電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

徐 靖

（海軍駐711研究所軍代表室，上海 201108）

0 引 言

現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)面臨著如何最大限度地發(fā)揮輸電線路的設(shè)計容量以及提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性兩大問題[1]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性負(fù)載的沖擊性和不平衡性使電網(wǎng)的無功損耗增加以及受電端電壓下降，大量的無功功率在電網(wǎng)中的傳輸使電能利用率大大降低，且嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。

在電力系統(tǒng)中，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件和負(fù)載都要消耗無功功率，當(dāng)無功功率供給不足時，將導(dǎo)致電流增大和供電設(shè)備的視在功率增大，造成電力用戶的啟動及控制設(shè)備、測量儀表的尺寸和規(guī)格增大，設(shè)備及線路損耗增加，變壓器及線路壓降增大，電網(wǎng)電壓波動。因此無功功率對供電系統(tǒng)和負(fù)載的運行都是十分重要的。

1 無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔?/h2>

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1) 提高供電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量和減少功率損耗；

2) 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線中的合適點設(shè)置動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力；

3) 在三相負(fù)載不對稱的場合，通過適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償可以平衡三相負(fù)載。

2 無功補(bǔ)償方法

目前，常用的補(bǔ)償方法包括采用同步發(fā)電機(jī)、同步電動機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、靜止無功補(bǔ)償裝置和靜止無功發(fā)生器（SVG）等。其中前3種已逐漸被電容器及新型的SVC和SVG所取代。其中SVG以其優(yōu)良的補(bǔ)償性能已受到越來越廣泛的重視。

同步發(fā)電機(jī)[2,3]是較早應(yīng)用的無功補(bǔ)償設(shè)備之一，其工作原理是通過調(diào)整勵磁電流，使發(fā)電機(jī)在超前的功率因數(shù)下運行，同時輸出有功功率和無功功率。同步調(diào)相機(jī)是在同步電動機(jī)不帶負(fù)載運行時專門向電網(wǎng)提供無功功率。但由于其效率低下，已逐漸被新型補(bǔ)償裝置所取代。

并聯(lián)電容是繼同步發(fā)電機(jī)之后的一種較實用的無功補(bǔ)償方法[4]。其原理是給感性電路并聯(lián)電容 C，使電壓相量U與電流相量I之間的相位差變小，整個回路的功率因數(shù)得到提高。補(bǔ)償容量與供電電壓的平方成正比是并聯(lián)電容器的缺點，更為嚴(yán)重的是與諧波之間的相互影響：

1) 諧波電流疊加在基波電流上，使電容溫升增加，引起過熱而降低電容的使用壽命；

2) 并聯(lián)電容對諧波的放大不僅造成其本身的損害，且危及電網(wǎng)中的其他設(shè)備，影響電網(wǎng)的正常運行。

電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使得經(jīng)濟(jì)而有效的可控硅串、并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置得以應(yīng)用[5,6]。SVC作為新型的并聯(lián)補(bǔ)償裝置，從20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來，1967年英國制成了第一批自飽和電抗器型靜止無功補(bǔ)償裝置。此后，1977年靜態(tài)無功補(bǔ)償器首次被應(yīng)用于115kV的電網(wǎng)[7]，有效彌補(bǔ)了老式補(bǔ)償裝置的不足。SVC具有半導(dǎo)體控制投切電容（TSC）和可控電抗器（TCR）兩種結(jié)構(gòu)。

1) TSC無功補(bǔ)償裝置[8]，見圖1。主回路有多臺電容器并聯(lián)，根據(jù)所需無功電流的大小來決定投入電容的數(shù)量和補(bǔ)償電流大小來滿足下面關(guān)系式：

式中：第j臺電容未投入時 Kj= 0 ；第j臺電容投入時 Kj= 1 。 Icj為第j臺電容補(bǔ)償電流。

圖1 TSC主回路

由于TSC的響應(yīng)時間小于半周波，補(bǔ)償電流中不含諧波，因此，在高壓集中補(bǔ)償和低壓就地補(bǔ)償中都有使用。但是，由式(1)分析可知，TSC的無功調(diào)節(jié)是有級的，為適應(yīng)動態(tài)補(bǔ)償?shù)男枰壊畋仨氉銐蛐。诒ＷC級差的條件下增加補(bǔ)償總?cè)萘烤捅仨氃黾与娙萜鲾?shù)量。

2) TCR無功補(bǔ)償裝置[9]，見圖2。TCR為并聯(lián)型無功補(bǔ)償裝置，圖中，IcL——電抗器電流， Icc——電容器電流，滿足電流關(guān)系式：

圖2 TCR主回路

由主回路可知，控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角，可以控制電抗器電流 IcL。當(dāng)IcL=- Icc時，補(bǔ)償電流為0；當(dāng) IcL為0時補(bǔ)償電流最大。TCR的響應(yīng)時間小于半周波，可連續(xù)調(diào)節(jié)無功輸出。但其電流中有諧波，因為容性無功電流的變化是借助改變電流導(dǎo)通角實現(xiàn)的，且電抗器體積大，使整個裝置的成本、體積增加。

通常將TSC與TCR混合使用[10]，這樣即可以解決單獨使用TSC時無法產(chǎn)生連續(xù)補(bǔ)償電流的問題，又可以解決在進(jìn)行大容量補(bǔ)償時單獨使用 TCR裝置體積過大的問題。再則，兩者混合使用可同時補(bǔ)償感性無功和容性無功。另外，TCR還常常與電容器并聯(lián)使用，因為TCR本身要消耗無功，并聯(lián)電容后可以在電網(wǎng)正常工作情況下，減小總的無功消耗。該方法也可以同時補(bǔ)償感性無功和容性無功。

然而，隨著電網(wǎng)中對補(bǔ)償容量的需求不斷增加，SVC的缺點也逐漸顯現(xiàn)出來。SVC裝置需要電抗或電容作為主要工作元件，為補(bǔ)償0～100%容量變化的無功功率，就需要100%容量的電容器和超過100%容量的晶閘管控制電抗器，當(dāng)補(bǔ)償容量增加時，就要增加元件的個數(shù)或容量，銅和鐵的消耗很大，導(dǎo)致設(shè)備線路復(fù)雜，成本高，體積大。同時，使用SVC如想達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)容性和感性無功的話，要將TCR與TSC混合使用，這在一定程度上也影響了設(shè)備的小型化，簡單化。另外，SVC內(nèi)部的電力電子開關(guān)元件多為晶閘管。晶閘管在導(dǎo)通期間處于失控狀態(tài)，這使 SVC每步補(bǔ)償時間間隔至少約達(dá)工頻的半個周期。當(dāng)被補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷為急劇波動性負(fù)荷時，常用的SVC無法快速響應(yīng)。

隨著可關(guān)斷晶閘管的出現(xiàn)， SVG[2,11]以其特有的優(yōu)勢受到了廣泛的關(guān)注。SVG的電路結(jié)構(gòu)與有源電力濾波器類似，為自換相橋式電路。其工作原理是將自換相橋式電路通過電抗器或直接并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)其交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或直接控制交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償。SVG有全新的補(bǔ)償工作原理，與以 TCR型為代表的 SVC裝置相比，SVG的調(diào)節(jié)速度更快，運行范圍寬，而且在采取多重化、多電平或脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。更重要的是，在對稱三相電路中不需要電感器或電容器就能按人們的意愿產(chǎn)生感性或容性無功功率，大大減小了設(shè)備的體積和成本，且補(bǔ)償數(shù)量連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)性能優(yōu)于現(xiàn)有的其他無功設(shè)備。

SVG通常由多組電壓源型逆變器構(gòu)成。SVG裝置在大功率應(yīng)用場合中，所用的開關(guān)器件是門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），構(gòu)成的逆變器具有較高的耐壓值。而目前，中低壓領(lǐng)域的主流器件是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），其單管耐壓值低于GTO，但具有高開關(guān)速度，適于應(yīng)用PWM控制技術(shù)，補(bǔ)償性能更好，隨著大功率IGBT的研制以及多器件串聯(lián)應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)，由IGBT為主的補(bǔ)償電路將得到更廣泛的應(yīng)用。

SVG的可控輸出電壓0V與系統(tǒng)電壓LU 同相，當(dāng)輸出電壓大于系統(tǒng)電壓時發(fā)出無功功率，當(dāng)輸出電壓小于系統(tǒng)電壓時則可吸收無功功率。這種原理與旋轉(zhuǎn)同步調(diào)相機(jī)相似，因此 SVG也被稱為靜止同步調(diào)相器（STATCOM或STATCON）。單組逆變器的輸出電壓為矩形波，多組逆變器的組合則可輸出接近于正弦波的電壓波形。在GTO的門極端上可在任意時刻加入適當(dāng)?shù)目刂菩盘枺笹TO由導(dǎo)通向關(guān)斷或由關(guān)斷向?qū)ㄞD(zhuǎn)換，從而使 SVG隨著無功功率的變化迅速改變其輸出無功功率，以達(dá)到抑制電壓閃變的目的，見圖3。

圖3 大功率單組三相式六脈沖逆變器原理

3 發(fā)展趨勢

當(dāng)前，電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展如下：

1) 新型信息檢測和信號處理技術(shù)的應(yīng)用。目前，廣義瞬時無功功率檢測方法由于在電網(wǎng)電壓不對稱或畸變的情況下，仍能精確地分離出基波正序瞬時無功電流和不對稱及高次諧波瞬時無功功率電流，并對它們進(jìn)行有選擇性的補(bǔ)償或完全補(bǔ)償，受到人們的廣泛關(guān)注?；陔娏ο到y(tǒng)存在數(shù)據(jù)多、數(shù)據(jù)類型混雜、數(shù)據(jù)質(zhì)量差而同時系統(tǒng)又要求根據(jù)數(shù)據(jù)作出快速準(zhǔn)確的反應(yīng)等特點，數(shù)據(jù)挖掘和粗糙集技術(shù)已經(jīng)得到電力行業(yè)廣泛的重視[12~14]，并已開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)的處理和重要信息的獲取。

2) 隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)的控制器、控制理論和控制方法將在無功補(bǔ)償裝置中得到應(yīng)用。新型的數(shù)字化處理器將提高數(shù)據(jù)采集、處理的實時性和精度，先進(jìn)的控制理論，以及控制方法將增強(qiáng)補(bǔ)償系統(tǒng)的效率和可靠性[15]。

3) 提高電力電子器件性能[16]。電力電子器件的性能，直接影響無功補(bǔ)償裝置的效果。應(yīng)從材料、工藝、技術(shù)等方面入手，加大力度提升全控型和半控型電力電子器件的性能。尤其是國內(nèi)薄弱的全控型電力電子器件，這方面的突破必然為無功補(bǔ)償技術(shù)帶來質(zhì)的飛躍。

4) 船舶電網(wǎng)無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用。由于船舶電力系統(tǒng)總體容量較小，負(fù)載類型較少，其無功主要靠發(fā)電設(shè)備自身進(jìn)行小幅度調(diào)整，很少專門配備無功補(bǔ)償裝置。而隨著船舶電網(wǎng)容量的不斷增大、存在無功需求的負(fù)載不斷增多，尤其是電力推進(jìn)新型船舶及相應(yīng)的綜合電力系統(tǒng)技術(shù)[17]的應(yīng)用，都對船舶電網(wǎng)無功補(bǔ)償性能提出了新的要求[18,19]。船舶電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)研究勢在必行。

4 結(jié) 語

隨著陸地到船舶應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，以及計算機(jī)科學(xué)、電力電子技術(shù)、控制理論和數(shù)學(xué)等研究工具的不斷推陳出新，電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償技術(shù)也將不斷發(fā)展、完善。更多的有效方法將在今后的工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中得到應(yīng)用。

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