動態無功補償調壓方式及經濟性研究

祁忠永

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 大興 102600)

動態無功補償調壓方式及經濟性研究

祁忠永

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 大興 102600)

長距離輸電線路中，線路空載或輕載情況下，由于分布電容作用，線路為容性無功，末端電壓升高;當負載增加時，線路無功從容性變化為感性，末端電壓又會降低。由于輸電線路長，電壓波動范圍大，嚴重時會導致供電系統電壓崩潰。通過仿真論述了采用動態補償能夠實時調節電壓的有效性，并進行了經濟性分析。

動態無功補償;無功發生器;調壓

1 引言

隨著西部的開發，我國逐步形成長距、大容量輸電電網，但由于個別地區尤其是高原地區發電廠遠離負荷中心地區，必須解決遠距離輸送大容量功率的問題。長距離輸電時，經常會出現空載或輕載時由于分布電容作用，線路為容性無功，末端電壓升高;帶負荷運行時，線路電壓損失較大，線路首末端電壓相角差變大，首端導線發熱，線路電阻中消耗的功率大，供電不經濟。如果不進行合理的補償的話，由于末端電壓升高，波動范圍大，嚴重時會使供電系統電壓崩潰。

2 補償方案的比較

傳統的無功補償設備有并聯電容器或電抗器，特點是價格便宜，易于安裝維護;缺點是當電壓波動較大時，并聯電容器或電抗器更難以維持電壓穩定，輸出無功功率急劇下降，再加上過電壓、諧波等問題，很難滿足系統需要。針對這種供電系統的特點應采用動態補償方式，通過補償無功進行實時調節電壓。

目前，具有動態補償性能的SVC(靜止無功補償方式)雖用的較多，但其最大的弱點就是補償容量受裝置自身容量的限制，而且對電容器組的連續投切會產生大量諧波。另一種具有動態補償性能的是SVG(無功發生器)，其補償特性完全脫離了阻抗器裝置的特性，成為完全可控的電壓源或電流源，使得無功功率補償裝置的性能得到了很大的提升，對電網電壓的控制能力很強。與SVC相比，SVG具有響應速度快、吸收無功連續、產生的高次諧波量小，節省占地面積等特點。很顯然，SVG裝置是長距離輸電線路調節電壓的理想方案。

3 動態無功補償裝置的基本工作原理

近年來，出現了一些無源和有源補償裝置組合在一起而構成的混合型補償裝置。這種裝置部分容量采取價格低廉的電容器或電抗器，可以減少同容量裝置的投資，如圖1所示。

圖1 混合動態無功補償電路圖

對于長距離輸電系統，在空載運行時，各線路分布電容產生的無功功率大于線路電抗中消耗的無功功率，此時的容性無功功率最大，設補償需注入電網接入點的無功功率為QLmax;隨著系統負荷的增加，線路負荷中電抗消耗的無功功率也增大，在負荷超過一定值時，線路分布電容產生的無功功率小于線路電抗中消耗的無功功率，負荷最大時，系統的感性無功功率也最大，設補償需注入電網接入點的無功功率為QCmax。對于該供電系統QLmax＜QCmax，則可采用容量為(QLmax+QCmax)/2的無功發生器與容量為(QLmax－QCmax)/2的固定或晶閘管投切電抗器來滿足要求。

圖2 混合動態無功補償裝置原理圖及伏安特性

圖2為無功發生器(SVG)與并聯電抗器(SR)相結合構成的混合補償的結構及其伏安特性，其中Umax為電壓限值，ICmax和ILmax分別為接入點電壓等于Umax時對應的最大容性電流和感性電流。由圖可以看出，混合補償設備的運行特性曲線相當于在橫坐標(無功電流)方向將SVG和SR的無功輸出電流相加，而縱坐標(電壓)維持不變。

4 動態無功補償的數學模型及控制系統

4.1 數學模型的建立

圖3出示了動態補償裝置的模型圖，其開關函等效數模型如式(1)所示。

圖3 裝置開關函數模型圖

上述數學模型為時變交流量，而不利于控制系統的設計，可以通過坐標變換將三相對稱靜止坐標系轉化成以電網基波頻率同步旋轉的(d，q)坐標系，從而簡化控制系統的設計。轉化成d、q坐標下的數學模型如式(2)所示。

4.2 dq模型的線性化

在上述數學模型的兩相同步旋轉坐標系(d，q)中，三相系統開關數學模型表達式存在兩個變量的乘積(iqTq+idTd)，且d、q分量相互耦合，因而其模型為一多輸入多輸出非線性耦合模型，不利于控制系統的設計。因此，對其進行dq模型的線性化。

考慮到無功發生器交流側與直流側的瞬時功率平衡，即

式中:vd、vq—無功發生器交流側電壓d、q分量

式(1)就可以表示為

現構造一個新的輸入變量ud、uq，使其與輸出變量id、iq之間呈線性解耦特性。由無功發生器結構圖可知，交流側每相只存在一個儲能元件(電感L)，可令新輸入變量ud、uq與輸出變量id、iq之間由一階線性微分方程描述，且d、q分量無耦合，即

式中:k1、k2—比例系數。對式(7)、式(8)進行拉氏變換，可得

采用前饋解耦控制策略，電流調節器采用PI調節器，即

其中:i*d、i*q—id、iq電流指令值。

將式(10)代入式(6)并簡化可得

控制框圖如圖4所示。

圖4 系統電流解耦控制框圖

由式(11)和圖4可以看出，系統電壓已經實現了解耦控制。這樣就可以通過控制方程對其傳遞函數進行分析，從而進行控制器的設計。

4.3 控制策略

在其控制方法選擇上，應兼顧動態無功補償的精確性和快速性，采用直接控制方法，控制如圖5所示。

圖5 采用PWM技術的電流直接控制方法

5 混合動態補償用于調節電壓的仿真結果

圖6為模擬35kV長距離輸電線路輕載時投入混合無功補償裝置的母線電壓輸出有效值。由圖6可以看出，輕載時末端電壓升高至38kV，在0.3s時投入混合補償裝置。系統經過一個暫態過程后達到穩態，將母線電壓由原來的38kV調節到35.1kV，即由偏離電壓等級近+10%調節至接近標準電壓。滿足了電力系統電壓允許偏差的要求，也有益于提高長距離輸電的能力。

圖6 混合動態補償用于調節電壓的仿真圖形

圖7給出了無功電流為容性時，補償前、后A相系統電壓電流波形圖。由圖7可以看出，補償前系統電壓和電流存在一定的相位差，即系統電流超前于系統電壓。補償后系統電壓和系統電流基本在同相位，通過補償裝置吸收了系統的容性無功。

6 經濟比較分析

圖7 補償后系統A電壓電流波形圖

無功發生器在補償方面雖兼顧了其他補償方式的優點，但與同容量的其他補償裝置相比，造價較高，而該混合補償方式應用在主要表現為容性無功的長距離輸電線路中，節省了投入同容量無功發生器的投資。本文在第3部分(動態無功補償裝置的基本工作原理)闡述了混合補償方式中無功發生器和固定電抗器的配置，接下來針對容性無功所需感性容性無功(QLmax＞QCmax情況下)補償方式的特點進行經濟比較分析。假設系統所需最大容性無功5 MVA，最大感性無功從5 MVA遞減至0，其投資比較見表1所示。

表1 SVG與混合補償的經濟比較表

由表1中投資費用可知，在總容量不變的情況下，固定補償部分容量越大，混合補償投資越低(即經濟性能越好)。當SVG和SR容量相等時，經濟性最好，混合補償設備投資費用可節省一半之多。

7 結論

本文首先通過對長距離輸電線路進行仿真，論述了該混合無功補償調壓及功率補償的有效性;其次，通過對各種混合補償配置進行經濟比較，論述了該混合無功補償方式的經濟性。

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The Voltage Regulation and Econom ic Analysis of Static var Generator

QIZhong-yong
(No．5 Survey and Design Institute(Group)Co;Ltd of China Railway，Beijing 102600，China)

For the long distance transmission line，under the condition of no-load or light load，due to the function of distributed capacitance，line reactive power is capacitive and terminal voltage arise;with the increase of load，line reactive power varies from capacitive power to inductive power，the terminal voltage will step down．As transmission line is long，the scope range of the fluctuation of voltage iswider，itwill lead to voltage collapse in some serious condition．This article discusses the truth of real-time voltage regulation which adopt regulation voltage by simulation and undertake the economy analysis．

var generator;static var generator;regulation voltage

TM71

B

1004－289X(2013)03－0024－04

2013－03－11

祁忠永，工程師。