電力系統(tǒng)靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

黃占勇

【摘 要】本文詳細(xì)綜述了電力系統(tǒng)靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了解各種靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及現(xiàn)今在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，并提出今后靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；靜止無功補(bǔ)償；發(fā)展趨勢；探討

0 引言

電力系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)無功功率平衡決定了該節(jié)點(diǎn)的電壓水平，由于當(dāng)今電力系統(tǒng)的用戶中存在著大量無功功率頻繁變化的設(shè)備；如扎鋼機(jī)、電弧爐、電氣化鐵道等。同時(shí)用戶中又有大量的對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有較高要求的精密設(shè)備：如計(jì)算機(jī)，醫(yī)用設(shè)備等。因此迫切需要對系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等，由于并聯(lián)電容器阻抗固定不能動態(tài)的跟蹤負(fù)荷無功功率的變化；而調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等補(bǔ)償設(shè)備又屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)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(bǔ)償。所以這些設(shè)備已經(jīng)越來越不適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要?，F(xiàn)今所指的靜止無功補(bǔ)償裝置一般專指使用晶閘管的無功補(bǔ)償設(shè)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(bǔ)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(tǒng)稱為SVC；第三類是采用自換相交流技術(shù)的靜止無功補(bǔ)償裝置——高級靜止無功發(fā)生器（ASVG）。 以下對此三類靜止無功補(bǔ)償技術(shù)逐一介紹，主要對SVC和ASVG這兩類補(bǔ)償技術(shù)作詳細(xì)介紹，并指出今后靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 具有飽和電抗器的無功補(bǔ)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(yīng)的無功補(bǔ)償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來控制發(fā)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(jìn)一步控制無功電流的大小。這類裝置組成的靜止無功補(bǔ)償裝置屬于第一批靜止補(bǔ)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(bǔ)償裝置[1]，但是由于這種裝置中的飽和電抗器造價(jià)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(tài)，鐵心損耗大，比并聯(lián)電抗器大2～3倍，另外這種裝置還有振動和噪聲，而且調(diào)整時(shí)間長，動態(tài)補(bǔ)償速度慢，由于具有這些缺點(diǎn)，所以飽和電抗器的靜止無功補(bǔ)償器目前應(yīng)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(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)，其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當(dāng)于交流調(diào)壓器電路接電感性負(fù)載，在工程實(shí)際中，可以將降壓變壓器設(shè)計(jì)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(dú)接入一個(gè)變壓器，也可以不裝設(shè)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(jīng)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(dāng)?shù)难b置回路，例如加裝濾波器，可以進(jìn)一步降低無功補(bǔ)償產(chǎn)生的諧波。瑞士勃郎·鮑威利公司已經(jīng)制造出次種補(bǔ)償器用于高壓輸電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償[2]。

由于單獨(dú)的TCR只能吸收無功功率，而不能發(fā)出無功功率，為了解決次問題，可以將并聯(lián)電容器與TCR配合使用構(gòu)成無功補(bǔ)償器。根據(jù)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(bǔ)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(bǔ)償器（TCR+MSC）。這種具有TCR型的補(bǔ)償器反應(yīng)速度快，靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。由于固定電容器的TCR+FC型補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償范圍從感性范圍延伸到容性范圍時(shí)要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收較小的無功電流時(shí)，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(bǔ)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(diǎn)，但應(yīng)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(yīng)運(yùn)而生。兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流。TSC用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對稱網(wǎng)絡(luò)采用星形連接，負(fù)荷不對稱網(wǎng)絡(luò)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(diào)節(jié)，總是希望電容器級數(shù)越多越好，但考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，一般用K-1個(gè)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(shù)[4]。經(jīng)過多年的分析與試驗(yàn)研究，其最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時(shí)刻[5]。此時(shí)投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補(bǔ)償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對電容器預(yù)先充電，充電結(jié)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(jìn)口的無功補(bǔ)償設(shè)備就是TSC+TCR型[6]。

4 新型靜止無功發(fā)生器

隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是L.Gyugyi提出利用變流器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)睦碚撘詠?，逐步出現(xiàn)了應(yīng)用交流技術(shù)進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)撵o止補(bǔ)償器。它是通過將自換相橋式電路直接并聯(lián)到電網(wǎng)上或者通過電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)上。ASVG根據(jù)直流側(cè)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(tài)補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理是相同的。當(dāng)逆變器脈寬恒定時(shí)，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓及系統(tǒng)電壓之間的夾角δ，就可以調(diào)節(jié)無功功率及逆變器直流側(cè)電容電壓uc，同時(shí)調(diào)節(jié)夾角δ和逆變器脈寬，既可以保持Uc恒定的情況下，發(fā)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(shù)，多電平技術(shù)或PWM技術(shù)進(jìn)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(nèi)；由于ASVG不需儲能元件來達(dá)到與系統(tǒng)交換無功的目的，實(shí)際上它使用直流電容來維護(hù)穩(wěn)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(yōu)點(diǎn)，ASVG在改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量，提高穩(wěn)定性方面具有SVC無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，這也顯示出ASVG是今后靜止無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展的方向。

【參考文獻(xiàn)】

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

[2]W.Herbst.高壓系統(tǒng)的可控靜止無功補(bǔ)償[C].湖北電力技術(shù)，1982.

[3]田廣青.江門變電站靜止補(bǔ)償器簡介[J].廣東電力，1988，（4）.

[4]米勒.電力系統(tǒng)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(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)探討[J].電力電容器，1993（2）.

[6]梁志勇.靜止無功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)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(fā)生器[J].電力系統(tǒng)自動化，1997（3）.

[責(zé)任編輯：張濤]