动态无功补偿装置应用及发展

动态无功补偿装置应用及发展11.背景近年来，各电力用户对电能质量的要求越来越高，对电能应用过程中出现的各种电能质量问题越来越重视。这是因为一方面现代化生产过程中所使用的各种先进设备对供电质量的敏感性不断增加。传统的机电设备对供电质量的要求低，能在较大变化范围的供电质量下正常工作，但现代广泛使用的自动化流水线生产线、以微处理器为核心构成的各种电气设备、精密加工仪器、机器人等先进技术，他们能否正常工作都取决于是否有高质量的供电。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障，重则造成整个系统的损坏，由此带来的经济损失难以估计。另一方面大量以提高生产效率，减少环境污染而采用的基于电力电子技术的现代化设备正成为主要的电能质量问题的根源。比如工业系统中各种调速设备正在取代传统的电动机直接驱动方式成为主流，相应地所带来了谐波、无功、闪变、三相不平衡等电能质量问题。也就是说新型的电力电子设备具有双面性，它既是电能质量的敏感对象，也是电能质量的污染源。基于电力电子新技术成功解决实际生活环境中看得见的污染的同时造成了电力系统中看不见的污染，污染问题不是得到了解决，而是在一定程度上进行了形式的转换。因此用户端大量非线性负荷正式成为新型电能质量恶化的主要因素。不论是低压小容量家用电器还是高压大容量工业交直流变换装置中存在的各种变流器，它们都以开关方式工作，会引起电网电流、电压波形的畸变。如电弧炉、弧爆设备等是主要的冲击源、谐波源和不平衡源。电能质量是一个本身模糊的概率，所以不同的人从不同的角度出发给出了许多不同的定义，但是电能质量可用功率因数、电压波动、谐波含量、闪变、负序电流和三相不平衡度等指标来表示。1.1.电能质量问题及危害在我国当代的主要电能质量问题是无功和谐波，涉及负序和电压波动和闪变等方面，主要表现如下：(1)功率因数功率因数是供用电系统的一个重要技术经济指标，用电设备在消耗有功功率的同时，还需要大量的无功功率功率由电源端送给负荷，功率因数反映的是用电设备在消耗一定的有功功率的同时所需的无功功率。用电设备大都为感性负荷，功率因数低引起线路电流增大，使得供配电设备的容量不能充分利用，降低了系统的供电能力；电流有效值增大，使得设备和线路的损耗急剧增加、电压损失加大，使得负载端的电压质量下降；对发电机而言，无功电流增大，使电机的去磁效应增加，端电压降低，使得发电机的出力降低。(2)谐波含量工业的发展使得越来越多的电力电子设备及其非线性负荷在电网中获得应用，这也使得谐波污染问题更加凸显出来。谐波不仅会造成电网污染和危害电力系统正常运行外，还会带来大2量谐波损坏，浪费能源，并危害各种节电设备。谐波会引起电网的附加损耗，一般来说，谐波电流和基波电流相比所占比例不大，但是谐波频率高，导线的集肤效应使得谐波电阻增加很多，因此由谐波产生的损耗也大；谐波会引起旋转电机和变压器的附加损耗，谐波对旋转电机和变压器的影响主要是引起附加损耗过热，其次是产生机械振动、造成和谐波过电压，这些都会缩短电机或变压器寿命，严重时还会损坏电机或变压器谐波对电力设备的危害大，谐波存在会对电力设备造成损坏，加速绝缘老化，谐波叠加后的电压峰值会降低其绝缘性能，严重的谐波过流使得设备的损耗增加，发热加剧；谐波干扰通讯和继电保护等设备，谐波对计算机、通讯、继电保护、电表等弱点设备进行干扰，影响正常的工作和生活。(3)负序电流由于单相负荷和三相不对称负荷的使用，产生了较大的负序电流。较大的负序电流使得旋转电机产生逆向旋转磁场，导致转子产生谐波电流，电机热功率增大，功率降低；负序还容易导致电力系统以负序为启动的继电保护误动作；负序造成电力系统容量和设备容量利用率低，还造成附加损耗，造成电压不对称，降低发电机和电动机出力等不良影响。(4)电压波动和闪变电压波动和闪变的出现是供电系统的特征造成的，任何负荷的改变都会造成电压的波动。波动和闪变主要是由于负荷在0.01秒到数十秒时间内重复反复变动，或由于偶然暂态过程，如电机启动造成。如果这类负荷容量较大将足以通过公共阻抗引起同一公共母线连接点处的电压波动和闪变。大型冶炼厂的电弧炉、大型采矿转绕电动机工作具有不确定性和重复性，是主要的波动和闪变来源。波动和闪变的主要危害是损害人体的健康和视觉功能。因波动和闪变造成的白识灯发光不稳定，计算机显示屏闪烁将影响人的视力。因此，电能质量问题给电力系统和用户都造成了多方面的危害。这些危害轻则造成电能损耗的增加和产品质量的下降；重则造成企业的生产中断和停顿，甚至发生电网解列，出现像美加大那样的停电事故，破坏经济、社会和生活的正常秩序，造成重大的经济损失和深远的社会影响。这种巨大的无形损失远大于直接损失动态电能质量问题已经成为目前影响供电可靠性的主要干扰，这是现代信息化社会供电质量问题不同于以往任何时代的特征。如何改善动态电能质量问题将是提高供电质量至一个全新水平的关键所在。1.2.解决方案现代电能质量问题因电力电子技术的应用而产生，而治理这些电能质量问题也可以通过基于电力电子的补偿技术来解决。针对当前最突出的无功问题采用无功补偿技术，釆用电力电子装置就近吞吐无功从而是提高功率因数。无功补偿装置有串联补偿和并联补偿两种，串联补偿需将补偿装置串入高压系统，对补偿装置的耐压水平和可靠性有很高需求，一旦补偿装置发生故障，将会导致整条线路的故障，增加电网的风险性。而并联补偿出现故障只会影响补偿效果，并不会造成停电停产的问题，在电力电子及其控制技术还不完善的今天，并联补偿是配电网补3偿的首选。目前，采用较为广泛的并联无功补偿方式主要有以下几种：(1)同步调相机同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，而且对变化的无功功率也能进行动态补偿。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，提高系统电压；在欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率，降低系统电压。至今在无功补偿领域中这种装置还在使用，但其运行维护比较复杂，且总体上说这种补偿手段已显落后。(2)开关投切电容器（MechanicallySwitchedCapacitor-MSC）设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法之一，目前在国内外得到广泛应用。这种方法有集中补偿、分散补偿、就地补偿三种方式。设置并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点。但由于电容器供给的无功功率与节点电压成正比，当节点电压下降时，供给无功反而减少，无功功率调节性能较差，还有可能与系统发生并联谐振异致谐波放大。(3)静止无功补偿器(StaticVarCompensator-SVC)静止无功补偿装置或称SVC，是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿(可提供可变动的容性或感性无功)的装置。1967年，第一台静止无功补偿装置在英国研制成功以后，受到世界各国的广泛重视，西德、美国、日本、瑞典、比利时、苏联等国竟先研制、大力推广，使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力，广泛用于电力、铁道、科研等部门，成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压、改善运行条件的有效设备。随着柔性交流输电(FACTS)概念的提出，特别是电力电子技术得到长足发展以后，静止无功补偿装置(SVC)有了很好的发展。在工业界，静止无功补偿装置通常是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，它包括晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchedCapcitor-TSC)，晶阐管控制的电抗器(ThyristorControlledReactor-TCR)，可控硅控制高漏抗变压器(ThyristorControlledTransformer，TCT)，自饱和电抗器(SaturatedReaetor，SR)及其通过相互结合改装的的静止无功补偿器(TCR+FC和TSC+TCR)。(4)静止无功发生器(StaticVarGenerator-SVG)使用晶闸管对电抗器进行实时控制和投切，构成晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)，可以根据电网中无功功率的状况进行补偿。但在实际应用中，SVC离不开具有时滞特性的大容量器件，不能做到瞬时无功控制。随着大功率全控型晶闸管(GTO)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术(PWM)，四相限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，一种以此为基础的更为先进的无功补偿装置——静止无功发生器(SVG)出现了。其基本原理就是将换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。4无功补偿装置的发展历程如图1.1所示。图1.1无功补偿装置发展历程目前，由于电能质量要求不断提高，电网不断发展，对无功补偿装置的性能也更加严格，所以同步调相机和并联电容器的应用逐渐减少，SVC和SVG成为重点研究和开发对象。52.SVG技术及设备SVG的发展源于SVC，又不同于SVC，其具有自己独特的原理性能。2.1.SVG的基本原理2.1.1.SVG主电路的拓扑结构SVG的主电路有电压型桥式和电流型桥式两种类型。直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。对电压型桥式电路，还需要串联连接电抗器才能并入电网，电抗器能滤除装置投入时产生的谐波；对电流型桥式电路，还需要在交流侧并联上吸收换相产生的过电压电容器。其电路基本结构分别如图3.1所示。a）采用电压型桥式电路b）采用电流型桥式电路图3.1SVG的电路基本结构图在单相电路中，在负载和电源之间来回往返的是与基波无功功率有关的能量。但在三相平衡的系统中，不论负载功率因数是多少，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都等于三相总的有功功率。总的来看三相电路中电源和负载之间没有无功能量的传递，各相的无功能量是在三相之间来回往返的，在总的负载侧也就无需设置无功储能元件。因此，需要将三相各部分统一处理，而SVG正是将三相的无功功率统一处理的装置。理论上来说，SVG直流侧无需储能元件，但由于实际电路中存在谐波，能量会在SVG与电源之间交换。因此，通常会在SVG的直流侧接上一定容量的储能元件（电容或电感），但这种储能元件的容量远比SVG所能提供的无功容量小的多。SVC所需储能元件的容量要大于等于其能提供的无功功率的容量。因此，同容量条件下，就储能元件的体积大小而言SVG要比SVC要小的多。电流型桥式电路发生短路故障时危害比较大，且效率低。所以在实际工程应用中大都采用电压型桥式电路。本文也将只对采用自换相的电压型桥式电路的SVG进行研究。2.1.2.SVG基本工作原理SVG的工作原理就是将自换相逆变器主电路通过电抗器并联在电网上，适当地调节逆变器主电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者通过对其交流侧电流直接控制，近而可以使该SVG发出或吸收目标无功电流，实现动态无功补偿。6SVG通过控制电力半导体开关器件的通断完成将直流侧电压转换成交流侧输出电压（频率同电网相同）。因此，正常工作时SVG就像一个交流侧输出接电网的电压型逆变器。当仅考虑基波频率时，SVG可以等效为一个与电网电压同频率的交流电压源，且这个电压源的幅值和相位是可控制的。图3.2为SVG的工作原理图（忽略其损耗时）。其中，：电网电压；：SVG输出的交流电压；：电抗器L上的电压（和的相量差）。由基尔霍夫电压定律可得，为接电抗器上通过的电流，也是SVG从电网侧吸收的电流，控制近而可以控制。如图3.2所示在不考虑逆变器的损耗和SVG本身损耗，并将连接电抗器视为纯电感时，SVG不从电网吸收能量。在上述情况下，只需使和同相位，仅改变的幅值大小即可实现SVG从网侧吸收的电流的大小和方向的控制。具体控制相量原理如图3.2（b）所示。当时，电流滞后电压90°，工作在感性工况下，吸收感性无功；当时，电流超前电压90°，工作在容性工况下，吸收容性无功；当=时，电流电压同相，不吸收无功。a）单相等效电路b）向量图图3.2SVG等效电路及工作原理图（不计损耗）在考虑损耗情况下，（如连接电抗器的损耗、逆变器本身的损耗），并将总的损耗等价为连