各种无功补偿装置的比较
风电场动态无功补偿装置性能分析与比较
风电场动态无功补偿装置性能分析与比较牛若涛(北京京能新能源有限公司内蒙古分公司,内蒙古呼和浩特 010070) 摘 要:近年来,随着风力发电接入电网规模的逐步扩大,风电场无功补偿装置的补偿能力和响应时间等参数越来越受到各方重视。
同时,随着电力电子技术的快速发展,应用于风电无功补偿装置的新材料新工艺也不断涌现。
文章简要介绍风电场无功补偿装置的发展历史,重点介绍目前常用的各种风电场无功补偿装置的工作原理和系统组成,对各种补偿装置的运行特性、主要参数进行了详细的分析与比较。
关键词:静止型动态无功补偿;SVC;T CR;SVG 中图分类号:T M7 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)23—0095—03 2011年是我国陆上风电产业继续发展的一年,仅内蒙古地区就增加吊装容量3736.4M W,累计容量17594.4M W。
随着区域性风电场开发容量的逐渐扩大,风电机组并网对系统造成的影响越来越明显。
国内目前的风电场大多采用感应式异步发电机,并入电网运行时需要吸收系统的无功功率。
在风电场集电线路母线安装无功补偿设备则可以提供异步发电机所需的无功功率,降低电网因输送无功功率造成的电能损耗,改善电网的运行条件。
本文结合目前风电场广泛使用的不同类型无功补偿装置的运行维护经验,从无功补偿装置的原理、系统组成及功能特性等方面进行了对比分析,得出了风电场最优的无功补偿配置方案。
1 无功补偿装置发展风力发电机组多数是异步发电机组,输出有功功率的同时,需要从电网吸收一定的无功功率,容易引起并网点的电压波动,通常采用在风电场集电线路母线上安装静止型无功补偿装置SVC(Static V ar Compensator)的方式进行治理。
SVC的发展历程大体可分为如下三个阶段:第一阶段:早期的并联电容器组静态补偿装置,用电容器补偿容性无功。
后来的磁阀式可控电抗器(M CR),采用直流助磁原理,利用附加直流励磁磁化铁心(自耦电抗器),改变铁心磁导率,实现电抗值的阶段性连续调整。
无功补偿装置的分类及原理
无功补偿装置的分类及原理无功补偿装置是电力系统中的重要设备，可以通过对无功功率的调整来提高电力系统的功率因数，提高供电质量。
本文将对无功补偿装置的分类及原理进行详细介绍。
一、无功补偿装置的分类根据无功补偿装置的工作原理和结构特点，可以将其分为以下几类：静态无功补偿装置、动态无功补偿装置、谐波滤波无功补偿装置和电容式无功补偿装置。
1. 静态无功补偿装置静态无功补偿装置是通过电子元件，如电容器、电抗器等，来实现无功补偿的装置。
根据无功补偿的方式，静态无功补偿装置可以进一步细分为并联补偿和串联补偿。
并联补偿装置主要是通过并联连接电容器来补偿电路中的无功功率，这样可以提高功率因数，提高电网的稳定性。
而串联补偿装置则是通过串联连接电抗器来调整电路中的无功功率，来实现无功补偿的效果。
2. 动态无功补偿装置动态无功补偿装置主要是通过控制器来控制电容器的连接和断开，以实现对无功功率的补偿。
具有响应速度快、调节范围大等优点，适用于电网无功功率变化较大的情况。
3. 谐波滤波无功补偿装置谐波滤波无功补偿装置主要用于滤除电网中的谐波成分，以提高电网的谐波污染程度，保证电网的供电质量。
常见的谐波滤波无功补偿装置主要包括谐波滤波器和无功发生器。
4. 电容式无功补偿装置电容式无功补偿装置是一种通过电容器来实现无功补偿的装置。
通过控制电容器的容量和连接方式，可以实现对电网的无功功率进行精确调节。
二、无功补偿装置的原理无功补偿装置的原理主要是通过改变电路的电流和电压之间的相位差，来实现对电流中的无功功率的补偿。
当电力系统中存在导致无功功率的负荷或设备时，会导致电流与电压之间的相位差，从而产生无功功率。
无功补偿装置通过调整系统中的无功补偿元件（如电容器或电抗器）的连接和断开方式，来改变电路中的相位差，从而实现对无功功率的补偿。
在静态无功补偿装置中，通过控制无功补偿元件的连接或断开来改变相位角。
对于串联补偿装置，通过增加或减少串联电抗器的容值，来改变电路的无功功率。
无功补偿技术的比较研究
无功补偿技术的比较研究无功补偿技术是电力系统中常用的一种技术手段，广泛应用于电力传输和分配过程中。
本文将对当前常见的三种无功补偿技术进行比较研究，包括静态无功补偿、动态无功补偿和混合无功补偿技术。
一、静态无功补偿技术静态无功补偿技术是通过静止性电子器件实现的无功补偿。
常见的静态无功补偿技术包括静态无功补偿装置（SVC）和静态同步补偿装置（STATCOM）。
SVC通过可控硅器件来实现电容和电感的不同接入方式，并通过控制这些器件的导通使无功功率补偿装置进行补偿。
STATCOM则通过采集电网电压的信息，在电源侧通过控制逆变器输出的电流来补偿无功功率。
静态无功补偿技术具有调节速度快、无功补偿效果好的特点，尤其适合对系统电压稳定性要求较高的场合。
然而，静态无功补偿技术的造价较高、容量限制较大，因此在大型电力系统中应用较多。
二、动态无功补偿技术动态无功补偿技术是通过旋转机械设备实现的无功补偿。
常见的动态无功补偿技术包括同步电动机无功补偿装置（SVC）和风力发电机组无功补偿装置。
同步电动机无功补偿装置通过调节同步电动机的励磁电流来实现无功功率的补偿。
它具有快速响应、无功补偿效果好等特点，但是同步电动机的容量相对较大，造价较高。
风力发电机组无功补偿装置则通过调节风力发电机组的功率特性，实现无功功率的补偿。
它具有无需外部电源、容量可调节等优点，但在风电系统中的应用场景有限。
三、混合无功补偿技术混合无功补偿技术是将静态和动态无功补偿技术相结合的一种补偿方式。
常见的混合无功补偿技术包括STATCOM与风力发电机组的组合、SVC与同步电动机无功补偿装置的组合等。
混合无功补偿技术通过充分发挥静态和动态无功补偿技术的优势，提高了无功补偿的效果和灵活性。
它既能提供快速响应的能力，又能在容量限制方面更加灵活。
然而，混合无功补偿技术的内部机构复杂，控制难度较大。
总结：静态无功补偿技术、动态无功补偿技术和混合无功补偿技术各有其优缺点。
无功补偿装置的分类
无功补偿装置的分类无功补偿有许多种灯类：从补偿的范围划分可以分为负荷补偿与线路补偿，从补偿的性质划分可以分为感性与容性补偿。
下面将并联容性补偿的方法大致列举：1、同步调相机调相机的基本原理与同步发电机没有区分，它只输出无功电流。
由于不发电，因此不需要原动机拖动，没有启动电机的调相机没有轴伸，实质就是相当于一台在电网中空转的同步发电机。
调相机是电网中最早使用的无功补偿装置，当增加激磁电流时，其输出的容性无功电流增大。
当削减激磁电流时，其输出的容性无功电流削减。
当激磁电场削减到肯定程度时，输出无功电流为零，只有很小的有功电流用于弥补调相机的损耗，当激磁电流进一步削减时，输出感性无功电流。
调相机容量大、对谐波不敏感，并且具有当电网电压下降时输出无功电流自动增加的特点，因此调相机对于电网的无功平安具有不行替代的作用。
由于调相机的价格高、效率低，运行成本高，因此已经渐渐被并联电容器所替代。
但是近年来出于对电网无功平安的重视，一些人主见重新启用调相机。
2、并联电容器并联电容器是目前最主要的无功补偿方法。
其主要特点是价格低，效率高，运行成本低，在爱护完善的状况下牢靠性也很高。
在高压及中压系统中主要使用固定连接的并联电容器组，而在低压配电系统中则主要使用自动掌握电容器投切的自动无功补偿装置。
自动无功补偿装置的结构则多种多样形形色色，适用于各种不同的负荷呢况。
对于低压自动无功补偿装置将另文具体介绍。
并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性。
当电网中含有谐波时，电容器的电流会急剧增大，还会与电网中的感性元件谐振使谐波放大，另外，并联电容器属于恒阻抗元件，在电网电压下降时其输出的无功电出下降，因此不利于电网的无功平安。
3、SVCSVC的全称是静止式无功补偿装置，静止两个字是同步调相机的旋转相对应的。
国际大电网会议将SVC定义为7个子类：a、机械投切电容器（MSC）b、机械投切电抗器（MSR）c、自饱和电抗器（SR）d、晶闸管掌握电抗器（TCR）e、晶闸管投切电容器（TCR）f、晶闸管投（TSC）g、自换向或电网换向转换器（SCC/LCC）依据以上这些子类，我们可以看出：除调相机之外，用电感或电容进行无功补偿的装置几乎均被定义为SVC。
无功补偿装置的分类及特点
无功补偿装置的分类及特点无功补偿装置是电力系统中用来改善功率因数的重要设备之一。
它通过补偿无功功率，提高电力系统的效率和稳定性。
根据不同的工作原理和功能，无功补偿装置可以分为静态无功补偿装置和动态无功补偿装置两大类。
本文将对这两类装置的特点进行探讨。
一、静态无功补偿装置静态无功补偿装置是一种通过静态元件来实现无功功率补偿的装置。
主要有电容补偿装置、电抗补偿装置和混合补偿装置。
1. 电容补偿装置电容补偿装置采用电容器来产生无功电流，补偿电网中的感性无功功率。
它主要可以分为固定电容补偿装置和可变电容补偿装置两种类型。
固定电容补偿装置适用于无功负荷变化不大的场合。
它具有简单、可靠的特点，并且成本较低。
但是，由于负载变化时的固定补偿容量不能适应需求，可能导致补偿效果不佳。
可变电容补偿装置能够根据负荷变化自动调整补偿容量，适用于负荷波动较大的场合。
它通过控制开关和电容器的并联或串联连接来实现不同的电容量组合，从而提供灵活的无功补偿调节。
2. 电抗补偿装置电抗补偿装置主要采用电感器来产生无功电流，补偿电网中的容性无功功率。
它主要包括固定电抗补偿装置和可变电抗补偿装置两种类型。
固定电抗补偿装置适用于容性负荷变化不大的场合。
它能够稳定供电系统电压，改善电网的稳定性和功率因数。
但是由于固定电感器无法应对负荷波动，因此其补偿效果受到一定限制。
可变电抗补偿装置能够根据负荷变化自动调整补偿容量，适用于波动性负荷较大的场合。
它通过调节器件的感应度和接入方式实现电抗的动态调节，以满足不同负荷条件下的无功补偿需求。
3. 混合补偿装置混合补偿装置是将电容补偿装置和电抗补偿装置组合在一起使用的装置。
通过合理地选择电容和电抗的组合方式，可以更精确地对功率因数进行补偿。
这种补偿方式在大型电力系统中应用较多，可以提高电网的功率因数、稳定性和可靠性。
二、动态无功补偿装置动态无功补偿装置是一种根据电网运行状态实时调整补偿容量的装置。
主要包括SVG（Static Var Generator）和SVC（Static Var Compensator）。
风电场无功补偿装置SVC与SVG比较分析
2无功补偿系统的分析
无功补偿方式可以分为动态补偿和静态补偿两种，静态补偿投切速度慢，不适合负载变化频繁的场合（风电场），容易产生欠补或者过补偿，造成电网电压波动，损坏用电设备；并且投切设备寿命短，噪声大，维护量大，影响电容器使用寿命等缺点。而动态补偿具备治理谐波的功能，本文主要针对风电场来讨论动态无功补偿。
4无功补偿设备
4.1并联电抗器/电容器并联电抗器/电容器是无功和电压调节最基本的方法。将电抗器/电容器连接成若干组，根据风电场出力水平与电网节点电压变化规律确定每组容量，分组投切，实现无功功率的不连续调节，以保持电网关键点电压处于适当范围为控制目标。由于属于比较落后的产品，因此这里不做后续比较。
4.2静止无功补偿器（SVCSTATICVARCOMPENSATOR）SVC由静止电容器与电抗器并联组成，电容器可以发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。类型有：（1）晶闸管控制电抗器（TCR）（2）晶闸管投切电容器（TSC）（3）晶闸管投切电抗器（TSR）（4）晶闸管控制高阻抗变压器（TCT）（5）磁控电抗器（MCR）（6）抱和电抗器（SR）。其中TCR型可分相控制，具有较好的抑制不对称负荷的能力，应用最为广泛，是SVC主要类型之一。
4.3静止无功发生器（STATICVARGENERATOR，SVG也称STATCOM）SVG是一种更先进的无功补偿装置，使用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）兼有金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的高输入阻抗和电力双极型晶体管（GTR）的低导通压降两方面的优点。SVG分为电压型和电流型两种类型，直流侧分别采用电容和电感作为储能元件，其中电压型桥式电路应用较广泛。SVG具有比SVC更快的响应速度，更宽的运行范围，电压较低时仍可以向电网注入较大的无功电流。SVG是目前发电厂电气系统中应用最为广泛的无功补偿装置。
常见的无功补偿装置有哪些？
常见的无功补偿装置有哪些？
（1）并联电容补偿。
它的主要作用是就近向负荷供给无功，在提高用电功率因数、改善电压质量、降低线路损耗。
它具有运行简便、经济可靠等优点。
（2）同步补偿器。
又称调相机，它实质上是空载运行的同步电动机，在过励磁运行状态下，向电力系统供给无功，在欠励磁运行状态下，从电力系统吸取无功功率。
（3）电力电容器成套补偿装置。
这种装置将电力电容器及其控制、保护电器按一定接线连接起来的成套装置，具有安装方便、建设周期短、造价低、投资少、运行维护简便、损耗小等优点。
（4）静止无功补偿装置。
简称静补，用于补偿系统动态工作情况下所需无功功率。
无功补偿SVG和SVC的区别
无功补偿SVG、SVC、MCR、TCR、TSC 区别TSC：晶闸管投切电容器，采用无源器件（电容器）进行无功补偿，分级补偿，不能实现连续可调。
TCR：晶闸管控制电抗器。
MCR:磁控电抗器，与TCR类似，需要和电容柜配合实现动态无功补偿，可实现连续可调。
SVC：静止无功补偿装置，采用无源器件进行无功补偿的技术总称，包括：TSC、TCR等，“静止”是与同步调相机对应，一般来说将使用晶闸管进行控制的补偿装置成为“SVC"。
SVG：静止无功发生器，采用电能变换技术实现的无功补偿。
SVG与其它的最大区别在于能主动发出无功电流，补偿负载无功电流。
而其它均为无源方式，依靠无源器件自身属性进行无功补偿。
SVG与两种类型SVC动态无功补偿装置比较表静止无功补偿器(SVC)与静止无功发生器(SVG)有什么异同？静止无功补偿器(SVC)该装宜产生无功和濾除谐波是靠其电容和电抗木身的性质产生的。
静止无功发生器(SVG)该装置产生无功和滤除谐波是発其内部电子开关频繁动作产生无功电流和与谐波电流相反的电流。
相关知识静止无功补偿湍又称SVC.传统无功补偿用断路器或接触器投切电容，SCV用可控硅等电子开关.没有机械运动部分.所以较静态无功补偿装迓。
通常的SVC组成部分为1 •固定电容器和固定电抗器组成的一个无功补偿加滤波支路该部分适、”1选择电抗器和电容器容虽.可滤除电网谐波.并补偿容性无功.将电网补偿到容性状态。
2•固定电抗器3.可控硅电子开关可控硅用來调节电抗器导通角.改变感性无功输出來抵消补偿滤波支路容性无功，并保持在感性较商功率因数。
动态无功补偿技术应用在电力系统中，如果无功储备不足将会导致电网电压水平降低，冲击性的无功功率负载还会使电压产生剧烈的波动，恶化电网的供电质量。
对于给立的有功分布，要想使无功潮流最小以减少系统的损耗，就要求对无功功率的流向与转移进行很好的控制。
随着电网的不断发展，对无功功率进行控制与补偿的重要性与曰俱增：①输电网络对运行效率的要求日益提高，为了有效利用输变电容疑，应对无功进行就地补偿：②电源（尤英水电）远离负荷中心，远距离的输电需要灵活调控无功以支撑解决稳泄性及电压控制问题：③配电网中存在大量的电感性负载，在运行中消耗大量无功，使得配电系统损耗大大增加：④直流输电系统要求在换流器的交流侧进行无功控制:⑤用户对于供电电能质量的要求日益提高。
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除较低次的谐波，并使较高的谐波限制在一定范围内；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
控制复杂，成本高，35kV以上系统没有产品
适用无功量比较稳定，不需频繁投切电容补偿的用户
机械投切电抗器
MSR
并联在线路末端或中间，吸收线路上的充电功率
其补偿度60% ~ 85%
防止长线路在空载充电或轻载时末端电压升高
不能跟踪补偿，为固定补偿
超高压系统(330kV及以上)的线路上
静止式动态无功补偿SVC
自饱和电抗器
SSR
依靠自饱和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
使用寿命短，故障较多，有漏电流
一般工厂/小区和普通设备，无功量变化大于30s
晶闸管控制电容器
TCC
采用同时选择截止角β和导通角α的方式控制电容器电流，实现补偿电流无级、快速跟踪
20ms
价格低廉，效率非常高
产生谐波
低压小容量，非常适合广大终端低压用户
静止式动态无功补偿SVC
晶闸管阀控制高阻抗变压器
TCT
结构复杂，损耗大，任何一只SCR击穿，都会使晶闸管整体损坏；对冷却要求严格，设备造价、建设施工及运行维护费用很高，对维护人员要专门培训以提高维护水平；占地面积大，产生谐波等
35kV及以下系统，与FC/MSC/TSC配合
磁控可调电抗器
MCR
采用直流励磁原理，利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，改变电抗器感抗电流，以投入的电抗器感性无功容量变化来补偿系统容性无功
功率因数0.95
不会产生谐波，而且响应速度快，不会产生冲击电流。
分级多成本高，制造复杂，维护繁琐
与TSC配合使用在牵引变电所
晶闸管控制空芯电抗器
TCR
通过调整触发角的大小就可以改变电抗器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果
40ms
可以实现较快、连续的无功功率调节，具有反应时间快、运行可靠、无级补偿、可分相调节、能平衡有功、适用范围广
晶闸管结构复杂，需散热，损耗大，遇到操作过电压及雷击等电压突变情况下易误导通而被涌流损坏，有漏电流
需快速频繁投切电容补偿的用户
复合开关投切电容器
TSC+
MSC
分级先由可控硅在电压过零时投入电容，再由磁保持交流接触器触点并联闭合，可控硅退出，电容器在磁保持交流接触器触点闭合下运行
0.5s左右
无涌流，不发热，节能
调整时间长，动态补偿速度慢
动态补偿
原材料消耗大，噪声大，震动大，补偿不对称电炉负荷自身产生较多谐波电流，不具备平衡有功负荷的能力，制造复杂，造价高
超高压输电线路
晶闸管投切电容器
TSC
分级用可控硅在电压过零时投入电容，在380V低压配电系统中应用较多
10～20ms
无涌流，无触点，投切速度快，级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节
300ms
功率因数达到0.90～0.99的要求，无功补偿容量自动无级调节，不产生谐波，可靠性高、维护简单，使用寿命长，应用电压等级广泛
相对于TCR型SVC，其谐波水平、有功损耗、占地面积都要小，但调节时间长，成本高，温升和噪音是需要控制的
0.4～500kV系统，适用于冲击性负荷：牵引变电站，电弧炉，轧钢机，造船厂
高级动态无功
补偿
SVG
新型静止无功发生器
SVG
动态补偿装置SVG是基于大功率逆变器的动态无功补偿装置，它以大功率三相电压型逆变器为核心，其输出电压通过连接电抗接入系统，与系统侧电压保持同频、同相，通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于时输出感性无功。
通过调整触发角的大小就可以改变高阻抗变压器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果
阻抗最大做到85%
和TCR型差不多
高阻抗变压器制造复杂，谐波分量也略大一些，价格较贵，而不能得到广泛应用
容量在30Mvar以上时价格较贵，而不能得到广泛应用
晶闸管投切电抗器
TSR+
FC
分级用可控硅作为无触点的静止可控开关投切电抗器
各种无功补偿装置的比较
大类
名称
型号
工作原理
技术指标
优点
缺点
应用场合
旋转式无功补偿
同步发电机/调相机
欠励磁运行，向系统发出有功吸收无功，系统电压偏低时，过励磁运行提供无功功率将系统电压抬高
可双向/连续调节；能独立调节励磁调节无功功率，有较大的过载能力
其损耗、噪声都很大，设备投资高，起动/运行/维修复杂，动态响应速度慢，不适应太大或太小的补偿，只用于三相平衡补偿，增加系统短路容量
适用于大容量的系统中枢点无功补偿
静止式静态无功补偿
机械投切电容器
MSC
用断路器\接触器分级投切电容
投切时间10～30s
控制器简单，市场普遍供货，价格低，投资成本少，无漏电流
不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
中低压系统：电力行业，指各大电网公司、省电力公司、各地然气行业钢铁与冶金行业矿山造船业