动态无功补偿技术及其应用

电力电子设备在电网中广泛使用，使得动态无功补偿（快速跟踪无功补偿）与谐波治理的问题日益突出，系统中常常会出现含有谐波，且负荷变化较大的工况，传统的静态无功补偿及静态无源滤波装置无法满足这一需求。动态无功补偿技术的应用为这一问题的解决提供了可行的途径。动态无功补偿装置可根据系统的负荷情况实对在线投切L—C滤波器组，实现实时快速跟踪补偿系统基波无功，同时滤除谐波无功。

20世纪70年代开始逐步应用于生产实际中的动态补偿器曾先后出现过不少形式。从目前看来，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗型、晶闸管自控电抗型和自饱和电抗型3种。

图2-16　SVC

由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以10多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置（SVC，图2-16）这个词往往是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，它包括：晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）；晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）型静止无功补偿装置；上述两者的混合装置（TCR+TSC）；晶闸管控制电抗器与固定电容器（Fixed Capacitor，FC）；机械投切电容器（Mechanically Switched Capacitor，MSC）混合使用的装置，如TCR+FC，TCR+MSC等。

随着电力技术的进一步发展，更为先进的静止无功补偿装置，采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，称其为静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）。

1.动态无功补偿的种类

动态无功补偿的意义主要体现在以下4个方面：降低供、配电系统的损耗，提高供配电系统的利用率（增容）；通过对功率因数的调整，实现对供、配电系统网络电压幅值的控制；稳定供、配电系统的网络电压；降低谐波电流对供电系统的破坏作用。

利用同等电压的感性电流与容性电流方向相反进行抵消，如果实现全补偿（图2-17），则系统无功电流等于零。

图2-17　基波感性无功补偿示意图

式中：I C为容性补偿电流；I L为负载电流；cosφ为功率因数。

（1）TCR方案。对感性负载系统配置固定补偿电容器，使系统呈容性，再配置可调补偿电抗器，使总电流中无功电流等于零。通过调节补偿电抗器，使补偿容性电流为（图2-18）

晶闸管相控电抗（TCR）型静止无功功率补偿装置（图2-19、图2-20）包括4个主要部分：高阻抗变压器（或降压变压器+电抗器）、电容器组（兼作滤波器）、晶闸管阀和调节器。

图2-18　TCR方案示意图

图2-19　晶闸管相控电抗（TCR）型静止无功功率补偿

不管负载的无功功率Q如何变化，总要使由系统供给的无功功率QB=QF+QL-QC≈常数，以限制电压的闪变。

由于电感电流滞后于电压90°，所以在正常工作情况下，a＜90°是没有用的。但是在误触发情况下，将会引起瞬态过电流。因此TCR型晶闸管阀的整个控制范围在90°～180°之间，这是对调节无功功率有用的范围。在晶闸管开通前，移动触发脉冲的相位即可改变晶闸管的开通时间。

（2）TSC方案。对感性负载系统配置可补偿电容，使总电流中无功电流等于零。通过调节补偿电容器，使补偿容性电流为（图2-21）：

图2-20　晶闸管相控电抗型静止无功功率补偿装置

（a）原理；（b）变化曲线
QSS—由TCR调节系统输出的无功功率；QF—负荷侧无功功率；X S—电源侧
电抗；X F—负荷侧电抗；QT—电抗无功功率；QC—电容无功功率；QS—系统无功功率

图2-21　TSC

晶闸管投切电容器（TSR）型静止无功补偿装置由降压变压器、电容器组（分成若干小组）、晶闸管阀（同样分成若干小组）和调节器4部分组成。根据负载感性无功功率的变化，切除或投入电容器组时，晶闸管阀只作为投切电容器的开关，而不像TCR型的晶闸管阀起相控的作用。

投入电容器时常会引起电流的冲击，设电容器C 1已投入，此时电压为U 1则：

如果电容器C 2，原来电压为U 2，则

当投入C 2后，必然会使C 1及C 2上的电压相等

由于电容器投入瞬间电荷量不能突变

其瞬时冲击电流为：

如果第二组电容器在投入时，其端电压与电网电压等值且同步，则不可能产生电流冲击。如果第二组电容器在投入前未充电，则应在电网电压过零时投入，才不会产生电流冲击。用晶闸管阀投切电容器组时，电容器只是在两个极端电流值（零电流和额定正弦电流）之间切换，所以不会产生谐波，这是其优点，但是无功功率补偿是阶跃式的，且响应快速性较差，这是它的缺点。

TSC型静止无功补偿装置的接线原理，其中变压器一次绕组用交流电压U和变压器电感L b来表示，与电容器串联的电感是阻尼电感（图2-22）。

图2-22　TSC型无功补偿装置

（a）接线原理；（b）理想等效电路；（c）分析模型
u—瞬时电压；U m—峰值电压(www.xing528.com)

（3）TSC+TCR混合型静止无功补偿装置（图2-23）。虽然TSC本身不产生谐波，但是无功补偿装置只能以阶梯变化的方式来满足系统对无功的需要。TCR方案响应快，具有平衡负载的能力，对于不平衡负载的补偿方面有特殊的优点，但它本身会产生谐波TCR用于输电线路补偿时有很严重的经济上的缺点，这是由于它在零无功功率输出状态下的损耗所造成的。因为在零无功功率输出状态时，固定电容器中的容性电流必须由晶闸管相控电抗器中的感性电流来平衡。流过电容器、电抗器和晶闸管阀中的额定电流使损耗达到最大，而且在输电系统中，一般都长期运行于这种状态，从而造成相当数额的经济损失。

图2-23　（TSC+TCR）混合型静止无功补偿装置原理

TSC+TCR系统中一般使用n组电容器（每组有晶闸管阀）和一组晶闸管相控电抗器。组数取决于所用晶闸管的额定电流、最大无功功率补偿要求及希望运行的电压等级等参数。

TSC+TCR系统的基本工作原理为：按所需的无功补偿值投入适当组数的电容器组，并略有一点儿正偏差，即过补偿，此时再用品闸管相控电抗器的感性无功功率来抵消这部分过补偿的容性无功功率。

TSC+TCR系统具有无功输出，可在容性和感性范围内连续可调，在零（或很低）无功输出时的损耗可忽略不计，在电力系统大扰动期间或扰动过后，因其电容器和电抗器可分别切除和投入，可使瞬变过电压限制到最低。在TSC+TCR混合型静止无功补偿装置中，电抗器的容量较小（几乎是最大输出的1/n），而电容器组的容量分段要使电抗器组既处在正常控制范围内，又能满足分段间的细调。为了使分段切换不中断，电抗器组的容量要稍大于一个电容器的容量，以使“投入”和“切除”无功功率值之间有一点儿重叠。

TSC+TCR混合型静止无功补偿装置的调节系统是在TCR型静止无功补偿装置的调节系统基础上，增加由逻辑投切单元、门极控制单元及三组反向并联的可控硅组成的调节环节构成完整的调节系统。

2.STATCOM（SVG）技术

随着电力电子技术，特别是大功率可关断器件技术的发展，国外还在研制、开发不同结构类型的静止无功功率补偿装置（STATCOM）。

图2-24　静止无功补偿装置

STATCOM主要是由变流装置来实现产生无功功率的，即由系统通过联络变压器和变流器整流后向电容器充电，同时在电容器上的直流电压通过变流器逆变成三相交流。改变变流器中的电力电子器件阀门上的脉冲的同步时间，就可以控制逆变后的输出电压与系统电压间的相角差。如果系统电压领先于装置的电压，系统向STATCOM的电容充电，使电容器上的电压E d提高，因此通过逆变器输出的电压高于系统电压，形成STATCOM向系统送无功功率。反之，触发脉冲使逆变电压领先于系统电压，电容器只好用电压降低输出电能，于是STACOM将处于吸收无功功率的状态下。两种情况都会在系统提供的功率与STATCOM消耗的功率平衡而终止，如图2-25所示。采用本方案运用多电平加多重化则不需要大量的电容器进行补偿（用于平衡直流电压的电容器容量约为常规交流电容器容量的1/10），但其承受系统不平衡能力有限。

图2-25　STATCOM电路及其向量图

为了解决不对称故障STATCOM的性能，基于链式逆变器的STATCOM技术应运而生。该STATCOM主电路的核心部分是电压型逆变器，每相由N个单相逆变器串联而成，其中2个单相逆变器为冗余运行。三相链式逆变器的各相输出两端分别连接一个空心电抗器后组成三角形连接，这种接线方式允许3个单相STATCOM实现分相控制，如图2-26所示。为了保证串联的单相桥输出基波电压相位相同、消除低次谐波且满足损耗要求，需要采用50HzSHE—PWM调制。本方案则可采用普通变压器接入系统，避免了多重化变压器，特别是在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用。

图2-26　级链式STATCOM基本原理图

SVC与STATCOM技术比较：

（1）目前，STATCOM主要有两种电路构造类型即多重化/多电平结构和级链式结构，两种类型各有优缺点，其中多重化/多电平结构的STATCOM利用直流电容器在三相之间进行无功功率的瞬时交换，无需常规的电容器补偿，实现了真正意义上的无功发生器（SVG）；而级链式STATCOM只是将交流侧补偿电容器移至直流侧，实际上还只是一种基于可关断器件的无功补偿器。

（2）基于多重化/多电平结构的STATCOM作为真正意义上的无功发生器，尚不具有SVC的能在系统不平衡情况下运行的能力，更不具备三相平衡化功能。这是STATCOM技术在电网中应用的致命不足（也是STATCOM未能推广应用的主要技术原因，因为在电网中故障几率主要是单相和两相这类非对称故障），各研究机构一直在电路拓扑结构上寻找新的方式，以促进STATCOM技术的成功应用。当前，只有5套STATCOM装置在输电系统运行，仅作为先导性示范工程，同时，ABB、Siemens等国外公司也没有推出STATCOM应用于输电网的计划，尚未形成商品化。

（3）基于级链式结构的STATCOM作为一种形式，它已经失去了STATCOM原本的技术和占地等诸多优势，实质上是GTO/IGCT—SVC。由于其采用GTO、IGCT等大功率可关断器件，技术上还需要进一步完善，价格也较高（约为SVC价格的3倍左右），从技术经济比较来说，这样的造价对国内外用户来说是难以承受的，常规SVC技术则更适合我国电网的技术经济水平，应优先考虑工程化应用。

（4）STATCOM作为一项前瞻性研究的新技术，具备诸多优点：对闪变抑制能力比SVC强、响应时间快、基于多重化/多电平结构的STATCOM占地面积比SVC少1/3、可提供瞬时有功功率（取决于储能部件）等。这项技术将在配电电能质量治理的特殊领域将发挥重要作用。

（5）输电网主要需要解决问题是：提供大量动态无功支撑、提高线路输送容量、稳定输电网电压、降低系统线损以及兼顾治理配电网谐波和负序。若采用STATCOM技术，技术上难以适应，而且价格也难以承受，STATCOM所具备的技术特色并非输电网变电站需要解决的问题。从工程化和实用化程度而言，目前SVC的工程化和实用化应用程度远高于STATCOM，并积累了多年运行经验，成功把握性远大于STATCOM。

（6）STATCOM技术有着很好的发展前途，但要替代SVC技术必须克服两个主要障碍，一个是价格，另一个则是损耗。目前，基于全控型器件的电力电子装置损耗大约是基于半控型器件电力电子装置的2倍。

3.STATCOM（SVG）的产品优势

（1）补偿方式：国内的无功补偿装置基本上是采用电容器进行无功补偿，补偿后的功率因素一般在0.8～0.9左右。SVG采用的是电源模块进行无功补偿，补偿后的功率因素一般在0.98以上，这是目前国际上最先进的电力技术。

（2）补偿时间：国内的无功补偿装置完成一次补偿最快也要200ms的时间，SVG在5～20ms的时间就可以完成一次补偿。无功补偿需要在瞬时完成，如果补偿的时间过长会造成该要无功的时候没有，不该要无功的时候反而来了的不良状况。

（3）有级无极：国内的无功补偿装置基本上采用的是3～10级的有级补偿，每增减一级就是几十kvar，不能实现精确的补偿。SVG可以从0.1kvar开始进行无极补偿，完全实现了精确补偿。

（4）谐波滤除：国内的无功补偿装置因为采用的是电容式，电容本身会放大谐波，所以根本不能滤除谐波，SVG不产生谐波更不会放大谐波，并且可以滤除50%以上的谐波。

（5）使用寿命：国内的无功补偿装置一般采用接触器或可控硅控制，造成使用寿命较短，一般在3年左右，自身损耗大而且要经常进行维护。SVG使用寿命在10年以上，自身损耗极小且基本上不要维护。

4.SVC主要设备和关键技术

（1）主要设备。SVC一次系统由滤波器组和TCR支路构成。滤波器组主要由电力电容器、串联电抗器、放电线圈、避雷器、刀闸、电流互感器、断路器等主要一次元件组成。其中串联电抗器与电容器串联谐振于特定谐波频率，对特定谐波呈现低阻，实现谐波滤除功能。同时，对50 Hz工频呈现容性，在SVC系统中提供容性无功。TCR支路主要由相控电抗器、穿墙套管、避雷器、晶闸管阀组、刀闸、断路器、线电流互感器、相电流互感器等主要一次元件组成。TCR采用三角形接线，其中每相电抗器分裂成两个，分别位于阀组两侧，可减小相控电抗器短路时的短路电流。晶闸管阀组可受控改变流过相控电抗器的电流，实现调节TCR电流的作用。

晶闸管阀组作为TCR的核心部件，其快速开断能力是实现快速动态调节无功的基础。在所有一次设备中，其结构也最为复杂，是TCR核心技术之一。晶闸管阀组由晶闸管元件、阻尼电阻、阻尼电容、水冷散热器、晶闸管电子板等组成。晶闸管电子板也被称为TE板，实现光电触发方式下阀高压侧取能、脉冲编解码、自动重触发、BOD后备触发、静态均压等功能。

晶闸管阀组直接串联在一次主回路中，TCR主电流流过晶闸管元件产生的通态损耗和晶闸管开关过程中产生的开关损耗转换为热能。为可靠高效的将热量带走，采用了水一风方式的全封闭式纯水冷却系统。全封闭式纯水冷却系统由主循环泵、去离子树脂、缓冲罐、氮气瓶、补液泵、补液罐、加热器、精密过滤器、户外水风换热器等主要部件组成。包括流量、压力、温度、湿度、电阻率、液位在内的多个电气量值被实时检测，通过高性能PLC实现对水冷却系统的实时监视和保护控制。

SVC二次控制及保护系统由监控屏、调节屏、人机界面屏、保护屏、故障录波屏、交直流系统等纽成。为方便运行人员，配备了远方工作站，所有信息和通过光纤方式与就地控制系统联结。调节及监控核心部分由调节单元、监控单元、VBE单元、VM单元、操作逻辑单元等组成，所有单元均为全数字化智能单元。内部通信联络采用了分层分布式结构。调节单元采用高速DSP和大规模FPGA为核心的控制板，实现针对输电网特点的TCR调节控制算法。监控单元采用高可靠嵌入式系统，负责对SVC一、二次设备进行全面的监控与保护。控制系统与阀组的联结采用光纤方式，可有效隔离高低电位，减少阀组对控制系统产生的传导性干扰。

（2）关键技术问题。电网动态无功补偿（SVC）技术开发及其工程化，需要在下面主要关键技术上取得突破性进展：

1）实现直接挂接35kV电压等级的TCR型SVC装置，完成大功率电力电子器件串联技术和输电网SVC接入电网及与电力系统保护配合技术的研究；突破大容量电力电子器件串联、冷却、试验等关键技术，并充分考虑SVC因纯感性无功出力带来的谐波问题。

2）TCR装置应采用密闭式循环纯水冷却方式，这种散热方式效率高、无噪声污染，具备较高自动化程度，免维护。

3）需要采用高压侧直接取能方式的光电触发及在线监测系统，高电位电子板是侍递控制系统和晶闸管阀的转换枢纽，设计上需采用防止误触发技术，以及d I/d t、d V/d t检测和BOD保护技术等；阀基电子采用可编程逻辑阵列CPLD，具备可扩充性，这样可提高整个系统的电磁兼容性能及可靠性。

4）采用全数字式控制器，具备多微处理器协调控制功能。控制器宜采用CAN现场总线技术，实现各子系统之间的可靠、快速数字信号传输，为实时记录系统的故障、动态刷新人机界面提供保障；调节器采用DSP快速数字信号处理技术，使TCR装置的响应时间控制在10ms以内，可以快速跟踪负荷的无功需求变化进行补偿。

5）控制系统具有多重监控及保护功能，完成在系统各种异常情况下的可靠保护；监控系统采用一体化工作站，并具有友好的人机界面，便于控制和查询故障类型和故障位置；控制器的监控及保护系统通过“通信控制器”与上级自动化系统实现通信连接，这样可以达到远方的监视和控制，实现无人值守。

6）SVC的调节策略采用多目标、多反馈的调节方式，实现开关投切、变压器分接头、晶闸管触发角协调控制，并考虑对低频振荡的阻尼及抑制SSR的能力，满足电网各种运行方式的要求；并实现了上级调度远方自动控制的功能。

7）通过仿真培训系统实现SVC静、动态模型的电力系统分析计算，特别是电压稳定性分析计算的功能。

8）完成输电网SVC系统集成技术、输电网SVC系统设计导则、输电网SVC运行维护导则、输电网SVC验收导则等多种工程实现、设计、运行和维护方法。