《直流輸電與FACTS技術(shù)》課件第七章 典型的FACTS控制器

1、1內(nèi)容提要1 并聯(lián)型補償裝置特點及類型2 SVC和SVG介紹3 串聯(lián)型補償裝置特點及類型4 TCSC和SSSC介紹5 定制電力技術(shù)27.1并聯(lián)補償裝置的特點（1）并聯(lián)補償只需要電力系統(tǒng)提供一個節(jié)點，另一端為大地或懸空的中性點，因此可以容易的接入電力系統(tǒng)。（2）并聯(lián)補償裝置要么只改變節(jié)點導(dǎo)納矩陣的對角線元素，要么可以等效為注入電力系統(tǒng)的電流源。3并聯(lián)補償裝置的特點（3）并聯(lián)補償裝置與所接系統(tǒng)短路容量相比通常較小，因此并聯(lián)補償對系統(tǒng)電壓的控制能力通常較弱，而它主要通過注入或吸收電流改變系統(tǒng)中電流的分布，因此并聯(lián)補償適合于補償電流。（4）由于并聯(lián)補償只能控制接入點的電流，而電流進入電力系統(tǒng)后如何分布

2、由系統(tǒng)本身確定，因此并聯(lián)補償產(chǎn)生補償效果后通?？梢允构?jié)點附近的區(qū)域受益，適合于電力部門采用。4并聯(lián)補償裝置的特點（5）并聯(lián)補償裝置需要承受全部的節(jié)點電壓，而其輸出電流要么是由所承受的電壓決定的，要么是可以控制的。因此并聯(lián)補償裝置通常受系統(tǒng)電壓的限制。5并聯(lián)補償裝置的作用維持或控制節(jié)點電壓向電力系統(tǒng)提供或從系統(tǒng)中吸收無功功率向電力系統(tǒng)提供或從系統(tǒng)中吸收一定的有功功率提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性通過控制功率變化，改變電力系統(tǒng)的動態(tài)特性，阻尼系統(tǒng)振蕩6并聯(lián)補償裝置的分類（1）阻抗控制型并聯(lián)補償裝置，按照并聯(lián)補償裝置器件不同可以分為機械投切阻抗型裝置，如傳統(tǒng)的斷路器投切電抗器、電容

3、器等；晶閘管投切或控制的阻抗型裝置，如SVC。（2）電流控制型并聯(lián)補償裝置，基于變流器的可控型有源補償裝置，如STATCOM（3）能量控制型并聯(lián)補償裝置，補償裝置配有儲能系統(tǒng)，可輸出功率的性質(zhì)分為有功功率與無功功率。如抽水蓄能電站、并聯(lián)超導(dǎo)儲能系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)等。1. SVC （Static Var Compensator） 基于電力電子技術(shù)的一種動態(tài)無功功率補償裝置，將電抗器與電容器結(jié)合起來使用，實現(xiàn)無功補償?shù)碾p向、動態(tài)調(diào)節(jié)。7.2 靜止無功補償器SVC2. 分為晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器組（TSC）、TCR并聯(lián)固定電容、TCR并聯(lián)TSC等形式， 可動態(tài)地將

4、系統(tǒng)電壓保持在一定范圍內(nèi)，有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。靜止無功補償器SVC（5）通過控制無功減少線損。（6）抑制電壓閃變。（7）改善由于單相大負荷造成的三相不平衡。3. 功能主要：（1）通過動態(tài)無功功率的快速調(diào)節(jié)，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2）抑制由于負荷、發(fā)電機、傳輸線停運以及短路等造成的系統(tǒng)振蕩。（3）抑制由于線路投切等造成的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過電壓，維護電壓水平。（4）在諸如大容量電動機啟動這樣的負荷投運時，穩(wěn)定母線電壓。4. 背景： 世界上第一臺輸電用的SVC是由美國GE公司制造的，主要用于電壓控制。目前SVC已在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，世界上裝設(shè)于超高壓輸電系統(tǒng)的SVC已達到180多臺。靜止無功補償器

5、SVC我國情況： 我國SVC制造情況，西安電力機械制造公司于1989年8月為湖北大冶鋼廠制造了我國第一臺相控電抗型SVC裝置并投入運行，最早在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用，然后再逐漸的應(yīng)用于輸電網(wǎng)中。101010晶閘管投切電容器TSC 提供超前的無功動態(tài)投切分級調(diào)節(jié)TSC型SVC5. 類型：111111晶閘管控制電抗器TCR通常與固定電容器配合電容器提供超前的無功TCR提供滯后的無功，大小連續(xù)可調(diào)總體上既可提供超前的無功，也可提供滯后的無功可連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)。 通過改變可控硅開放角調(diào)節(jié)等效基波電抗。TCR型SVC12基波電流有效值為：I1= (U/ L)（2-2+sin2a）/U：相電壓有效值 L：電抗器基波電

6、抗（）可以通過控制電抗器L串聯(lián)的反并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)角來控制電抗器吸收的無功功率的值。 13可實現(xiàn)無功功率連續(xù)、快速調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)過程通常可在幾個周波內(nèi)完成 SVC的原理及應(yīng)用使用最為廣泛的為TCRFC型靜止型動態(tài)無功補償裝置(SVC)( static var compensator)QVtQctQTCRtQTCR- QCtQV +QTCR- QCt只要QN（系統(tǒng)）=QV（負載）-QC+QTCR=恒定值（或0），功率因數(shù)就能保持恒定，電壓幾乎不波動。 1415靜止型動態(tài)無功補償器（SVC）的構(gòu)成（現(xiàn)場平面）1516靜止型動態(tài)無功補償器（SVC）的構(gòu)成（動態(tài)回路）發(fā)出控制信號及觸發(fā)脈沖改變回路導(dǎo)納，

7、從而改變感性無功7.2 靜止無功發(fā)生器SVG基于可自關(guān)斷器件（GTO、IGBT、IGCT）實現(xiàn)的靜止無功發(fā)生裝置（Static Var Generator，SVG，又稱為Static Compensation, STATCOM） 具有控制特性好、響應(yīng)速度快、體積小、損耗低等優(yōu)點，并已開始在工業(yè)現(xiàn)場中推廣應(yīng)用。18SVG的基本原理SVG的工作原理SVG可以等效為一受控的電壓源等效電路超前電流滯后電流根據(jù)不同的逆變器輸出電壓，可以得到不同相位和波形的電流。四種工作模式：（1）空載模式（2）容性模式：向系統(tǒng)提供無 功，大小可以通過Ui進行調(diào)節(jié)。（3）感性模式：向系統(tǒng)吸收感性無 功，大小可調(diào)。（4）有

8、源濾波模式：通過Ui調(diào)節(jié)，產(chǎn) 生補償諧波電流所需的電流。靜止無功發(fā)生器SVG與SVC相比，SVG通過可控電壓源方式實現(xiàn)無功功率的動態(tài)補償，優(yōu)點：（1）SVG具有更好的控制特性。SVC在系統(tǒng)電壓較低時，表現(xiàn)為電容的特性，即無功隨電壓的降低按平方關(guān)系下降。而SVG則在低電壓時，表 現(xiàn)為定電流特性，因而無功功率只隨電壓的降低按一次方關(guān)系下降。（2）SVG采用PWM控制，具有更快的響應(yīng)特性。（3）SVG中，無功調(diào)節(jié)不是通過控制容抗或感抗的大小實現(xiàn)的，因而，無需直接與系統(tǒng)連接的電容器或電抗器，不存在系統(tǒng)諧振問題，且大大減小了設(shè)備體積。相同容量下，SVG體積約為SVC的1/3。（4）由于SVG三相的出力可

9、以各自獨立地進行控制，因而可以用于三相不平衡負荷的動態(tài)補償。這一點對SVG用于電氣化鐵道、電弧爐的電壓波動補償非常有利。（5）SVG具有有源濾波器的特性，可以用于需要有源濾波的場合。21SVG的基本結(jié)構(gòu)SVG的常見拓撲結(jié)構(gòu)兩電平、三電平方案簡單的三相橋式結(jié)構(gòu)低壓IGBT串聯(lián)的三相橋式結(jié)構(gòu)中壓、高壓多電平方案 鏈式結(jié)構(gòu)多重化結(jié)構(gòu)2222變壓器多重化方案23鏈式結(jié)構(gòu)方案24仿真與實驗結(jié)果負荷補償補償無功補償前電壓和電流補償后電壓和電流 u: 6kV/div i: 200A/div 25仿真與實驗結(jié)果負荷補償補償5次諧波u: 6kV/div i: 200A/div 補償前電源電流SVG輸出電流補償前

10、電源電壓補償后電源電壓26仿真與實驗結(jié)果負荷補償補償無功和諧波補償前電壓和電流補償后電壓和電流 u: 6kV/div i: 200A/div 27仿真與實驗結(jié)果負荷補償補償無功、諧波和負序u: 6kV/div i: 200A/div 補償前三相電流補償后三相電流28河南20Mvar SVG變壓器多重化電路結(jié)構(gòu) 29上海50Mvar SVG（2006）30 50MVar SVG的單相10個鏈節(jié) 50MVar SVG的監(jiān)控系統(tǒng)上海50Mvar SVG（2006）31SVG工程應(yīng)用32Slow VARS1st GenerationMechanicallySwitched DevicesThyrist

11、or SwitchedComponents2nd GenerationVSC Technology3rd GenerationFast VARS無功補償發(fā)展歷史337.3串聯(lián)補償?shù)奶攸c（1）串聯(lián)補償需要電網(wǎng)提供兩個接入點。相對而言，串聯(lián)補償裝置比并聯(lián)補償裝置的系統(tǒng)接入成本要高一些。（2）串聯(lián)補償裝置會改變導(dǎo)納矩陣的非對角元素，或者等效為注入的電壓源。（3）串聯(lián)補償能直接改變線路的等效阻抗或通過插入電壓源來改變傳輸線的電壓自然分布特性，從而調(diào)節(jié)電壓分布，對電壓和潮流的控制能力強。34（5）串聯(lián)補償裝置需要承受全部的線路電流，而其輸出電壓要么是由所承受的電流決定的（TCSC），要么是可以控制的（S

12、SSC）。（4）串聯(lián)補償可以針對特定的用戶，因而對特定用戶的補償采用串聯(lián)補償更加合適。35改變系統(tǒng)的阻抗特性進行潮流控制，優(yōu)化分布，減小網(wǎng)損加強電網(wǎng)互聯(lián)，提高電網(wǎng)的傳輸能力提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性快速可控的串聯(lián)補償可以提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性通過控制潮流功率變化，改變電力系統(tǒng)的動態(tài)特性，阻尼系統(tǒng)振蕩串聯(lián)補償裝置的作用36串聯(lián)補償裝置的分類（1）機械投切阻抗型補償裝置，固定串補FSC。（2）晶閘管投切或控制的阻抗型串補裝置，如TCSC等。變阻抗型靜止補償裝置（3）基于變換器的可控有源串補裝置，如SSSC等，能在一定程度獨立于線路電流的變化而調(diào)節(jié)串聯(lián)補償電壓377.4 串聯(lián)補償裝置串聯(lián)電容補償?shù)闹?/p>

13、要目的是降低輸電線路從送端到受端間總的等效串聯(lián)阻抗。 串聯(lián)補償基本概念X/2Xc/2Xc/2X/238假設(shè)傳輸線路的等效阻抗為X，則串聯(lián)電容補償電路的等效傳輸阻抗Xeff可表示為：移項后得：k：串聯(lián)補償?shù)难a償度，定義為：39晶閘管控制串聯(lián)電容（TCSC） iCUC(a)iC(a)=i+iL(a)SWLiL(a)TCSC的穩(wěn)態(tài)阻抗就相當于LC并聯(lián)電路，其等效電抗就是固定容抗Xc和一個可變電抗XL()的并聯(lián)值： XL=L，a :以電容電壓峰值為基準得到的延遲角40iCSWLXC(a)容性感性0aL lim感性范圍0aaLlim容性范圍aL limap/2wtp/2aC limaraLaaClim運

14、行限制諧振：XL(ar)=XCClim/2，此時對應(yīng)的XTCSC()是容性TCSC有兩個工作區(qū)間0Llim，對應(yīng)的XTCSC()是感性41U=Usin(wt-j)PRef (RRef)QRef (XRef)PPQ電壓型變流器能源（可選）控制-耦合變壓器將具有內(nèi)部控制的電壓型變流器看成是同步電壓源，只需容量較小的直流儲能電容就能夠滿足運行要求。7.4靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC)42XLPidUs=Ur=U 在線路電流給定的前提下，串聯(lián)電容上的電壓強迫串聯(lián)線路電抗上反極性電壓幅值隨著電容電壓的增加而增加。 43XLPidUs=Ur=U同步交流電壓源的輸出與串聯(lián)電容電壓相等，能夠起到串聯(lián)電容補償同

15、樣的補償效果。即 44無補償正極潮流補償負極潮流補償A相線路P,Q線路A相注入Q注入時間（25ms/格）U2iQPUqiQp在注入電壓由正到負的過零轉(zhuǎn)換中，功率潮流的變化非常平滑和連續(xù)。 45統(tǒng)一潮流控制器UPFC(串并聯(lián)型)UPFC簡化原理圖467.5 定制電力技術(shù)有源電力濾波器（APF）動態(tài)電壓補償器（DVR）統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（UPQC）基本原理有源電力濾波器采用與交流濾波器完全不同的原理，通過產(chǎn)生于補償諧波形狀一致、相位相反的電流，來抵消非線性負荷產(chǎn)生的諧波電流，以使諧波不會流入公共供電回路。有源電力濾波器（APF active power filter）有源電力濾波器（APF）APF由四個部分組成（1）無功電流或諧波成分檢測部分。（2）控制系統(tǒng)。