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功
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北极星电力网技术频道 作者:3 2007/12/21 15:01:40
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。 0概述 1无功补偿装置的发展 2国内外电网动态无功补偿的现状 3动态无功补偿装置的工作原理及其在输电网中的应用 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α可以改变电感中通过的电流。α的计量以电压过零点为基准，α在90o～180o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90o～180o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。 3.2STATCOM的工作原理及在电网中应用 我国首次研制成功的±20MvarSTATCOM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 式中，VS为系统电压；RS为逆变桥等效电阻；δ为SVG输出电压与VS的夹角。 STATCOM（包括DSTATCOM）和SVC都为动态无功补偿装置，但它们的特性功能却存在着相当的差异。一般说来，STATCOM和SVC相比有下列优越性： 4）在故障条件下，STATCOM比SVC具有更好的控制稳定性。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。STATCOM对外部系统运行条件和结构变化不敏感。 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。 [1]HINGORANI,NGGYUGYI,LUnderstandingFACTS.TheInstituteofElectricalElectronicsEngineers,.Inc.,NewYork,2000.
关键词：动态无功补偿；SVC；STATCOM；电压稳定；应用
中图分类号：TM
电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差。历史上，电力系统中许多机电设备都能在上述参量相对较大的变化范围内正常地工作。但是在近5～10年，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中大量投入使用，他们对系统干扰比机电设备更加敏感，因此对供电质量的要求也更高。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障或停运，重则造成整个系统的损坏，由此带来的损失是难以估量的。另一方面，大量为提高生产效率、节约能源和减小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产生电能质量问题的主要来源。以电气化铁路机车牵引式负荷为例，他属于整流负荷，是典型的谐波源；他采用工频单相式交流供电，又是典型的负序源；同时他又具有波动性和不确定性，是典型的电压波动源和闪变源。普通用户中大量使用的开关式电源，公共照明系统中荧光照明负荷正逐渐成为配电系统中主要的谐波源和波动源。可以说，在这些新技术成功解决实际生活环境中的污染问题的同时，如不加防范则会造成电力系统中新的污染问题。因此，现代社会的电能质量问题具有一系列新的特点。
1.1 负荷侧对电能质量的污染呈增长趋势
多年来电能质量问题主要来源于系统侧，包括系统正常运行状态改变，如电源投入、有计划的无功补偿电容器组的投入/切除、大型电动机启动等；非正常的系统状态改变如系统元件故障，人员误操作等将给系统带来较大的冲击；自然环境中的雷击、大风和雨雪天气也会造成相应的电能质量问题。而近年来，用户端大量非线性负荷的应用正成为电能质量恶化的重要因素。例如从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交直流变换装置中存在的各种静止变流器，它是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形的畸变。大型电弧式设备，如电弧熔炉，弧焊设备等，也成为重要的冲击源和谐波源。一个值得注意的问题是为了减少重要设备对电能质量问题的敏感度，设备制造商努力进行设备的升级和改进，用户则采用各种保护性装置，而这些改进措施和保护装置常常顾此失彼，对公共供电的电能质量造成更大的危害。一些信息设备和公用设备的谐波含量[1]见表1。
1.2 电能质量问题的内涵发生了较大改变
交流输电功率包括有功功率和无功功率。在有功功率不变的情况下，无功功率越大就会使功率因数降低，视在功率增大，从而需要增大发、输、配电设备的容量，增加投资和电力损耗费用；使输电线路电压降变大，不利于有功电力的输送与合理应用。但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：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量，应对无功进行就地补偿；②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；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。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。
电力系统中，常见的无功控制方法有同步发电机、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，目前也仍在应用；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（StaticsynchronousCompensator，STATCOM），亦称ASVG，属快速的动态无功补偿装置，国外从20世纪80年代开始研究，90年代末得到较广泛的应用，我国的STATCOM示范应用工程在河南省。
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。SVC可以看成是电纳值能调节的无功元件，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。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STATCOM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STATCOM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。
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1.7cm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问题引起了重视。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500kV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，如广东江门500kV变电站中SVC运行5年后并联电容器爆炸，湖南云田500kV变电站中SVC自1988年以来发生了4次电容器组爆炸事故。
在380V~10kV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35kV母线上就安装了由西门子公司设计制造的一套容量为25Mvar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。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±20Mvar，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300kvar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±50MvarSTATCOM，它将应用于上海500kV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。 2001~2003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SVC的投运容量超过32000Mvar，STATCOM的投运容量已超过1500Mvar。
3.1SVC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个无源滤波器组成，在实际系统中，TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。
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。控制规律采用可变参数的PI调节器，其算法简单、可靠，而且易实现。
SVC应用于电力系统中对系统产生的影响有：①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—δ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。②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。③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50Hz不同的频率下作适当浮动，如果浮动与系统摇摆或振荡频率相同而相位相反，就可以增大系统的阻尼而抑制振荡。④补偿不平衡负荷。负荷不平衡时，SVC不平衡控制策略可以补偿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。⑤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。
由公式可知，通过调节δ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，则既可提升补偿容量，又能抑制装置本身的谐波电流。
STATCOM在控制策略上与SVC的区别在于：在SVC装置中,由外闭环调节器输出的控制信号用作SVC等效电纳的参考值，以此信号来控制SVC调节到所需的等效电纳。而在STATCOM中,外闭环调节器输出的控制信号则被视为补偿器应产生的无功电流（或无功功率）的参考值，然后由参考值调节STATCOM来产生所需无功电流。其具体控制方法可分为间接控制和直接控制两大类，STATCOM采用电流直接控制方法的响应速度和控制精度比间接控制法有很大的提高。
STATCOM在输电系统中的作为无功补偿装置用时，除具有SVC的所有良好性能外，运行范围更宽，且输出无功电流不受系统电压影响。采用多重化技术的STATCOM，谐波含量少，不需要滤波器，能够有力的提高系统的暂态性能。
3.3STATCOM及SVC应用于输电网的仿真研究
STATCOM和SVC应用于大规模输电网中以加强动态无功补偿、改善电网末端或大负荷中心电压稳定性以及作为直流输电无功控制设备，已经做了大量的研究工作。近年来，由于经济的快速发展，我国形成了京津唐、长三角以及珠三角3大负荷中心。这3个地区都具有远离电源、缺乏足够的无功备用以及空调负荷比例高等特点，因此，均有不同程度的电压稳定问题。
根据已有的仿真分析，北京电网在负荷突增时会出现暂态电压失稳现象，需要在安定、老君堂、西大望等地安装STATCOM（或者SVC）以防止电压崩溃。上海的黄渡分区内150Mvar调相机退出运行后，只有一个12MW的小火电接入，并且这里将是三峡直流的落点，若发生故障将会出现严重的电压失稳，需要安装STATCOM提供快速的无功支撑，目前正在研制的50MvarSTATCOM将在这里投入使用。广东电网是拥有多直流的交直流混联系统，直流落点本身需要大量的无功支撑，STATCOM无疑是最佳的选择；同时在直流退出运行的情况下，需要在交流长输电线路中点贺州安装STATCOM以提升线路传输极限，维持电压稳定；此外，负荷突增情况下，弱受端系统会出现持续的电压跌落，选择合适的地点安装STATCOM可以增强系统的电压维持能力。
4动态无功补偿装置在配电网及大型工矿企业的应用
4.1SVC在配电网和工矿企业的应用
无功传输对配电网的影响，一是会导致电力用户电压水平的恶化，二是会造成线损的上升。为了降低无功传输带来的不利影响，可以在配电网无功负荷集中处安装一定容量的SVC，由SVC向负荷点就近提供无功功率，以减少系统流入的Q，这样不仅可使网络产生的压降△U变小，同时也可使网络的线损△A减小。当在配电网络中并入容量为Qb的SVC之后，网络的压降和线损为
由以上两式可见，Qb增大，压降△U就会变小，即降损的效果就会增大；当Qb=Q时，由无功传输带来的压降损失和线损为0，其改善电压和降损的效果达到最佳；如果Qb>Q，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，同时还可以降损节电。
4.2DSTATCOM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一般称为（请给出DSTATCOM的中文名称）（DistributionSTATCOM，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UddeholmTooling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37.5MVA，2座电炉均由132kV线路通过132/10.5kV变压器供电。在其10.5kV供电母线上安装了1套 22MVA的DSTATCOM设备后，钢厂的各项指标发生了下列变化：①功率因数高于0.95，避免了电力部门的罚款。②冶炼时间从124min/炉降至106min/炉，缩短了18min/炉，即14.5。③电极消耗量从2.39kg/t降至2.12kg/t，减少了0.2kg/t，即8.4。④耗电量从625kWh/t降至600kWh/t，减少了25kWh/t，即4。⑤电压闪变减少3~5倍。⑥熔化期时，DSTATCOM投运前10kV母线电压在9.7~10.8kV之间波动，波动幅度为1.1kV,即10.5，而投运后，电压为10.4kV，波动幅度在0.1kV之内,即0.95。按目前生产资料价格、电价以及年产量计算，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。
5STATCOM与SVC的技术经济比较
（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响应时间在10ms以内，而SVC响应时间一般在20~40ms。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1ms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
（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）STATCOM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，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。
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[3]王兆安等编著.谐波抑制和无功功率补偿.机械工业出版社，2002年2月.
[4]刘文华，姜齐荣等.±20MvarSTATCOM总体设计.电力系统自动化，2000年12月.
[5]姜齐荣，刘文华等.±20MvarSTATCOM控制器设计.电力系统自动化，2000年12月.
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