動態(tài)無功補償裝置

1、動態(tài)無功補償裝置隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一些靜止形態(tài)的 動態(tài)無功補償裝置。電力電子裝置不僅可以發(fā)送而且還可以 吸收無功功率，其本身也成為產(chǎn)生無功的功率源。在許多情 況下，動態(tài)補償有功功率或在補償無功的同時也補償部分有 功功率，對改善電能質(zhì)量會有更好的效果。隨著電網(wǎng)中精密 電能用戶的增多，要求電網(wǎng)必須提供與用戶所要求的質(zhì)量指 標(biāo)相適應(yīng)的電能。近年來，為了進一步提高配電電能質(zhì)量指 標(biāo)，出現(xiàn)了多種動態(tài)的改善電能指標(biāo)的電力電子設(shè)備。這些 提高電能質(zhì)量和供電可靠性的技術(shù)稱為契約電力 (custom power) 。補償技術(shù)發(fā)展的初期，人們已經(jīng)注意到補償無功功 率和補償系統(tǒng)參數(shù)存在某些相同的效果

2、，有時甚至?xí)a(chǎn)生更 適合用戶的效果，因此，補償參數(shù)技術(shù)在電網(wǎng)中有著重要的 應(yīng)用領(lǐng)域。最常用的是串聯(lián)電容輸電補償，他對減少電壓變 動，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性起到重要的作用。 本文對電力 系統(tǒng)中為提高電能質(zhì)量所使用的各種補償技術(shù)及動態(tài)補償 方式作了概括性的介紹，重點敘述了補償技術(shù)的發(fā)展及其技 術(shù)前景，討論了正在開展的新的補償技術(shù)以及補償用能源的 合理使用，并表明了對當(dāng)前電網(wǎng)中應(yīng)用各種補償方式的看法 和評價。電力電子技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)和用戶后使電網(wǎng)上產(chǎn)生了 更多的無功和諧波，而用于濾波的技術(shù)實際上與補償技術(shù)是相互聯(lián)系也是相互影響的，因此，對濾波技術(shù)的進展也作了 介紹。1 并聯(lián)無功補償 1.1 同步調(diào)相機 同

3、步調(diào)相機是 最早用于電網(wǎng)的無功補償設(shè)備，適合于電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)。但調(diào) 相機的反應(yīng)速度較慢，因此對瞬時電壓波動效果較差。他以 勵磁電流調(diào)節(jié)來改變發(fā)出電壓，從電壓的幅值大小決定無功 功率的輸出，同步電機的啟動和運行需要很大的維護工作量， 這是他的弱點。同步調(diào)相機運行中轉(zhuǎn)子有慣性，在故障瞬間 調(diào)相機向系統(tǒng)輸出短路電流，增大系統(tǒng)的短路容量。對系統(tǒng) 容量偏小而且電網(wǎng)短路電流不夠大的電網(wǎng)(如直流輸電的受 端)，同步調(diào)相機還是有顯著作用的。 但是，在一般電網(wǎng)中， 由于短路容量往往偏大，甚至于需要采取限流措施，不適合 采用同步調(diào)相機。目前，除了需要加大短路容量外，作為無 功和電壓補償?shù)耐秸{(diào)相機已經(jīng)被完全淘汰。

4、1.2 靜止無功 補償器 (static var compansator ， SVC)平滑動態(tài)補償是指所補充進電網(wǎng)的無功電流， 他是按照電網(wǎng)無功需求的變 化而變化的。由于無功是與電壓直接聯(lián)系的，所以調(diào)節(jié)無功 在很大程度上是為了系統(tǒng)電壓的質(zhì)量和電壓支撐。 靜止 無功補償器目前主要有以下 2 種類型，一種是晶閘管投切電 容器(TSC),另一種是晶閘管控制電抗器 (TCR)。TSC與普 通電容器不同之處，在于用晶閘管代替了斷路器作電容器組 的投切。 TCR 則連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器電流大小， 使無功按要求變 化，下面分別說明其特點。 晶閘管投切電容器 (TSC)電容器組的投切開關(guān)處用晶閘管開關(guān)取代了機械式的

5、開關(guān)， 例如油斷路器或真空斷路器。晶閘管開關(guān)由反并聯(lián)的晶閘管 組成， 也可以用一只晶閘管與一只二極管反并聯(lián)。 TSC 用的 晶閘管只有 2 個狀態(tài)，導(dǎo)通和斷開。晶閘管由一個控制器控 制。 用晶閘管開關(guān)取代普通有接點開關(guān)的優(yōu)點是，在投 切過程中沒有沖擊電流和過電壓，這是由于電容器的接入是 在晶閘管兩端電壓過零瞬間完成，而電容器的切斷是由晶閘 管在電流過零時完成。這樣電容器可以任意頻繁的投切。由 于與 TSC 相連的由一般斷路器投切的電容器或電纜線路會 向 TSC 放電，因此，在 TSC 的電容器電路上串聯(lián)有電抗器， 他既可限制放電電流也能防止電容器組產(chǎn)生某些次諧波的 諧振。 圖1是2種主要的TS

6、C電路。形接線電路的 TSC 可以在任何電網(wǎng)使用。 Y0 形接線電路的 TSC 則只能用 在電源變壓器有中心點連出的系統(tǒng)中。目前， Y0 接線只用 在低壓系統(tǒng)。圖 2 是國產(chǎn) 10 kV ，1 000 kvar 的 TSC 裝置， 他采用電磁觸發(fā)和自然用冷卻，這種選擇對較小的容量較為 適宜。 對于 TSC 的使用范圍，最近比較通行的看法是 用在低壓系統(tǒng)， 即在 600 V 及以下電壓等級系統(tǒng)中用一臺或 多臺 TSC 控制無功和電壓是既經(jīng)濟又可靠的選擇。晶閘管控制電抗器 (TCR) TCR 是靜止補償器中的重要組 成員，他調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角度以改變電抗器電流。TCR 總 與電容器并聯(lián)使用， 當(dāng)系

7、統(tǒng)需要較多電容時， TCR 使電抗電 流減小，若系統(tǒng)需求電容電流下降， TCR 則使電抗電流加大， 用電抗電流多抵消電容電流，這相當(dāng)于使接入系統(tǒng)的電容電 流減小。 TCR 本身會產(chǎn)生諧波，所以， 往往用濾波器代替部 分并聯(lián)的電容器組，也可用 TSC 。 在電容器組切除后， TCR 可以接受感性無功， 這樣，在電網(wǎng)夜間電壓過高時， TCR 可以起到降低受端電壓的作用。 圖 3是 TCR 及其系統(tǒng)接線。 其中，變壓器可以是任何一種接線。濾波器除濾掉 TCR 產(chǎn) 生的諧波外，也要濾掉負荷所產(chǎn)生的部分諧波，要根據(jù)負荷 性質(zhì)考慮濾除諧波的次數(shù)。 TCR 和 TSC 都可以分相調(diào) 節(jié)，也就是可以按每相電壓

8、或無功的要求確定。瞬時補償無 功量。他們都有減小不對稱電流和電壓的效果，并且具有在 不對稱故障時支撐電網(wǎng)電壓的作用，使電網(wǎng)不因電壓崩潰而 失步。 晶閘管投切濾波器 (TSF) 晶閘管投切濾波 器在結(jié)構(gòu)上與晶閘管投切電容器 TSC 相同，但其參數(shù)不同， 且有獨特的運行狀態(tài)。 TSC 和 TSF 都有補償系統(tǒng)無功的能 力。TSC的電抗器是為了避免電容涌流和躲過諧振頻率而設(shè) 置的。 TSF 的電抗器是為了使某一次諧波取得低阻抗通道設(shè) 計的。運行中 TSF 可能有大量的諧波流過， 高次諧波電流流 過濾波器時每基波 (50 Hz) 電流相加使總電流可能產(chǎn)生多次 過零的現(xiàn)象，這時，要求控制器有按反向電流流

9、過而給晶閘 管觸發(fā)信號的能力，這要求控制器能在同步之外符合電流方 向給以觸發(fā)。雖然，晶閘管投切濾波器是新的技術(shù)，但已經(jīng)顯示出他的重要作用，到目前其的運行效果是令人滿意的。1.3 無功發(fā)生器 (STATCOM ，SVG)隨著電力電子技術(shù)向可控關(guān)斷和快速觸發(fā)方向發(fā)展，有可能制造出動作頻率更 高的電力開關(guān)器件，從而研究開發(fā)出可以在任何相位運行的 逆變器。無功發(fā)生器 (SVG) 就是一個可以產(chǎn)生超前電流 90 或滯后電流 90 的逆變器， 同時， 他帶有自 整流充電能力。 SVG 的工作原理是從三相電網(wǎng)上取得電壓向 一個直流電容充電，再將直流電壓逆變成交流電壓送回電網(wǎng)。 SVG 最簡單的原理見圖 4

10、。如果產(chǎn)生的電壓大于系統(tǒng)電壓， 那么變壓器上流過的電流超前電壓 90 ，使電網(wǎng)帶上 電容性負荷，或者說 SVG 供應(yīng)無功；如果產(chǎn)生的電壓小于 系統(tǒng)電壓，流過變壓器的電流滯后電壓 90 ，使 SVG 成為電感性負載，或者說 SVG 吸收無功。這樣，如果按需 要調(diào)節(jié)發(fā)生器的電壓就可以得到適宜的無功輸出， 而且 SVG 可以在感性和容性間快速連續(xù)調(diào)整。簡化(略去諧波 )后可用向量關(guān)系來描述上述原理(見圖 5)。 無功發(fā)生器的直 流側(cè)電容只提供直流電壓，他的電壓則由三相 6 個二極管充 電得到。因此，在系統(tǒng)電壓下降時，他仍能供出額定的無功 電流。而靜止補償器類的設(shè)備，其輸出的電流與電壓是成比 例減小的

11、。在原理上，無功發(fā)生器在故障中有更好地支撐電 壓的效果。 無功發(fā)生器難于應(yīng)付系統(tǒng)的不對稱。無功發(fā) 生器在系統(tǒng)電壓不對稱時，會產(chǎn)生很大的負序電流，這個電流必須流過直流電容器，也就是無功發(fā)生器本身不能承擔(dān)過 大的不對稱電流。另外，無功發(fā)生器在系統(tǒng)不對稱時產(chǎn)生的 不對稱電流將擾亂系統(tǒng)的正常運行。目前采取的方法是，在 系統(tǒng)發(fā)生不對稱時將無功發(fā)生器自動切除。由于電力系統(tǒng)中 的故障多數(shù)是不對稱的，這使得無功發(fā)生器能產(chǎn)生額定無功 電流的優(yōu)勢不能充分發(fā)揮出來。 2 串聯(lián)電容補償 2.1 靜態(tài) 串聯(lián)電容補償裝置 (SC) 從補償電網(wǎng)負荷側(cè)電壓下降的 角度看，用電容補償無功并不能使電壓的變化率減小。如果 系統(tǒng)電壓

12、用E表示，電網(wǎng)阻抗是 R和X，受端電壓為U，在 負荷電流 i 和功率因數(shù) cos 時，電流可以分解成有功 電流 ip(ip=icos) 和無功電流 iq(iq=isin)2 個分 量。受端電壓與系統(tǒng)電壓之間的關(guān)系其中 ipR 和 iqX 二項與 U 方向相同，是影響電壓降 U 的主要成分， 而 ipX 和 iqR 二項與電壓 U 垂直，主要生成兩端電壓的角度 ， 即功率角。有功電流和無功電流引起的電壓降向量圖見圖6。因此，對于以改善電能質(zhì)量為目的的補償應(yīng)該主要著眼于 ipR 和 iqX 二項。從圖 6 中可以看出 ， ipR 一般所占比例較 小，且不便于補償，因此，補償 iqX 項是唯一可行的

13、。 iq 是 無功電流， U 是受端電壓，無功 Q=iqU 。如果經(jīng)補償使 iq 減小，也就是無功 Q 減小，電壓降分量 iqX 就可以降低，從 而使電壓降減小。如果要動態(tài)補償iq，可采用TCR或TSC裝置隨時改變電容電流以減小iq，但TCR和TSC的投資會大于電容器組。如果用固定電容器補償，有功電流幾乎沒有改變，而無功電流則成為iq - ic （ic ,是電容電流）。在iq= ic,時，無功電流達到最??； 而iq=0時，無功電流是一ic, 這時，不僅電壓沒有下降反而會升高，即用固定電容補償并 不能減少電壓的波動。同樣，固定電容也不能減少功角 的變化。在電壓降項iqX內(nèi)，不能減小iq時，用降低

14、X的辦法也是可行的。X是系統(tǒng)電抗，其線路電抗基本是感性 的。如果串聯(lián)一組電容器，容抗與系統(tǒng)電抗抵消一部分，使 iqX減小，電壓質(zhì)量也會得到改善。這種串聯(lián)電容補償方法 在補償參數(shù)的同時，由于電抗X減小，使功率因數(shù)也得到改善（從送端看），而且明顯縮小功角 ，因此還可增進電 力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖7是串聯(lián)電容補償?shù)南蛄繄D。其中U1和11是未補償前的受端電壓和電流,U2和12是補償后的電壓和電流。雖然負荷的功率因數(shù)和功率沒有變化，但受 端電壓在補償后明顯提高，也就是電壓降減小。同時補償后 功率因數(shù)也得到提高（從電網(wǎng)側(cè)看），即+2 +1。串聯(lián)電容補償與并聯(lián)電容補償相比較，串聯(lián)電容補償在負荷變化時，受端的電

15、壓變化幅度小，他和并聯(lián)的動態(tài)補償有相似的功能。但由于 串聯(lián)電容補償技術(shù)稍復(fù)雜，所以推廣較少。國內(nèi)在 80年代 初已有成套串聯(lián)電容補償產(chǎn)品供應(yīng)，并經(jīng)國家鑒定，串聯(lián)補 償在實際運行中對改善電壓質(zhì)量、增加輸電容量的效果很好。2.2 可控串聯(lián)電容補償 (TCSC) 串聯(lián)電容補償有減小電 壓降和減小功角的能力。如果他能夠快速隨電流的振蕩來改 變電容容抗，則既可以阻尼系統(tǒng)的低頻振蕩，從而更加增加 系統(tǒng)的輸電容量，也可以抑制串聯(lián)補償引起的次同步諧振， 即發(fā)電機軸系的扭振。 動態(tài)補償系統(tǒng)阻抗參數(shù) X 的具體 方法是，在串聯(lián)電容器上并聯(lián)一組可控電抗器，借改變晶閘 管的導(dǎo)通角改變電感電抗值，從而改變?nèi)菘辜把a償度。

16、補償 度定義為 k=xc/x 。圖 8 是一相可控串補的電路圖。 可 控串聯(lián)補償設(shè)備全部置于絕緣平臺上，按線路絕緣選用支架 瓷瓶。因此，電容及電感晶閘管都處于高電位，而控制器裝 置則在地面，中間測量和控制信號由光纖傳送，也可用電流 互感器傳送電流值。 巴西南北的 500 kV 聯(lián)絡(luò)線上，始 端、末端各配置有一組可控串聯(lián)補償裝置，中間分布 3 級不 可控串聯(lián)補償裝置，輸送容量達到 1 300 MW 。瑞典和美國 電網(wǎng)也都配置有可控串聯(lián)補償裝置，這項技術(shù)正處在發(fā)展成 熟過程中。 由于他的設(shè)置復(fù)雜，因此只適用于長距離交 流輸電線路。當(dāng)線路需要擴大傳輸容量、設(shè)計線路需要輸送 超常規(guī)模的負荷以及系統(tǒng)需要

17、增大暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定時，可控 串聯(lián)補償是一種可選的方法。和高壓直流輸電對比，可控串 聯(lián)補償有其特點。 3 動態(tài)有功與無功補償 3.1 蓄電池儲能 補償(BSEE )在美國加州CHINO地方，有一組蓄電池儲能補償加入了南加州電網(wǎng)。為了補充電力系統(tǒng)峰期電能要 求，吸收低谷時余裕電能。他由一組鉛酸蓄電池和一組逆變 器與電網(wǎng)相連接。由于蓄電池儲能可以放在負荷中心附近， 而且占地很小，對周圍沒有污染，因此，用蓄電池儲能補償 有功功率余缺效果是很好的。 從直流電源到交流的逆變 采用多重化方案可以減少逆變過程中產(chǎn)生的諧波。 CHINO 的逆變器每相用 3 個逆變器，相位分別差 20 ， 三相 則需要 9 個單

18、相逆變器，再經(jīng)過 3 組變壓器的交互接線，使 輸電電壓波形較接近于正弦，并且相位變化很小。 90 年代以前，西柏林也建造了功率為 17 MW 的蓄電池儲能裝 置，對補償有功功率的短缺起到很好的作用。目前蓄電池有 向小型化發(fā)展的趨勢。 蓄電池儲能補償也可以補償無功， 只要在逆變器的控制器上改變觸發(fā)角度即可使其成為無功 發(fā)生器，當(dāng)然也可以在補償無功功率的同時補償部分有功功 率。補償有功功率對配電系統(tǒng)中線路電阻比較大的情況有很 好的效果。 目前，由于蓄電池儲能對時差電位有特殊的 經(jīng)濟效果，因此，一些企業(yè)在夜間電位低的 谷 位時段對蓄電池進行充電，以便在白天電位高時補 償用電，形成了高電位時使用原位電

19、力的現(xiàn)象，即使加上蓄 電池和逆變系統(tǒng)的損耗，這樣仍是合算的。而且，這種行為 填補了峰谷需求差，對電網(wǎng)也是有利的。 暫態(tài)有功功率 補償對電能質(zhì)量的影響很大。蓄電池系統(tǒng)對幾分鐘到幾十分 鐘的補償或周期間歇瞬態(tài)電壓波動的補償或抑制是極有效的。 3.2 超導(dǎo)貯能（ SMES ） 當(dāng)溫度降到接近絕對溫度 時，異體會呈現(xiàn)沒有電阻的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱作超導(dǎo)。超導(dǎo) 的電感線圈中若一旦被注入電流，電流會長久的在線圈的閉 合電路中循環(huán)流動不消失，流動時也不需要電源，這種現(xiàn)象 說明線圈中存入了磁（電）能。超導(dǎo)在許多領(lǐng)域都有不同目 的的應(yīng)用，在電力系統(tǒng)中有超導(dǎo)變壓器、發(fā)電機和超導(dǎo)電纜 等，用超導(dǎo)儲能作暫態(tài)和動態(tài)補償是一

20、個較新的方向。 超導(dǎo)儲能的特點：他可以快速釋放出大的能量，即有很大的 吞吐量；他是一個電流源，其結(jié)構(gòu)不允許超導(dǎo)線圈斷路。圖 9 是一個為了平息系統(tǒng)低頻振蕩的超導(dǎo)儲能系統(tǒng)示意圖。超 導(dǎo)線圈 L 中的電流原來經(jīng)過旁路晶閘管的斷路器飽和電抗器 電路循環(huán)流過，一旦系統(tǒng)需要電源，旁路晶閘管關(guān)斷，電流 經(jīng)過 十二脈沖橋逆變成交流，并送入電力系統(tǒng)，在消耗功 率的同時循環(huán)電流會急劇減小，此時要連續(xù)調(diào)節(jié)十二脈沖橋 的觸發(fā)角，以維持應(yīng)有的輸出。 美國西海岸電網(wǎng)在 80 年代曾利用如圖 9 所示的超導(dǎo)儲能設(shè)備平抑了該系統(tǒng) 0.35 Hz的低頻振蕩，該設(shè)備的主要參數(shù)如下：最大儲能 30 MJ ;全充電流 4.9 kA

21、 ;線圈電壓 2.1 kV :最大磁 場2.85 T ;溫度：4.5 K ;最大功率10 MW :保持電 流約1 h ;線圈電感2.6 H。超導(dǎo)最大儲能為 30 MJ，折成電量雖不足 8 kWh ，但他在很短時間能釋放出來，對系 統(tǒng)產(chǎn)生極大的阻尼作用。這方面一些發(fā)達國家正在進行更實用化的研究，我國也有研究項目在進行中，美國商品化的是 一種小型的超導(dǎo)設(shè)備，目的在于校正電壓波形的瞬態(tài)畸變， 如電壓波形上的過沖或下陷， 儲能僅 1 MJ ，暫態(tài)輸出約有 1 MW 。主要用在要求有嚴(yán)格正弦波形和電壓高度穩(wěn)定抗干擾 電源的精密電子制造業(yè)上。 4 動態(tài)電壓恢復(fù)器（ dynamic voltage rectorer ， DVR ）電網(wǎng)運行中不可避免的會發(fā)生事故和故障，即使可靠性很高的系統(tǒng)仍需要防止事故發(fā)生時 不使影響范圍擴大的保護措施用以分隔事故區(qū)域和無故障 區(qū)域，在事故發(fā)生時，即使最快速的保護切斷故障部分也需 要零點幾秒，而在這個時間會使許多負荷受到影響，事故時 的特點是故障電流增大，系統(tǒng)電壓降低，這就使