采用静止无功补偿器和异步发电机
改善高压电力系统无功调节特性李向荣1，牟道槐2（1.广西电网调度中心，广西壮族自治区南宁市530023；2.重庆大学电气工程学院，重庆400044）摘要：文章在分析目前和将来电力系统发展的基础上提出了在电站中采用静止无功补偿器（SVC）与异步发电机相结合代替同步发电机的方案。首次提出了将电站高压侧母线电压及其联络线上所流动的无功电流作为SVC调节器的反馈信号，从而使异步发电机有了一定的无功调节特性，即“正调差系数”，实现了灵活的双向无功调节能力的控制策略。仿真研究表明：在电站中采用SVC和异步发电机相配合可改善高压电力系统的无功调节特性，并使系统具有良好的动态品质。
关键词：异步发电机；静止无功补偿器；控制策略；运行特性
1引言
自交流系统被成功应用以来，同步发电机作为有功源在电力系统中一直居于领导地位，而异步发电机由于要吸收无功且电压不可调整，长期以来仅有中小容量的异步发电机应用在低层电力系统中。随着国民经济的快速发展和人们对电力需求的日益增加，各国电力系统普遍进入了大机组、高电压、大电网和自动化阶段，我国也不例外，200MW、300MW及以上的大机组已成为主力机组。1998年的全电会议提出今后还应大力发展大容量、高参数和高效率机组，重点建设600MW及以上亚临界和超临界机组[1]。但由于同步发电机采用转子励磁，因此随着单机容量的进一步增加，同步发电机将遇到一些问题，主要是部件（护环和转子齿）的机械寿命问题及其能否制造功率大、可靠性高的励磁系统等。实际上随着单机容量增大同步发电机的可靠性将下降[2]。
另外由于中国的国情决定了“西电东送”的格局将长期存在，随着大型水火电站基地的开发建设，500kV输电线路已成为中国电网的骨干网架，线路长达15000km[1,3]。而各电网的现状是峰谷差大、负荷波动激烈、负荷率低。在高峰时段由于电网的无功不足使系统电压偏低，这需要电站发出无功，但在低谷时段线路的充电无功大量过剩使系统电压又普遍偏高，这需要电站吸收无功。同步发电机能发出一定的无功是毫无疑问的，但在吸收无功时其稳定性将降低。为确保电网电压水平，除了采用相应的补偿措施消除多余的无功外，在低谷时段有时甚至被迫解裂部分500kV重要线路，从而导致系统的供电可靠性降低。由电网的无功过剩而引起的工频过电压和系统稳定性问题越来越受到人们的广泛关注。
吸收无功的异步发电机由于采用的是定子激磁，在转子上没有励磁线圈和励磁装置，转子的结构十分简单、坚固，造价也低于容量相同的同步发电机，其无功调节速度也比采用转子励磁的同步发电机要快得多。研究表明：异步发电机与同容量的同步发电机相比，其强迫停机次数为同步发电机的一半；大容量（1200MW）的定子激磁的异步发电机的功率因数可达0.85而效率不低于同容量的同步发电机，同时制造异步发电机不需要改变传统结构的发电机工厂的工艺和技术基础，从没有关键部件（传统的转子线圈和励磁系统）的观点来看，可以生产2GW或更大的异步发电机。因而异步发电机可作为特大容量发电机的最主要形式[2]。
近10年来，采用晶闸管控制的大型静止无功补偿器作为一种新型动态无功补偿装置已在输电系统中得到广泛应用[4]。针对现代电网峰谷差大、负荷率低、高峰时段电网无功出力不足、系统电压偏低需要电站发出无功、低谷时段电压偏高需大量吸收无功的特点，笔者提出在电厂中采用静止无功补偿器与异步发电机相配合通过一定的控制策略以代替同步发电机的方案，从而使电站具有灵活的发无功和吸无功的能力，达到了改善电力系统的无功调节特性以取得全系统的技术经济效益的目的。
2控制策略
2.1TCR-FC型SVC的结构
应用于电力系统中的SVC的结构有多种类型，但功能是相同的，在本文的研究中采用了TCR-FC型SVC来控制异步发电机的运行，以达到电站所需的运行品质。TCR-FC型SVC的结构如图1所示。
它由一个固定电容器组和可调电抗器（TCR）并联，再与一降压变压器串联而组成，SVC的总电纳为：
的电纳，BC、Bδ分别为固定电容器组、降压变压器的电纳。当控制可调电抗器晶闸管的触发角α在到π之间变化时，TCR的电纳值就在BL到0之间变化，该装置的控制规律如图2[5]所示。经过限幅后控制器输出BTCR，根据式(1)即可计算出TCR-FC型SVC所输出的导纳BSVC。
图3(a)、(b)分别为系统的结构简图和等值电路。当忽略异步发电机定子和输电线路的电阻时，异步发电机的模型可表示为：2.2SVC的控制策略
同步发电机的无功调节特性即电压—无功电流特性是由转子侧的自动励磁调节器调节的，是一条线性的下倾线，发电机的机端电压随其发出无功的增大而下降，如图4(a)所示。其斜率即tanδ称为同步发电机的调差系数[6]。本文的研究中将异步发电机当做一台同步发电机来使用，通过定子侧SVC的控制，异步电站能根据电网的运行需要发出或吸收一定的无功功率。为此引入异步电站高压母线侧的电压Ut及联络线上所流动的无功电流IQ作为SVC调节器的控制信号，即：，从而使异步电站的电压—无功特性曲线具有类似于同步发电站的电压—无功特性曲线（正调差特性曲线）的形状，并将其延伸到第二象限，如图4(b)中的直线1、2（直线3、4为负荷的电压—无功特性）。一旦整定异步发电机的电压——无功电流特性具有类似同步发电机的无功调节特性，异步发电机和SVC的组合体从某种意义上来说等值为1台同步发电机，SVC的作用类似于同步发电机的自动励磁装置，当端电压下降时，在SVC的控制下异步发电机增加无功电流的输出，反之，当端电压上升时则减少无功电流的输出，直至吸收无功，从而具有了灵活的双向无功调节能力。此外当整定了异步发电站的无功调节特性后，运行人员可通过上、下平移外特性线实施二次调整，实行运行人员的调度或上级自动装置对发电机输出无功的干预。例如在一定负荷下（如直线3）将电压的参考值由Uref1整定为Uref2，则异步电站的特性曲线将由直线1变为直线2，异步发电机也由原来的吸无功调整为发无功状态。运行人员可采用同步发电机的运行经验来调整异步发电机的电压和无功，从而给运行人员对异步电站的调度运行带来极大的方便。
3SVC控制的大型异步发电机的暂态特性Uref=0.9768，U=1.0，在0s时高压母线侧一回线首端发生三相短路，0.15s后将故障线路切除，系统转入单回线运行。图5给出了异步发电机的有功功率P、转差率S、机端电压Ut及SVC所发电纳BSVC的过渡过程曲线，极限切除时间tcr=0.16s。为便于比较，图6给出了运行于相同运行状态下同步发电机的暂态过渡曲线。
将图5、6比较可知，在短路切除后同步发电机的有功P的振荡幅度比异步发电机的激烈得多，异步发电机的动态品质比同步发电机的要好。运用本文提出的控制规律整定不同的参考电压，异步发电站可运行于不同的无功运行状态。例如将参考电压Uref由初始运行状态的0.9768提高为1.04，则电站吸收的无功会有所减少，此时=-0.138，当系统电压偏低时电站还可发出一定的无功，如系统电压U=0.95时，=0.396，图7给出了异步发电机在发无功状态下的暂态过渡过程,其极限切除时间tcr=0.157s。分析图5及图7可知，在SVC控制下的异步发电机无论其初始状态是发无功还是吸无功，在SVC短路发生瞬间它都能向系统提供大量的容性无功功率，在短路切除后的初期有功P仍具有相当大的数值，在故障线路被切除后电站的高压母线侧电压及发电机的有功功率和转差均能很快趋于稳定值，最后在一个新的稳定运行点运行，它具有很高的暂态稳定极限。
4SVC控制下的异步发电机的调节特性
假定异步发电站的初始运行状态为：Uref=0.9874，Ut=1.0，IQ=-0.7701，发额定有功P=0.85。在该运行状态作如下仿真实验：
（1）有功调节：在0s时阶跃地将原动机功率Pm=0.85减到0.6，结果如图8和表1所示。（2）电压调节：在维持原动机功率不变（Pm=0.85）的情况下将发电厂高压母线侧电压由Ut=1.0调到Ut=1.05，使异步电站所吸无功减少，仿真结果如图9和表1所示。
对图8和图9中的曲线进行分析可知，在SVC控制下异步发电机的有功调节过程对电压的影响极其微小，而在电压的调节中，电压能非常迅速地到达稳态值，异步发电机的有功和电压（无功）调节特性的动态品质优良。5结论
（1）采用本文所提出的控制策略，在电站中采用SVC与异步发电机相组合代替同步发电机的方案是可行的，它具有比传统同步发电机更灵活的电压——无功调节特性，且没有同步发电机容量增大而可靠性下降的问题。
（2）仿真研究表明：无论初始状态是发无功还是吸无功，在SVC控制下的异步发电机均具有很高的暂态稳定极限，且动态品质比同步发电机好，在SVC支持下全异步电站的有功调节和电压（无功）调节的过渡过程迅速，动态过程优良。参考文献[1]陆延昌．我国电力工业的发展形势[J]．电工技术杂志，1998（5）．
[2]FazyloyKF．定子激磁的异步发电机及其应用前景（译文）[J]．东方电机，1990（3）．
[3]何大愚．对我国未来西电东送输电技术的战略初探[J]．电网技术，1993（4）．
[4]HauthR　L，MiskeS　A，NozariF．theroleandbenefitsofstaticVARsystemsinhighvoltagesystemapplications[J]．IEEETransonPAS-101，1982（10）．
[5]IEEESpecialStabilityControlsWorkingGroup．Staticvarcompe-nsatormodelsforpowerflowanddynamicperformancesimulation[J]．IEEETransonPS-9，1994（1）．
[6]黄纯华．大型同步发电机的运[1][2]下一页