动态无功补偿装置

动态无功补偿装置

随着现代电力电子技术的发展，产生了一些静止形态的动态无功补偿装置。电力电子装置不仅可以发送而且还可以吸收无功功率，其本身也成为产生无功的功率源。在许多情况下，动态补偿有功功率或在补偿无功的同时也补偿部分有功功率，对改善电能质量会有更好的效果。随着电网中精密电能用户的增多，要求电网必须提供与用户所要求的质量指标相适应的电能。近年来，为了进一步提高配电电能质量指标，出现了多种动态的改善电能指标的电力电子设备。这些提高电能质量和供电可靠性的技术称为契约电力(custom power)。补偿技术发展的初期，人们已经注意到补偿无功功率和补偿系统参数存在某些相同的效果，有时甚至会产生更适合用户的效果，因此，补偿参数技术在电网中有着重要的应用领域。最常用的是串联电容输电补偿，他对减少电压变动，提高电力系统稳定性起到重要的作用。

本文对电力系统中为提高电能质量所使用的各种补偿技术及动态补偿方式作了概括性的介绍，重点叙述了补偿技术的发展及其技术前景，讨论了正在开展的新的补偿技术以及补偿用能源的合理使用，并表明了对当前电网中应用各种补偿方式的看法和评价。电力电子技术应用于电网和用户后使电网上产生了更多的无功和谐波，而用于滤波的技术实际上与补偿技术是相互联系也是相互影响的，因此，对滤波技术的进展也作了介绍。

1并联无功补偿

1.1同步调相机

同步调相机是最早用于电网的无功补偿设备，适合于电网电压调节。但调相机的反应速度较慢，因此对瞬时电压波动效果较差。他以励磁电流调节来改变发出电压，从电压的幅值大小决定无功功率的输出，同步电机的启动和运行需要很大的维护工作量，这是他的弱点。同步调相机运行中转子有惯性，在故障瞬间调相机向系统输出短路电流，增大系统的短路容量。对系统容量偏小而且电网短路电流不够大的电网（如直流输电的受端），同步调相机还是有显著作用的。但是，在一般电网中，由于短路容量往往偏大，甚至于需要采取限流措施，不适合采用同步调相机。目前，除了需要加大短路容量外，作为无功和电压补偿的同步调相机已经被完全淘汰。

1.2静止无功补偿器(static var compansator，SVC)

平滑动态补偿是指所补充进电网的无功电流，他是按照电网无功需求的变化而变化的。由于无功是与电压直接联系的，所以调节无功在很大程度上是为了系统电压的质量和电压支撑。

静止无功补偿器目前主要有以下2种类型，一种是晶闸管投切电容器(TSC)，另一种是晶闸管控制电抗器(TCR)。TSC与普通电容器不同之处，在于用晶闸管代替了断路器作电容器组的投切。TCR则连续调节电抗器电流大小，使无功按要求变化，下面分别说明其特点。

1.2.1晶闸管投切电容器(TSC)

电容器组的投切开关处用晶闸管开关取代了机械式的开关，例如油断路器或真空断路器。晶闸管开关由反并联的晶闸管组成，也可以用一只晶闸管与一只二极管反并联。TSC用的晶闸管只有2个状态，导通和断开。晶闸管由一个控制器控制。

用晶闸管开关取代普通有接点开关的优点是，在投切过程中没有冲击电流和过电压，这是由于电容器的接入是在晶闸管两端电压过零瞬间完成，而电容器的切断是由晶闸管在电流过零时完成。这样电容器可以任意频繁的投切。由于与TSC相连的由一般断路器投切的电容器或电缆线路会向TSC放电，因此，在TSC的电容器电路上串联有电抗器，他既可限制放电电流也能防止电容器组产生某些次谐波的谐振。

主要的TSC电路：△形接线电路的TSC可以在任何电网使用。Y0形接线电路的TSC则只能用在电源变压器有中心点连出的系统中。目前，Y0接线只用在低压系统。

对于TSC的使用范围，最近比较通行的看法是用在低压系统，即在600 V及以下电压等级系统中用一台或多台TSC控制无功和电压是既经济又可靠的选择。

1.2.2晶闸管控制电抗器(TCR)

TCR是静止补偿器中的重要组成员，他调节晶闸管的导通角度以改变电抗器电流。TCR总与电容器并联使用，当系统需要较多电容时，TCR使电抗电流减小，若系统需求电容电流下降，TCR则使电抗电流加大，用电抗电流多抵消电容电流，这相当于使接入系统的电容电流减小。TCR本身会产生谐波，所以，往往用滤波器代替部分并联的电容器组，也可用TSC。

在电容器组切除后，TCR可以接受感性无功，这样，在电网夜间电压过高时，TCR可以起到降低受端电压的作用。图3是TCR及其系统接线。其中，变压器可以是任何一种接线。滤波器除滤掉TCR产生的谐波外，也要滤掉负荷所产生的部分谐波，要根据负荷性质考虑滤除谐波的次数。

TCR和TSC都可以分相调节，也就是可以按每相电压或无功的要求确定。瞬时补偿无功量。他们都有减小不对称电流和电压的效果，并且具有在不对称故障时支撑电网电压的作用，使电网不因电压崩溃而失步。

1.2.3晶闸管投切滤波器(TSF)

晶闸管投切滤波器在结构上与晶闸管投切电容器TSC相同，但其参数不同，且有独特的运行状态。TSC 和TSF都有补偿系统无功的能力。TSC的电抗器是为了避免电容涌流和躲过谐振频率而设置的。TSF的电抗器是为了使某一次谐波取得低阻抗通道设计的。运行中TSF可能有大量的谐波流过，高次谐波电流流过滤波器时每基波(50 Hz)电流相加使总电流可能产生多次过零的现象，这时，要求控制器有按反向电流流过而给晶闸管触发信号的能力，这要求控制器能在同步之外符合电流方向给以触发。虽然，晶闸管投切滤波器是新的技术，但已经显示出他的重要作用，到目前其的运行效果是令人满意的。

1.3无功发生器(STATCOM，SVG)

随着电力电子技术向可控关断和快速触发方向发展，有可能制造出动作频率更高的电力开关器件，从而研究开发出可以在任何相位运行的逆变器。无功发生器(SVG)就是一个可以产生超前电流90°或滞后电流90°的逆变器，同时，他带有自整流充电能力。SVG的工作原理是从三相电网上取得电压向一个直流电容充电，再将直流电压逆变成交流电压送回电网。SVG最简单的原理见图4。如果产生的电压大于系统电压，那么变压器上流过的电流超前电压90°，使电网带上电容性负荷，或者说SVG供应无功；如果产生的电压小于系统电压，流过变压器的电流滞后电压90°，使SVG成为电感性负载，或者说SVG吸收无功。这样，如果按需要调节发生器的电压就可以得到适宜的无功输出，而且SVG可以在感性和容性间快速连续调整。简化(略去谐波)后可用向量关系来描述上述原理（见图5）。

无功发生器的直流侧电容只提供直流电压，他的电压则由三相6个二极管充电得到。因此，在系统电压下降时，他仍能供出额定的无功电流。而静止补偿器类的设备，其输出的电流与电压是成比例减小的。在原理上，无功发生器在故障中有更好地支撑电压的效果。

无功发生器难于应付系统的不对称。无功发生器在系统电压不对称时，会产生很大的负序电流，这个电流必须流过直流电容器，也就是无功发生器本身不能承担过大的不对称电流。另外，无功发生器在系统不对称时产生的不对称电流将扰乱系统的正常运行。目前采取的方法是，在系统发生不对称时将无功发生器自动切除。由于电力系统中的故障多数是不对称的，这使得无功发生器能产生额定无功电流的优势不能充分发挥出来。

2串联电容补偿

2.1静态串联电容补偿装置(SC)

从补偿电网负荷侧电压下降的角度看，用电容补偿无功并不能使电压的变化率减小。如果系统电压用E表示，电网阻抗是R和X，受端电压为U，在负荷电流i和功率因数cosφ时，电流可以分解成有功电流ip(ip=icosφ)和无功电流iq(iq=isinφ)2个分量。受端电压与系统电压之间的关系

其中ipR和iqX二项与U方向相同，是影响电压降ΔU的主要成分，而ipX和iqR二项与电压U垂直，主要生成两端电压的角度δ，即功率角。有功电流和无功电流引起的电压降向量图见图6。因此，对于以改善电能质量为目的的补偿应该主要着眼于ipR和iqX二项。从图6中可以看出，ipR一般所占比例较小，且不便于补偿，因此，补偿iqX项是唯一可行的。iq是无功电流，U是受端电压，无功Q=iqU。如果经补偿使iq减小，也就是无功Q减小，电压降分量iqX就可以降低，从而使电压降减小。如果要动态补偿iq，可采用TCR或TSC装置随时改变电容电流以减小iq，，但TCR和TSC的投资会大于电容器组。如果用固定电容器补偿，有功电流几乎没有改变，而无功电流则成为iq－ic（ic，是电容电流）。在iq=－ic，时，无功电流达到最小；而iq=0时，无功电流是－ic，这时，不仅电压没有下降反而会升高，即用固定电容补偿