电网无功补偿技术综述

电力电子应用系统设计课程报告姓名：班级：学号：2014.10电网无功补偿技术综述1电网无功补偿技术综述摘要：无功补偿技术是保证电网安全稳定和经济运行的基木条件。本文从提高电能质量的需求点出发，论述了无功补偿技术的发展历程，介绍了几种重要无功补偿方式的优缺点并作了简单对比，简要分析了无功补偿技术发展趋势。关键词：电能质量；无功补偿；SVC；静止无功补偿装置；有源滤波器1引言电力系统以感性负荷为多，它们增加了系统中的无功功率。系统运行中流动的大量无功功率,将降低系统的功率因数，增大线路电压损失和电能损失，严重的影响着电力企业的经济效益。近年来随着现代工业和电力工业的不断发展，电能传输的距离和容量日益增大，工业用户对电能质量的要求越来越高。然而，企业广泛采用异步电动机和变压器，特别是大功率冲击性负荷的使用，使得电力系统功率因数变低，电压波动加大。鉴于以上所述的种种危害，快速有效地对电力系统中的无功功率进行补偿，是我们急需解决的问题。2无功补偿技术简述2.1同步调相机同步调相机相当于空载运行的同步电动机。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，它从系统吸取感性无功功率，降低系统电压。它有利于提高系统的稳定性，虽然目前仍有使用，但运行维护比较复杂，而且技术上已显得落后。2.2并联电容器20世纪30年代前后，在一些无功功率消耗较大的系统中，出现了最早的无功补偿装置
并联电容器，它可以通过吸收系统的容性无功来补偿感性无功，以提升局部电压，其主要特点是结构简单、经济实用。然而并联电容器致命的缺点是：一组电容器安装好后电容量便固定，不能动态补偿无功功率，为了解决这一问题，人们将并联的电容器按需求分成若干组，并利用机械开关投切的方式控制并联电容器的大小，从而得到若干组变化的无功功率。但这种方式同样存在着诸多缺点，如:不能实现连续的动态无功补偿、响应速度慢、操作时有涌流和过电压等，制约着它的发展。2.3并联电抗器并联电抗器主要用在33kv和330kv以上的超高压系统线路上，主要作用是：吸收容性电流，补偿容性无功，使电力系统达到无功平衡，削弱了电容效应，限制工频电压升高及操作过电压，容量固定的并联电抗器的缺点是，当线路传输功率接近于自然功率时，会使线路电压降低，而且造成附加有功损耗，如果将其撤掉，则线路在某些情况下可能失去补偿而产生不允许的过电压。电网无功补偿技术综述22.4静止无功补偿器（SVC）（StaticVarCompensator）静止无功补偿器（SVC）是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电容器和电抗器的容量，提供可以变动的容性和感性的无功来进行无功补偿的装置。SVC常用的有以下几种形式：晶闸管电抗器型（TCR）、固定电容加晶闸管控制电抗器型（FC+TCR）、晶闸管开关电容器型（TSC）、饱和电抗器型（SR）、静止同步补偿器（SVG）以及混合型（TCR+TSC）。2.4.1晶闸管电抗器型（TCR）TCR无功补偿装置是由一对相反极性的并联晶闸管和一个电抗器串联组成，其原理图和电流波形图见图1。图1TCR无功补偿装置原理图及电流波形图TCR无功补偿装置相当于交流调压器电路中接电感性负载，在此电路中的有效移相范围为90~180度。当触发角为90度时，晶闸管全部导通，同时导通角为180度，此时的电抗器吸收无功电流达到最大值。根据触发角与补偿器导纳之间的关系得：增加触发角可以增加补偿器的等效导纳，这样就可以减少补偿电流的基波分量。所以可以调整触发角的大小来改变补偿器所吸收的无功分量，从而调整无功功率。TCR的响应时间小于半个周期，可以连续吸收无功功率，但其电流中存在谐波，有功功率损耗补偿器的体积较大，成本也较高。并且单独的TCR不能发出无功功率，所以可以将并联电容器与TCR配合构成无功补偿器。2.4.2FC+TCR型补偿器FC+TCR型补偿器由TCR和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。由于该补偿器响应时间快(小于半周波），灵活性大，而且可以连续调节无功输出，所以目前在我国的电力系统中应用最为广泛。但该补偿装置输出的电流中含有较多的高次谐波，而且电抗器体积大，成本也比较高。2.4.3晶闸管开关电容器型（TSC）电网无功补偿技术综述3TSC型补偿器由一组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串联，其电路原理图如图2所示。这里的晶闸管仅起开关的作用，以替代常规电容器所配置的机械式开关，在运行时，根据所需补偿电流的大小，决定投入电容的组数。由于电容是按组投切的，所以会在电网中产生冲击电流。为了实现无功电流尽可能的平滑调节，有两个解决办法：首先可以增加电容的组数，组数越多，级差就越小，但这必然会增加运行成本，如何协调二者的关系，是电网公司应该考虑的问题；其次就是要把握电容器的投切时间。研究表明，最佳的投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻，也就是电容器两端电压等于电源电压的时刻。所以TSC一般采用过零投切。图2TSC无功补偿装置电路原理图2.4.3饱和电抗器型（SR）SR型补偿器中，由饱和电抗器和串联电容器组成的回路具有稳压的特性，能维持连接母线的电压水平（其中的串联电容器是用来校正饱和电抗器伏安特性的斜率），对冲击性负荷引起的电压波动具有补偿作用。与其并联的滤波电路能吸收谐波并校正功率因数。SR型补偿器具有快速、可靠、过载能力强、产生谐波小等优点。另外，SR还具有有效抑制三相不平衡的能力，当电网三相电压不平衡时，饱和电抗器的三相呈现不同的饱和程度，使三相电压趋于平衡。目前应用中的SR补偿器通常采用二—三柱和三—三柱饱和电抗器，由于运行中电抗器长期处于饱和状态，铁芯损耗较大，而且饱和电抗器的造价较高，所以目前国内应用较少。2.4.4静止同步补偿器（SVG）(StaticVarGenerator)静止无功发生器(StaticVarGenerator)又称静止同步补偿器，也是柔性交流输电系统的重要装置之一。SVG可以分为电压型和电流型两种类型，直流侧分别采用电容和电感作为储能元件。电压型由于结构简单、能量损耗小、成本低而且易于控制，所以采用电压型逆变器的SVG较多。电网无功补偿技术综述4图3SVG无功补偿装置原理图下面以电压型为例说明SVG的工作原理，其电路原理图如图3所示。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。如果多台SVG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。与SVC相比，SVG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。而且由于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。同时谐波含量和占地面积都大大减小。2.4.5混合型（TCR+TSC）TCR+TSC无功补偿装置是使用几组电容器和一组晶闸管相控电抗组成的，图4是TCR+TSC无功补偿装置的原理图。图4TCR+TSC无功补偿装置原理图TCR+FC型和TSC型补偿器都能有效地补偿系统中的无功电流，但各有自己的缺点：TCR+FC型补偿器容易产生谐波，而TSC型补偿器对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制。二者的缺点正是对方的优点，所以TCR+TSC型补偿器应运而生。由TCR提供可调的感性无功功率，FC提供容性无功功电网无功补偿技术综述5率，同时作为5、7次谐波的滤波器，当FC提供的容性无功不足时，TSC投入运行。2.5有源滤波器（APF）有源滤波器(ActivePowerFilter)的电路结构图与静止无功发生器相似，但补偿机理不同。SVG是以系统无功为补偿目标，而APF是以系统中的谐波电流为主要补偿目标，在消除谐波的同时可以补偿无功。和SVG一样，APF根据直流侧储能元件的不同，可以分为电压型和电流型，而按照其与电网的连接方式不同又可分为并联型和串联型两种。串联型APF根据检测分离出的谐波电流，输出与其成正比的较大倍数的电压。这样APF对于谐波电流表现为纯电阻，而对于基波电流，则表现为零电阻，所以它能有效滤除系统中的谐波。但由于补偿后负载端电压幅值变化较大，所以无功补偿效果不很理想。并联型APF则能根据谐波电流的大小，向系统注入与谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，使系统中只含有基波电流。如果在补偿电流中加入适当的基频分量，则可以补偿系统的无功功率。因此，相对于串联型APF，并联型的APF能对电网中实时变化的谐波电流和无功功率同时进行动态的补偿，这是它的最大优点。2.6有源滤波器（APF）及晶闸管投切电容器（TSC）混合型APF+TSC系统并行控制策略如图5所示，其工作原理为：首先，装置通过功率因数控制器（PFC）的功率因数检测系统的功率因数及需要补偿无功功率，通过投切若干组的TSC，补偿与所需无功功率大小最为相近的无功，此时将系统的功率因数提高，有源滤波器通过谐波电流检测算法检测系统中谐波及无功电流，将系统中各次的谐波及剩余所需要补偿的无功电流计算出，最后，通过功率脉冲触发单元驱动IGBT，对系统的谐波及剩余的无功进行补偿，从而实现较为精确的谐波抑制及无功功率补偿。图5APF+TSC系统并行控制策略图3几种典型无功补偿技术简单对比SC补偿装置响应速度较慢，连续吸收无功功率，控制简单，没有谐波电流，分相调节有限，损耗和噪声比较大。晶闸管控制电抗器（TCR或FC＋TCR）响应的速度较快，也能够连续吸收无功功率，控制较为简单，谐波电流大，可以进电网无功补偿技术综述6行分相调节，损耗中等，噪声比较小。晶闸管投切电容器TSC响应速度比较快，分级吸收无功功率，控制较为简单，没有谐波电流，分相调节有限，损耗和噪声都比较小。混合型TCR＋TSC的响应速度较快能够连续吸收无功，控制较简单，谐波电流大，可以分相调节，损耗和噪声比较小。静止无功发生器SVG的响应速度快，连续吸收无功功率，控制复杂，谐波电流小，可以分相调节，损耗和噪声都很小。表1是对各种无功补偿装置性能的简要对比：表1各种无功补偿装置性能简要对比4结语电力系统电压无功补偿技术是实现我国电网稳定运行的重要途径之一。从无功功率补偿装置的应用来看，SVC装置因为控制简单、价格低能满足大多用户对于无功补偿装置的需要，因此应用最为普遍，目前在电力系统和工矿企业用户中拥有广大的市场，是并联无功补偿的主要应用装置。而改进传统无功补偿装置的性能、提高检测技术的实时性和准确性、更新补偿装置的控制系统、普及静止无功补偿装置SVC以及推广各类新型无功补偿装置将成为无功补偿发展的趋势。综上所述，无功补偿技术势必会受到人们的重视，并得到快速的发展，为我国电力系统健康稳定运行
提供技术保障。参考文献[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2011[2]黄志新.TCR型SVC在济南电网10kV母线的应用探讨[J].山东电力技术，2007[3]余兆荣等.关于低压无功补偿装置的探讨[J].贵州电力技术，2005[4]牛轶男，冯婷，汪扬，李成波.电力系统无功补偿技术发展现状，2011.11[5]鲁伟静等.无功补偿技术和无功补偿设备分析.水科学与工程技术，2012[6]HeinzKarlTyll，FrankSchettler.HistoricaloverviewondynamicreactivepowercompensationsolutionsfromthebeginofACpowertransmissiontowardspresentapplications[C].PowerSystemsConferenceandExposition，2009IEEE