電力系統靜止無功補償技術的現狀及發展論文
電力系統靜止無功補償技術的現狀及發展論文
摘要：詳細綜述了電力系統靜止無功補償技術的發展現狀，分析了各種靜止無功補償技術的原理、優點、缺點以及現今在電力系統中的應用情況，並提出今後靜止無功補償技術的發展趨勢。
關鍵詞：靜止無功補償（SVC ASVG）發展趨勢電力系統
1 引言
電力系統的各節點無功功率平衡決定了該節點的電壓水平，由於當今電力系統的使用者中存在著大量無功功率頻繁變化的裝置；如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵道等。同時使用者中又有大量的對系統電壓穩定性有較高要求的精密裝置：如計算機，醫用裝置等。因此迫切需要對系統的無功功率進行補償。
傳統的無功補償裝置有並聯電容器、調相機和同步發電機等，由於並聯電容器阻抗固定不能動態的跟蹤負荷無功功率的變化；而調相機和同步發電機等補償裝置又屬於旋轉裝置，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用於太大或太小的無功補償。所以這些裝置已經越來越不適應電力系統發展的需要。
20世紀70年代以來，隨著研究的進一步加深出現了一種靜止無功補償技術。這種技術經過20多年的發展，經歷了一個不斷創新、發展完善的過程。所謂靜止無功補償是指用不同的靜止開關投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發出無功電流的能力，用於提高電力系統的功率因數，穩定系統電壓，抑制系統振盪等功能。目前這種靜止開關主要分為兩種，即斷路器和電力電子開關。由於用斷路器作為接觸器，其開關速度較慢，約為10～30s，不可能快速跟蹤負載無功功率的變化，而且投切電容器時常會引起較為嚴重的衝擊湧流和操作過電壓，這樣不但易造成接觸點燒焊，而且使補償電容器內部擊穿，所受的應力大，維修量大。
隨著電力電子技術的發展及其在電力系統中的應用，交流無觸點開關SCR、GTR、GTO等的出現，將其作為投切開關，速度可以提高500倍（約為10μs），對任何系統引數，無功補償都可以在一個周波內完成，而且可以進行單相調節。現今所指的靜止無功補償裝置一般專指使用閘流體的無功補償裝置，主要有以下三大型別，一類是具有飽和電抗器的靜止無功補償裝置（SR：SaturatedReactor）；第二類是閘流體控制電抗器（TCR：Thyristor ControlReactor）、閘流體投切電容器（TSC：Thyristor SwitchCapacitor），這兩種裝置統稱為SVC（StaticVar Compensator）；第三類是採用自換相變流技術的靜止無功補償裝置——高階靜止無功發生器（ASVG：Advanced Static VarGenerator）。
以下對此三類靜止無功補償技術逐一介紹，主要對SVC和ASVG這兩類補償技術作詳細介紹，並指出今後靜止無功補償技術的發展趨勢。
2 具有飽和電抗器的無功補償裝置（SR）
飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應的無功補償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無功補償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來穩定電壓，它利用鐵心的飽和特性來控制發出或吸收無功功率的大小。可控飽和電抗器透過改變控制繞組中的工作電流來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進一步控制無功電流的大小。這類裝置組成的靜止無功補償裝置屬於第一批靜止補償器。早在1967年，這種裝置就在英國製成，後來美國通用電氣公司（GE）也製成了這樣的靜止無功補償裝置［1］，但是由於這種裝置中的飽和電抗器造價高，約為一般電抗器的4倍，並且電抗器的矽鋼片長期處於飽和狀態，鐵心損耗大，比並聯電抗器大2～3倍，另外這種裝置還有振動和噪聲，而且調整時間長，動態補償速度慢，由於具有這些缺點，所有飽和電抗器的靜止無功補償器目前應用的比較少，一般只在超高壓輸電線路才有使用。
3 閘流體控制電抗器（TCR）
兩個反並聯的閘流體與一個電抗器相串聯，其單相原理圖如圖1所示。其三相多接成三角形，這樣的電路併入到電網中相當於交流調壓器電路接電感性負載，此電路的有效移相範圍為90°～180°。當觸發角α＝90°時，閘流體全導通，導通角δ＝180°，此時電抗器吸收的無功電流最大。根據觸發角與補償器等效導納之間的關係式：
BL＝BLmax（δ－sinδ）／π和BLmax＝1／XL可知。增大觸發角即可增大補償器的等效導納，這樣就會減小補償電流中的基波分量，所以透過調整觸發角的大小就可以改變補償器所吸收的無功分量，達到調整無功功率的效果。
在工程實際中，可以將降壓變壓器設計成具有很大漏抗的電抗變壓器，用可控矽控制電抗變壓器，這樣就不需要單獨接入一個變壓器，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路連線，二次繞組經過較小的電抗器與可控矽閥連線。如果在電抗變壓器的第三繞組選擇適當的裝置迴路，例如加裝濾波器，可以進一步降低無功補償產生的諧波。瑞士勃郎·鮑威利公司已經制造出此種補償器用於高壓輸電系統的無功補償［2］。
由於單獨的TCR只能吸收無功功率，而不能發出無功功率，為了解決此問題，可以將並聯電容器與TCR配合使用構成無功補償器。根據投切電容器的元件不同，又可分為TCR與固定電容器配合使用的靜止無功補償器（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企業中應用最為廣泛。我國江門變電站採用的靜止無功補償器是端士BBC公司生產的TCR＋FC＋MSC型的SVC，其控制範圍為±120Mvar［3］。由於固定電容器的TCR＋FC型補償裝置在補償範圍從感性範圍延伸到容性範圍時要求電抗器的容量大於電容器的容量，另外當補償器工作在吸收較小的無功電流時，其電抗器和電容器都已吸收了很大的無功電流，只是相互抵消而已。TSC＋MSC型補償器透過採用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點，但應儘量避免斷路器頻繁的投入與切除，減小斷路器的工況。
4 閘流體投切電容器（TSC）
為了解決電容器組頻繁投切的問題，TSC裝置應運而生。其單相原理圖如圖2所示。兩個反並聯的閘流體只是將電容器併入電網或從電網中斷開，串聯的小電抗器用於抑制電容器投入電網執行時可能產生的衝擊電流。TSC用於三相電網中可以是三角形連線，也可以是星形連線。一般對稱網路採用星形連線，負荷不對稱網路採用三角形連線。不論是星形還是三角形連線都採用電容器分組投切。為了對無功電流能儘量做到無級調節，總是希望電容器級數越多越好，但考慮到系統的複雜性及經濟性，一般用K－1個電容值為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的關鍵技術問題是投切電容器時刻的選取。經過多年的分析與實驗研究，其最佳投切時間是閘流體兩端的電壓為零的時刻，即電容器兩端電壓等於電源電壓的時刻［5］。此時投切電容器，電路的衝擊電流為零。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，充電結束之後再投入電容器。
TSC補償器可以很好的補償系統所需的無功功率，如果級數分得足夠細化，基本上可以實現無級調節。瑞典某鋼廠兩臺100t電弧爐，裝有60Mvar的TSC後，有效的使130kV電網的電壓保持在1．5％的波動範圍。執行實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，操作過程不產生有害的過電壓、過電流，但TSC對於抑制衝擊負荷引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網的電容量的變化進行調節是不夠的，所以TSC裝置一般與電感相併聯，其典型裝置是TSC＋TCR補償器。這種補償器均採用三角形連線，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，同時又設有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變電站引用進口的無功補償裝置就是TSC＋TCR型［6］。
5 新型靜止無功發生器（ASVG）
隨著電力電子技術的進一步發展，特別是L．Gyugyi提出利用變流器進行無功補償的理論以來，逐步出現了應用變流技術進行動態無功補償的靜止補償器。它是透過將自換相橋式電路直接並聯到電網上或者透過電抗器並聯到電網上。ASVG根據直流側採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，交流側的串聯電感用並聯電容代替，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入電網和吸收換相時產生的過電壓。無論是電壓型，還是電流型的ASVG其動態補償的機理是相同的。當逆變器脈寬恆定時，調節逆變器輸出電壓及系統電壓之間的夾角δ，就可以調節無功功率及逆變器直流側電容電壓UC，同時調節夾角δ和逆變器脈寬，既可以保持UC恆定的情況下，發出或吸收所需的無功功率［7］。
根據這一原理從1980年日本研製出第一臺20Mvar的強迫自換相的橋式ASVG之後，經過10多年的發展，ASVG的容量不斷增大，1991年和1994年日本和美國又相繼研製出80Mvar和100Mvar的ASVG，在1995年，清華大學和河南省電力局共同研製了我國第一臺ASVG，其容量為300kvar，開闢了我國研製ASVG補償裝置的先河［8］。
ASVG透過採用橋式電路的多重化技術，多電平技術或PWM技術進行處理，以消除較低次的諧波，並使較高的諧波限制在一定範圍內；由於ASVG不需儲能元件來達到與系統交換無功的目的，實際上它使用直流電容來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，仍能輸出額定無功電流，而SVC補償的無功電流隨系統電壓的降低而降低。正是由於這些優點，ASVG在改善系統電壓質量，提高穩定性方面具有SVC無法比擬的優點，這也顯示出ASVG是今後靜止無功補償技術發展的方向。另外隨著電力電子技術的發展，電子有源濾波器也日益得到完善，由於電力有源濾波器在濾除諧波的時候與電力系統不發生諧振，因此目前不少電力系統工作者致力於將電力有源濾波與ASVG相結合的研究，以消除傳統的ASVG裝置中並聯無源濾波器的所產生的諧振問題。
參考文獻：
［1］ A．C．MATHEB．超高壓輸電線路用的靜止無功補償器［C］．湖北：湖北電力技術，1982
［2］ W．Herbst．高壓系統的可控靜止無功補償［C］．湖北：湖北電力技術，1982
［3］ 田廣青．江門變電站靜止補償器簡介［J］．廣東電力，1988，（4）
［4］ 米勒．電力系統無功功率控制［J］．水利電力出版社，1990
［5］ 王慶林．無功功率快速自動補償裝置設計探討［J］．電力電容器，1993（2）
［6］ 梁志勇．靜止無功補償裝置執行綜述［J］．電力電容器，1997（2）
［7］ 劉文華．採用GTO的新型靜止無功發生器［J］．電力系統自動化，1997（3）
［8］ 姜齊榮，等．採用GTO的±120kvar新型靜止無功發生器［J］．清華大學學報，自然科學版，1997（7）