FC、TSC、SVG對(duì)比(主要無功補(bǔ)償方式)

1、幾種無功補(bǔ)償方案的對(duì)比分析榮信電力電子股份有限公司二、補(bǔ)償方案選擇1. 固定并聯(lián)電容補(bǔ)償 固定無功補(bǔ)償方案是補(bǔ)償無功功率的常規(guī)方法。裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)，其補(bǔ)償無功的容量是設(shè)計(jì)根據(jù)計(jì)算的平均負(fù)荷大小而確定的，是一個(gè)不可調(diào)的固定量，通常由電抗器和電容器串聯(lián)組成，其功能主要是補(bǔ)償負(fù)荷產(chǎn)生的感性無功，并對(duì)三次諧波有一定的抑制作用。一般采用機(jī)械開關(guān)控制電容器的投切，投切時(shí)的沖擊電流和操作過電壓大，易發(fā)生諧振，因此不能頻繁投切。由于固定補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容量不能隨負(fù)荷而變化，“欠補(bǔ)”和“過補(bǔ)”交替發(fā)生，計(jì)費(fèi)方式又為“反轉(zhuǎn)正計(jì)”，使得變電所平均功率因數(shù)達(dá)不到0.9的要求，造成力率罰款，并使供電設(shè)備

2、的能力不能充分發(fā)揮。目前我國普遍采用的方案是在變電所設(shè)置固定電容并聯(lián)補(bǔ)償。該方案主要問題是在無負(fù)荷和輕負(fù)荷的區(qū)段，過補(bǔ)償十分突出，投入固定并聯(lián)補(bǔ)償電容后，功率因數(shù)比不投時(shí)還低，無法達(dá)到經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)的要求，變電所因功率因數(shù)大幅下降，而遭受巨額罰款，固定電容器補(bǔ)償還會(huì)導(dǎo)致空載時(shí)電壓抬升，反而惡化電壓質(zhì)量。從以上分析結(jié)論可知，變電所采用固定補(bǔ)償方案解決不了功率因數(shù)問題，不能隨負(fù)荷的無功波動(dòng)隨機(jī)的調(diào)節(jié)補(bǔ)償?shù)娜菪詿o功，所以不具備抑制諧波和電壓波動(dòng)。要解決功率因數(shù)問題，抑制諧波和電壓波動(dòng)，必須放棄固定補(bǔ)償方案，尋求新的補(bǔ)償方案。2 自動(dòng)投切并聯(lián)電容器組并聯(lián)電容器組是最早就出現(xiàn)的靜止型無功補(bǔ)償方式，因其結(jié)構(gòu)

3、簡單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，一般的并聯(lián)電容器組都是應(yīng)用在負(fù)荷較為平穩(wěn)的場合，由手工進(jìn)行投切，每天的投切次數(shù)不超過10次。自動(dòng)投切并聯(lián)電容器組則根據(jù)系統(tǒng)所需無功自動(dòng)進(jìn)行投切操作，其投切次數(shù)可達(dá)每天數(shù)十次，甚至數(shù)百次。其工作特點(diǎn)如下：響應(yīng)速度剛切除后的電容器組，需待放電完全后才能再次投入，至少需要數(shù)十秒以上。損耗只有并補(bǔ)電容器和串聯(lián)電抗器產(chǎn)生損耗，因此損耗非常小。約在0.1%左右。諧波電流不產(chǎn)生也不濾除諧波電流。三相不平衡并聯(lián)補(bǔ)償電容器組是三相完全平衡的，因此不能改善不平衡度。調(diào)節(jié)特性只能投入或者切除并聯(lián)電容器組，無功變化較大，無法平滑線性調(diào)節(jié)無功輸出。3.晶閘管分級(jí)投切電容器方案（TSC）晶閘

4、管分級(jí)投切電容器方案這里研究兩個(gè)，一是帶降壓變壓器的晶閘管投切電容器方案，二是帶降壓變壓器及分接開關(guān)的晶閘管投切電容器方案。1）、帶降壓變壓器的晶閘管投切電容器方案 TSC分組可調(diào)補(bǔ)償是根據(jù)負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行無功量，按照一定的投切策略跟蹤負(fù)荷變化進(jìn)行投切動(dòng)作。該方案由若干組并聯(lián)的晶閘管閥組控制，以實(shí)現(xiàn)快速無觸點(diǎn)的投切。顯然這種型式的補(bǔ)償裝置只能實(shí)現(xiàn)容性無功功率的階躍調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)的精度取決于電容器的分組數(shù)。為了提高運(yùn)行的可靠性，防止電容器和晶閘管損傷，TSC均實(shí)現(xiàn)無過渡過程的操作。TSC技術(shù)關(guān)鍵無過渡過程投切電容器，理論上電容器在峰值時(shí)導(dǎo)通，在峰值時(shí)關(guān)斷。晶閘管關(guān)斷后，電容器保持峰值電壓值，由于電源電

5、壓隨時(shí)變化，電容器電壓也在緩慢地放電，要做到安全、無過渡投切比較困難。具體控制有二種方法：其一： 在需要投入電容器時(shí)，必須檢測電容器的兩端電壓及電網(wǎng)電壓。在電網(wǎng)電壓與電容器兩端電壓相等瞬時(shí)，發(fā)出觸發(fā)脈沖；當(dāng)電容器接成星形時(shí)，這時(shí)必須有二個(gè)晶閘管導(dǎo)通才能構(gòu)成通路。這種控制方式的難度很大，且電容器兩端電壓為直流，在高壓環(huán)境下，檢測困難，經(jīng)常產(chǎn)生過渡過程過電壓。嚴(yán)重的過度過程產(chǎn)生的振蕩過電壓，將達(dá)到電源峰值電壓的兩倍以上，如在低壓側(cè)整流變副邊進(jìn)行補(bǔ)償，過渡過程過電壓必然影響調(diào)速系統(tǒng)的安全運(yùn)行。其二： 晶閘管關(guān)斷后，電容器兩端電壓從峰值電壓，緩慢放電。等電容器兩端電壓放到小于50V時(shí)投入電容器，這時(shí)是

6、比較安全的，但根據(jù)規(guī)定放電時(shí)間為5s，電容器投入時(shí)必須考慮其放電情況，這樣由于受電容器的放電時(shí)間的限制，在工程應(yīng)用中實(shí)際的響應(yīng)時(shí)間一般在3-5分鐘左右。對(duì)于無功快速變動(dòng)的系統(tǒng)是不適用的。其三：TSC投切的電容器組分組越多，補(bǔ)償效果越好，成本相對(duì)提高。且在頻繁投切電容器時(shí)，由于阻抗曲線發(fā)生頻繁變化，很有可能產(chǎn)生諧振，造成災(zāi)害性事故。（如去年湖南漣鋼棒線廠軋鋼系統(tǒng)中采用的TSC裝置，由于產(chǎn)生諧振將TSC裝置及傳動(dòng)系統(tǒng)全部燒毀，直接經(jīng)濟(jì)損失近3000萬元，間接損失近2億元。） 該方案的特點(diǎn)：不產(chǎn)生諧波； 理論上可以實(shí)現(xiàn)過零投切，不會(huì)產(chǎn)生像真空開關(guān)那樣產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓；結(jié)構(gòu)簡單。2）、帶降壓變壓器及分

7、接開關(guān)的晶閘管投切電容器方案該方案通過降壓調(diào)壓變壓器，采用分接開關(guān)無載調(diào)壓和晶閘管開關(guān)的有載分合直接調(diào)節(jié)無功元件（濾波器）的無功輸出。該方案的特點(diǎn)與帶降壓變壓器的晶閘管投切電容器方案相似，但投資更少，只需一組晶閘管開關(guān)，但其過分依賴變壓器分接開關(guān)，分接開關(guān)每天頻繁調(diào)節(jié)，其壽命能否有保證還需進(jìn)一步研究，另外目前國內(nèi)尚無此類方案運(yùn)行，需要研究開發(fā)。4. SVG+FC型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)4.1 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般電力系統(tǒng)用戶負(fù)荷吸收有功功率和無功功率。圖3.1 簡單的負(fù)荷連接電源提供有功功率PS和無功功率QS（可能為感性無功，也可能是容性無功），忽略變壓器和線路損耗，則有，。沒有足夠無功補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)存在以

8、下幾個(gè)問題：1）電網(wǎng)從遠(yuǎn)端傳送無功；2）負(fù)荷的無功沖擊影響本地電網(wǎng)和上級(jí)電網(wǎng)的供電質(zhì)量；3）負(fù)荷的不平衡與諧波也會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量；因此，電力系統(tǒng)一般都要求對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行必要的無功、不平衡與諧波補(bǔ)償，以提高電力系統(tǒng)的帶載能力，凈化電網(wǎng)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。4.2 SVG用于補(bǔ)償無功圖3.2 帶有SVG無功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)假設(shè)負(fù)荷消耗感性無功（一般工業(yè)用戶都是如此）QL，此時(shí)控制SVG使其產(chǎn)生容性無功功率，并取QSVG=QL，這樣在負(fù)荷波動(dòng)過程中，就可以保證：QS=QSVG-QL=0。如果對(duì)電網(wǎng)等比較復(fù)雜的補(bǔ)償對(duì)象而言，當(dāng)需要向電網(wǎng)提供感性無功時(shí)，可以通過對(duì)SVG的控制，使其產(chǎn)生感性無功功率，并取

9、QSVG=QC，這樣在負(fù)荷波動(dòng)過程中，仍然可以保證：QS=QSVG-QC=0。此外，SVG在補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率達(dá)同時(shí)，幾乎不產(chǎn)生諧波。更重要的是，SVG還可以對(duì)系統(tǒng)的諧波、不平衡等電能質(zhì)量問題進(jìn)行多功能綜合補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)有源濾波（APF）的功能。4.3 SVG用于有源濾波圖3.3 基本原理圖有源濾波器的基本思想如圖3.3。諧波源一般為非線性負(fù)荷，如整流器、帶有整流環(huán)節(jié)的變頻器及大量帶有開關(guān)器件的設(shè)備等，產(chǎn)生諧波電流；供電系統(tǒng)一般為被保護(hù)對(duì)象，也即要達(dá)到最終流入或流出系統(tǒng)的電流是諧波含量極少的正弦波，有時(shí)還有功率因數(shù)要求；有源濾波裝置表現(xiàn)為流控電流源，它的作用是產(chǎn)生和諧波源諧波電流有相同幅值而相位相反

10、的補(bǔ)償電流，來達(dá)到消除諧波的目的。與無源濾波裝置相比，有源濾波器是一種主動(dòng)型的補(bǔ)償裝置，具有較好的動(dòng)態(tài)性能。4.4 SVG的基本原理 所謂SVG（Static Var Generator），就是專指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。圖3.4 SVG與系統(tǒng)的連接示意圖設(shè)電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用相量和表示，則連接電抗X上的電壓即為和的相量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個(gè)電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流。如果未計(jì)及連接電抗器和變流器的損耗，SVG的工作原理可以用圖3.5a)所示的單相等效電路圖來說明。在這種情況下，只需使與同相，僅改變幅值大小即可以控制

11、SVG從電網(wǎng)吸收的電流是超前還是滯后90，并且能控制該電流的大小。a）單相等效電路 b）相量圖圖3.5 SVG等效電路及工作原理（未計(jì)及損耗）SVG詳細(xì)的工作模式及其補(bǔ)償特性如表1所示。表3.1 SVG的運(yùn)行模式及其補(bǔ)償特性說明采用直接電流控制的有源濾波型中壓SVG的工作原理如圖3.6所示。從圖中可以得出式(1)，即電源電流是負(fù)載電流和補(bǔ)償電流之相量和。假設(shè)負(fù)載電流中含有基波正序電流（包括基波正序無功電流和基波正序有功電流）、基波負(fù)序電流和諧波電流，如式(2)所示。圖3.6 采用直接電流控制的靜止無功發(fā)生器的工作原理(1)(2)為使電源電流中不含有基波正序無功和基波負(fù)序電流，則需要控制SVG輸

12、出電流滿足式(3)。這樣電源電流中就只含有基波正序有功和諧波電流，如式(4)所示。(3) (4)所以，要想達(dá)到補(bǔ)償目的，關(guān)鍵是控制SVG輸出電流滿足式(3)。從SVG工作原理的描述可以看出，如果要使SVG在補(bǔ)償無功的基礎(chǔ)上還對(duì)負(fù)載諧波進(jìn)行抑制，只需要使SVG輸出相應(yīng)的諧波電流即可。因此，從這個(gè)意義上說，SVG能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償無功電流和諧波電流的雙重目標(biāo)。4.5 SVG的優(yōu)勢通過上一節(jié)對(duì)SVG原理的描述可以知道，SVG可以根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)和工況，自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出的無功功率的大小和性質(zhì)（容性或者感性）。因此，從本質(zhì)上講，SVG可以等效為大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)的電容或電抗器。SVG是目前最為先進(jìn)的無功補(bǔ)償技術(shù)，

13、其基于電壓源型變流器的補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)無功能量的變換。從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置有如下優(yōu)勢： (1) 響應(yīng)時(shí)間更快SVG響應(yīng)時(shí)間：1ms。傳統(tǒng)靜補(bǔ)裝置響應(yīng)時(shí)間： 10ms。SVG可在極短的時(shí)間之內(nèi)完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的相互轉(zhuǎn)換，這種無可比擬的響應(yīng)速度完全可以勝任對(duì)沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償。(2) 抑制電壓閃變能力更強(qiáng)SVC對(duì)電壓閃變的抑制最大可達(dá)2：1，SVG對(duì)電壓閃變的抑制可以達(dá)到5：1，甚至更高。SVC受到響應(yīng)速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會(huì)隨補(bǔ)償容量的增加而增加。而S

14、VG由于響應(yīng)速度極快，增大裝置容量可以繼續(xù)提高抑制電壓閃變的能力。 (3) 運(yùn)行范圍更寬SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內(nèi)工作，所以比SVC的運(yùn)行范圍寬很多。也就是說，當(dāng)SVC需要在正負(fù)全范圍運(yùn)行時(shí)，需要TCR和FC配合使用，整個(gè)裝置損耗較大，占地面積也較大。更重要的是，在系統(tǒng)電壓變低時(shí)，SVG還能夠輸出與額定工況相近的無功電流。而SVC輸出的無功電流與電網(wǎng)電壓成正比，電網(wǎng)電壓越低，其輸出的無功電流也越低，所以對(duì)電網(wǎng)的補(bǔ)償能力也相應(yīng)變?nèi)?。這是SVC技術(shù)本質(zhì)的缺點(diǎn)。(4) 補(bǔ)償功能多樣化使同一套SVG裝置，可以實(shí)現(xiàn)不同的多種補(bǔ)償功能： 單獨(dú)補(bǔ)償負(fù)載無功 單獨(dú)補(bǔ)償負(fù)載諧波 單獨(dú)補(bǔ)償負(fù)載不平衡

15、同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載無功、諧波和不平衡所以，SVG具有強(qiáng)大的補(bǔ)償功能。(5) 諧波含量極低榮信SVG采用了PWM技術(shù)、多電平技術(shù)和多重化技術(shù)，不僅自身產(chǎn)生的諧波含量極低，還能夠?qū)ω?fù)載的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)有源濾波的功能，真正做到多功能化。而TCR和TSC自身均要產(chǎn)生很大的諧波電流，所以還需要安裝相應(yīng)的FC濾波裝置，增加了額外的成本。(6) 占地面積較小由于無需大容量的電容器和電抗器做儲(chǔ)能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。所以，在一些廠礦改造中SVG具有很大的優(yōu)勢。補(bǔ)償系統(tǒng)，略小于TCR+FC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)。設(shè)備損耗該設(shè)備本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高壓變頻的結(jié)構(gòu)相似，因此損耗也基本差不多。電壓源型逆變器的損耗一般很小，SVG由多個(gè)逆變器串聯(lián)、或者并聯(lián)組成，逆變器部分總的損耗一般不超過總?cè)萘康?.5%。由于SVG容量只是MCR、TCR的一半， FC的損耗只有MCR、TCR的一半。對(duì)于緬甸達(dá)貢山項(xiàng)目由于上級(jí)35kV母線上已上了TCR型SVC，其濾波器會(huì)形成非特征諧波的高阻抗點(diǎn)，經(jīng)變壓器阻抗和線路阻抗會(huì)在220kV側(cè)形成諧波