第四章风电场无功补偿4

静止无功功率补偿器无功补偿技术第四章相控单相交流调压电路1、电阻性负载★当电源电压为正半周期ωt=α

时触发晶闸管VT1，VT1导通，负载输出电压u0=u；在ωt=π时，电源电压过零，i0=0，VT1自行关断，u0=0。★当电源电压为负半周期ωt=π+α

时触发晶闸管VT2，VT2导通负载输出电压u0=u；在ωt=2π时，电源电压过零，i0=0，VT2自行关断。★通过改变控制角α就可以调节输出电压的大小。相控单相交流调压电路2、电感性负载★当正半周期VT1关断时，VT2恰好触发导通，在一个周期中两只晶闸管轮流导通180°。此时负载电流i0临界连续，负载电流是一个滞后电源电压的纯正弦电流。即任何时刻电源电压都加在负载上，负载电压为完整的正弦波，相当于晶闸管失去控制，无调压作用。触发角负载阻抗角相控单相交流调压电路2、电感性负载★当电源电压为正半周期ωt=α

时触发晶闸管VT1，VT1导通，负载输出电压u0=u，电流、i0从零开始上升。★在ωt=π时，电源电压过零，电流并不为零，VT1继续导通，输出电压出现负值。直到

i0=0，VT1自行关断，u0=0★但此时VT2的触发脉冲尚未到达，因此出现了电流的断续，导通角触发角负载阻抗角相控单相交流调压电路2、电感性负载★这与时的工作情况一样，输出电压和电流波形都是完整的正弦波，电路失去调压的功能，也处于“失控’’状态。4.1概述1、基本概念：静止无功功率补偿器（StaticVarCompensator-SVC）是指其输出随电力系统特定的控制参数而变化的并联连接的静止无功功率发生装置或无功功率吸收装置。2、SVC的基本作用：连续而迅速地控制无功功率，并通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。3、SVC的特点：

●静止型。其主要部件是无转动部分，主要依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能，可以频繁地调节和投切，其动作速度是毫秒级的，远比机械设备的动作速度要快。

●动态补偿。

能快速、平滑调节容性或感性无功功率，实现动态补偿。其反应速度很快，能及时跟踪无功功率快速变化做出变化，达到所设计的各种控制目标4.1概述●

SVC的类型：近10多年来，在世界范围内，其市场一直在迅速而稳定的增长，并占据了动态无功功率补偿装置的主导地位。晶闸管控制电抗器(ThyristorControlReactor-TCR）晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchCapacitor-TSC）晶闸管投切电抗器（ThyristorSwitchReactoI-TSR）晶闸管控制高阻抗变压器型（ThyristorControlTransformer-TCT）饱和电抗器(SaturationReactor-SR)类型SVC基本类型，其他补偿器是这两种的发展●

SVC需要在一定条件下才能实现无功功

率的连续动态补偿，通常的方式有：TCR+TSCTCR+FC（或MSC）TCR+TSC+FC(或MSC)往往把这种包含SVC的无功功率补偿系统称为静止无功功率补偿系统(StaticVarSystem-SVS)4.2晶闸管控制电抗器（TCR）1、电路工作状态●当时流过电抗器的电流波形滞后电源电压900，晶闸管为全导通，导通角，此时电流波形连续且为正弦波一、晶闸管控制电抗器的基本原理相当于电感性负载的交流调压器电路，负载为纯电感XL=ωL，电抗器的基频电抗电感中电流iL将受到控制，即随着角的增大，电感电流基波分量IL1相应减小，谐波分量增加。●当时：电流波形为间断脉冲波4.2晶闸管控制电抗器（TCR）●当时双向晶闸管处于失控状态，已不能通过控制角变化来改变，IL大小。TCR吸收的感性无功功率：电抗器的等效电抗增加，等效电感值随之可控，TCR吸收的感性无功功率可平滑调节1、电路工作状态4.2晶闸管控制电抗器（TCR）2、晶闸管控制电抗器的基本原理周期分量：●当时：电流波形为间断脉冲波，可表示为：非周期分量：忽略电阻时，T=L/R为无穷大，则：对应的角度为导通角为：2、晶闸管控制电抗器的基本原理则iL的瞬时值可用下式表示：基波分量：等效电抗值：吸收的感性无功功率：为基波分量、电压有效值和基波下电抗器的电抗值2、晶闸管控制电抗器的基本原理当时，全导通，等效电抗值等于接在线路中电抗本身，吸收的无功功率最大。当时，等效电抗值最大，等效开路，吸收的无功功率最小。当时，增大控制角增大时，基波电流IL1减小，等效电抗值XL1增大，吸收的无功功率QL减小。★由此可见，在范围内，调节控制角的大小，可以连续、平滑地调节吸收的无功功率QL的大小。★除基波IL1外，还含3、5、7、9…

奇次谐波，其大小与IL1正比，并随

变化。为了防止3及3的倍数次谐波对交流系统的影响，常将三相系统中有三个单相TCR元件作三角形方式连接（6脉冲

TCR），使这类谐波经三相电感环流而不注入交流电网，因而在线路中就不存在谐波。二、晶闸管控制电抗器的主要特性电压—电流基本特性二、晶闸管控制电抗器的主要特性谐波特性TCR装置采用相控原理，在动态调节基波无功功率的同时，也产生大量的谐波，并且谐波含量与控制角相关。TCR谐波与控制角的关系若两个晶闸管的控制角相等，则产生全部奇次谐波。二、晶闸管控制电抗器的主要特性其它特性1、响应时间（扰动开始到调节器起作用的时间）

TCR任何一相的动态响应时间约为10ms，对于三相电路，动态响应时间约为3.4ms，采用数字式快速调节器的条件下，动态响应时间约在5~10ms。2、独立相控

TCR三相可以独立进行控制，故TCR型SVC可广泛用于三相不平衡负荷，以实施动态不平衡的补偿。3、功率损耗

动态感性部分的损耗随导通程度增加而增大，这部分损耗中包括电抗器的电阻性损耗和晶闸管中导通、切换等损耗。三、晶闸管可控制电抗器的主要接线形式晶闸管可控制电抗器(TCR)根据需要它们与降压变压器可以采用△形或Y形连接。TCR中的电抗器采用△形连接最好，在对称运行时可以抵消3次谐波。因为当系统平衡时，所有的3次谐波序列的高次谐波电流都在闭合三角形中流通，所以线电流中不包括这些谐波分量。四、晶闸管可控制电抗器的谐波抑制措施将TCR接成△形在三相平衡负载的情况下，使两个晶闸管的控制角相等，这时由于电流断续而引起的谐波为奇次谐波，其中3次及其整倍次谐波电流将在闭合的三角形中流动，而不会出现在线电流中。

采用滤波器专门的滤波器或者使用和补偿电容器相串联的电感构成谐振滤波器来消除，消除线路上的5次和7次谐波。四、晶闸管可控制电抗器的谐波抑制措施采用分裂晶闸管可控制电抗器对12脉冲接线而言，最低次特征谐波是11次和13次，无需使用5次和7次谐波滤波器。将电抗器分成两部分使用电抗变压器使用电源变压器，将电网和谐波进行隔离以减少谐波对其他用户的影响。五、晶闸管控制电抗器的控制系统晶闸管控制电抗器的控制系统应能检测系统的有关变量，并根据检测量的大小以及给定参考（输入）量的大小，产生相应的晶闸管触发延迟角，以调节补偿器吸收的无功功率。因此，其控制一般应包括以下三部分电路：

●检测电路。检测控制所需的系统变量相补偿器变量。系统电压、流过传输线或补偿器本身的无功功率、传输线输送的有功功率或其变化率、电压相角偏差、系统频率及其导数等。

●控制电路。为获得所需的稳态和动态特性，对检测信号和给定参考

（输入）量进行处理。

●触发电路。根据检测电路输出的控制信号，产生相应触发延迟角的晶闸管触发脉冲。五、晶闸管控制电抗器的控制系统控制方式●开环控制开环系统结构简单，一旦遇到不可预测条件出现，得不到理想的控制效果。●闭环控制闭环系统结构较开环系统复杂，增加了一个反馈网络，响应时间比开环系统长，但稳定度高。只有电压反馈控制带电流内环的电压反馈控制五、晶闸管控制电抗器的控制系统控制方式●复合系统

开环与闭环系统联合起来使用。

优点：对二次干扰具有较强的克服能力，改善被控对象的动态特性，使时间常数大大减小，兼有开环和闭环系统的优点，负荷干扰变化剧烈的情况下，通过开环控制进行快速补偿。适用场合：控制对象滞后时间较长，负荷变化较大，被控对象又有较大非线性场合。●计算机控制系统计算机控制系统既能实现开环控制、闭环控制和复合控制，又可以实现无功功率、电压闪变、温度、压力、流量综合控制和管理，包括事故处理、记录、打印等。六、晶闸管控制电抗器与并联电容器的配合使用由于单独的晶闸管控制电抗器只能吸收无功功率，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晶闸管控制电抗器配合使用构成无功功率补偿器。根据投切电容器的元件不同可分为：

●晶闸管控制电抗器与固定电容器配合使用的静止无功功率补偿系统(TCR+FC)

●晶闸管控制电抗器与断路器投切电容器配合使用的静止无功功率补偿系统(TCR+MSC)优点：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。■晶闸管控制电抗器与固定式电容器配合使用原理接线图各无功功率值变化曲线总要使由系统供给的无功功率Qs=QF+QL-Qc≈常数，以限制电压的闪变。QC■晶闸管控制电抗器与固定式电容器配合使用控制框图■晶闸管控制电抗器与固定式电容器配合使用电压—电流曲线

TCR并联上电容器后，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，它既可以吸收感性，也可以吸收容性无功功率。特性左边界的斜线，就是晶闸管导通角为零，而仅有固定电容器并联在母线上的电容器的伏安特性；特性右边界的斜线，就是晶闸管完全导通，其串联电抗器直接接在母线上，并与并联电容器并联产生的总等效阻抗的伏安特性，而它对应的无功功率是电容器与电抗器无功功率对消后的净无功功率。■晶闸管控制电抗器与机械式投切电容器配合使用

问题的提出TCR+FC型静止无功功率补偿系统要求电抗器的容量大于电容器的容

量，另外当补偿装置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。

解决方法把固定电容器改为分组投切，可以减少电容造成的效应，但电容器组会频繁的投切，减少系统的寿命。而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。■晶闸管控制电抗器与机械式投切电容器配合使用例如在最大为70kvar的无功功率补偿系统中按下列原则设置电容值Cl=10kvar、C2=20kvar、C3=40kvar。晶闸管控制电抗器的最大无功功率为10kvar，当TCR中的晶闸管导通角大于90°时，等效的电抗无功功率值小于10kvar。在初始状态下，电感器的导通角设置为90°，电容组中的Cl处于接入状态，两者无功功率之和为零，当所需的无功功率在10kvar以内时，通过调节TCR中的触发角来满足无功功率补偿的要求。当要求补偿的无功功率大于C1时再考虑接入其他电容器。七、晶闸管控制电抗器的动态性能和动态调节过程动态性能（或响应时间）TCR自身固有的动态响应速度非常快，响应时间小于5~10ms，由于测量和控制回路以及系统阻抗产生的附加时延，会影响整个装置的响应时间。TCR型SVC整个系统的响应时间即调节时间约为60~200ms。七、晶闸管控制电抗器的动态性能和动态调节过程动态调节过程4.3晶闸管投切电容器随着电力电子技术及计算机控制技术的发展，各种新型的自动、快速无功功率补偿装置相继出现，晶闸管投切电容器(TSC)是一种广泛应用于配电系统的动态无功功率不偿装置。优点与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接人电网，大大减少了投切时的冲击电流和操作困难，其动态响应时间约为0.01~0.02s缺点

TSC只能分组投切，不能连续调节无功功率，它只有和TCR配和使用，才能实现真正意义上的无功功率连续调节。1、晶闸管投切电容器的基本原理

TSC利用单向晶闸管反并联或双向晶闸管构成的交流无触点开关将单组或多组电容器投入到电网上或从电网切除，晶闸管采用过零触发方式。与晶闸管可控制电抗器中利用相控方式改变有效电感值不同，晶闸管投切电容器采用整数半周控制。单组投切单相结构分组投切单相结构TSC电压—电流特性2、晶闸管投切电容器的投切时刻的选取现在普遍采用单片机控制大功率晶闸管来投切电容，由于具有过零检测、过零触发的优点，响应速度快，合闸涌流小，无操作过电压，无电弧重燃，从而基本上解决了以往投切时交流接触器经常拉弧甚至于烧结而损坏的不良情况。晶闸管投切电容器投切时间选取的条件TSC投切开关时要做到电流无冲击，需要满足两个条件：

●

晶闸管必须在正弦电源电压的正负峰值时触发。

●电容器必须要预先充电，使其两端电压为电网电压峰值的n2/(n2-1)倍。2、晶闸管投切电容器的投切时刻的选取晶闸管投切电容投切时间选取的原则经过多年的分析与实验研究，TSC运行时，应选择交流电源电压和电容器预先充电电压相等时刻，触发导通相应晶闸管进行电容投入，使电容电压不突变、不产生冲击电流。理想情况是电容器预先充电到电源峰值电压，此时电源电压变化率为零，可使投入时电容电流为零。这样，整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化，这就是所谓的理想投入时刻。2、晶闸管投切电容器的投切时刻的选取

TSC理想投切时刻原理图晶闸管投切电容器的投切时刻的选取设投入前电容器上端电压配uc已由上次最后导通的V1充到电源电压配us的正峰值，故本次导通应选在us与uc相等的t1时刻使V2触发导通，电容电流开始建立。以后每半周期在过零点处轮流触发Vl、V2需要切除电容时，选择ic降为零的t2时刻撤除触发脉冲，V2关断，Vl也不再导通，uc则保持V2导通结束时的电源电压负峰值，为下次投入电容做准备。晶闸管投切电容器的投切时刻的选取实际上，在投入电网之前，电容电压有时不能被充电到电源电压峰值。这就需要找出在电容充电电压为各种情况下的最佳投入时刻。晶闸管投切电容器的投切时刻的选取晶闸管零电流投入保障措施

在电容器切除后重新投入时，若晶闸管导通时的电网电压与电容器残压相差较大，就会由于电容器的电压不能突变而产生很大的冲击电流，称为合闸涌流。

这一涌流冲击很可能损坏晶闸管或给电网带来高频冲击。为了使电容器投入时不引起涌流冲击，必须保诬晶闸管导通时电网电压与电容器残压大小相等，极性一致，即零电流投入，为此可以采取如下措施：晶闸管投切电容器的投切时刻的选取晶闸管零电压投入保障措施

●

加放电电阻

每次切除电容器后，通过专门的放电电阻对电容器放电，使电容器残压接近为零，晶闸管两端电压为零时投入。

这种措施要增加无功功率补偿装置的成本，并且电容器切除后自动接入放电电阻的电路也较复杂。晶闸管投切电容器的投切时刻的选取

●

电容器预充电投入电容器之前对其充电，充电到电网电压的峰值，在电网电压峰值时触发晶闸管。这种方法将使主电路变得很复杂，并且延长了电容器的投入时间。晶闸管零电流投入保障措施

●主电路采用晶闸管与二极管反并联方式电容器投入前，其电压总是维持在电压的峰值，一旦电容器电压比电网电压峰值有所降低，二极管会将其电压充电到电网峰值电压。只要在电网电压峰值时触发晶闸管，就可以避免电流冲击。缺点：当要切除电容，最大的时间滞后为一个周波，相应速度比两晶闸管反并联的方式稍慢。晶闸管投切电容器的投切时刻的选取晶闸管零电流投入保障措施晶闸管投切电容器的投切时刻的选取

●

检测晶闸管两端电压的零电压触发方式由于电容器残压的不确定性，晶闸管上的电压是个不能根据电网电压计算的值，但可以通过检测晶闸管两端（阳极与阴极）的电压来确定电网电压与电容器残压是否相等。当检测到晶闸管两端电压相等（残压为零）时，触发晶闸管。

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，基本上可以实现无级调节。因此，TSC实际上就是可有级调节的吸收容性无功功率的动态无功功率补偿器。同样的，晶闸管也可以用来投切电抗器。3、晶闸管投切电容器的主电路接线方式1）三相控制的Y接线方式缺点：晶闸管电压定额可以降低，但电流定额增大了，而且在投切过程中可能有较大的中线电流，将产生较大的电压漂移，影响投入时的准确度，可能会产生投切冲击电流，同时，会提高其单位价格。优点：可以分相补偿，适用于三相负荷不平衡，三相的功率因数角和电流差异较大，。3、晶闸管投切电容器的主电路接线方式2）三相控制的△接线方式适用于三相共补电路。优势：①可以降低晶闸管阀的电流容量；②电源电压比较能够保证；③避免中线电流。3、晶闸管投切电容器的主电路接线方式3）两相控制的“2+1”接线方式