FC、TSC、SVG对比分析(主要无功补偿方式分析).

它的作用是产生和谐波源谐波电流有相同幅值而相位相反的补偿电流
Ih，
来达到消除谐波的目的。与无源滤波装置相比，有源滤波器是一种主动型的
补偿装置，具有较好的动态性能。
4.4 SVG 的基本原理 所谓 SVG （Static Var Generator），就是专指由自换相的电力半导体桥式
变流器来进行动态无功补偿的装置。
图 3.6 采用直接电流控制的静止无功发生器的工作原理
IS I L IC
(1)
I L I Lf p + I Lf q + I Lf- I Lh
(2)
为使电源电流 I S 中不含有基波正序无功和基波负序电流，则需要控制
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SVG 输出电流 I C 满足式 (3) 。这样电源电流中就只含有基波正序有功和谐波电 流，如式 (4)所示。
3000 万元，
间接损失近 2 亿元。） 该方案的特点：
不产生谐波；
理论上可以实现过零投切， 不会产生像真空开关那样产生严重的过电压 ；
结构简单。 2）、带降压变压器及分接开关的晶闸管投切电容器方案 该方案通过降压调压变压器，采用分接开关无载调压和晶闸管开关的有 载分合直接调节无功元件（滤波器）的无功输出。 该方案的特点与带降压变压器的晶闸管投切电容器方案相似，但投资更 少，只需一组晶闸管开关，但其过分依赖变压器分接开关，分接开关每天频 繁调节，其寿命能否有保证还需进一步研究，另外目前国内尚无此类方案运 行，需要研究开发 。
几种无功补偿方案的对比分析
荣信电力电子股份有限公司
二、补偿方案选择
1. 固定并联电容补偿 ①固定无功补偿方案是补偿无功功率的常规方法。 装置具有结构简单、 经济
方便等优点， 其补偿无功的容量是设计根据计算的平均负荷大小而确定的， 是一 个不可调的固定量， 通常由电抗器和电容器串联组成， 其功能主要是补偿负荷产 生的感性无功， 并对三次谐波有一定的抑制作用。 一般采用机械开关控制电容器 的投切，投切时的冲击电流和操作过电压大，易发生谐振，因此不能频繁投切。
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4.3 SVG 用于有源滤波
系统 APF
Ih -I h
谐波源
图 3.3 基本原理图
有源滤波器的基本思想如图 3.3。谐波源一般为非线性负荷，如整流器、
带有整流环节的变频器及大量带有开关器件的设备等，产生谐波电流
I h ；供
电系统一般为被保护对象，也即要达到最终流入或流出系统的电流是谐波含
量极少的正弦波， 有时还有功率因数要求； 有源滤波装置表现为流控电流源，
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中实际的响应时间一般在 3-5 分钟 左右 。 对于无功快速变动的系统是不适用 的。
其三： TSC 投切的电容器组分组越多，补偿效果越好，成本相对提高。 且在频繁投切电容器时，由于阻抗曲线发生频繁变化，很有可能产生谐振，
造成灾害性事故。 （如去年湖南涟钢棒线厂轧钢系统中采用的
TSC 装置，由
于产生谐振将 TSC 装置及传动系统全部烧毁，直接经济损失近
一是带降压变压器的晶闸管
2
投切电容器方案，二是带降压变压器及分接开关的晶闸管投切电容器方案。 1 ）、带降压变压器的晶闸管投切电容器方案 TSC 分组可调补偿是根据负荷实际运行无功量，按照一定的投切策略跟
踪负荷变化进行投切动作。该方案由若干组并联的晶闸管阀组控制，以实现 快速无触点的投切。显然这种型式的补偿装置只能实现容性无功功率的阶跃 调节，其调节的精度取决于电容器的分组数。为了提高运行的可靠性，防止 电容器和晶闸管损伤， TSC 均实现无过渡过程的操作。 ① TSC 技术关键
上。
损耗
只有并补电容器和串联电抗器产生损耗，因此损耗非常小。约在
0.1% 左
右。
谐波电流
不产生也不滤除谐波电流。
三相不平衡
并联补偿电容器组是三相完全平衡的，因此不能改善不平衡度。
调节特性
只能投入或者切除并联电容器组， 无功变化较大， 无法平滑线性调节无功
输出。
3.晶闸管分级投切电容器方案（ TSC） 晶闸管分级投切电容器方案这里研究两个，
SVG 能够在额定感性到额定容性的范围内工作， 所以比 SVC 的运行范围
宽很多。 也就是说， 当 SVC 需要在正负全范围运行时， 需要 TCR 和 FC 配合
使用，整个装置损耗较大，占地面积也较大。
更重要的是，在系统电压变低时， SVG 还能够输出与额定工况相近的无
功电流。而 SVC 输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出
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4.2 SVG 用于补偿无功
PS＋ QS PL＋ Q L
负 载
SVG
图 3.2 带有 SVG 无功补偿装置的系统 假设负荷消耗感性无功 （一般工业用户都是如此） QL，此时控制 SVG 使 其产生容性无功功率，并取 QSVG=QL，这样在负荷波动过程中，就可以保证： QS=QSVG-Q L=0。 如果对电网等比较复杂的补偿对象而言， 当需要向电网提供感性无功时， 可以通过对 SVG 的控制，使其产生感性无功功率，并取 QSVG=QC，这样在负 荷波动过程中，仍然可以保证： QS=QSVG-Q C=0。 此外， SVG 在补偿系统无功功率达同时， 几乎不产生谐波。 更重要的是， SVG 还可以对系统的谐波、不平衡等电能质量问题进行多功能综合补偿，实 现有源滤波（ APF ）的功能。
其二： 晶闸管关断后，电容器两端电压从峰值电压，缓慢放电。等电容 器两端电压放到小于 50V 时投入电容器， 这时是比较安全的， 但根据 << 高压 并联电容器放电线圈标准 JB/T8980-1999>> 规定放电时间为 5s，电容器投入 时必须考虑其放电情况，这样由于受电容器的放电时间的限制，在工程应用
而得到了广泛的应用， 一般的并联电容器组都是应用在负荷较为平稳的场合，
由手工进行投切，每天的投切次数不超过 10 次。
自动投切并联电容器组则根据系统所需无功自动进行投切操作，
其投切次
数可达每天数十次，甚至数百次。
其工作特点如下：
响应速度
刚切除后的电容器组， 需待放电完全后才能再次投入， 至少需要数十秒以
采用直接电流控制的有源滤波型中压 SVG 的工作原理如图 3.6 所示。从
图中可以得出式 (1)，即电源电流 I S 是负载电流 I L 和补偿电流 I C 之相量和。 假
设负载电流 I L 中含有基波正序电流（包括基波正序无功电流
I Lf q 和基波正序
有功电流 I Lf p ）、基波负序电流 I Lf- 和谐波电流 I Lh ，如式 (2) 所示。
US
如果 U I ＝ U S ， SVG
UI
不起任何补偿作用。
US
UI
UL
IL
如果 U I <U S， SVG 输出的无功电流滞 后电网电压， SVG 发出感性无功，且 其无功可连续调节。
IL US
UI
如果 U I >U S， SVG
U L 输出的无功电流超 前电网电压， SVG
发出容性无功，且 其无功可连续调节。
4.5 SVG 的优势
通过上一节对 SVG 原理的描述可以知道， SVG 可以根据负载特点和工
况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或者感性）
。因此，从本
质上讲， SVG 可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器。
SVG 是目前最为先进的无功补偿技术，其基于电压源型变流器的补偿装
置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而
a）单相等效电路
b）相量图
图 3.5 SVG 等效电路及工作原理（未计及损耗）
SVG 详细的工作模式及其补偿特性如表 1 所示。
表 3.1 SVG 的运行模式及其补偿特性说明
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运行模式
波形
说明
空载
UI
US
US
UI
感性
UI US
容性
(a) U I = U S IL (b) U I < U S
IL (c) U I > U S
IC
(I Lf q + I Lf- )
(3)
I S I Lf p + I Lh
(4)
所以，要想达到补偿目的，关键是控制 SVG 输出电流 I C 满足式 (3) 。 从 SVG 工作原理的描述可以看出，如果要使 SVG 在补偿无功的基础上 还对负载谐波进行抑制，只需要使 SVG 输出相应的谐波电流即可。因此，从 这个意义上说， SVG 能够同时实现补偿无功电流和谐波电流的双重目标。
的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱。这是
SVC 技术本质
的缺点。
(4) 补偿功能多样化 使同一套 SVG 装置，可以实现不同的多种补偿功能：
②从以上分析结论可知，变电所采用固定补偿方案解决不了功率因数问题， 不能随负荷的无功波动随机的调节补偿的容性无功， 所以不具备抑制谐波和电压 波动。要解决功率因数问题，抑制谐波和电压波动，必须放弃固定补偿方案，寻 求新的补偿方案。
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2 自动投切并联电容器组
并联电容器组是最早就出现的静止型无功补偿方式， 因其结构简单等特点
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V1 VD1
V3
RL
VD3
Ud
u0
V2 VD2
V4
VD4
信号波 Ut 调制
载波
Uc 电路
Leabharlann Baidu
图 3.4 SVG 与系统的连接示意图
设电网电压和 SVG 输出的交流电压分别用相量 U S 和 U I 表示，则连接电
抗 X 上的电压 U L 即为 U S 和 U I 的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压
由于固定补偿装置的补偿容量不能随负荷而变化， “欠补”和“过补”交替 发生，计费方式又为 “反转正计”，使得变电所平均功率因数达不到 0.9 的要求， 造成力率罚款，并使供电设备的能力不能充分发挥。
目前我国普遍采用的方案是在变电所设置固定电容并联补偿。 该方案主要问 题是在无负荷和轻负荷的区段， 过补偿十分突出， 投入固定并联补偿电容后， 功 率因数比不投时还低， 无法达到经济功率因数的要求， 变电所因功率因数大幅下 降，而遭受巨额罚款， 固定电容器补偿还会导致空载时电压抬升， 反而恶化电压 质量。
(2) 抑制电压闪变能力更强 SVC 对电压闪变的抑制最大可达 2：1，SVG 对电压闪变的抑制可以达到 5： 1，甚至更高。 SVC 受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随 补偿容量的增加而增加。 而 SVG 由于响应速度极快， 增大装置容量可以继续 提高抑制电压闪变的能力。
(3) 运行范围更宽
来控制的。这个电流就是 SVG 从电网吸收的电流 I 。如果未计及连接电抗器
和变流器的损耗， SVG 的工作原理可以用图 3.5a)所示的单相等效电路图来说
明。在这种情况下， 只需使 U I 与 U S 同相， 仅改变 U I 幅值大小即可以控制 SVG
从电网吸收的电流是超前还是滞后 90 ，并且能控制该电流的大小。
是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。从技术上讲，
SVG 较传统的无功补偿装置有如下优势：
(1) 响应时间更快 SVG 响应时间： ≤1ms。 传统静补装置响应时间： ≥ 10m。s
SVG 可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率
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的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。
无过渡过程投切电容器，理论上电容器在峰值时导通，在峰值时关断。 晶闸管关断后，电容器保持峰值电压值，由于电源电压随时变化，电容器电 压也在缓慢地放电，要做到安全、无过渡投切比较困难。具体控制有二种方 法：
其一： 在需要投入电容器时， 必须检测电容器的两端电压及电网电压。 在电网电压与电容器两端电压相等瞬时，发出触发脉冲；当电容器接成星形 时，这时必须有二个晶闸管导通才能构成通路。这种控制方式的难度很大， 且电容器两端电压为直流，在高压环境下，检测困难，经常产生过渡过程过 电压。 严重的过度过程产生的振荡过电压， 将达到电源峰值电压的两倍以上， 如在低压侧整流变副边进行补偿，过渡过程过电压必然影响调速系统的安全 运行。
4. SVG+FC 型动态无功补偿系统 4.1 供电系统结构 一般电力系统用户负荷吸收有功功率 PL 和无功功率 QL 。
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Ps+Qs PL+QL
负 荷
图 3.1 简单的负荷连接 电源提供有功功率 PS 和无功功率 QS（可能为感性无功， 也可能是容性无 功），忽略变压器和线路损耗，则有 PS PL ， QS QL 。没有足够无功补偿的 电网存在以下几个问题： 1）电网从远端传送无功； 2）负荷的无功冲击影响本地电网和上级电网的供电质量； 3）负荷的不平衡与谐波也会影响电网的电能质量； 因此，电力系统一般都要求对用电负荷进行必要的无功、不平衡与谐波 补偿，以提高电力系统的带载能力，净化电网，改善电网电能质量。