动态无功补偿技术实际应用综述

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1、动态无功补偿技术应用综述夏祖华1，沈斐2,胡爱军2，童陆园摘 要：合理的无功功率补偿对于对输配电系统非常重要。无功补偿装置已经由同步调相 机、并联电容器发展到基于大功率电力电子器件的静止补偿装置。文章在描述动态无功补 偿技术在国内外应用现状的同时，详细介绍了SVC及STATCOM的基本原理、功能以及它们在输电网、配电网、大型工矿企业的具体应用，并对二者的技术经济性能做了详尽的 比较。关键词：动态无功补偿； SVC ； STATCOM ;电压稳定；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。对于给定的有功分布，要

2、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日俱增：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量，应对无功进行就地补偿；电源（尤其水电）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定性及电压控 制问题；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；直流输电系统要求在换流器的交流侧进行无功控制；用户对于供电电能质 量的要求日益提高。因此，对电网的无功进行就地补偿，尤其是动态补偿，在输配电系统中十分必要。1 无功补偿装置的发展电力系统中，常见的无功控制

3、方法有同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等，这里主要讨论静止无功补偿装置。静止无功补偿技术经历了3代：第1代为机械式投切的无源补偿装置，属于慢速无功补偿装置，在电力系统中应用较早，目前仍在应用；第2代为晶闸管投切的静止无功补偿器（SVC），属无源、快速动态无功补偿装置，出现于 20世纪70年代，国外应用普遍， 我国目前有一定应用，主要用于配电系统中，输电网中应用很少；第3代为基于电压 源换流器的静止同步补偿器（ Static Synchronous Compensator，STATCOM ），亦称 ASVG，属快速的动态无功补偿装置1 ，国外从 20世纪80年代开

4、始研究，90年代末得到较广泛的应用，我国的第一个STATCOM 示范应用工程已经在河南电网投运。早期的无功补偿装置主要是无源装置，方法是在系统母线上并联或者在线路中串联一定容量的电容器或者电抗器。这些补偿措施改变了网络参数，特别是改变了波阻抗、电气距离和系统母线上的输入阻抗。无源装置使用机械开关，它不具备快速性、反复性、连续性的特点， 因而不能实现短时纟纠正电压升高或降落的功能。20世纪70年代以来，以晶闸管控制的电抗器（ TCR ）、晶闸管投切的电容器（ TSC ） 以及二者 的混合装置（TCR+TSC ）等主要形式组成的静止无功补偿器（SVC ）得到快速发展2。SVC可以看成是电纳值能调节

5、的无功元件，它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换，同时还具有较 快的响应速度， 它能够维持端电压恒定。SVC虽然能对系统无功进行有效的补偿，但是由于换流元件关断不可控，因而容易产生较大 的谐波电流，而且其对电网电压波动的调节能力不够理想3。随着大功率全控型电力电子器件 GTO、IGBT及IGCT的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术（PWM ）、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿技术 也得以迅速发展。静止同步补偿器，作为FACTS家族最重要的成员，在美国、德国、日本、中国相继得到成功应用。电压型的S

6、TATCOM 直流侧采用直流电容为储能元件，通过逆变器中电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压。当 只考虑基波频率时，STATCOM可 以看成一个与电网同频率的交流电压源通过电抗器联到 电网上。由于 STATC0M 直流侧电容仅起电压支撑作用，所以相对于svc中的电容容量要小得多。此外， STATCOM 和SVC相比还拥有调节速度更快、调节范围更广、欠压 条件下的无功调节能力更强的优点，同时谐波含量和占地面积都大大减小。2 国内外电网动态无功补偿的现状我国电网中目前使用最为广泛的补偿装置是机械投切的并联电容器组。为满足调压要求,在低压供电网络中装设了大量的并联电容器

7、组，在中压配电网络中装设了少量的并联电容器组。20世纪70年代初，武汉钢铁公司在1.7 cm轧机工程中进口了由比利时直流励磁饱和电抗器与日本电容器组成的静止补偿装置后，国内才对动态无功补偿冋题引起了重视。自20世纪80年代以来，我国对晶闸管控制的SVC投入了大量研发力量，目前已有了一定的技术基础，但高压大容量产品仍主要依靠进口。目前，我国输电系统中一共有5地6套大容量SVC投入使用，它们分别被装设在广东江门、湖南云田、湖北凤凰山（2套）、河南小刘以及辽宁沙岭的500 kV 变电站中。此类SVC多为进口，其中有 3套是ABB公司的产品。高电压等级下SVC面临的最为严重的问题是电容器爆炸，如广东江

8、门500 kV变电站中SVC运行5年后并联电容器爆炸，湖南云田500 kV 变电站中SVC自1988年以来发生了 4次电容器组爆炸事故。在380 V10 kV配电系统中，近年来主要采用无平滑调节功能的TSC实现分级无功补偿。SVC在大型工矿企业中的应用较为广泛，在钢铁企业中的应用尤为突出，武汉钢铁公 司、包头钢铁公司、宝山钢铁公司、济南钢铁公司、张家港沙钢铁公司、天津钢管公司等 均装有该补偿装置。如济南钢铁公司中厚板厂二期工程在35 kV母线上就安装了由西门子公司设计制造的一套容量为25 Mvar的SVC , 2001年底带负荷一次投运成功。1999年3月，我国第一台工业化 STATCOM 在

9、河南省洛阳市朝阳变电站成功并网运行，标志着我国掌握了高压大容量FACTS设备的设计制造技术4 。该 STATCOM 基于GTO器件，主电路核心部分是电压型多重化逆变器，容量为i20 Mvar，由清华大学电机系柔性输配电系统研究所与河南省电力局联合研制。为了进行机理研究，事先还研制了1台300 kvar中间工业试验装置，于1995年8月并网闭环运行。目前，清华大学电机系正和上海市电力局联合研制基于链式结构的50 Mvar STATCOM，它将应用于上海 500 k电网中。从国际范围来讲，目前 SVC与STATCOM 都已得到普遍的应用。SVC出现早，应用时间长，仅 ABB公司，其目前在全世界投运

10、的SVC就已超过370套，ABB与西门子两个公司已安装的 SVC总容量约为 9万Mvar （包括已退役装置）。 STATCOM 装置在20世 纪主要以示范工程为主，从上世纪90年代末到本世纪初，STATCOM 在日本及欧美得到了广泛应用，尤其是在冶金、铁道等需要快速动态无功补偿的场合。20012003 年，美国在输电网接连投运了百 Mvar级的大容量 STATCOM，表明STATCOM 在输电网中已完全 进入实用阶段。由于都是基于电压源换流器技术，这些STATCOM装置仅通过改变母线接线方式，就可以变成背靠背的直流输电，能对电网的潮流进行更有效的控制。据ABB公司2001的统计，目前全世界 S

11、VC的投运容量超过 32000 Mvar , STATCOM 的投运容量已 超过 1 500Mvar。3 动态无功补偿装置的工作原理及其在输电网中的应用3.1 SVC的工作原理及在电网中应用TCR+TSC 型SVC的基本拓扑结构见图 1。它由1台TCR、2台TSC以及2个无源TCR TSCl TSC2 滤波器图1 TCR+TSC 型SVC基本拓扑结构TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效电纳的大小，从而输出连续可变的无功功率。图1中两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行，通过改变控制角a可以改变电感中通过的电流。a的计量以电压过零点为基准，a在

12、90。180。之间可部分导通，导通角增大则电流基波分量减小，等价于 用增大电抗器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90180。之间连续调节时电流也从额定到0连续变化，TCR提供的补偿电流中含有谐波分量。TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。这里，晶闸管只是作为投切开关，而不像TCR中的晶闸管起相控作用。在实际系统中，每个电容器组都要串联一个阻尼电抗器，以降低非正常运行状态下产生的对晶闸管 的冲击电流值，同时避免与系统产生谐振。用晶闸管投切电容器组时，通常选取系统电压 峰值时或者过零点时作为投切动作的必要条件。由于TSC中的电容器只是在两个极端的电流

13、值之间切换，因此它不会产生谐波，但它对无功功率的补偿是阶跃的。TCR和TSC组合后的运行原理为：当系统电压低于设定的运行电压时，根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组，并略有一点正偏差（过补偿），此时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功；当系统电压高于设定电压时，则切除所有电容器组，只留有 TCR运行。图2给出了该控制方式下稳定系统电压时采用的控制框图，控制器所需信号为系统线电压和线电流。如果用于补偿系统无功功率或校正系统功率因数，只需将电压设定值改为相应的无功设定值或功率因数设定值即可。控制规律采数据址理用可变参数的 PI调节器，其算法简单、可靠，而且易实现。矚慫

14、润厲钐瘗睞枥庑赖。pr梢n图2 SVC面向系统平衡策略控制框图SVC应用于电力系统中对系统产生的影响有：增强系统的暂态稳定性。SVC安装于中长距离输电线路中点可以改善系统的暂态稳定性，其P- 3特性曲线给故障后电机提供的减速面积和暂态裕量比没有补偿的情况下要大。有力的支持系统电压，防止电压崩溃。系统发生故障或者负荷电流（尤其是无功电流）急剧增高的瞬间，SVC能够对系统进行瞬时无功补偿来支撑电压以抑制电压崩溃的趋势。有效的阻尼系统振荡。TCR可以用极高的速度平滑地调节无功和电压，具有调制状态工作的可能。它可以在一个与工频50 Hz不冋的频率下作适当浮动，如果浮动与系统摇摆或振荡频率相冋而相位相反

15、，就可以增大系系统使供电电流变成三相平衡，能够使单相负荷变成三相平衡负荷而没有无功分量。抑制负荷侧电压波动 和闪变，校正功率因数。SVC也有其自身的弱点，它是阻抗型补偿，随着电压的降低其无功输出也会与电压成平方 关系降低，若采用基于电压源逆变器的STATCOM 将会取得更好的效果。3.2 STATCOM的工作原理及在电网中应用我国首次研制成功的 20 Mvar STATCOM 的总体构成框图见图 3。它主要由直流电压 源（通常以直流电容代替）、基于 GTO的逆变器和连接变压器 3部分组成。以二极管构 成的整流桥从交流系统吸取少量有功功率对直流电容C充电，保持其电压稳定。控制器根据电网无功变化情

16、况，通过6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功。STATCOM 向系统注入的无功 Q为聞創沟燴鐺險爱氇谴净。r2Q =二8氓式中，Vs为系统电压；Rs为逆变桥等效电阻；3为SVG输出电压与 Vs的夹角。由公式可知，通过调节 3的大小，就可以控制 STATCOM 注入系统的无功功率。由于 Rs很小，所以调节范围非常大。如果多台STATCOM 并联移相输出，则既可提升补偿容CT、220kVW|。丁门逆住柜L1SQ ,则会出现无功倒流入系统的情况，这时压降损失反而会增大，降损的效果也会逐步开始恶 化。所以，配网侧 SVC在一定条件下不仅可以改善配网用户的电压质量，同时还可以降损节

17、电。4.2 DSTATCOM基本原理及应用在配电网中，将中小容量的STATCOM 安装在某些特殊负荷(如电弧炉)附近，可以显著地改善负荷与公共电网连接点处的电能质量，如提高功率因数、克服三相不平衡、消 除电压闪变和电压波动、抑止谐波污染等。这种在配电网中用来提高电能质量的STATCOM 般称为配电同步补偿器( Distribution STATCOM ，DSTATCOM )。和高压大容量 STATCOM 类似，DSTATCOM 的基本原理是将自换相桥式电路通过电 抗器并联在电网上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幅值和 相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者

18、发出满足要求的无功电流，实 现动态无功补偿的目的。DSTATCOM 主要应用在经济效益受电能质量影响较大的工矿企业，如钢铁、冶金、 矿山、电气化铁路、风电厂以及其他具有或者靠近冲击性负荷和大容量电动机的工业领域。 DSTATCOM 能够有效改善配电网的电能质量，可以为配电网中的厂矿用户带来可观的经济效益。以瑞典 Uddeholm Tooli ng 钢铁公司的 DSTATCOM 项目为例，该钢厂有 1台电弧炉和1台精炼炉，额定功率共37.5 MVA , 2座电炉均由132 kV线路通过132/10.5 kV变压器供电。在其10.5 kV供电母线上安装了1套22 MVA的DSTATCOM 设备后，

19、钢厂的各项指标发生了下列变化：功率因数高于0.95，避免了电力部门的罚款。冶炼时间从124/炉降至106 min/炉，缩短了 18 min/炉，即14.5%。电极消耗量从 2.39 kg/t 降至 2.12 kg/t，减少了 0.2 kg/t，即 8.4%。耗电量从 625 kWh/t降至600 kWh/t，减少了 25 kWh/t，即4%。电压闪变减少 3 -5倍。熔化期时， DSTATCOM 投运前10 k母线电压在9.710.8之间波动，波动幅度为1.1 kV ,即10.5%，而投运后，电压为10.4 kV，波动幅度在 0.1 kV之内，即0.95%。按目前生产资料价格、电价以及年产量计

20、算，安装DSTATCOM 后，该钢厂每年因节能 降耗和增产所创造经济效益的总和有逾千万元人民币。5 STATCOM与SVC的技术经济比较STATCOM (包括 DSTATCOM )和SVC都为动态无功补偿装置，但它们的特性功能去卩存在着相当的差异。一般说来，STATCOM 和SVC相比有下列优越性：(1) STATCOM 输出电流不依赖于电压，表现为恒流源特性，具有更宽的运行范围。而SVC本质是阻抗型补偿，输出电流和电压成线性关系。因此系统电压变低时，同容量STATCOM可以比SVC提供更大的补偿容量。(2) STATCOM比SVC具有更快的响应速度，因而更适合抑制电压闪变。STATCOM响应

21、时间在 10 mS 以内，而 SVC响应时间一般在 2040 ms。STATCOM 从额定容 性无功功率变为额定感性无功功率(或相反)可在1 ms之内完成，这种响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。(3) STATCOM采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次谐波减小到可以接受的程度。而SVC本身要产生一定量的谐波，如 TCR型的5、7次特征次谐波量比较大，占基波值的5%8% ;其他如SR , TCT等也产生3、5、7、11等次的高次谐波，这给 SVC系统的滤波器设计 带来许多困难。(4) 在故障条件下，STATCOM 比SVC具有

22、更好的控制稳定性。 SVC使用了大量 电容器电抗器，当外部系统容量与补偿装置的容量可比时，SVC会产生不稳定性。 STAT COM对外部系统运行条件和结构变化不敏感。(5) 同容量STATCOM 占地面积小于 SVC。由于STATCOM使用直流电容器储能， 因而可以减小电容器体积，且不需要并联电抗器即可以控制无功功率平滑变化，因此安装尺寸大大减小。(6) STATCOM能够在一定范围内提供有功功率，减少有功功率冲击。SVC只能提 供无功功率，不具备提供有功功率的功能。(7) STATCOM 中电容、电感等元件采用了与SVC完全不同的技术和制作工艺，运 行过程中电 磁噪声显著降低。(8) STA

23、TCOM 具有优良的可扩展性。 STATCOM 技术为许多FACTS设备如UPFC、APF、BESS等提供了坚实的基础，因此拥有广阔的应用前景。一般仿真研究表明，暂态稳定问题中为使得电压恢复效果相同，安装STATCOM 容量要比SVC节约20%左右。但 SVC发展历史相对于 STATCOM 来说要久远，因此其技术 实现比较成熟，同时它还具有结构简单、控制算法容易实现、成本较低的优势，在一些对 无功补偿性能要求不高的场合，SVC依然是一个合适的选择；此外， SVC具有多种拓扑组合，可以根据用户需求选择相应的组合。应用STATCOM 取代SVC中的TCR，与TSC形成的组合也是一种可选的经济方案，

24、该组合综合了STATCOM快速性、谐波含量低、正负无功平滑调节以及 TSC的经济性、分级补偿的特点。6 结束语动态无功补偿装置 SVC、STATCOM 及DSTATCOM 等在输电网、配电网、大型工矿企业 中应用广泛，起到了电压支撑、无功补偿、抑制闪变等关键作用。随着技术的发展以及电 网安全和电力用户的需要，动态无功补偿装置将会得到更为广泛的应用，且应用的方式也 将随着使用场合的不同而灵活采用不同的无功补偿方式，或者同时综合应用多种无功补偿 技术。7参考文献1 N G Hingorani ，L Gyugyi. Understanding FACTS. The Institute of Elec

25、trical Electro nics Engineers，Inc.，New 丫Qk,2000.2 L Gyugyi. Power Electronics in Electric Utilities Static VAR Compensators. Proceed inqs of彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。the IEEE , 1988 , 76(4) : 483 494,3 王兆安等编著.谐波抑制和无功功率补偿 .北京：机械工业出版社，2002.4 刘文华，姜齐荣等 .0 Mvar STATCOM总体设计.电力系统自动化， 2002 , 24(23):14 18,5 姜齐荣，刘文华等.0 Mvar STATCOM 控制器设计.电力系统自动化，2002,24(2 3):24 28.6 陈辉祥，王仲鸿，崔文进等.广东电网电压稳定研究.电力系统自动化，2004 ,28(7): 8689.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。