靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置2

1、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償方法是利用機(jī)械開關(guān)進(jìn)行投切并聯(lián)電容器，它的阻抗是固定的，不能跟蹤負(fù)荷無(wú)功需求的變化，即不能實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。有些負(fù)荷如電弧煉鋼，它的無(wú)功負(fù)荷的波動(dòng)比較的，對(duì)無(wú)功的需求在不同階段有很大的不同，如果僅利用傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)投切電容器，不能滿足要求；如果不進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，當(dāng)無(wú)功需求較大時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)電壓下降，影響其它設(shè)備的工作。因此，需要一種能夠根據(jù)負(fù)荷的無(wú)功需求而自動(dòng)調(diào)節(jié)的裝置來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，這也就是動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置所要完成的任務(wù)。靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator-SVC）是電網(wǎng)中控制無(wú)功功率的裝置，依據(jù)無(wú)功功率的需求自動(dòng)補(bǔ)償。所謂靜止是相對(duì)

2、于調(diào)相機(jī)而言的，它沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。它的補(bǔ)償是動(dòng)態(tài)的，即根據(jù)無(wú)功的需求或電壓的變化自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償。靜止無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的各種無(wú)功補(bǔ)償器都是用無(wú)功器件產(chǎn)生無(wú)功功率，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)或投切的方法進(jìn)行。另一個(gè)顯著特點(diǎn)就是依靠晶閘管等電力電子器件完成調(diào)節(jié)或投切，可頻繁地進(jìn)行操作。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置是調(diào)相機(jī)，它是專門用來(lái)產(chǎn)生無(wú)功功率的同步電機(jī)，利用調(diào)節(jié)其勵(lì)磁的方法，使其發(fā)出不同大小的容性或感性無(wú)功功率。但由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，損耗和噪聲較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，且響應(yīng)速度慢，已無(wú)法適應(yīng)快速無(wú)功功率變化，逐步被靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置替代。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，將使用晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置引入了電力無(wú)功

3、補(bǔ)償控制。目前，使用晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置以其優(yōu)良的性能，占據(jù)了靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位。主要包括晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor-TCR）、晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor）及其混合裝置(TCR+TSC)，也有晶閘管控制電抗器與固定電容器(Fixed Capacitor-FC)混合使用的裝置(TCR+FC)。在工業(yè)中、變配電及輸電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著電力電子的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了另一種更先進(jìn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，它是采用自換相交流電路的裝置，即采用全控型器件構(gòu)成的電路。通常將此種裝置稱為靜止無(wú)功發(fā)生器（S

4、tatic Var Generator-SVG）,也稱為高級(jí)靜止無(wú)功補(bǔ)償器(Advanced Static Var Compensator-ASVC)，也稱為靜止調(diào)相器（Static Condenser-STATCON）。在國(guó)外已有成功應(yīng)用的例子，國(guó)內(nèi)由清華大學(xué)和河南電力局合作的±100MvarSVG也已投運(yùn)。1.無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理對(duì)電力系統(tǒng)中無(wú)功功率進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)如下功能：a) 對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功負(fù)荷的功率因數(shù)校正b) 改善電壓調(diào)整c) 提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，阻尼功率振蕩d) 降低過(guò)電壓e) 減少電壓閃變f) 減少電壓和電流的不平衡以上的功能是相互關(guān)聯(lián)的，在實(shí)際的靜

5、止無(wú)功補(bǔ)償裝置中，往往只能以其中的某一條或幾條為直接控制目標(biāo)，它們的控制策略也因此不同。這些功能有些是對(duì)負(fù)載的補(bǔ)償效果，有些是對(duì)輸電系統(tǒng)的性能改善。而改善電壓，提高電壓穩(wěn)定度是兩種共同目標(biāo)。以電弧爐、軋機(jī)等大容量沖擊負(fù)荷為直接補(bǔ)償對(duì)象的補(bǔ)償裝置，要求的容量較小，而以電力系統(tǒng)性能為目標(biāo)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，要求較大容量。ab 圖1為系統(tǒng)、負(fù)載和補(bǔ)償器的單相等效電路圖圖1a為系統(tǒng)、負(fù)載和補(bǔ)償器的單相等效電路圖。U為系統(tǒng)電壓，R和X分別為系統(tǒng)的電阻和電抗。假設(shè)負(fù)載變化很小，反映系統(tǒng)電壓與無(wú)功功率關(guān)系的特性曲線如圖1b所示?？梢钥闯觯撉€是向下傾斜的，即隨著系統(tǒng)供給的無(wú)功功率Q的增加，供電電壓下降，系

6、統(tǒng)特性曲線可近似表達(dá)為：或其中 U0無(wú)功功率為零時(shí)系統(tǒng)電壓 Ssc系統(tǒng)短路容量由上可見(jiàn)，無(wú)功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓的成比例變化。投入補(bǔ)償器后，系統(tǒng)供給的無(wú)功功率為負(fù)載和補(bǔ)償器無(wú)功功率之和，即因此，當(dāng)負(fù)載無(wú)功功率變化時(shí)，如果補(bǔ)償器的無(wú)功功率總能補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功功率的變化，從而維持Q不變，那么，Q0，則U0，即供電電壓保持恒定。此即為無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理。當(dāng)時(shí)系統(tǒng)工作點(diǎn)保持在Q0處時(shí)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的完全補(bǔ)償?？梢?jiàn)補(bǔ)償功率因數(shù)的功能可以看作改善電壓調(diào)整的特例。2晶閘管控制電抗器（TCR）2.1 基本原理圖2 TCR單相等效電路其基本原理如圖2所示，其單相基本結(jié)構(gòu)就是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器串聯(lián)，

7、而三相結(jié)構(gòu)多采用三角形聯(lián)結(jié)。整個(gè)電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，相當(dāng)于帶電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)。如果兩個(gè)可控硅開始導(dǎo)通的時(shí)延相等，就可以得到一系列電流波形，如圖T2 a至d所示，每一波形對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的控制角值，的計(jì)量以電壓過(guò)零時(shí)為基準(zhǔn)，完全導(dǎo)通是在控制角為90º時(shí)獲得的。當(dāng)控制角在90º到180º之間時(shí)則得到部分導(dǎo)通，增大控制角，其效果是減少了電流中的基波分量，這相當(dāng)于增大電抗器的感抗，減少其無(wú)功功率和電流。就電流的基波分量而言，可控硅控制電抗器是一個(gè)可控電納，因而可用作靜止補(bǔ)償器。圖T2 三角型接法的相電流和線電流由分析可知，觸發(fā)延遲角的有效移相范圍為90180º

8、;，其位移因數(shù)始終為0，即基波電流都是無(wú)功電流。 當(dāng)90º時(shí)，晶閘管完全導(dǎo)通，導(dǎo)通角180º，與晶閘管串聯(lián)的電抗相當(dāng)于直接接在電網(wǎng)上，其吸收的基波電流和無(wú)功功率最大。當(dāng)觸發(fā)延遲角在90180º之間時(shí)，晶閘管為部分區(qū)間導(dǎo)通，導(dǎo)通角<180º。增大觸發(fā)延遲角的效果就是減少電流中的基波分量，相當(dāng)于增大補(bǔ)償器的等效感抗，因而減少其吸收的無(wú)功功率。 圖3 電壓電流特性曲線TCR的電壓電流特性曲線如圖3所示?？梢钥闯觯妷弘娏魈匦允且环N穩(wěn)態(tài)特性，特性上每一點(diǎn)都是TCR在導(dǎo)通角為某一角度時(shí)的等效感抗的伏安特性上一點(diǎn)。TCR能從電壓電流特性的某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另

9、一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，都是控制系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角，從而調(diào)整導(dǎo)通角的結(jié)果。2.2主要接線形式和配置類型2.2.1 基本結(jié)構(gòu) 圖4 6脈沖TCR結(jié)構(gòu) 圖5 12脈沖TCR結(jié)構(gòu)TCR的三相接線形式大都采用三角形聯(lián)結(jié)，其結(jié)構(gòu)就是一個(gè)支路控制的三角形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓電路的形式，如圖4所示。此種接線形式比其他形式的線電流中諧波含量小。工程中還常常將每一相的電抗分成兩部分，分別接在晶閘管對(duì)的兩端，使晶閘管在電抗器損壞時(shí)得到額外保護(hù)。以上時(shí)6脈沖TCR，線電流中含有6k±1次諧波。圖5為12脈波TCR。TCR通過(guò)降壓變壓器連接到母線上，降壓變壓器二次側(cè)有兩個(gè)繞組，一位Y形，另一個(gè)為連接，形成30

10、6;相差，分別連一個(gè)6脈波的T并聯(lián)CR。當(dāng)其中一個(gè)故障時(shí)，另一個(gè)仍可正常工作。2.2.2 TCRFC結(jié)構(gòu)單獨(dú)的TCR由于只能吸收感性無(wú)功，因此常常與并聯(lián)電容器配合使用。并聯(lián)上電容器后，使得總的無(wú)功功率為TCR與并聯(lián)電容無(wú)功功率抵消后的凈無(wú)功功率，因而可將補(bǔ)償器的總體無(wú)功電流偏置到可吸收容性無(wú)功的范圍內(nèi)。另外，并聯(lián)電容器上串聯(lián)小調(diào)諧電抗器，兼做濾波器，吸收TCR所產(chǎn)生諧波電流。TCR+FC型SVC的電路結(jié)構(gòu)及其電壓電流特性如圖6所示。特性左邊界的斜線為晶閘管導(dǎo)通角為零而僅有固定電容并聯(lián)在母線上時(shí)電容器伏安特性；右邊界斜線為晶閘管完全導(dǎo)通，串聯(lián)電抗器直接接在母線上，并與并聯(lián)電容并聯(lián)產(chǎn)生的總等效阻抗

11、的伏安特性，對(duì)應(yīng)凈無(wú)功功率。當(dāng)要求此種補(bǔ)償器的補(bǔ)償范圍能延伸到容性和感性無(wú)功功率兩個(gè)領(lǐng)域時(shí)，電抗器容量必須大于電容器容量。當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收很小的容性或感性無(wú)功功率的狀態(tài)時(shí)，其電抗器和電容器實(shí)際都吸收了很大的無(wú)功功率，都有很大的電流流過(guò)，只是對(duì)消而已。這是此類補(bǔ)償器最大缺陷。為克服此缺陷，可以采用TCRTSC的混合型靜止補(bǔ)償器。 圖6 TCR+FC型SVC的電路結(jié)構(gòu)及其電壓電流特性2.3控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)的有關(guān)變量，并根據(jù)檢測(cè)量大小及給定輸入量的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)延時(shí)角，以調(diào)節(jié)補(bǔ)償器吸收的無(wú)功功率，因而控制系統(tǒng)包括三部分：檢測(cè)電路：檢測(cè)控制所需的系統(tǒng)變量和補(bǔ)償容量控制電路：對(duì)檢測(cè)

12、信號(hào)和參考值進(jìn)行處理觸發(fā)電路：根據(jù)控制電路輸出產(chǎn)生相應(yīng)觸發(fā)延遲角的晶閘管觸發(fā)脈沖檢測(cè)電路取哪些量作為被測(cè)對(duì)象及采取什么樣的控制策略和控制電路，取決于用戶對(duì)補(bǔ)償器的要求?？傮w來(lái)說(shuō)，控制策略可分為開環(huán)和閉環(huán)控制兩大類。開環(huán)控制響應(yīng)速度快，適用于負(fù)載補(bǔ)償，尤其在減少電壓閃變方面；閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是控制精確，對(duì)于輸電補(bǔ)償特別適用。控制電路輸出的控制信號(hào)一般是期望補(bǔ)償器所具有的等效電納。控制方法：閉環(huán)控制的策略較復(fù)雜，以改善電壓調(diào)整為例，要得到穩(wěn)定的電壓，必須引入電壓負(fù)反饋，它通過(guò)檢測(cè)到的電壓U和系統(tǒng)給定電壓參考值Uref的比較，由偏差來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行。調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)器，如圖8所示。TCR電壓-電流

13、特性在電壓軸上的截距由電壓參考值Uref來(lái)決定，而其斜率有閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)決定，因而改變閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)就可以改變電壓-電流特性。補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性由閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)決定。圖8 只有電壓反饋的控制方法為進(jìn)一步改善控制性能，可以再引入補(bǔ)償電流的反饋，如圖9所示。在電壓反饋的外閉還內(nèi)再引入電流環(huán)的負(fù)反饋，以提高精度。補(bǔ)償電流將完全由電壓調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)決定，補(bǔ)償器的電壓-電流特性的斜率仍由電壓調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)決定。圖9 帶電流內(nèi)環(huán)的電壓反饋控制方法2.3動(dòng)態(tài)過(guò)程分析以改善電壓的TCRFC型補(bǔ)償器為例介紹一下受擾動(dòng)后系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程。圖10為TCR補(bǔ)償器的電壓一電流特

14、性（圖中0ABD）段，而擾功前系統(tǒng)負(fù)載l1。兩者交于a(也就是擾動(dòng)前系統(tǒng)的工作點(diǎn))。補(bǔ)償器特性上a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通角為a，因此a點(diǎn)也可以看成是導(dǎo)通角a為時(shí)補(bǔ)償器等效感抗的 圖10 TCR補(bǔ)償器對(duì)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程伏安特性0F與系統(tǒng)負(fù)載線的交點(diǎn)。假設(shè)在某時(shí)刻，電力系統(tǒng)突然受到擾動(dòng)，如無(wú)功負(fù)載突然減小，造成系統(tǒng)負(fù)載線突然從l1：升至，則在這一時(shí)刻，由于補(bǔ)償器還未來(lái)得及調(diào)整，其晶閘管導(dǎo)通角仍為a，因此系統(tǒng)的工作點(diǎn)將從a點(diǎn)移至b點(diǎn)也就是導(dǎo)通角為a時(shí)補(bǔ)償器等效感抗的伏安特性與系統(tǒng)負(fù)載線的交點(diǎn)。隨后，由于補(bǔ)償器控制系統(tǒng)的檢測(cè)與調(diào)節(jié)作用，使晶閘管導(dǎo)通角增大至c，最終將使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在c點(diǎn)，即補(bǔ)償器特性與的

15、交點(diǎn)，或者說(shuō)導(dǎo)通角為c時(shí)補(bǔ)償器等效感抗的伏安特性O(shè)G與l2的交點(diǎn)。一般調(diào)節(jié)過(guò)程在12個(gè)周波內(nèi)完成。3晶閘管投切電容器（TSC）3.1 基本原理a)b)c)圖11晶閘管投切電容器基本原理圖原理如圖11所示，其中的兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管只是起將電容起并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來(lái)抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能造成的沖擊電流。因此當(dāng)電容器投入時(shí)，TSC的電壓電流特性就是該電容的伏安特性，如圖11中所示。在工程中，一般將電容器分成幾組，每組都可由晶閘管投切，這樣可根據(jù)電網(wǎng)的無(wú)功需求來(lái)投切電容器。TSC是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器。其電壓電流特性按照投入電容器組數(shù)的不同而不同。當(dāng)T

16、SC用于三相電路時(shí)，可以聯(lián)結(jié)，也可以Y聯(lián)結(jié)，每一相都設(shè)計(jì)成圖11b所示的分組投切。電容器的分組投切方法比較靈活，一般希望能組合產(chǎn)生的電容值級(jí)數(shù)越多越好，綜合考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，一般采用二進(jìn)制方案，即采用k-1個(gè)電容值均為C的電容和一個(gè)電容值為C/2的電容，可以組合成電容值有2k級(jí)。優(yōu)點(diǎn)：與機(jī)械開關(guān)投切電容器相比，操作可以較頻繁進(jìn)行，開關(guān)壽命長(zhǎng)，可以控制合閘角度，減少投切時(shí)的沖擊電流和操作困難；與TCR相比，雖不能連續(xù)調(diào)整無(wú)功，但運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生諧波且損耗較小。3.2投入時(shí)刻的選取選取投入時(shí)刻的總原則是TSC的投入時(shí)刻必須是電源電壓與電容器上預(yù)先充電電壓相等的時(shí)刻。根據(jù)電容的特性，當(dāng)電容電壓突

17、變時(shí)，將產(chǎn)生沖擊電流，給系統(tǒng)上其它設(shè)備帶來(lái)干擾，且有可能損壞晶閘管。3.2.1 理想投入時(shí)刻在電容電壓預(yù)先充電到電源電壓的峰值時(shí)，如果晶閘管的觸發(fā)相位也固定在電源電壓的峰值點(diǎn)，此時(shí)電源電壓的變化率為0，電流為0，隨后跟隨電源電壓的變化，電流也變化。整個(gè)投入過(guò)程不產(chǎn)生沖擊電流，電流也沒(méi)有階躍變化，此即為理想投入時(shí)刻。如圖12所示圖12 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明圖設(shè)電源電壓es，本次導(dǎo)通之前，電容器兩端電壓UC已通過(guò)上次的導(dǎo)通時(shí)最后導(dǎo)通晶閘管V1充電到電源電壓峰值，且極性為正。本次導(dǎo)通開始時(shí)刻取為es和UC相等的時(shí)刻t1，給V2以觸發(fā)脈沖而使之開通，電容電流iC開始流通。以后每半個(gè)周波發(fā)出觸發(fā)脈

18、沖輪流給V1和V2，直到需要切除這條電容支路時(shí)，如在t2時(shí)刻，停止發(fā)脈沖，iC為零，則V2關(guān)斷，V1因未獲觸發(fā)而不導(dǎo)通電容器電壓保持為V2導(dǎo)通結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下次投人電容器做了準(zhǔn)備。在TSC的控制電路中，一定要有電容電壓大小及其極性的檢測(cè)，來(lái)決定哪個(gè)晶閘管首先投入。3.2.2 實(shí)際投入時(shí)刻的選擇在投人電網(wǎng)之前，電容電壓有時(shí)不能被充電到電源電壓峰值，這就需要找出在電容充電電壓為各種情況下的最佳投入時(shí)刻。圖13給出了各種情況下使暫態(tài)現(xiàn)象最小的投人時(shí)刻。其中圖13b和圖13c就是前述的理想工作狀態(tài)；圖13a是電容充電電壓UCCh為零時(shí)的情況(TSC裝置起動(dòng)時(shí)為此情況)，這時(shí)，投人時(shí)刻應(yīng)取電

19、壓過(guò)零點(diǎn)，給正向晶鬧管V1發(fā)出最初的觸發(fā)脈沖；圖13d為電容充電電壓隊(duì)UCCh比電源es的峰值電壓Emax低的情況，這時(shí)應(yīng)在es與UCCh相等的時(shí)刻投人，給正向晶閘管V1最初觸發(fā)脈沖；圖13e為UCCh比Emax高的情況，這時(shí)應(yīng)在es達(dá)到峰值的時(shí)刻投入，給反向晶閘管V2最初觸發(fā)脈沖，此種情況下有沖擊電流，可由串聯(lián)小電感抑制。圖13 各種情況下使暫態(tài)現(xiàn)象最小的導(dǎo)通時(shí)刻3.3控制系統(tǒng)TSC控制系統(tǒng)是以決定哪組電容投入或切除的邏輯功能為中心的。作為例子，圖27給出了個(gè)TSC用于對(duì)波動(dòng)負(fù)載進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)的控制系統(tǒng)示意圖。TSC用于對(duì)負(fù)載補(bǔ)償時(shí)的控制系統(tǒng)示意圖應(yīng)當(dāng)注意的是，在TSC控制系統(tǒng)中引入一定的滯

20、環(huán)非線性環(huán)節(jié)是必要的，這可以避免在切換點(diǎn)處電容器組在短時(shí)間內(nèi)來(lái)回地投入與切除。例如，當(dāng)補(bǔ)償器以穩(wěn)定電壓為目標(biāo)時(shí)，在控制系統(tǒng)中引入滯環(huán)非線性環(huán)節(jié)可使得TSC的電容器在系統(tǒng)電壓低于某一較低閾值時(shí)接入系統(tǒng)，而在系統(tǒng)電壓高于某較高閾值時(shí)切除而不是在相等的閾值下投入和切除以防止在切換電壓附近振蕩不定。當(dāng)TSC與TCR配合使用構(gòu)成混合型補(bǔ)償器時(shí)，其控制系統(tǒng)應(yīng)該能使TSC電容器組的切換與TCR觸發(fā)延遲角的調(diào)節(jié)相互配合，以使補(bǔ)償器的電壓電流特性保持連續(xù)。3.4動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 圖14所示的是以改善電壓調(diào)整為目標(biāo)的TSC受擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程。在系統(tǒng)受到擾動(dòng)前，其負(fù)載線為l1，TSC有組電容投人運(yùn)行，其伏安持件為O

21、A，因此系統(tǒng)穩(wěn)定工作在l1與0A的交點(diǎn)a。若系統(tǒng)受到干擾，負(fù)載線突然由l1降低至l2，則工作點(diǎn)會(huì)突然降至l2與OA的交點(diǎn)b，系統(tǒng)電壓因此降到b點(diǎn)電壓，這個(gè)電壓下降被TSC控制系統(tǒng)檢測(cè)到后，由其邏輯電路決定投入第二組電容，補(bǔ)償器電壓電流特性因此變?yōu)镺B，系統(tǒng)工作點(diǎn)移到0B與l2的交點(diǎn)c，從而將電壓恢復(fù)到能接受的范圍內(nèi)。 圖14 TSC對(duì)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)4. 混合型靜止補(bǔ)償器（TCR+TSC型SVC）TCRFC型SVC有一個(gè)很大的缺陷，就是當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收很小的容性或感性無(wú)功功率的狀態(tài)時(shí)，其電抗器和電容器實(shí)際都吸收了很大的無(wú)功功率，都有很大的電流流過(guò)，只是對(duì)消而已。為克服此缺陷，可將并聯(lián)電容的一部

22、分或全部改為分組投切，即使用TSC設(shè)備與TCR設(shè)備相結(jié)合。這樣電壓電流特性中由電容造成的偏置度就可分級(jí)調(diào)節(jié)，就可使用容量相對(duì)較小的TCR，通常稱此種類型的補(bǔ)償器為混合型靜止補(bǔ)償器。圖15 混合型SVC結(jié)構(gòu)圖16混合型靜止補(bǔ)償器電壓電流特性混合型靜態(tài)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)如圖15所示，其電壓電流特性如圖16所示。圖中的特性0(1)-(1)、0(2)-(2)、0(3)-(3)、0(4)-(4)分別為TCR并聯(lián)一組、兩組、三組、四組電容的電壓電流特性，而所組成的混合型補(bǔ)償器是在電容器組切換時(shí)與TCR的控制適當(dāng)配合，形成總的電壓電流特性0(4)(1)。為廠在切換時(shí)保持電壓電流特性連續(xù)而不出現(xiàn)跳躍，在TCR的控制

23、器中應(yīng)有代表當(dāng)前并聯(lián)電容器組數(shù)的信號(hào)，當(dāng)一組并聯(lián)電容器投入或切除時(shí)，該信號(hào)使TCR的導(dǎo)通用立即調(diào)整，以使所增減的容性無(wú)功功率剛好被TCR的感性無(wú)功功率變化所平衡。從電壓電流特性可以看出，混合型補(bǔ)償器中TCR的容量只需對(duì)消一組固定電容器的容性無(wú)功后能滿足對(duì)感性無(wú)功的要求即可，無(wú)須對(duì)消全部無(wú)功后滿足對(duì)感性無(wú)功的要求?；旌闲脱a(bǔ)償器中TCR的容量應(yīng)略大于每次電容切換時(shí)容性無(wú)功的變化，否則會(huì)造成電壓電流特性在切換處斷續(xù)。混合型補(bǔ)償器的主要問(wèn)題是在控制中應(yīng)避免過(guò)于頻繁的投入或切除電容器組。圖17 TCRTSC型型補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程4.2動(dòng)態(tài)過(guò)程分析圖17示出了混合型補(bǔ)償器作為改善電壓調(diào)整使用時(shí)，對(duì)擾動(dòng)的動(dòng)

24、態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程，圖中0（1）（1） 是TCR與一組固定電容器并聯(lián)后的電壓電流特件，而0(2)(2)是再由TSC投入一組電容器后的電壓電流特件。受擾動(dòng)前系統(tǒng)負(fù)載線為，系統(tǒng)工作點(diǎn)為l1與0(1)(1)的交點(diǎn)a。a點(diǎn)對(duì)應(yīng)TCR的導(dǎo)通角為a，因此a點(diǎn)也就是TCR加上固定電容器，在導(dǎo)通角為a時(shí)總等效阻抗的伏安特性0A與l1的交點(diǎn)。設(shè)系統(tǒng)受干擾，其負(fù)載線突然降至，則工作點(diǎn)將一下子移到l2與TCR加固定電容器在導(dǎo)通角a下等效阻抗伏安特性0A的交點(diǎn)b，系統(tǒng)電壓因此降至b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓。補(bǔ)償器控制系統(tǒng)檢測(cè)到這一電壓變化，將隨之調(diào)整TCR導(dǎo)通角減小至零，系統(tǒng)工作點(diǎn)到達(dá)僅并聯(lián)固定電容器時(shí)其伏安特性0(1)與l2的交點(diǎn)c。

25、由于c電仍未達(dá)到補(bǔ)償器總的電壓電流特性的要求，因此向TSC發(fā)出投入一組電容的命令，補(bǔ)償器工作點(diǎn)因此由c移至兩組電容并聯(lián)時(shí)等效伏安特性0(2)與l2的交點(diǎn)d。然后再由TCR調(diào)節(jié)其導(dǎo)通角由零逐漸增大，最終使工作點(diǎn)到達(dá)0(2)(2)與l2的交點(diǎn)e。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程是按a-b-c-d-e這幾步完成的?？梢钥闯?，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，TCR導(dǎo)通角的變化與TSC投切的配合是非常重要的。如果配合適當(dāng)，定時(shí)精確，整個(gè)過(guò)程可簡(jiǎn)化為a-b-e這三步，動(dòng)態(tài)性能將有較大提高。5靜止無(wú)功功率發(fā)生器（SVG）所謂靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG），就是指出自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b量。與傳統(tǒng)的以TcR為代表的別SVC裝

26、置相比SVG的調(diào)節(jié)速度更快，遠(yuǎn)行范圍寬，而且在采取多重化、多電平或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，SVG使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比SVC中使用的電抗器和電容元件要小，這將大大縮小裝置的體積和成本。SVG具有如此優(yōu)越的性能，顯示了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。5.1基本原理 嚴(yán)格來(lái)講，SVG分為采用電壓型橋式電路和電流橋式電路兩種類型。由于運(yùn)行效率的原因，目前投運(yùn)的SVG都采用電壓橋式電路。其結(jié)構(gòu)如圖18所示。圖18 采用電壓型橋式電路的SVG由于SVG正常工作時(shí)就是通過(guò)電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，就像一個(gè)電壓型逆變器，只不過(guò)其

27、交流側(cè)輸出接的不是無(wú)源負(fù)載，而是電網(wǎng)。因此當(dāng)僅考慮基波頻率時(shí)SVG可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源。它通過(guò)交流電抗器連接到電網(wǎng)上。SVG的工作原理就可以用圖19所示的單相等效電路來(lái)說(shuō)明。設(shè)電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用用相量和表示，則連接電抗X上的電床壓即為和的相量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來(lái)控制的。這個(gè)電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流。因此，改變SVG交流側(cè)輸出電壓的幅值及其相對(duì)于的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收無(wú)功功率的性質(zhì)和大小。當(dāng)大于時(shí)，電流超前電壓90º，SVG吸

28、收容性無(wú)功功率，當(dāng)小于時(shí)，電流滯后電壓90º，SVG吸收感性無(wú)功功率。 圖19 SVG等效電路及相量圖在實(shí)際電路中，由于連接電抗器的損耗及開關(guān)管本身的損耗必須考慮，因此實(shí)際SVG等效電路如圖20所示，其中變流器電壓與電流仍相差90º，但電網(wǎng)電壓與電流相差不再是90º，小角，此即為變流器電壓與電網(wǎng)電壓的相位差。圖20 SVG實(shí)際等效電路及相量圖根據(jù)對(duì)SVG工作原理的分析，得到其電壓電流特性如圖21所示。改變控制系統(tǒng)的參數(shù)，可使電壓電流特性上下移動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，補(bǔ)償器的電壓一電流特性向下調(diào)整時(shí)，SVG可以調(diào)整其變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，以使其所能提供的最大大功

29、電流和維持不變其電力半導(dǎo)體器件的電流容量限制。而對(duì)傳統(tǒng)的SVC，由于其所能提供的最大電流分別受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制，因而隨著電壓的降低而減小。因此SVG的運(yùn)行范圍比傳統(tǒng)SVC大，SVC的運(yùn)行范圍是向下收縮的三角形區(qū)域，而SVG的運(yùn)行范圍足上下等寬的近似矩形的區(qū)域。這是SVC優(yōu)越于傳統(tǒng)SVC的又一特點(diǎn)。圖21 SVG的電壓電流特性5.2控制方法SVG的控制方法，從控制策略的選擇和反饋量及調(diào)節(jié)器的選擇來(lái)說(shuō)，同SVC是一樣的。例如控制策略的選擇應(yīng)根據(jù)補(bǔ)償器要實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用的場(chǎng)合，以決定采用開環(huán)控制、閉環(huán)控制或者兩者相結(jié)合的控制策略。而外閉環(huán)反饋控制量和調(diào)節(jié)器的選取也應(yīng)根據(jù)補(bǔ)償器要

30、實(shí)現(xiàn)的功能，例如要實(shí)現(xiàn)改善電壓調(diào)整的功能，控制系統(tǒng)即需采用系統(tǒng)電壓的外閉環(huán)反饋控制，設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器。外環(huán)的輸出的控制信號(hào)被視為補(bǔ)償器應(yīng)產(chǎn)生的無(wú)功電流（或無(wú)功功率）的參考值。在如何由無(wú)功電流（或無(wú)功功率）的參考值調(diào)節(jié)SVG真正產(chǎn)生所需的無(wú)功電流這個(gè)環(huán)節(jié)上，產(chǎn)生了SVG的多種控制方法。由于無(wú)功電流或無(wú)功功率參考值調(diào)節(jié)SVG產(chǎn)生所需無(wú)功電流或無(wú)功功率的具體控制方法，分為間接控制和直接控制兩類。由于電壓基本維持恒定，那么對(duì)無(wú)功電流的控制或無(wú)功功率控制是一樣的。5.2.1電流間接控制所謂間接控制，就是按照上面所述SVG的工作原理，將SVG當(dāng)作交流電壓源來(lái)看待，通過(guò)對(duì)SVG變流器所產(chǎn)生的交流電壓基波分量的

31、相位和幅值的控制，來(lái)間接控制SVG的交流側(cè)電流。以吸收滯后電流為例，由圖20分析，電網(wǎng)電壓和變流器的基波電壓及連接電抗器的壓降構(gòu)成三角關(guān)系，有：其中：與的相位差 連接電抗器的阻抗角得到： SVG的穩(wěn)態(tài)無(wú)功電流和有功電流分別為：可以證明對(duì)于SVG吸收超前無(wú)功時(shí)也成立，但符號(hào)相反。，即穩(wěn)態(tài)下角和變流器交流側(cè)基波電壓的大小也是一一對(duì)應(yīng)的。在角絕對(duì)值不致太大范圍內(nèi)，與IQ接近線形關(guān)系。因此可以通過(guò)控制相對(duì)的超前角來(lái)控制SVC吸收的無(wú)功電流。如果再對(duì)SVG吸收的無(wú)功電流進(jìn)行反饋控制，則控制精度和響應(yīng)速度都將顯著提高。控制結(jié)構(gòu)如圖22所示。對(duì)于無(wú)功電流的檢測(cè)，目前主要有dq0坐標(biāo)變換法和基于瞬時(shí)無(wú)功功率理

32、論的方法。圖22 對(duì)無(wú)功電流進(jìn)行閉環(huán)控制的間接控制法5.2.2電流直接控制所謂電流直接控制，就是采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對(duì)電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制。其中的跟蹤型PWM控制技術(shù)，可以采用滯環(huán)比較方式，也可以采用三角波比較力式，其簡(jiǎn)單原理分別如圖23所示滯環(huán)比較方式三角比較方式圖23電流跟蹤型PWM控制圖24給出了對(duì)SVG電流進(jìn)行直接控制的一種方法圖24 SVG電流方法直接控制參考值以瞬時(shí)電流無(wú)功分量的參考值iQref為主，而根據(jù)SVG對(duì)有功能量的需求。對(duì)iQref的相位進(jìn)行修正得到總的瞬時(shí)電流參考值iref。其中，瞬時(shí)電流無(wú)功分量的參考值可以由滯后電源電壓90的正弦波與無(wú)功電流參考值IQre

33、f相乘得到，而SVG對(duì)有功能量的需求，可以直接由直流側(cè)電壓的反饋控制來(lái)體現(xiàn)。6 靜態(tài)補(bǔ)償器的應(yīng)用6.1 電弧爐電弧爐作為非線性及無(wú)規(guī)律負(fù)荷接入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一系列不良影響，其中主要問(wèn)題是：導(dǎo)致電網(wǎng)嚴(yán)重三相不平衡，產(chǎn)生負(fù)序電流產(chǎn)生高次諧波，其中普遍存在如2、4偶次諧波與3、5、7次等奇次諧波共存的狀況，使電壓畸變更為復(fù)雜化，存在嚴(yán)重的電壓閃變，功率因數(shù)低。徹底解決上述問(wèn)題的唯一方法是用戶安裝具有快速響應(yīng)速度的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）。SVC系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在半周波到一個(gè)周波，可向電弧爐快速提供無(wú)功電流并且穩(wěn)定母線電壓，增加冶金有功功率的輸出，提高生產(chǎn)效率，并且最大限度的降低閃變的影響。SVC可

34、以采用分相補(bǔ)償功能，用以消除電弧爐造成的三相不平衡，濾波裝置可以消除有害的高次諧波并通過(guò)向系統(tǒng)提供容性無(wú)功來(lái)提高功率因數(shù)。6.2軋機(jī)及其他大型電機(jī)對(duì)稱負(fù)載引起電網(wǎng)電壓驟降及電壓波動(dòng)，嚴(yán)重影響其它電氣設(shè)備工作，甚至不能正常工作，降低了生產(chǎn)效率，使功率因數(shù)降低。負(fù)載的傳動(dòng)裝置中會(huì)產(chǎn)生有害高次諧波，主要是以5、7、11、13次為代表的奇次諧波，會(huì)使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。安裝SVC系統(tǒng)可以完美的解決上述問(wèn)題，保持母線電壓平穩(wěn)，無(wú)諧波干擾，功率因數(shù)接近1。6.3城市二級(jí)變電站（66kv/10kv）在區(qū)域電網(wǎng)中，一般采用分級(jí)投切電容器組的方式來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功，改善功率因數(shù)，這種方式只能向系統(tǒng)提供容性無(wú)功，并

35、且不能隨負(fù)載變化而實(shí)現(xiàn)快速精確調(diào)節(jié)，在保證母線功率因數(shù)的同時(shí)，容易造成向系統(tǒng)倒送無(wú)功，抬高母線電壓，危害用電設(shè)備及系統(tǒng)穩(wěn)定性。SVC系統(tǒng)可以快速精確的進(jìn)行容性及感性無(wú)功補(bǔ)償，使SVC在穩(wěn)定母線電壓、提高功率因數(shù)的同時(shí)，徹底、方便地解決了無(wú)功倒送的問(wèn)題。并且，安裝新的SVC系統(tǒng)時(shí)，可以充分利用原有的固定電容器組，只需增加晶閘管控制電抗器（TCR）部分即可，用最少的投資取得最佳的效果，成為改善區(qū)域電網(wǎng)供電質(zhì)量的最有效方法。6.3遠(yuǎn)距離電力傳輸全球電力目前正在趨向于大功率電網(wǎng)，長(zhǎng)距離輸電，高能量消耗，同時(shí)也迫使輸配電系統(tǒng)不得不更加有效，SVC可以明顯提高電力系統(tǒng)輸配電性能，這已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛

36、的證明，即當(dāng)在不同的電網(wǎng)條件下，為保證一個(gè)平衡的電壓時(shí)，可以在電網(wǎng)的一處或多處適合的位置上安裝SVC系統(tǒng)，以達(dá)到如下目的：穩(wěn)定弱系統(tǒng)電壓減少傳輸損耗增加傳輸能力，使現(xiàn)有電網(wǎng)發(fā)揮最大效率提高瞬變穩(wěn)態(tài)極限增加小干擾下的阻尼增強(qiáng)電壓控制及穩(wěn)定性阻尼功率震蕩6.5電力機(jī)車供電電力機(jī)車運(yùn)輸方式在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的“污染”，因電力機(jī)車為單相供電，這種單相負(fù)荷就造成了供電網(wǎng)的嚴(yán)重三相不平衡及較低的功率因數(shù)，目前世界各國(guó)解決這一問(wèn)題的唯一途徑就是在鐵路沿線適當(dāng)位置安裝SVC系統(tǒng)，通過(guò)SVC的分相快速補(bǔ)償功能來(lái)平衡三相電網(wǎng)，并通過(guò)濾波裝置來(lái)提高功率因數(shù)。 6.6鋼包精練爐（LF爐）為解決唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司LF爐負(fù)荷運(yùn)行中的無(wú)功沖擊和諧波對(duì)電力系統(tǒng)和用戶設(shè)備產(chǎn)生的干擾，系統(tǒng)采用了TCR型的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC），裝置容量為20Mvar，額定電壓為35 kV，裝置主要由3、4、5次濾波器組和晶閘管控制電抗器裝置（TCR）組成。其中晶閘