静止无功补偿装置2

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1、静止无功补偿装置传统的无功补偿方法是利用机械开关进行投切并联电容器，它的阻抗是固定 的，不能跟踪负荷无功需求的变化，即不能实现无功功率的动态调节。有些负荷 如电弧炼钢，它的无功负荷的波动比较的，对无功的需求在不同阶段有很大的不 同，如果仅利用传统机械开关投切电容器，不能满足要求；如果不进行无功补偿， 当无功需求较大时，会使系统电压下降，影响其它设备的工作。因此，需要一种 能够根据负荷的无功需求而自动调节的装置来调节无功功率，这也就是动态无功 补偿装置所要完成的任务。静止无功补偿装置(Static Var Compensator SVC)是电网中控制无功功 率的装置，依据无功功率的需求自动补偿。

2、所谓静止是相对于调相机而言的，它 没有机械运动部件。它的补偿是动态的，即根据无功的需求或电压的变化自动跟 踪补偿。静止无功补偿系统的各种无功补偿器都是用无功器件产生无功功率，并 根据需要调节或投切的方法进行。另一个显著特点就是依靠晶闸管等电力电子器 件完成调节或投切，可频繁地进行操作。传统的动态无功补偿装置是调相机，它是专门用来产生无功功率的同步电 机，利用调节其励磁的方法，使其发出不同大小的容性或感性无功功率。但由于 它是旋转电机，损耗和噪声较大，运行维护复杂，且响应速度慢，已无法适应快 速无功功率变化，逐步被静止无功补偿装置替代。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中应用，将使用晶闸管的静

3、止无功 补偿装置引入了电力无功补偿控制。目前，使用晶闸管的静止无功补偿装置以其 优良的性能，占据了静止无功补偿装置的主导地位。主要包括晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled ReactorTCR)、晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor)及其混合装置(TCR+TSC)，也有晶闸管控制电抗器与固定电容器 (Fixed Capacitor-FC)混合使用的装置(TCR+FC)。在工业中、变配电及输电系 统中得到广泛应用。随着电力电子的进一步发展，出现了另一种更先进的静止无功补偿装置，它 是采用自换相交流电路的装置，即采用全控型器件构成的电路。

4、通常将此种装置 称为静止无功发生器( Static Var GeneratorSVG) ,也称为高级静止无功补偿器(Advanced Static Var Compensator ASVC)，也称为 静止调相器(StaticCondenserSTATCON)。在国外已有成功应用的例子，国内由清华大学和河南电力局合作的100MvarSVG也已投运。1.无功功率动态补偿原理对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可实现如下功能：a) 对动态无功负荷的功率因数校正b) 改善电压调整c) 提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡d) 降低过电压e) 减少电压闪变f) 减少电压和电流的不平衡以上的功

5、能是相互关联的，在实际的静止无功补偿装置中，往往只能以其中 的某一条或几条为直接控制目标，它们的控制策略也因此不同。这些功能有些是 对负载的补偿效果，有些是对输电系统的性能改善。而改善电压，提高电压稳定 度是两种共同目标。以电弧炉、轧机等大容量冲击负荷为直接补偿对象的补偿装 置，要求的容量较小，而以电力系统性能为目标的静止无功补偿装置，要求较大图 1 为系统、负载和补偿器的单相等效电路图图1a为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。U为系统电压，R和X分 别为系统的电阻和电抗。假设负载变化很小，反映系统电压与无功功率关系的特 性曲线如图 1b 所示。可以看出，该曲线是向下倾斜的，即随着系统供给的

6、无功 功率 Q 的增加，供电电压下降，系统特性曲线可近似表达为：U = U (1 - g)0 Ssc或AUAQ0 sc其中U0无功功率为零时系统电压S系统短路容量sc由上可见，无功功率的变化将引起系统电压的成比例变化。投入补偿器后， 系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即Q = Q + QLr因此，当负载无功功率变化时，如果补偿器的无功功率总能补偿负载无功功 率的变化，从而维持Q不变，那么， Q=0,贝仏U=0,即供电电压保持恒定。 此即为无功功率动态补偿原理。当时系统工作点保持在Q=0处时，实现功率因 数的完全补偿。可见补偿功率因数的功能可以看作改善电压调整的特例。2晶闸管控制电抗

7、器(TCR)2.1 基本原理可控电纳图 2 TCR 单相等效电路其基本原理如图 2 所示，其单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电 抗器串联，而三相结构多采用三角形联结。整个电路并联到电网上，相当于带电 感负载的交流调压电路结构。如果两个可控硅开始导通的时延相等，就可以得到 一系列电流波形，如图T2 a至d所示，每一波形对应一个特定的控制角a值，a的计量以电压过零时为基准，完全导通是在控制角为90时获得的。当控制角 在90到180之间时则得到部分导通，增大控制角，其效果是减少了电流中的基 波分量，这相当于增大电抗器的感抗，减少其无功功率和电流。就电流的基波分 量而言，可控硅控制电抗器是一个

8、可控电纳，因而可用作静止补偿器。由分析可知，触发延迟角a的有效移相范围为90180,其位移因数始终为 0,即基波电流都是无功电流。 当a =90时，晶闸管完全导通，导通角6 = 180，与晶闸管串联的电抗相当于直接接在电网上，其吸收的基波电流和无功功 率最大。当触发延迟角在 90180之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角6180。增大触发延迟角的效果就是减少电流中的基波分量，相当于增大补偿器 的等效感抗，因而减少其吸收的无功功率。电压电流特性是一种稳态特性，特性上每一点都是 TCR 在导通角为某一角度时的等效感抗的伏安特性 上一点。 TCR 能从电压电流特性的某一稳态工作点转移到另一稳态工作点

9、，都是 控制系统不断调节触发延迟角a，从而调整导通角6的结果。2.2 主要接线形式和配置类型图4 6 脉冲 TCR 结构图 5 12 脉冲 TCR 结构TCR 的三相接线形式大都采用三角形联结，其结构就是一个支路控制的三角 形联结三相交流调压电路的形式，如图 4 所示。此种接线形式比其他形式的线电 流中谐波含量小。工程中还常常将每一相的电抗分成两部分，分别接在晶闸管对 的两端，使晶闸管在电抗器损坏时得到额外保护。以上时6脉冲TCR，线电流中 含有6k 1次谐波。图5为12脉波TCR。TCR通过降压变压器连接到母线上，降压变压器二次侧 有两个绕组，一位Y形，另一个为A连接，形成30相差，分别连一

10、个6脉波的 T并联CR。当其中一个故障时，另一个仍可正常工作。2.2.2 TCRFC 结构单独的 TCR 由于只能吸收感性无功，因此常常与并联电容器配合使用。并 联上电容器后，使得总的无功功率为 TCR 与并联电容无功功率抵消后的净无功 功率，因而可将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。另外， 并联电容器上串联小调谐电抗器，兼做滤波器，吸收TCR所产生谐波电流。TCR+FC型SVC的电路结构及其电压电流特性如图6所示。特性左边界的 斜线为晶闸管导通角为零而仅有固定电容并联在母线上时电容器伏安特性 ；右 边界斜线为晶闸管完全导通，串联电抗器直接接在母线上，并与并联电容并联 产生的总

11、等效阻抗的伏安特性，对应净无功功率。当要求此种补偿器的补偿范围 能延伸到容性和感性无功功率两个领域时，电抗器容量必须大于电容器容量。当 补偿器工作在吸收很小的容性或感性无功功率的状态时，其电抗器和电容器实际 都吸收了很大的无功功率，都有很大的电流流过，只是对消而已。这是此类补偿 器最大缺陷。为克服此缺陷，可以采用TCR+TSC的混合型静止补偿器。图6 TCR+FC型SVC的电路结构及其电压电流特性2.3 控制系统控制系统检测系统的有关变量，并根据检测量大小及给定输入量的大小，产生相应的晶闸管触发延时角，以调节补偿器吸收的无功功率，因而控制系统包括三部分：检测电路：检测控制所需的系统变量和补偿容

12、量控制电路：对检测信号和参考值进行处理 触发电路：根据控制电路输出产生相应触发延迟角的晶闸管触发脉冲 检测电路取哪些量作为被测对象及采取什么样的控制策略和控制电路，取决 于用户对补偿器的要求。总体来说，控制策略可分为开环和闭环控制两大类。开 环控制响应速度快，适用于负载补偿，尤其在减少电压闪变方面；闭环控制的优 点是控制精确，对于输电补偿特别适用。控制电路输出的控制信号一般是期望补 偿器所具有的等效电纳。控制方法：闭环控制的策略较复杂，以改善电压调整为例，要得到稳定的电压，必须引 入电压负反馈，它通过检测到的电压U和系统给定电压参考值u f的比较，由偏 ref差来控制系统运行。调节器一般采用比

13、例调节器，如图8所示。TCR电压-电 流特性在电压轴上的截距由电压参考值Uref来决定，而其斜率有闭环系统的开环 放大倍数决定，因而改变闭环系统的开环放大倍数就可以改变电压-电流特性。 补偿器的动态特性和稳定性由闭环系统的开环放大倍数和时间常数决定。图8 只有电压反馈的控制方法为进一步改善控制性能，可以再引入补偿电流的反馈，如图9所示。在电压 反馈的外闭还内再引入电流环的负反馈，以提高精度。补偿电流将完全由电压调 节器输出信号决定，补偿器的电压-电流特性的斜率仍由电压调节器的放大倍数图9 带电流内环的电压反馈控制方法2.3动态过程分析以改善电压的 TCRFC 型补偿器为例介绍一下受扰动后系统动

14、态调节过程。图10为TCR补偿器的电压一电流特性（图中0ABD）段，而扰功前系统负载11。两者交于a（也就是扰动前系统的工作点）。补偿器特性上a点对应 器等效感抗的伏安特性 0F 与系统负载线的交点。假设在某时刻，电力系统突然受到扰动， 如无功负载突然减小，造成系统负载线突然从 11：升至，则在这一时刻，由于补偿器还未来得及调整，其晶闸管导通角仍为6，因此系统的工作点将从a点移a至b点.也就是导通角为6时补偿器等效感抗的伏安特性与系统负载线的交点。 a随后，由于补偿器控制系统的检测与调节作用，使晶闸管导通角增大至6，最C终将使系统稳定运行在C点，即补偿器特性与的交点，或者说导通角为6时补c偿器

15、等效感抗的伏安特性0G与12的交点。一般调节过程在12个周波内完成。3 晶闸管投切电容器（TSC）Oa)c)抑制冲击电流 、的小电感3.1 基本原理b）图11晶闸管投切电容器基本原理图原理如图 11 所示，其中的两个反并联的晶闸管只是起将电容起并入电网或 从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的 冲击电流。因此当电容器投入时，TSC的电压一一电流特性就是该电容的伏安特 性，如图 11 中所示。在工程中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投 切，这样可根据电网的无功需求来投切电容器。TSC是断续可调的吸收容性无功 功率的动态补偿器。其电压一一电流特性按照投入电容器组数的不同而不同。当 TSC用于三相电路时，可以A联结，也可以Y联结，每一相都设计成图lib所 示的分组投切。电容器的分组投切方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越 好，综合考虑系统的复杂性及经济性，一般采用二进制方案，即采用k-1个电容 值均为C的电容和一个电容值为C/2的电容，可以组合成电容值有2k级。优点：与机械开关投切电容器相比，操作可以较频繁进行，开关寿命长，可 以控制合闸角度，减少投切时的冲击电流和操作困难；与 TCR 相比，虽不能连 续调整无功，但运行时不产生谐波且