電力系統靜止無(wú)功補償技術(shù)的現狀及發(fā)展論文
摘要：詳細綜述了電力系統靜止無(wú)功補償技術(shù)的發(fā)展現狀，分析了各種靜止無(wú)功補償技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及現今在電力系統中的應用情況，并提出今后靜止無(wú)功補償技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：靜止無(wú)功補償（SVC ASVG）發(fā)展趨勢電力系統
1 引言
電力系統的各節點(diǎn)無(wú)功功率平衡決定了該節點(diǎn)的電壓水平，由于當今電力系統的用戶(hù)中存在著(zhù)大量無(wú)功功率頻繁變化的設備；如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵道等。同時(shí)用戶(hù)中又有大量的對系統電壓穩定性有較高要求的精密設備：如計算機，醫用設備等。因此迫切需要對系統的無(wú)功功率進(jìn)行補償。
傳統的無(wú)功補償設備有并聯(lián)電容器、調相機和同步發(fā)電機等，由于并聯(lián)電容器阻抗固定不能動(dòng)態(tài)的跟蹤負荷無(wú)功功率的變化；而調相機和同步發(fā)電機等補償設備又屬于旋轉設備，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用于太大或太小的無(wú)功補償。所以這些設備已經(jīng)越來(lái)越不適應電力系統發(fā)展的需要。
20世紀70年代以來(lái)，隨著(zhù)研究的進(jìn)一步加深出現了一種靜止無(wú)功補償技術(shù)。這種技術(shù)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng )新、發(fā)展完善的過(guò)程。所謂靜止無(wú)功補償是指用不同的靜止開(kāi)關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無(wú)功電流的能力，用于提高電力系統的功率因數，穩定系統電壓，抑制系統振蕩等功能。目前這種靜止開(kāi)關(guān)主要分為兩種，即斷路器和電力電子開(kāi)關(guān)。由于用斷路器作為接觸器，其開(kāi)關(guān)速度較慢，約為10～30s，不可能快速跟蹤負載無(wú)功功率的變化，而且投切電容器時(shí)常會(huì )引起較為嚴重的沖擊涌流和操作過(guò)電壓，這樣不但易造成接觸點(diǎn)燒焊，而且使補償電容器內部擊穿，所受的應力大，維修量大。
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統中的應用，交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)SCR、GTR、GTO等的出現，將其作為投切開(kāi)關(guān)，速度可以提高500倍（約為10μs），對任何系統參數，無(wú)功補償都可以在一個(gè)周波內完成，而且可以進(jìn)行單相調節�，F今所指的靜止無(wú)功補償裝置一般專(zhuān)指使用晶閘管的無(wú)功補償設備，主要有以下三大類(lèi)型，一類(lèi)是具有飽和電抗器的靜止無(wú)功補償裝置（SR：SaturatedReactor）；第二類(lèi)是晶閘管控制電抗器（TCR：Thyristor ControlReactor）、晶閘管投切電容器（TSC：Thyristor SwitchCapacitor），這兩種裝置統稱(chēng)為SVC（StaticVar Compensator）；第三類(lèi)是采用自換相變流技術(shù)的靜止無(wú)功補償裝置——高級靜止無(wú)功發(fā)生器（ASVG：Advanced Static VarGenerator）。
以下對此三類(lèi)靜止無(wú)功補償技術(shù)逐一介紹，主要對SVC和ASVG這兩類(lèi)補償技術(shù)作詳細介紹，并指出今后靜止無(wú)功補償技術(shù)的發(fā)展趨勢。
2 具有飽和電抗器的無(wú)功補償裝置（SR）
飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應的無(wú)功補償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無(wú)功補償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來(lái)穩定電壓，它利用鐵心的飽和特性來(lái)控制發(fā)出或吸收無(wú)功功率的大小�？煽仫柡碗娍蛊魍ㄟ^(guò)改變控制繞組中的工作電流來(lái)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(wú)功電流的大小。這類(lèi)裝置組成的靜止無(wú)功補償裝置屬于第一批靜止補償器。早在1967年，這種裝置就在英國制成，后來(lái)美國通用電氣公司（GE）也制成了這樣的靜止無(wú)功補償裝置［1］，但是由于這種裝置中的飽和電抗器造價(jià)高，約為一般電抗器的4倍，并且電抗器的硅鋼片長(cháng)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(dòng)和噪聲，而且調整時(shí)間長(cháng)，動(dòng)態(tài)補償速度慢，由于具有這些缺點(diǎn)，所有飽和電抗器的靜止無(wú)功補償器目前應用的比較少，一般只在超高壓輸電線(xiàn)路才有使用。
3 晶閘管控制電抗器（TCR）
兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)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)中相當于交流調壓器電路接電感性負載，此電路的有效移相范圍為90°～180°。當觸發(fā)角α＝90°時(shí)，晶閘管全導通，導通角δ＝180°，此時(shí)電抗器吸收的無(wú)功電流最大。根據觸發(fā)角與補償器等效導納之間的關(guān)系式：
BL＝BLmax（δ－sinδ）／π和BLmax＝1／XL可知。增大觸發(fā)角即可增大補償器的等效導納，這樣就會(huì )減小補償電流中的基波分量，所以通過(guò)調整觸發(fā)角的大小就可以改變補償器所吸收的無(wú)功分量，達到調整無(wú)功功率的效果。
在工程實(shí)際中，可以將降壓變壓器設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(gè)變壓器，也可以不裝設斷路器。電抗變壓器的一次繞組直接與高壓線(xiàn)路連接，二次繞組經(jīng)過(guò)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的裝置回路，例如加裝濾波器，可以進(jìn)一步降低無(wú)功補償產(chǎn)生的諧波。瑞士勃郎·鮑威利公司已經(jīng)制造出此種補償器用于高壓輸電系統的無(wú)功補償［2］。
由于單獨的TCR只能吸收無(wú)功功率，而不能發(fā)出無(wú)功功率，為了解決此問(wèn)題，可以將并聯(lián)電容器與TCR配合使用構成無(wú)功補償器。根據投切電容器的元件不同，又可分為T(mén)CR與固定電容器配合使用的靜止無(wú)功補償器（TCR＋FC）和TCR與斷路器投切電容器配合使用的`靜止無(wú)功補償器（TCR＋MSC）。這種具有TCR型的補償器反應速度快，靈活性大，目前在輸電系統和工業(yè)企業(yè)中應用最為廣泛。我國江門(mén)變電站采用的靜止無(wú)功補償器是端士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型補償裝置在補償范圍從感性范圍延伸到容性范圍時(shí)要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當補償器工作在吸收較小的無(wú)功電流時(shí)，其電抗器和電容器都已吸收了很大的無(wú)功電流，只是相互抵消而已。TSC＋MSC型補償器通過(guò)采用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點(diǎn)，但應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(wèn)題，TSC裝置應運而生。其單相原理圖如圖2所示。兩個(gè)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(kāi)，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運行時(shí)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(chēng)網(wǎng)絡(luò )采用星形連接，負荷不對稱(chēng)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(wú)功電流能盡量做到無(wú)級調節，總是希望電容器級數越多越好，但考慮到系統的復雜性及經(jīng)濟性，一般用K－1個(gè)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［4］。
TSC的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是投切電容器時(shí)刻的選取。經(jīng)過(guò)多年的分析與實(shí)驗研究，其最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時(shí)刻［5］。此時(shí)投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對電容器預先充電，充電結束之后再投入電容器。
TSC補償器可以很好的補償系統所需的無(wú)功功率，如果級數分得足夠細化，基本上可以實(shí)現無(wú)級調節。瑞典某鋼廠(chǎng)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(dòng)范圍。運行實(shí)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，對三相不平衡負荷可以分相補償，操作過(guò)程不產(chǎn)生有害的過(guò)電壓、過(guò)電流，但TSC對于抑制沖擊負荷引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網(wǎng)的電容量的變化進(jìn)行調節是不夠的，所以TSC裝置一般與電感相并聯(lián)，其典型設備是TSC＋TCR補償器。這種補償器均采用三角形連接，以電容器作分級粗調，以電感作相控細調，三次諧波不能流入電網(wǎng)，同時(shí)又設有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(wú)功補償設備就是TSC＋TCR型［6］。
5 新型靜止無(wú)功發(fā)生器（ASVG）
隨著(zhù)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(wú)功補償的理論以來(lái)，逐步出現了應用變流技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的靜止補償器。它是通過(guò)將自換相橋式電路直接并聯(lián)到電網(wǎng)上或者通過(guò)電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)上。ASVG根據直流側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償器，如果將直流側的電容器用電抗器代替，交流側的串聯(lián)電感用并聯(lián)電容代替，則為電流型的ASVG。交流側所接的電感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(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓。無(wú)論是電壓型，還是電流型的ASVG其動(dòng)態(tài)補償的機理是相同的。當逆變器脈寬恒定時(shí)，調節逆變器輸出電壓及系統電壓之間的夾角δ，就可以調節無(wú)功功率及逆變器直流側電容電壓UC，同時(shí)調節夾角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(wú)功功率［7］。
根據這一原理從1980年日本研制出第一臺20Mvar的強迫自換相的橋式ASVG之后，經(jīng)過(guò)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(kāi)辟了我國研制ASVG補償設備的先河［8］。
ASVG通過(guò)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；由于A(yíng)SVG不需儲能元件來(lái)達到與系統交換無(wú)功的目的，實(shí)際上它使用直流電容來(lái)維持穩定的直流電源電壓，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，在系統電壓很低的情況下，仍能輸出額定無(wú)功電流，而SVC補償的無(wú)功電流隨系統電壓的降低而降低。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，ASVG在改善系統電壓質(zhì)量，提高穩定性方面具有SVC無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，這也顯示出ASVG是今后靜止無(wú)功補償技術(shù)發(fā)展的方向。另外隨著(zhù)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(shí)候與電力系統不發(fā)生諧振，因此目前不少電力系統工作者致力于將電力有源濾波與ASVG相結合的研究，以消除傳統的ASVG設備中并聯(lián)無(wú)源濾波器的所產(chǎn)生的諧振問(wèn)題。
參考文獻：
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