FC、TSC、SVG對比分析(主要無功補償方式分析)

1、幾種無功補償方案的對比分析榮信電力電子股份有限公司二、補償方案選擇1. 固定并聯(lián)電容補償 固定無功補償方案是補償無功功率的常規(guī)方法。裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟方便等優(yōu)點，其補償無功的容量是設(shè)計根據(jù)計算的平均負荷大小而確定的，是一個不可調(diào)的固定量，通常由電抗器和電容器串聯(lián)組成，其功能主要是補償負荷產(chǎn)生的感性無功，并對三次諧波有一定的抑制作用。一般采用機械開關(guān)控制電容器的投切，投切時的沖擊電流和操作過電壓大，易發(fā)生諧振，因此不能頻繁投切。由于固定補償裝置的補償容量不能隨負荷而變化，“欠補”和“過補”交替發(fā)生，計費方式又為“反轉(zhuǎn)正計”，使得變電所平均功率因數(shù)達不到0.9的要求，造成力率罰款，并使供電設(shè)備

2、的能力不能充分發(fā)揮。目前我國普遍采用的方案是在變電所設(shè)置固定電容并聯(lián)補償。該方案主要問題是在無負荷和輕負荷的區(qū)段，過補償十分突出，投入固定并聯(lián)補償電容后，功率因數(shù)比不投時還低，無法達到經(jīng)濟功率因數(shù)的要求，變電所因功率因數(shù)大幅下降，而遭受巨額罰款，固定電容器補償還會導致空載時電壓抬升，反而惡化電壓質(zhì)量。從以上分析結(jié)論可知，變電所采用固定補償方案解決不了功率因數(shù)問題，不能隨負荷的無功波動隨機的調(diào)節(jié)補償?shù)娜菪詿o功，所以不具備抑制諧波和電壓波動。要解決功率因數(shù)問題，抑制諧波和電壓波動，必須放棄固定補償方案，尋求新的補償方案。2 自動投切并聯(lián)電容器組并聯(lián)電容器組是最早就出現(xiàn)的靜止型無功補償方式，因其結(jié)構(gòu)

3、簡單等特點而得到了廣泛的應(yīng)用，一般的并聯(lián)電容器組都是應(yīng)用在負荷較為平穩(wěn)的場合，由手工進行投切，每天的投切次數(shù)不超過10次。自動投切并聯(lián)電容器組則根據(jù)系統(tǒng)所需無功自動進行投切操作，其投切次數(shù)可達每天數(shù)十次，甚至數(shù)百次。其工作特點如下：響應(yīng)速度剛切除后的電容器組，需待放電完全后才能再次投入，至少需要數(shù)十秒以上。損耗只有并補電容器和串聯(lián)電抗器產(chǎn)生損耗，因此損耗非常小。約在0.1%左右。諧波電流不產(chǎn)生也不濾除諧波電流。三相不平衡并聯(lián)補償電容器組是三相完全平衡的，因此不能改善不平衡度。調(diào)節(jié)特性只能投入或者切除并聯(lián)電容器組，無功變化較大，無法平滑線性調(diào)節(jié)無功輸出。3.晶閘管分級投切電容器方案（TSC）晶閘

4、管分級投切電容器方案這里研究兩個，一是帶降壓變壓器的晶閘管投切電容器方案，二是帶降壓變壓器及分接開關(guān)的晶閘管投切電容器方案。1）、帶降壓變壓器的晶閘管投切電容器方案 TSC分組可調(diào)補償是根據(jù)負荷實際運行無功量，按照一定的投切策略跟蹤負荷變化進行投切動作。該方案由若干組并聯(lián)的晶閘管閥組控制，以實現(xiàn)快速無觸點的投切。顯然這種型式的補償裝置只能實現(xiàn)容性無功功率的階躍調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)的精度取決于電容器的分組數(shù)。為了提高運行的可靠性，防止電容器和晶閘管損傷，TSC均實現(xiàn)無過渡過程的操作。TSC技術(shù)關(guān)鍵無過渡過程投切電容器，理論上電容器在峰值時導通，在峰值時關(guān)斷。晶閘管關(guān)斷后，電容器保持峰值電壓值，由于電源電

5、壓隨時變化，電容器電壓也在緩慢地放電，要做到安全、無過渡投切比較困難。具體控制有二種方法：其一： 在需要投入電容器時，必須檢測電容器的兩端電壓及電網(wǎng)電壓。在電網(wǎng)電壓與電容器兩端電壓相等瞬時，發(fā)出觸發(fā)脈沖；當電容器接成星形時，這時必須有二個晶閘管導通才能構(gòu)成通路。這種控制方式的難度很大，且電容器兩端電壓為直流，在高壓環(huán)境下，檢測困難，經(jīng)常產(chǎn)生過渡過程過電壓。嚴重的過度過程產(chǎn)生的振蕩過電壓，將達到電源峰值電壓的兩倍以上，如在低壓側(cè)整流變副邊進行補償，過渡過程過電壓必然影響調(diào)速系統(tǒng)的安全運行。其二： 晶閘管關(guān)斷后，電容器兩端電壓從峰值電壓，緩慢放電。等電容器兩端電壓放到小于50V時投入電容器，這時是

6、比較安全的，但根據(jù)<<高壓并聯(lián)電容器放電線圈標準JB/T8980-1999>>規(guī)定放電時間為5s，電容器投入時必須考慮其放電情況，這樣由于受電容器的放電時間的限制，在工程應(yīng)用中實際的響應(yīng)時間一般在3-5分鐘左右。對于無功快速變動的系統(tǒng)是不適用的。其三：TSC投切的電容器組分組越多，補償效果越好，成本相對提高。且在頻繁投切電容器時，由于阻抗曲線發(fā)生頻繁變化，很有可能產(chǎn)生諧振，造成災(zāi)害性事故。（如去年湖南漣鋼棒線廠軋鋼系統(tǒng)中采用的TSC裝置，由于產(chǎn)生諧振將TSC裝置及傳動系統(tǒng)全部燒毀，直接經(jīng)濟損失近3000萬元，間接損失近2億元。） 該方案的特點：不產(chǎn)生諧波； 理論上可以實

7、現(xiàn)過零投切，不會產(chǎn)生像真空開關(guān)那樣產(chǎn)生嚴重的過電壓；結(jié)構(gòu)簡單。2）、帶降壓變壓器及分接開關(guān)的晶閘管投切電容器方案該方案通過降壓調(diào)壓變壓器，采用分接開關(guān)無載調(diào)壓和晶閘管開關(guān)的有載分合直接調(diào)節(jié)無功元件（濾波器）的無功輸出。該方案的特點與帶降壓變壓器的晶閘管投切電容器方案相似，但投資更少，只需一組晶閘管開關(guān)，但其過分依賴變壓器分接開關(guān)，分接開關(guān)每天頻繁調(diào)節(jié)，其壽命能否有保證還需進一步研究，另外目前國內(nèi)尚無此類方案運行，需要研究開發(fā)。4. SVG+FC型動態(tài)無功補償系統(tǒng)4.1 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般電力系統(tǒng)用戶負荷吸收有功功率和無功功率。圖3.1 簡單的負荷連接電源提供有功功率PS和無功功率QS（可能為感性

8、無功，也可能是容性無功），忽略變壓器和線路損耗，則有，。沒有足夠無功補償?shù)碾娋W(wǎng)存在以下幾個問題：1）電網(wǎng)從遠端傳送無功；2）負荷的無功沖擊影響本地電網(wǎng)和上級電網(wǎng)的供電質(zhì)量；3）負荷的不平衡與諧波也會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量；因此，電力系統(tǒng)一般都要求對用電負荷進行必要的無功、不平衡與諧波補償，以提高電力系統(tǒng)的帶載能力，凈化電網(wǎng)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。4.2 SVG用于補償無功圖3.2 帶有SVG無功補償裝置的系統(tǒng)假設(shè)負荷消耗感性無功（一般工業(yè)用戶都是如此）QL，此時控制SVG使其產(chǎn)生容性無功功率，并取QSVG=QL，這樣在負荷波動過程中，就可以保證：QS=QSVG-QL=0。如果對電網(wǎng)等比較復(fù)雜的補償對象

9、而言，當需要向電網(wǎng)提供感性無功時，可以通過對SVG的控制，使其產(chǎn)生感性無功功率，并取QSVG=QC，這樣在負荷波動過程中，仍然可以保證：QS=QSVG-QC=0。此外，SVG在補償系統(tǒng)無功功率達同時，幾乎不產(chǎn)生諧波。更重要的是，SVG還可以對系統(tǒng)的諧波、不平衡等電能質(zhì)量問題進行多功能綜合補償，實現(xiàn)有源濾波（APF）的功能。4.3 SVG用于有源濾波圖3.3 基本原理圖有源濾波器的基本思想如圖3.3。諧波源一般為非線性負荷，如整流器、帶有整流環(huán)節(jié)的變頻器及大量帶有開關(guān)器件的設(shè)備等，產(chǎn)生諧波電流；供電系統(tǒng)一般為被保護對象，也即要達到最終流入或流出系統(tǒng)的電流是諧波含量極少的正弦波，有時還有功率因數(shù)要

10、求；有源濾波裝置表現(xiàn)為流控電流源，它的作用是產(chǎn)生和諧波源諧波電流有相同幅值而相位相反的補償電流，來達到消除諧波的目的。與無源濾波裝置相比，有源濾波器是一種主動型的補償裝置，具有較好的動態(tài)性能。4.4 SVG的基本原理 所謂SVG（Static Var Generator），就是專指由自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置。圖3.4 SVG與系統(tǒng)的連接示意圖設(shè)電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用相量和表示，則連接電抗X上的電壓即為和的相量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流。如果未計及連接電抗器和變流器的損耗，SVG的工作原理可以用圖3.5

11、a)所示的單相等效電路圖來說明。在這種情況下，只需使與同相，僅改變幅值大小即可以控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流是超前還是滯后90°，并且能控制該電流的大小。a）單相等效電路 b）相量圖圖3.5 SVG等效電路及工作原理（未計及損耗）SVG詳細的工作模式及其補償特性如表1所示。表3.1 SVG的運行模式及其補償特性說明采用直接電流控制的有源濾波型中壓SVG的工作原理如圖3.6所示。從圖中可以得出式(1)，即電源電流是負載電流和補償電流之相量和。假設(shè)負載電流中含有基波正序電流（包括基波正序無功電流和基波正序有功電流）、基波負序電流和諧波電流，如式(2)所示。圖3.6 采用直接電流控制的靜止無

12、功發(fā)生器的工作原理(1)(2)為使電源電流中不含有基波正序無功和基波負序電流，則需要控制SVG輸出電流滿足式(3)。這樣電源電流中就只含有基波正序有功和諧波電流，如式(4)所示。(3) (4)所以，要想達到補償目的，關(guān)鍵是控制SVG輸出電流滿足式(3)。從SVG工作原理的描述可以看出，如果要使SVG在補償無功的基礎(chǔ)上還對負載諧波進行抑制，只需要使SVG輸出相應(yīng)的諧波電流即可。因此，從這個意義上說，SVG能夠同時實現(xiàn)補償無功電流和諧波電流的雙重目標。4.5 SVG的優(yōu)勢通過上一節(jié)對SVG原理的描述可以知道，SVG可以根據(jù)負載特點和工況，自動調(diào)節(jié)其輸出的無功功率的大小和性質(zhì)（容性或者感性）。因此，

13、從本質(zhì)上講，SVG可以等效為大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)的電容或電抗器。SVG是目前最為先進的無功補償技術(shù)，其基于電壓源型變流器的補償裝置實現(xiàn)了無功補償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量的變換。從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無功補償裝置有如下優(yōu)勢： (1) 響應(yīng)時間更快SVG響應(yīng)時間：1ms。傳統(tǒng)靜補裝置響應(yīng)時間： 10ms。SVG可在極短的時間之內(nèi)完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的相互轉(zhuǎn)換，這種無可比擬的響應(yīng)速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償。(2) 抑制電壓閃變能力更強SVC對電壓閃變的抑制最大可達2：1，SVG對電壓閃變的抑制可以達到

14、5：1，甚至更高。SVC受到響應(yīng)速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會隨補償容量的增加而增加。而SVG由于響應(yīng)速度極快，增大裝置容量可以繼續(xù)提高抑制電壓閃變的能力。 (3) 運行范圍更寬SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內(nèi)工作，所以比SVC的運行范圍寬很多。也就是說，當SVC需要在正負全范圍運行時，需要TCR和FC配合使用，整個裝置損耗較大，占地面積也較大。更重要的是，在系統(tǒng)電壓變低時，SVG還能夠輸出與額定工況相近的無功電流。而SVC輸出的無功電流與電網(wǎng)電壓成正比，電網(wǎng)電壓越低，其輸出的無功電流也越低，所以對電網(wǎng)的補償能力也相應(yīng)變?nèi)?。這是SVC技術(shù)本質(zhì)的缺點。(4) 補償功能多樣化使同一套S

15、VG裝置，可以實現(xiàn)不同的多種補償功能：² 單獨補償負載無功² 單獨補償負載諧波² 單獨補償負載不平衡² 同時補償負載無功、諧波和不平衡所以，SVG具有強大的補償功能。(5) 諧波含量極低榮信SVG采用了PWM技術(shù)、多電平技術(shù)和多重化技術(shù)，不僅自身產(chǎn)生的諧波含量極低，還能夠?qū)ω撦d的諧波和無功進行補償，實現(xiàn)有源濾波的功能，真正做到多功能化。而TCR和TSC自身均要產(chǎn)生很大的諧波電流，所以還需要安裝相應(yīng)的FC濾波裝置，增加了額外的成本。(6) 占地面積較小由于無需大容量的電容器和電抗器做儲能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。所以，在一些廠礦改造中SVG具有很大的優(yōu)勢。補償系統(tǒng)，略小于TCR+FC動態(tài)無功補償系統(tǒng)。設(shè)備損耗該設(shè)備本身的拓撲結(jié)構(gòu)和高壓變頻的結(jié)構(gòu)相似，因此損耗也基本差不多。電壓源型逆變器的損耗一般很小，SVG由多個逆變器串聯(lián)、或者并聯(lián)組成，逆變器部分總的損耗一般不超過總?cè)萘康?.5%。由于SVG容量只是MCR、TCR的一半， FC的損耗只有MCR、TCR的一半。對于緬甸達貢山項目由于上級35kV母線上已上了TCR型SVC，其濾波器會形成非特征諧波的高阻抗點，經(jīng)變壓器阻抗和線路阻抗會在220kV側(cè)