電力系統靜止無功補償技術的現狀及發展

黃占勇

【摘 要】本文詳細綜述了電力系統靜止無功補償技術的發展現狀，分析了解各種靜止無功補償技術的原理、優點、缺點以及現今在電力系統中的應用情況，并提出今后靜止無功補償技術的發展趨勢。

【關鍵詞】電力系統；靜止無功補償；發展趨勢；探討

0 引言

電力系統的各節點無功功率平衡決定了該節點的電壓水平，由于當今電力系統的用戶中存在著大量無功功率頻繁變化的設備；如扎鋼機、電弧爐、電氣化鐵道等。同時用戶中又有大量的對系統電壓穩定性有較高要求的精密設備：如計算機，醫用設備等。因此迫切需要對系統的無功功率進行補償。傳統的無功補償設備有并聯電容器、調相機和同步發電機等，由于并聯電容器阻抗固定不能動態的跟蹤負荷無功功率的變化；而調相機和同步發電機等補償設備又屬于旋轉設備，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用于太大或太小的無功補償。所以這些設備已經越來越不適應電力系統發展的需要。現今所指的靜止無功補償裝置一般專指使用晶閘管的無功補償設備，主要有以下三大類型，一類是具有飽和電抗器的靜止無功補償裝置；第二類是晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器，這兩種裝置統稱為SVC；第三類是采用自換相交流技術的靜止無功補償裝置——高級靜止無功發生器（ASVG）。 以下對此三類靜止無功補償技術逐一介紹，主要對SVC和ASVG這兩類補償技術作詳細介紹，并指出今后靜止無功補償技術的發展趨勢。

1 具有飽和電抗器的無功補償裝置

飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應的無功補償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無功補償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來穩定電壓，它利用鐵心的飽和特性來控制發出或吸收無功功率的大小。可控飽和電抗器通過改變控制繞組中的工作電流來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進一步控制無功電流的大小。這類裝置組成的靜止無功補償裝置屬于第一批靜止補償器。早在1967年，這種裝置就在英國制成，后來美國通用電氣公司（GE）也制成了這樣的靜止無功補償裝置[1]，但是由于這種裝置中的飽和電抗器造價高，約為一般電抗器的4倍，并且電抗器的硅鋼片長期處于飽和狀態，鐵心損耗大，比并聯電抗器大2～3倍，另外這種裝置還有振動和噪聲，而且調整時間長，動態補償速度慢，由于具有這些缺點，所以飽和電抗器的靜止無功補償器目前應用的比較少，一般只在超高壓輸電線路才有使用.

2 晶閘管控制電抗器

兩個反并聯的晶閘管與一個電抗器相串聯，其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網中相當于交流調壓器電路接電感性負載，在工程實際中，可以將降壓變壓器設計成具有很大漏抗的電抗變壓器，用可控硅控制電抗變壓器，這樣就不需要單獨接入一個變壓器，也可以不裝設斷路器。電抗變壓器的一次繞組直接與高壓線路連接，二次繞組經過較小的電抗器與可控硅閥連接。如果在電抗變壓器的第三繞組選擇適當的裝置回路，例如加裝濾波器，可以進一步降低無功補償產生的諧波。瑞士勃郎·鮑威利公司已經制造出次種補償器用于高壓輸電系統的無功補償[2]。

由于單獨的TCR只能吸收無功功率，而不能發出無功功率，為了解決次問題，可以將并聯電容器與TCR配合使用構成無功補償器。根據投切電容器的元件不同，又可分為TCR與固定電容器配合使用的靜止無功補償器（TCR+FC）和TCR與斷路器投切電容器配合使用的靜止無功補償器（TCR+MSC）。這種具有TCR型的補償器反應速度快，靈活性大，目前在輸電系統和工業企業中應用最為廣泛。由于固定電容器的TCR+FC型補償裝置在補償范圍從感性范圍延伸到容性范圍時要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當補償器工作在吸收較小的無功電流時，其電抗器和電容器都已吸收了很大的無功電流，只是相互抵消而已。TSC+MSC型補償器通過采用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點，但應盡量避免斷路器頻繁的投入與切除，減小斷路器的工況。

3 晶閘管投切電容器

為了解決電容器組頻繁投切的問題，TSC裝置應運而生。兩個反并聯的晶閘管只是將電容器并入電網或從電網中斷開，串聯的小電抗器用于抑制電容器投入電網運行時可能產生的沖擊電流。TSC用于三相電網中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對稱網絡采用星形連接，負荷不對稱網絡采用三角形連接。不論是星形還是三角形連接都采用電容器分組投切。為了對無功電流能盡量做到無級調節，總是希望電容器級數越多越好，但考慮到系統的復雜性及經濟性，一般用K-1個電容值為C的電容和電容值為C/2的電容組成2K級的電容組數[4]。經過多年的分析與試驗研究，其最佳投切時間是晶閘管兩端的電壓為零的時刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時刻[5]。此時投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對電容器預先充電，充電結束之后再投入電容器。我國平頂山至武漢鳳凰山500KV變電站引用進口的無功補償設備就是TSC+TCR型[6]。

4 新型靜止無功發生器

隨著電力電子技術的進一步發展，特別是L.Gyugyi提出利用變流器進行無功補償的理論以來，逐步出現了應用交流技術進行動態無功補償的靜止補償器。它是通過將自換相橋式電路直接并聯到電網上或者通過電抗器并聯到電網上。ASVG根據直流側采用電容和電感兩種不同的儲能元件，可以分為電壓型和電流型兩種，無論是電壓型，還是電流型的ASVG其動態補償的機理是相同的。當逆變器脈寬恒定時，調節逆變器輸出電壓及系統電壓之間的夾角δ，就可以調節無功功率及逆變器直流側電容電壓uc，同時調節夾角δ和逆變器脈寬，既可以保持Uc恒定的情況下，發出或吸收所需的無功功率[7]。

ASVG通過采用橋式電路的多重化技術，多電平技術或PWM技術進行處理，以消除較低次的諧波，并使較高的諧波限制在一定范圍內；由于ASVG不需儲能元件來達到與系統交換無功的目的，實際上它使用直流電容來維護穩定的直流電源電壓，和SVC使用的交流電容相比，直流電容量相對較小，成本較低；正是由于這些優點，ASVG在改善系統電壓質量，提高穩定性方面具有SVC無法比擬的優點，這也顯示出ASVG是今后靜止無功補償技術發展的方向。

【參考文獻】

[1]A.C.MATHEB.超高壓輸電線路用的靜止無功補償器[C].湖北：湖北電力技術，1982.

[2]W.Herbst.高壓系統的可控靜止無功補償[C].湖北電力技術，1982.

[3]田廣青.江門變電站靜止補償器簡介[J].廣東電力，1988，（4）.

[4]米勒.電力系統無功功率控制[J].水利電力出版社，1990.

[5]王慶林.無功功率快速自動補償裝置設計探討[J].電力電容器，1993（2）.

[6]梁志勇.靜止無功補償設備運行綜述[J].電力電容器，1997（2）.

[7]劉文華.采用GTO的新型靜止無功發生器[J].電力系統自動化，1997（3）.

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