电力系统静止无功补偿技术的现状及发展论文
摘要：详细综述了电力系统静止无功补偿技术的发展现状，分析了各种静止无功补偿技术的原理、优点、缺点以及现今在电力系统中的应用情况，并提出今后静止无功补偿技术的发展趋势。
关键词：静止无功补偿（SVC ASVG）发展趋势电力系统
1 引言
电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备；如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等。同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备：如计算机，医用设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。
传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定不能动态的跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。
20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为10～30s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。
随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍（约为10μs），对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置（SR：SaturatedReactor）；第二类是晶闸管控制电抗器（TCR：Thyristor ControlReactor）、晶闸管投切电容器（TSC：Thyristor SwitchCapacitor），这两种装置统称为SVC（StaticVar Compensator）；第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置——高级静止无功发生器（ASVG：Advanced Static VarGenerator）。
以下对此三类静止无功补偿技术逐一介绍，主要对SVC和ASVG这两类补偿技术作详细介绍，并指出今后静止无功补偿技术的发展趋势。
2 具有饱和电抗器的无功补偿装置（SR）
饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。这类装置组成的静止无功补偿装置属于第一批静止补偿器。早在1967年，这种装置就在英国制成，后来美国通用电气公司（GE）也制成了这样的静止无功补偿装置［1］，但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大2～3倍，另外这种装置还有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的静止无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。
3 晶闸管控制电抗器（TCR）
两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图1所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90°～180°。当触发角α＝90°时，晶闸管全导通，导通角δ＝180°，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式：
BL＝BLmax（δ－sinδ）／π和BLmax＝1／XL可知。增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。
在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅控制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补偿产生的谐波。瑞士勃郎·鲍威利公司已经制造出此种补偿器用于高压输电系统的无功补偿［2］。
由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器（TCR＋FC）和TCR与断路器投切电容器配合使用的`静止无功补偿器（TCR＋MSC）。这种具有TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。我国江门变电站采用的静止无功补偿器是端士BBC公司生产的TCR＋FC＋MSC型的SVC，其控制范围为±120Mvar［3］。由于固定电容器的TCR＋FC型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围时要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿器工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。TSC＋MSC型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点，但应尽量避免断路器频繁的投入与切除，减小断路器的工况。
4 晶闸管投切电容器（TSC）
为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。其单相原理图如图2所示。两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接都采用电容器分组投切。为了对无功电流能尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂性及经济性，一般用K－1个电容值为C的电容和电容值为C／2的电容组成
2K级的电容组数［4］。
TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻［5］。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。
TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。瑞典某钢厂两台100t电弧炉，装有60Mvar的TSC后，有效的使130kV电网的电压保持在1．5％的波动范围。运行实践证明此装置具有较快的反映速度（约为5～10ms），体积小，重量轻，对三相不平衡负荷可以分相补偿，操作过程不产生有害的过电压、过电流，但TSC对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所以TSC装置一般与电感相并联，其典型设备是TSC＋TCR补偿器。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不能流入电网，同时又设有5次谐波滤波器，大大减小了谐波。我国平顶山至武汉凤凰山500kV变电站引用进口的无功补偿设备就是TSC＋TCR型［6］。
5 新型静止无功发生器（ASVG）
随着电力电子技术的进一步发展，特别是L．Gyugyi提出利用变流器进行无功补偿的理论以来，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器。它是通过将自换相桥式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上。ASVG根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型两种，如图3所示。图3所示的原理图为电压型补偿器，如果将直流侧的电容器用电抗器代替，交流侧的串联电感用并联电容代替，则为电流型的ASVG。交流侧所接的电感L和电容C的作用分别为阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。无论是电压型，还是电流型的ASVG其动态补偿的机理是相同的。当逆变器脉宽恒定时，调节逆变器输出电压及系统电压之间的夹角δ，就可以调节无功功率及逆变器直流侧电容电压UC，同时调节夹角δ和逆变器脉宽，既可以保持UC恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率［7］。
根据这一原理从1980年日本研制出第一台20Mvar的强迫自换相的桥式ASVG之后，经过10多年的发展，ASVG的容量不断增大，1991年和1994年日本和美国又相继研制出80Mvar和100Mvar的ASVG，在1995年，清华大学和河南省电力局共同研制了我国第一台ASVG，其容量为300kvar，开辟了我国研制ASVG补偿设备的先河［8］。
ASVG通过采用桥式电路的多重化技术，多电平技术或PWM技术进行处理，以消除较低次的谐波，并使较高的谐波限制在一定范围内；由于ASVG不需储能元件来达到与系统交换无功的目的，实际上它使用直流电容来维持稳定的直流电源电压，和SVC使用的交流电容相比，直流电容量相对较小，成本较低；另外，在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，而SVC补偿的无功电流随系统电压的降低而降低。正是由于这些优点，ASVG在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有SVC无法比拟的优点，这也显示出ASVG是今后静止无功补偿技术发展的方向。另外随着电力电子技术的发展，电子有源滤波器也日益得到完善，由于电力有源滤波器在滤除谐波的时候与电力系统不发生谐振，因此目前不少电力系统工作者致力于将电力有源滤波与ASVG相结合的研究，以消除传统的ASVG设备中并联无源滤波器的所产生的谐振问题。
参考文献：
［1］ A．C．MATHEB．超高压输电线路用的静止无功补偿器［C］．湖北：湖北电力技术，1982
［2］ W．Herbst．高压系统的可控静止无功补偿［C］．湖北：湖北电力技术，1982
［3］ 田广青．江门变电站静止补偿器简介［J］．广东电力，1988，（4）
［4］ 米勒．电力系统无功功率控制［J］．水利电力出版社，1990
［5］ 王庆林．无功功率快速自动补偿装置设计探讨［J］．电力电容器，1993（2）
［6］ 梁志勇．静止无功补偿设备运行综述［J］．电力电容器，1997（2）
［7］ 刘文华．采用GTO的新型静止无功发生器［J］．电力系统自动化，1997（3）
［8］ 姜齐荣，等．采用GTO的±120kvar新型静止无功发生器［J］．清华大学学报，自然科学版，1997（7）
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