造的就达372台，容量达到51000Mvar。我国20世纪80年代从ABB、Siemens等公司引进SVC，已有数十套SVC运行于500kV电站及大型冶金企业。1999年，清华大学与河南省电力局合作研制出我国首台大容量+-20Mvar STATCOM，并投入运行。1.3国内外研究现状 目前，国内外SVC的研究多集中于应用于输电补偿和大型冶金企业的负荷补偿的控制策略的进一步探讨。模糊控制、人工神经网络、基因遗传算法、专家系统等智能控制手段被引入SVC控制系统，使得SVC的系统性能更加提高。从主电路上讲，更多注意于自换相桥式电路拓扑结构的STATCOM的研究。美国电力研究院还进一步提出了统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller,UPFC)经过20余年的发展，我国已经具备成套生产SVC的能力。2001年，中国电力科学研究院研制出具有自主知识产权的TCR型SVC，成功应用于工业用户治理工程和变电站无功功率和电压的控制，2004年鞍山红一变35kV SVC投入运行。鞍山荣信电力电子公司引进乌克兰SVC技术，进行消化吸收及再创新，于1997年推出自主知识产权的SVC，首套10kV SVC应用于鞍钢厚板厂宽厚板生产线无功补偿。中国西电集团最早引进ABB公司的SVC技术，经过多年自主研发，现在已拥有全套自主知识产权的SVC控制技术。国内各大高校和各企业联合开发出了多种SVC控制器，SVC技术得到很大的发展。清华大学、华北电力大学、上海交通大学、浙江大学等高校均有较强的SVC研究开发能力。截至2011年，国内SVC研发及生产厂家仅荣信一家的SVC装置全球总装机量就超过了800套，容量超过100000Mvar，而且100%在线运行。（来至荣信官网）国内SVC的研究主要集中在以下两个方面：一是控制所需信号的提取和算法的改进，二是SVC控制器的设计。控制所需信号的提取，已由传统的模拟电路变为现在广泛应用的瞬时多通道同时数字采样电路，提高了信号的抗干扰能力和测试的精度及准确性。SVC控制器也由模拟电路、单片机、PLC，发展到现在的以数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)为核心的数字化控制系统，信号处理速度更快，广泛采用瞬时无功理论来计算补偿对象的无功功率，同时，控制目标多样化。不仅如此，我国从2002年以来还相继制订了等效IEC标准或参照IEEE标准而制定的国家标准。分别为输配电系统的电力电子技术静止无功补偿器用晶闸管阀的试验，该标准等效采用IEC 61954-2003；静止型无功功率补偿装置(svc)现场试验，该标准参照IEEE 13031994；静止型无功功率补偿装置(SVC)功能特性，该标准参照IEEE 1031_2000。这3项国家标准目前已报批。为了适应我国电力工业发展的需要，加快电力电子应用技术的研究和该类装置产业发展的规范化，提高产品质量，有必要从SVC的设计、制造、试验和检验等方面制定统一遵循的系列行业标准，填补此类装置在行业标准上的空白。目前中国电力科学院、西电集团，鞍山荣信电力电子公司多针对大型用户进行TCR型SVC的研制，而对10kV中小用户基本处于空白。主要原因一是国内高压晶闸管的制造工艺无法与国外同品相比，晶闸管的耐压和导通一致性差；二是控制器的核心技术不被国内厂家普遍掌握，产品硬件成本相对较高，所以只有大型钢铁企业和煤矿以及部分电气化铁路使用高压TCR型SVC。然而电网用电负荷一般由异步电动机、同步电动机、电热电炉、整流和照明设备等组成，其中异步电动机占的比例最大。因此电动机、电炉、整流设备的静止无功补偿装置具有更广阔的市场，研究中小用户的静止无功补偿装置具有重要意义。 2高压静止无功补偿装置简介2.1 SVC的定义与发展 定义所谓静止无功补偿（Static Var Compensator，SVC），全称为静止型动态无功补偿装置，由静止元件构成的并联可控无功功率补偿装置，通过改变其容性或（和）感性等效阻抗来调节输出，以维持或控制电力系统的特定参数（典型参数是电压、无功功率）。 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机（Synchronous Condenser-SC）。它是专门用来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，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自二三十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而，由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。所以70年代以来，同步调相机开始逐渐被静止无功补偿装置所取代。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（Saturated Reactor-SR）型的。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快，但是由于其铁芯需励磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿推上了电力系统无功功率控制的舞台。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以近20年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置（SVC）这个词往往是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor-TCR）和晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC），或者晶闸管控制电抗器与固定电容器（Fixed Capacitor-FC）或机械投切电容器（Mechanically Switched Capacitor-MSC）混合使用的装置（如TCR+FC,TCR+MSC等）。 随着电力电子技术的进一步发展，一种更为先进的静止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，即静止无功发生器（Static Var Generator-SVG）。以下对此三类静止无功补偿技术逐一介绍，主要对SVC和SVG这两类补偿技术作详细介绍，并指出今后静止无功补偿技术的发展趋势。2.2 具有饱和电抗器的无功补偿装置（SR）饱和电抗器是非线性元件，它利用铁磁质的磁导率可变进行工作通过改变铁芯磁通从而改变磁导率，以调节电抗器的电感量，起到直流控制交流的作用。饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心滞后相位无功功率随端电压升降而增减的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小，主要有二一三柱式或三一三柱式自饱和电抗器、斜率校正电容器、旁路阻尼滤波器以及并联电容器组成。SR型静止无功补偿器在正常运行范围内输出特性是线性的，其输出特性可以通过调节抽头位置和投切并联电容器来改变。自饱和电抗器的动态响应很快：在无斜率校正时响应时间小于l ms；在斜率校正不考虑旁路滤波器影响时响应时间也达l020ms；在经斜率校正电容器和旁路滤波器后，最快动态响应时间将减缓到12个周波。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。这类装置组成的静止无功补偿装置属于第一批静止补偿器。早在1967年，这种装置就在英国制成，后来美国通用电气公司（GE）也制成了这样的静止无功补偿装置。SR型补偿器中，由饱和电抗器与串联电容器组成的回路具有稳压特性,能维持所连接母线电压水平，对冲击性负荷引起的电压波动具有补偿作用。SR型补偿器具有快速、可靠、过载能力强以及产生谐波小等优点，而且还具有抑制三相不平衡能力，但运行中的电抗器硅钢片长期处于饱和状态，铁芯损耗较大，比并联电抗器大23倍，这种装置还有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，且饱和电抗器的造价过高，约为一般电抗器的4倍，所以目前国内应用较少(一般只在超高压输电线路才有使用)。2.2.1 SR型SVC优缺点 优点:工作可靠、维护简单;可以进行连续快速的感性/容性调节;在感性工作范围内有较大的过载能力;自生谐波含量低。例如，在持续5min以内，可以过载到1.5Pu，或在数秒内过载到3Pu特殊设计时，过载能力甚至可以达到4-5Pu (Is)，如根据需要可以更长一些。这一固有的过负荷能力特别适合于用来控制瞬时过电压。 由于采用了曲折接线和网格调谐电抗器这两种内部谐波抑制技术，所产生的谐波相当低，在大多数应用中不需要另外设置滤波器。这两种谐波抑制技术同时还具有改善补偿器输出特性和平直度的作用。 缺点:控制灵活性较差；运行噪声大；不能分相调节；不能直接连接与超高压；单位容量损耗大；价格较高。 由于自饱和电抗器在额定电压时铁芯需要工作于饱和状态，磁通密度较高，铁芯截面积比普通变压器要小，所以单位容量损耗大，且散热较难，制作要求高。2.2.2 SR型SVC应用场合 在交流输电系统中由于稳定电压以及降低短时过电压在高压电网中负荷的变化引起电压的波动，特别是在空载(或轻载)长送电线路上，线路电容在线路的末端会产生不允许的过电压;而在另外一些情况下，满负荷又需要对电压降进行校正。并且在突然甩去负荷或开关操作时，需要快速的电压控制。对于这些情形，SR型SVC对稳定电压以及降低过电压都是非常有效的。 在工业供电网络中用于抑制急剧的无功波动造成的电压波动或闪变，消除闪变的理想装置应是恒压无功补偿器，SR型SVC可以说是一种接近于这种理想运行性能的补偿设备。在高压直流输电系统中用于降低由于换流装置闭锁引起的动态和短时过电压。在直流输电系统故障(直流闭锁、全停)或交流系统故障后而直流输电不能迅速起动时，换流阀不能消除无功功率，多余的无功功率将引起工频动态过电压，如交流系统的短路容量或短路比愈小，产生的过电压愈高。利用SR型SVC动作迅速和过负荷能力强的特点，可以有效地抑制此类工频动态过电压;此外配合并联电容器的调节，可以较好地控制交流侧电压。2.3 晶闸管控制电抗器(TCR)图2-1 TCR型SVC的原理图该装置主要由高阻抗变压器(或降压变压器，降压变压器一次绕组连接成三角形，可以使晶闸管相控电抗器在不同导通状况下产生的三次谐波成分不流入系统)、电容器组(兼作滤波器)、晶闸管阀和调节器4个部分组成。动态补偿回路由电感L与2个反并联的晶闸管相串联组成，这2个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行。2个反并联的晶闸管与1个电抗器相串联，其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，该电路的有效移相范围为90180。当触发角=90时，晶闸管全导通，导通角=180，此时电抗器吸收的无功电流最大。由触发角与补偿器等效导纳之间的关系式BL=BLMAX(- sin),和BLMAX =IXL可知，增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，故通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，从而达到调整无功功率的目的。在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅控制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补偿产生的谐波。瑞士勃郎鲍威利公司已经制造出此种补偿器用于高压输电系统的无功补偿。由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器（TCRFC）和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器（TCRMSC）。FC + TCR型SVC动态无功补偿装置的单相电路结构如下图所示。a) b)图2-2 FC+TCR单相电路结构图a)FC+TCR结构图 b)补偿器电容器C、电感元件I,、双向导通的晶闸管组TI和T2组成一个动态的无功补偿系统。电压、电流波形如图2-2 b)所示。如果晶闸管全导通，此时晶闸管的导通角为零，电感支路相当于一个纯电感，消耗最大无功功率;FC+ TCR补偿系统输出最小无功功率，如果增大导通角(正反相都可以)，电感支路的电流就减小;如果导通角增大到=90，此时电感支路为完全断开，电流为零，电感支路吸收零无功，FC+ TCR补偿系统输出最大无功功率。所以，FC + TCR回路的无功输人或输出是与电感支路的相反。当电感支路吸收零无功时，系统输出最大无功功率;当电感支路吸收最大无功功率时，系统输出最小无功功率。改变晶闸管的导通角就可以连续调节无功功率。晶闸管依靠电压正向偏置时，由触发电路强制半导体导通，当电流自然过零时，晶闸管自动关断，虽然这样的开关动作改变了电流的波形，但其基波分量与晶闸管导通角的关系为：式中: f为电流基波分量;U为端口电压;L为TCR电抗器的电抗值。根据上式可以通过控制晶闸管的导通角达到控制电流的目的。这种具有TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。我国江门变电站采用的静止无功补偿器是端士BBC公司生产的TCRFCMSC型的SVC，其控制范围为120Mvar。由于固定电容器的TCRFC型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围时要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿器工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。TSCMSC型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点，但应尽量避免断路器频繁的投入与切除，减小断路器的工况。2.3.1 TCR型SVC优缺点 优点： 可以进行连续感性和容性无功调节单独的TCR由于只能吸收感性无功功率，与并联电容器配合使用，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，因此可以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。 能进行分相调节降压变压器二次绕组连接成“开口星型”，中点分开，这是要使每相负载与另外两相独立，从而正序和负序的幅值可以单独控制、分相调节，可以平衡不平衡负载。 吸收谐波能力好并联电抗器串上小调谐电抗器还可兼作滤波器，能很好地吸收TCR产生的谐波电流。 噪声较小 损耗相对较小 控制灵活性好 动态响应时间较快(约loms)，是能够胜任多类负荷的动态无功补偿。缺点： 自身有谐波含量产生 不可直接接于超高压运行维护复杂2.3.2 应用场合由于TCR型SVC具有反应时间快，无级补偿，运行可靠，能分相调节，能平衡有功，适用范围广，价格较便宜等优点，实际应用最广，在控制电弧炉负荷产生的闪烁时，几乎都采用这种型式。目前国内几乎所有的轧钢机，提升机、电力机车、电弧炉的补偿设备都采用此类型的SVC。最广泛用于高压大容量无功补偿，与固定电容器或滤波器联用。可用作电压支撑，无功潮流控制，增加系统稳定性，以及减小电压波动，可分相调节，有对称化功能。2.4 晶闸管投切电容器(TSC)TSC 的基本原理如图3-17所示。其中图3-17a是其单相电路图，其中的两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流的。因此，当电容器投入时，TSC的电压-电流特性就是该电容器的伏安特性，即如图3-17c中0A所示。在工程实际中，一般将电容器分成几组，如图3-17b所示，每组都可由晶闸管投切。这样，可根据电网的无功需求投切这些电容器，TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，其电压-电流特性按照投入电容器组数的不同可以是图3-17c中的0A、0B或0C。当TSC用于三相电路时，可以是联结，也可以是Y联结，每一相都设计成图3-17b所示的那样分组投切。a） 单相结构图 b）分组投切的TSC单相简图 c） 电压-电流特性图2-3 TSC型SVC的原理图2.4.1 TSC型SVC优缺点 优点： 快速响应性、可频繁动作性、以及分相调节，有效地抑制电压波动问题； 自身不产生谐波分量；由于电容器组是由晶闸管阀在其电压过零时投切的，电容器只是在两个极端电流值(零电流和额定正弦电流)之间切换，所以不会产生谐波； 噪声小； 损耗很小； 控制灵活性好； 用于调压，调无功，减低电压波动； 快速深度无功补偿。 缺点: 动态响应时间较长； 无功输出只能是级差的容性无功，每次只能投切一组电容器，实现级差无功补偿； 限制过电压的能力； 无谐波吸收能力，由于本身没有设置滤波器组，所有没有谐波吸收能力； 不可直接接于超高压；运行维护较复杂。2.4.2 应用场合可应用于对大型冲击性、快速周期波动变化、不平衡、非线性负荷(如电气化铁路、电弧炉、轧钢机、矿井卷扬机、风力发电站、大功率变频调速装置等)的动态无功补偿领域，可有效抑制这些负荷所引起的电压波动问题，故是低压动态补偿的首选方式。2.4.3动态过程分析 同样可以通过判断系统负载特性与补偿器电压-电流特性交点的方法来分析TSC的动态调节过程。图3-19 TSC对扰动的动态调节过程图3-19所示的是以改善电压调整为目标的TSC受扰动后的动态调节过程。在系统受到扰动前，其负载线为L1，TSC有一组电容器投入运行，其伏安特性为0A,因此系统稳定工作点为L1与0A的交点a。若系统受到干扰，负载线突然由L1降低至L2，则工作点会突然降至L2与0A的交点b，系统电压因此降至b点电压，这个电压下降被TSC控制系统检测到后，由其逻辑电路决定投入第二组电容，补偿器电压-电流特性因此变为0B，系统工作点移至0B与L2的交点c，从而将电压恢复到能接受的范围内。2.5 新型静止无功发生器（SVG） 静止无功发生器SVG（国际上又称为STATCOM，即静止同步补偿装置）是指采用全控型电力电子器件组成的桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。 SVG的思想早在20世纪70年代就有人提出 ,1980年日本研制出了20MVA 的采用强迫换相晶闸管桥式电路的SVG，1991年和1994年日本和美国分别研制成功了80MVA和10OMVA的采用GTO 晶闸管的SVG。目前国际上有关SVG的研究和将其应用于电网或工业实际的兴趣正是方兴未艾,国内有关的研究也已见诸报道。 与传统的以TCR为代表的SVC相比 ,SVG的调节速度更快,运行范围宽,而且在采取多重化或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是 ,SVG 使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容要小,这将大大缩小装置的体积和成本。由于SVG 具有如此优越的性能, 是今后动态无功补偿装置的重要发展方向。SVG 的基本原理是将桥式变流电路通过电抗器并联(或直接并联)在电网上, 适当调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流,使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,从而实现动态无功补偿的目的。根据直流侧储能元件的不同 ,SVG分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型,其电路基本结构如图7a和7b所示,分别采用电容和电感两种不同的储能元件。对电压型桥式电路,还需再串联上连接电抗器才能并入电网；对电流型桥式电路,还需在交流侧并联上吸收换相过电压的电容器。实际上,由于运行效率的原因,迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路。在以下的内容中，只介绍采用自换相电压型桥式电路的SVG。a) 采用电压桥式电路 b)采用电流桥式电路 图2-4 SVG的电路基本结构由于SVG正常工作时就是通过电力电子开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器,只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波时 SVG 可以等效地被视为幅值和相位均可控的与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上。这样 ,SVG 的工作原理可用图 2-4所示的等效电路来说明。设电网电压和 SVG 输出交流电压分别用相量Us和U1表示,则连接电抗X上的电压Ul即为Us和U1的相量差, 而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流I。因此, 改变 SVG 交流侧输出电压U1的幅值及其相对于Us的相位,就可以改变连接电抗上的电压,从而控制SVG 从电网吸收电流的相位和幅值, 也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。在图2-4（a）的等效电路中,将连接电抗器视为纯电感,没有考虑其损耗以及变流器的损耗, 因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下, 只需使U1与Us同相，仅改变U1的幅值大小即可以控制 SVG 从电网吸收的电流I是超前还是滞后90,并且能控制该电流的大小。如图2-4（b）所示,当U1大于Us时,电流超前电压90,SVG 吸收容性的无功功率；当U1小于Us时 , 电流滞后电压90,SVG 吸收感性的无功功率。考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗(如管压降、线路电阻等), 并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑, 则SVG的实际等效电路如图9a 所示, 其电流超前和滞后工作的相量图如图2-5（b）所示。在这种情况下,变流器电压U1与电流I仍是相差90,因为变流器无需有功能量。而电网电压Us与电流I的相差则不再是90, 而是比90小了角 ,因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗, 也就是说，相对于电网电压来讲, 电流I中有一定量的有功分量。这个角也就是变流器电压U1与电网电压Us的相位差。改变这个相位差,并且改变U1的幅值,则产生的电流I的相位和大小也就随之改变,SVG从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。a) 单相等效电路 b) 工作相量图图 2-5 SVG 等效电路及工作原理 ( 不考虑损耗) a)单相等效电路 b)工作向量图图2-6 SVG等效电路及工作原理（计及损耗） 根据以上对工作原理的分析,可得SVG 的电压 - 电流特性如图13所示。同TCR等传统SVC一样,改变控制系统的参数(电网电压的参考值Uref), 可以使得到的电压-电流特性上下移动。但是可以看出,与传统SVC电压电流特性不同的是,当电网电压下降,补偿器的电压-电流特性向下调整时,SVG可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位,以使其所能提供的最大无功电流ILmax 和Icmax 维持不变,仅受其电力电子器件的电流容量限制。而对传统的SVC,由于其所能提供的最大电流分别是受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制的,因而随着电压的降低而减小。因此SVG的运行范围比传统SVC大,SVC的运行范围是向下收缩的三角形区域, 而SVG的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域。这是SVG优越于传统SVC的又一特点。图 2-7 SVG 的电压 - 电流特性此外, 对于那些以输电补偿为目的SVG来讲,如果直流侧采用较大的储能电容或其他直流电源(如蓄电池组、采用电流型变流器时直流侧用超导储能装置等), 则SVG还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这对于电力系统来说是非常有益的, 而又是传统的SVC所望尘莫及的。至于在传统SVC中令人头痛的谐波问题 , 在SVG 中则完全可以采用桥式变流电路的多重化技术或PWM技术来进行处理 , 以消除次数较低的谐波 , 并使较高次数的谐波电流减小到可以接受的程度。还应指出,SVG 中连接电抗器的作用一是滤除电流中的高次谐波 , 二是起到将变流器和电网连接起来的作用, 所需的电感值不大 , 远小于补偿容量相同的TCR所需的电感量。如果使用降压变压器将 SVG 连入电网 , 则还可利用变压器漏抗, 所需的连接电抗器进一步减小。2.5.1 SVG优缺点 优点： (1)响应速度更快 SVG响应时间：5ms。 传统无功补偿装置响应时间：10ms。 SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。 (2)电压闪变抑制能力更强 SVC对电压闪变的抑制最大可达2：1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5：1，甚至更高。SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。而SVG由于响应速度极快， 增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。 (3)运行范围更宽 SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽很多。更重要的是，在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。 (4)补偿功能多样化 SVG不仅具有快速补偿系统无功功率的目的，还能够根据用户实际需要，对负荷谐波电流、负序电流等电能质量问题进行综合补偿。 (5) 谐波含量极低 SVG采用了PWM技术、三电平技术和多重化技术，不仅自身产生的谐波含量极低，还能够对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波的功能，真正做到多功能化。 (6) 占地面积小由于无需高压大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积通常只有相同容量SVC的50%。 缺点： (1) 控制方法和控制系统比传统 SVC复杂 (2) 要使用数量较多的大容量自关断器件, 其价格比SVC使用的普通晶闸管高得多2.5.2 应用场合 (1)远距离电力传输，稳定弱系统电压，减少传输损耗，增加传输能力，使现有电网发挥最大效率，提高瞬变稳态极限，增加小干扰下的阻尼，增强电压控制及稳定性，缓冲功率振荡 。 (2)电弧炉电弧炉做为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网产生一系列不良影响，其中主要是：导致电网严重三相不平衡，产生负序电流；产生高次谐波，其中普遍存在如2、4次偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波共存的状况，使电压畸变更趋复杂化；存在严重能够的电压闪变；功率因数低 。彻底解决上述问题的唯一方法是用户必须安装具有快速响应速度的动态无功补偿器（SVG）。SVC系统响应小于5ms，完全可以满足严格的技术要求，向电弧炉快速提供无功电流并且稳定母线电网电压，增加冶金有功功率的输出，提高生产效率，并且最大限度地降低闪变的影响。SVG具有的分相补偿功能可以消除电弧炉造成的三相不平衡，滤波装置可以消除有害的高次谐波并通过向系统提供容性无功来提高功率因数。 (3)轧机轧机及其他工业对称负载在工作中所产生的无功冲击会对电网造成如下影响：引起电网电压降及电压波动，严重时使电气设备不能正常工作，降低了生产效率；使功率因数降低；负载的传动装置中会产生有害高次谐波，主要是以5、7、11、13次为代表的奇次谐波及旁频，会使电网电压产生严重畸变。 安装SVG系统可以完美地解决上述问题，保持母线电压平稳，无谐波干扰，功率因数接近1。 (4)电力机车供电电力机车运输方式在保护环境的同时也对电网造成了严重“污染”，因电力机车为单相供电，这种单相负荷就造成了供电网的严重三相不平衡及较低的功率因数，并产生负序电流。目前世界各国解决这一问题的唯一途径就是在铁路沿线适当位置安装SVG系统，通过SVG的分相快速补偿功能来平衡三相电网，并提高功率因数。SVG以其优异的性能价格比不仅从技术上而且从经济上完美地解决了这一问题。 (5)城市二级变电站（66/110kV)在区域电网中，一般采用分级投切电容器组的方式来补偿系统无功，改善功率因数，这种方式只能向系统提供容性无功，并且不能随负载的变化而实现快速精确调节，在保证母线功率因数的同时，容易造成向系统倒送无功，抬高母线电压，危害用电设备及系统稳定性。SVG系统可以快速精确地进行容性及感性无功补偿，使SVG在稳定母线电压，提高功率因数的同时，彻底、方便地解决了无功倒送问题。并且，安装新的SVG系统时，可以充分利用原有的固定电容器组和晶闸管相控电抗器（TCR）部分，用最少的投资取得最佳的效果，成为改善区域电网供电质量的最有效的方法。3. 无功补偿的原理及概念3.1 无功功率 功率三角形3.1.1 无功功率的概念 电网中的大多数用电设备是利用电磁感应实现能量转换和传递的。如发电机，电动机等，就是通过磁场来完成机械能与电能之间的转换的。以电动机为例，电机从电网吸收的大部分电功率通过机械设备做功，使电能转换成了机械能，这部分功率就叫有功功率。而电动机还要从电网吸收另外一部分电功率，用来建立交变磁场，从而传递，转换有功功率，这部分功率不是被消耗，而是在电网与电动机之间不断的进行无功功率是交换，在一个周期内吸收和释放的功率相等，这部分功率就叫无功功率。保证电力系统和用电设备正常运转所必不可少的能量形式。 无功功率的图解如下：图3-1 简单非线性电路 图 3-2 功率波形图我们以电感元件和电容元件的并联回路来说明这个问题，见图3-2，在电压的作用下，电感回路中电流滞后电压90，而在电容回路中电流却是超前电压90，即在同一电压作用下，任一瞬时，IL和IC在时间轴对称。我们将每一瞬间电感上的电压与电感电流IL相乘得到电感的功率曲线PL，同样的，将电容上的电压与电容电流IC相乘得到电容的功率曲线PC。3.1.1 正弦电路的无功功率和功率因数正弦电路中，其电压和电流的表达式为： （3-1）式中，电流滞后电压的相角。电流被分解成为和电压同相位的分量和比电压滞后90的分量。和分别为： （3-2）电路的有功功率P就是其平均功率，即 （3-3）电路的无功功率定义为 （3-4）可以看出，就是式（3-3）中被积函数的第2项无功功率分量的变化幅度。的平均值为零，表示其有能量交换而并不消耗能量。表示这种能量交换的幅度。在单相电路中，这种能量交换通常是在电源和具有储能元件的负载之间进行的。从式（3-3）可以看出，真正的功率消耗是由被积函数的第1项有功功率分量产生。因此，把由式（3-2）所描述的和分别称为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。对于发电机和变压器等电气设备来说，其额定电流值与导线的截面积和铜损耗有关，其额定电压和绕组电气绝缘有关，在工作频率一定的情况下，其额定电压还和铁心尺寸及铁心损耗有关。因此，工程上把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极限值，这个值也就是电气设备最大可利用容积。因此，引入视在功率的概念：S=UI （3-5）从式（3-3）可知，有功功率P的最大值为视在功率S，P越接近S，电气设备的容量就越得到充分利用。为了反映P接近S的程度，定义有功功率和视在功率的比值为功率因数， （3-6）从式（3-3）和（3-5）可以看出，在正弦电路中，功率因数是由电压和电流之间的相角差决定的。在这种情况下，功率因数常用来表示。从式（3-3）、式（3-4）和式（3-5）可知，S、P和Q有如下的关系： （3-7）应该指出，视在功率只是电压和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能量交换和消耗的强度。在一般电路中，视在功率并不遵循能量守恒定律。3.1.3非正弦电路的无功功率和功率因数在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义均和正弦电路相同。有功功率仍为瞬时功率在一个周期内的平均值。视在功率、功率因数仍分别由式（3-5）和式（3-6）来定义。这几个量的物理意义也没有变化。非正弦周期函数可用傅里叶级数表示,其有功功率P为： （3-8）电压和电流的有效值分别为： （3-9） （3-10）因此 （3-11）含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况比较复杂，至今也没有被广泛接受的科学而权威的定义。仿照式（1-7），可以定义无功功率 （3-12）这里，无功功率只是反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负载中的消耗。在这一点上，它和正弦电路中无功功率最基本的物理意义是完全一致的。因此，这一定义被广泛接受。但是，这一定义对无功功率的描述是很粗糙的。它没有区别基波电压电流之间产生的无功功率、同频率谐波电压电流之间产生的无功功率，以及不同频率谐波电压电流之间产生的无功功率。仿照式(3-4)也可以定义无功功率。为了和式（3-12）区别，采用符号。 （3-13）这里是由同频率电压电流正弦波分量之间产生的。在正弦电路中，通常规定感性无功功率为正，容性无功功率为负。把这一规定引入非正弦电路，就可能出现一些很不合理的现象。同一个谐波源有可能某些次谐波的无功功率为感性无功功率，而同一些次谐波的无功功率为容性无功功率，从而出现两者相互抵消的情况。而实际上，不同频率的无功功率是无法相互抵消的，这种互相抵消是不合理的。在这里，已没有度量电源和负载之间能量交换幅度的物理意义了。尽管如此，因为式（3-13）的定义可以看成正弦波情况下定义的自然延伸，它仍然被广泛使用。在非正弦的情况下，因此引入畸变功率D，可得： （3-14）比较式（2-13）和式（2-14），可得： （3-15）和不同，D是由不同频率的电压电流正弦分量之间产生的。在公共电网中，通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波，电流波形为非正弦波时的情况有很大的实际意义。设正弦电压有效值为U,畸变电流有效为I，其基波电流有效值和相角差分别为和，n次谐波有效值为。考虑到不同频率的电压电流之间不产生有功功率，按照上述定义可以得到在这种情况下，和D都有明确的物理意义。是基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流所产生的无功功率。这时功率因数为