电力系统静止无功补偿技术的现状及发展

1、电力系统静止无功补偿技术的现状及发展摘要：详细综述了电力系统静止无功补偿技术的发展现状，分析了各种静止无功补偿技术的原理、优点、缺点以及现今 在电力系统中的应用情况，并提出今后静止无功补偿技术的 发展趋势。& nbsp;关键词：静止无功补偿(SVC ASVG) 发展趋势 电力系统  1引言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。

2、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

3、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。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10 e）,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

4、(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 )。以下对此三类静止无功补偿技术逐一介绍，主要对SVC和ASVG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 具有饱和电抗器的无功

5、补偿装置( SR)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分为两种。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 用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。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1 , 但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器 的4倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态

6、，铁心损耗 大，比并联电抗器大 23倍，另外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，由于具有这些缺点， 所有饱和电抗器的静止无功补偿器目前应用的比较少，一般 只在超高压输电线路才有使用。3晶闸管控制电抗器(TCR )两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原 理图如图1所示。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，此电路的有效 移相范围为90。80。当触发角a = 90。时，晶闸管全导通， 导通角3 = 180。，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触 发角与补偿器等效导纳之间的关系式：BL = BLmax (8sin A)/ n 和B

7、Lmax = 1 /XL 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，所以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，达到调整无功功率的效果。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2 。由于单独的TC

8、R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(TCR + FC )和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR + MSC )。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TCR + FC + MSC 型的 SVC ,其控制范围为土 120Mvar : 3。 由于固定电容器的 TCR + FC型补偿装置在补偿范围从感性 范围延伸到容性范围时

9、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。TSC + MSC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。4晶闸管投切电容器（TSC）为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。其单相原理图如图 2所示。两个反并联的晶闸管只是将 电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制 电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网 络米用星形连接，负荷不对称网络米

10、用三角形连接。不论是 星形还是三角形连接都采用电容器分组投切。为了对无功电 流能尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但 考虑到系统的复杂性及经济性，一般用K-11个电容值为C的电容和电容值为 C / 2的电容组成 2K级的电容组数4 。TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过 多年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电 压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻5:此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了 保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可

11、以实现无级调节。瑞典某钢厂 两台100t电弧炉，装有60Mvar的TSC后，有效的使130kV 电网的电压保持在1 . 5%的波动范围。运行实践证明此装置 具有较快的反映速度（约为510ms ）,体积小，重量轻，对三相不平衡负荷可以分相补偿，操作过程不产生有害的过 电压、过电流，但 TSC对于抑制冲击负荷引起的电压闪变， 单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所 以TSC装置一般与电感相并联，其典型设备是TSC + TCR补偿器。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作分级粗 调，以电感作相控细调，三次谐波不能流入电网，同时又设 有5次谐波滤波器，大大减小了谐波。我国平顶山至武汉凤

12、凰山500kV变电站引用进口的无功补偿设备就是TSC +TCR 型6 。5新型静止无功发生器（ASVG ）随着电力电子技术的进一步发展，特别是L. Gyugyi提出利用变流器进行无功补偿的理论以来，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器。它是通过将自换 相桥式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网 上。ASVG根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件， 可以分为电压型和电流型两种，如图3所示。图3所示的原理图为电压型补偿器，如果将直流侧的电容器用电抗器代 替，交流侧的串联电感用并联电容代替，则为电流型的 ASVG。交流侧所接的电感 L和电容C的作用分别为阻止高 次谐波进入电

13、网和吸收换相时产生的过电压。无论是电压 型，还是电流型的ASVG其动态补偿的机理是相同的。当逆变器脉宽恒定时，调节逆变器输出电压及系统电压之间的夹 角匚就可以调节无功功率及逆变器直流侧电容电压UC ,同时调节夹角$和逆变器脉宽，既可以保持 UC恒定的情况下， 发出或吸收所需的无功功率7 。根据这一原理从 1980年日本研制出第一台 20Mvar的 强迫自换相的桥式 ASVG之后，经过10多年的发展，ASVG 的容量不断增大，1991年和1994年日本和美国又相继研制 出80Mvar和100Mvar的ASVG，在1995年，清华大学和 河南省电力局共同研制了我国第一台ASVG，其容量为300kv

14、ar，开辟了我国研制 ASVG补偿设备的先河8。ASVG通过米用桥式电路的多重化技术，多电平技术 或PWM技术进行处理，以消除较低次的谐波，并使较高的 谐波限制在一定范围内；由于ASVG不需储能元件来达到与 系统交换无功的目的，实际上它使用直流电容来维持稳定的 直流电源电压，和 SVC使用的交流电容相比，直流电容量 相对较小，成本较低；另外，在系统电压很低的情况下，仍 能输出额定无功电流，而 SVC补偿的无功电流随系统电压 的降低而降低。正是由于这些优点，ASVG在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有 SVC无法比拟的优点，这也显 示出ASVG是今后静止无功补偿技术发展的方向。另外随着电力电子技术的发展，电子有源滤波器也日益得到完善，由 于电力有源滤波器在滤除谐波的时候与电力系统不发生谐 振，因此目前不少电力系统工作者致力于将电力有源滤波与 ASVG相结合的研究，以消除传统的ASVG设备中并联无源 滤波器的所产生的谐振问题。参考文献：:1: A . C . MATHEB .超高压输电线路用的静止无功补偿器C .湖北：湖北电力技术，1982:2: W. Herbst .高压系统的可控静止无功补偿C .湖 北：湖北电力技术，1982:3:田广青.江门