電力系統(tǒng)靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展論文
摘要：詳細(xì)綜述了電力系統(tǒng)靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了各種靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的原理、優(yōu)點、缺點以及現(xiàn)今在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，并提出今后靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：靜止無功補(bǔ)償（SVC ASVG）發(fā)展趨勢電力系統(tǒng)
1 引言
電力系統(tǒng)的各節(jié)點無功功率平衡決定了該節(jié)點的電壓水平，由于當(dāng)今電力系統(tǒng)的用戶中存在著大量無功功率頻繁變化的設(shè)備；如軋鋼機(jī)、電弧爐、電氣化鐵道等。同時用戶中又有大量的對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有較高要求的精密設(shè)備：如計算機(jī)，醫(yī)用設(shè)備等。因此迫切需要對系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。
傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等，由于并聯(lián)電容器阻抗固定不能動態(tài)的跟蹤負(fù)荷無功功率的變化；而調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等補(bǔ)償設(shè)備又屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用于太大或太小的無功補(bǔ)償。所以這些設(shè)備已經(jīng)越來越不適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。
20世紀(jì)70年代以來，隨著研究的進(jìn)一步加深出現(xiàn)了一種靜止無功補(bǔ)償技術(shù)。這種技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新、發(fā)展完善的過程。所謂靜止無功補(bǔ)償是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等功能。目前這種靜止開關(guān)主要分為兩種，即斷路器和電力電子開關(guān)。由于用斷路器作為接觸器，其開關(guān)速度較慢，約為10～30s，不可能快速跟蹤負(fù)載無功功率的變化，而且投切電容器時常會引起較為嚴(yán)重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣不但易造成接觸點燒焊，而且使補(bǔ)償電容器內(nèi)部擊穿，所受的應(yīng)力大，維修量大。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流無觸點開關(guān)SCR、GTR、GTO等的出現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)，速度可以提高500倍（約為10μs），對任何系統(tǒng)參數(shù)，無功補(bǔ)償都可以在一個周波內(nèi)完成，而且可以進(jìn)行單相調(diào)節(jié)。現(xiàn)今所指的靜止無功補(bǔ)償裝置一般專指使用晶閘管的無功補(bǔ)償設(shè)備，主要有以下三大類型，一類是具有飽和電抗器的靜止無功補(bǔ)償裝置（SR：SaturatedReactor）；第二類是晶閘管控制電抗器（TCR：Thyristor ControlReactor）、晶閘管投切電容器（TSC：Thyristor SwitchCapacitor），這兩種裝置統(tǒng)稱為SVC（StaticVar Compensator）；第三類是采用自換相變流技術(shù)的靜止無功補(bǔ)償裝置——高級靜止無功發(fā)生器（ASVG：Advanced Static VarGenerator）。
以下對此三類靜止無功補(bǔ)償技術(shù)逐一介紹，主要對SVC和ASVG這兩類補(bǔ)償技術(shù)作詳細(xì)介紹，并指出今后靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢。
2 具有飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置（SR）
飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來控制發(fā)出或吸收無功功率的大小。可控飽和電抗器通過改變控制繞組中的工作電流來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進(jìn)一步控制無功電流的大小。這類裝置組成的靜止無功補(bǔ)償裝置屬于第一批靜止補(bǔ)償器。早在1967年，這種裝置就在英國制成，后來美國通用電氣公司（GE）也制成了這樣的靜止無功補(bǔ)償裝置［1］，但是由于這種裝置中的飽和電抗器造價高，約為一般電抗器的4倍，并且電抗器的硅鋼片長期處于飽和狀態(tài)，鐵心損耗大，比并聯(lián)電抗器大2～3倍，另外這種裝置還有振動和噪聲，而且調(diào)整時間長，動態(tài)補(bǔ)償速度慢，由于具有這些缺點，所有飽和電抗器的靜止無功補(bǔ)償器目前應(yīng)用的比較少，一般只在超高壓輸電線路才有使用。
3 晶閘管控制電抗器（TCR）
兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖1所示。其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當(dāng)于交流調(diào)壓器電路接電感性負(fù)載，此電路的有效移相范圍為90°～180°。當(dāng)觸發(fā)角α＝90°時，晶閘管全導(dǎo)通，導(dǎo)通角δ＝180°，此時電抗器吸收的無功電流最大。根據(jù)觸發(fā)角與補(bǔ)償器等效導(dǎo)納之間的關(guān)系式：
BL＝BLmax（δ－sinδ）／π和BLmax＝1／XL可知。增大觸發(fā)角即可增大補(bǔ)償器的等效導(dǎo)納，這樣就會減小補(bǔ)償電流中的基波分量，所以通過調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變補(bǔ)償器所吸收的無功分量，達(dá)到調(diào)整無功功率的效果。
在工程實際中，可以將降壓變壓器設(shè)計成具有很大漏抗的電抗變壓器，用可控硅控制電抗變壓器，這樣就不需要單獨接入一個變壓器，也可以不裝設(shè)斷路器。電抗變壓器的一次繞組直接與高壓線路連接，二次繞組經(jīng)過較小的電抗器與可控硅閥連接。如果在電抗變壓器的第三繞組選擇適當(dāng)?shù)难b置回路，例如加裝濾波器，可以進(jìn)一步降低無功補(bǔ)償產(chǎn)生的諧波。瑞士勃郎·鮑威利公司已經(jīng)制造出此種補(bǔ)償器用于高壓輸電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償［2］。
由于單獨的TCR只能吸收無功功率，而不能發(fā)出無功功率，為了解決此問題，可以將并聯(lián)電容器與TCR配合使用構(gòu)成無功補(bǔ)償器。根據(jù)投切電容器的元件不同，又可分為TCR與固定電容器配合使用的靜止無功補(bǔ)償器（TCR＋FC）和TCR與斷路器投切電容器配合使用的`靜止無功補(bǔ)償器（TCR＋MSC）。這種具有TCR型的補(bǔ)償器反應(yīng)速度快，靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。我國江門變電站采用的靜止無功補(bǔ)償器是端士BBC公司生產(chǎn)的TCR＋FC＋MSC型的SVC，其控制范圍為±120Mvar［3］。由于固定電容器的TCR＋FC型補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償范圍從感性范圍延伸到容性范圍時要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收較小的無功電流時，其電抗器和電容器都已吸收了很大的無功電流，只是相互抵消而已。TSC＋MSC型補(bǔ)償器通過采用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點，但應(yīng)盡量避免斷路器頻繁的投入與切除，減小斷路器的工況。
4 晶閘管投切電容器（TSC）
為了解決電容器組頻繁投切的問題，TSC裝置應(yīng)運而生。其單相原理圖如圖2所示。兩個反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運行時可能產(chǎn)生的沖擊電流。TSC用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對稱網(wǎng)絡(luò)采用星形連接，負(fù)荷不對稱網(wǎng)絡(luò)采用三角形連接。不論是星形還是三角形連接都采用電容器分組投切。為了對無功電流能盡量做到無級調(diào)節(jié)，總是希望電容器級數(shù)越多越好，但考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，一般用K－1個電容值為C的電容和電容值為C／2的電容組成
2K級的電容組數(shù)［4］。
TSC的關(guān)鍵技術(shù)問題是投切電容器時刻的選取。經(jīng)過多年的分析與實驗研究，其最佳投切時間是晶閘管兩端的電壓為零的時刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時刻［5］。此時投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補(bǔ)償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。
TSC補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級數(shù)分得足夠細(xì)化，基本上可以實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。瑞典某鋼廠兩臺100t電弧爐，裝有60Mvar的TSC后，有效的使130kV電網(wǎng)的電壓保持在1．5％的波動范圍。運行實踐證明此裝置具有較快的反映速度（約為5～10ms），體積小，重量輕，對三相不平衡負(fù)荷可以分相補(bǔ)償，操作過程不產(chǎn)生有害的過電壓、過電流，但TSC對于抑制沖擊負(fù)荷引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網(wǎng)的電容量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)是不夠的，所以TSC裝置一般與電感相并聯(lián)，其典型設(shè)備是TSC＋TCR補(bǔ)償器。這種補(bǔ)償器均采用三角形連接，以電容器作分級粗調(diào)，以電感作相控細(xì)調(diào)，三次諧波不能流入電網(wǎng)，同時又設(shè)有5次諧波濾波器，大大減小了諧波。我國平頂山至武漢鳳凰山500kV變電站引用進(jìn)口的無功補(bǔ)償設(shè)備就是TSC＋TCR型［6］。
5 新型靜止無功發(fā)生器（ASVG）
隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是L．Gyugyi提出利用變流器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)睦碚撘詠恚鸩匠霈F(xiàn)了應(yīng)用變流技術(shù)進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)撵o止補(bǔ)償器。它是通過將自換相橋式電路直接并聯(lián)到電網(wǎng)上或者通過電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)上。ASVG根據(jù)直流側(cè)采用電容和電感兩種不同的儲能元件，可以分為電壓型和電流型兩種，如圖3所示。圖3所示的原理圖為電壓型補(bǔ)償器，如果將直流側(cè)的電容器用電抗器代替，交流側(cè)的串聯(lián)電感用并聯(lián)電容代替，則為電流型的ASVG。交流側(cè)所接的電感L和電容C的作用分別為阻止高次諧波進(jìn)入電網(wǎng)和吸收換相時產(chǎn)生的過電壓。無論是電壓型，還是電流型的ASVG其動態(tài)補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理是相同的。當(dāng)逆變器脈寬恒定時，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓及系統(tǒng)電壓之間的夾角δ，就可以調(diào)節(jié)無功功率及逆變器直流側(cè)電容電壓UC，同時調(diào)節(jié)夾角δ和逆變器脈寬，既可以保持UC恒定的情況下，發(fā)出或吸收所需的無功功率［7］。
根據(jù)這一原理從1980年日本研制出第一臺20Mvar的強(qiáng)迫自換相的橋式ASVG之后，經(jīng)過10多年的發(fā)展，ASVG的容量不斷增大，1991年和1994年日本和美國又相繼研制出80Mvar和100Mvar的ASVG，在1995年，清華大學(xué)和河南省電力局共同研制了我國第一臺ASVG，其容量為300kvar，開辟了我國研制ASVG補(bǔ)償設(shè)備的先河［8］。
ASVG通過采用橋式電路的多重化技術(shù)，多電平技術(shù)或PWM技術(shù)進(jìn)行處理，以消除較低次的諧波，并使較高的諧波限制在一定范圍內(nèi)；由于ASVG不需儲能元件來達(dá)到與系統(tǒng)交換無功的目的，實際上它使用直流電容來維持穩(wěn)定的直流電源電壓，和SVC使用的交流電容相比，直流電容量相對較小，成本較低；另外，在系統(tǒng)電壓很低的情況下，仍能輸出額定無功電流，而SVC補(bǔ)償?shù)臒o功電流隨系統(tǒng)電壓的降低而降低。正是由于這些優(yōu)點，ASVG在改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量，提高穩(wěn)定性方面具有SVC無法比擬的優(yōu)點，這也顯示出ASVG是今后靜止無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展的方向。另外隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電子有源濾波器也日益得到完善，由于電力有源濾波器在濾除諧波的時候與電力系統(tǒng)不發(fā)生諧振，因此目前不少電力系統(tǒng)工作者致力于將電力有源濾波與ASVG相結(jié)合的研究，以消除傳統(tǒng)的ASVG設(shè)備中并聯(lián)無源濾波器的所產(chǎn)生的諧振問題。
參考文獻(xiàn)：
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［5］ 王慶林．無功功率快速自動補(bǔ)償裝置設(shè)計探討［J］．電力電容器，1993（2）
［6］ 梁志勇．靜止無功補(bǔ)償設(shè)備運行綜述［J］．電力電容器，1997（2）
［7］ 劉文華．采用GTO的新型靜止無功發(fā)生器［J］．電力系統(tǒng)自動化，1997（3）
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