諧波抑制和無功功率補(bǔ)償

1、第5章 靜止無功補(bǔ)償裝置本文第4章中介紹的無功補(bǔ)償電容器是傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置，其阻抗是固定的，不能跟蹤負(fù)荷無功需求的變化，也就是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)無功功率進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笤絹碓酱?。傳統(tǒng)的無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置是同步調(diào)相機(jī)（Synchronous Condenser，縮寫為SC）。它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī)，在過激磁或欠激磁的不同情況下，可以分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。自二、三十年代以來的幾十年中，同步調(diào)相機(jī)在電力系統(tǒng)無功功率控制中一度發(fā)揮著主要作用。然而，由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此損耗和噪聲都較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，而且響應(yīng)速度慢，在很多情況下

2、已無法適應(yīng)快速無功功率控制的要求。所以七十年代以來，同步調(diào)相機(jī)開始逐漸被靜止型無功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator，縮寫為SVC）所取代，目前有些國家甚至已不再使用同步調(diào)相機(jī)。早期的靜止無功補(bǔ)償裝置是飽和電抗器（Saturated Reactor，縮寫為SR）型的。1967年，英國GEC公司制成了世界上第一批飽和電抗器型靜止無功補(bǔ)償裝置。此后，各國廠家紛紛推出各自的產(chǎn)品。飽和電抗器與同步調(diào)相機(jī)相比，具有靜止型的優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)速度快；但是由于其鐵芯需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲都很大，而且存在非線性電路的一些特殊問題，又不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)荷的不平衡，所以未能占據(jù)靜止無功補(bǔ)償

3、裝置的主流。電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，將使用晶閘管器件的靜止無功補(bǔ)償裝置推上了電力系統(tǒng)無功功率控制的舞臺(tái)。1977年美國GE公司首次在實(shí)際電力系統(tǒng)中演示運(yùn)行了其使用晶閘管的靜補(bǔ)裝置。1978年，在美國電力研究院（Electric Power Research Institute）的支持下，西屋電氣公司（Westinghouse Electric Corp.）制造的使用晶閘管的靜補(bǔ)裝置投入實(shí)際運(yùn)行。隨后，世界各大電氣公司都競(jìng)相推出了各具特點(diǎn)的系列產(chǎn)品。我國也先后引進(jìn)了數(shù)套這類裝置。西安電力機(jī)械制造公司已具備自行設(shè)計(jì)制造這類裝置的能力，自八十年代末以來，已先后承接了十多個(gè)此類工程，

4、并向泰國出口。由于使用晶閘管器件的靜止無功補(bǔ)償裝置具有優(yōu)良的性能，所以，近十多年來，在世界范圍內(nèi)其市場(chǎng)一直在迅速而穩(wěn)定地增長(zhǎng)，已占據(jù)了靜止無功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位。因此靜止無功補(bǔ)償裝置（或SVC）這個(gè)詞往往是專指使用晶閘管器件的靜補(bǔ)裝置，包括晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor，縮寫為TCR）和晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，縮寫為TSC），以及這兩者的混合裝置（TCR+TSC），或者晶閘管控制電抗器與固定電容器（Fixed Capacitor，縮寫為FC）或機(jī)械投切電容器（Mechanically Switche

5、d Capacitor，縮寫為MSC）混合使用的裝置（如TCR+FC、TCR+MSC等）。本章在對(duì)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)脑碜骱?jiǎn)要分析之后，將分別對(duì)晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器這兩種主要的靜止無功補(bǔ)償裝置作詳細(xì)介紹。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，八十年代以來，一種更為先進(jìn)的靜止型無功補(bǔ)償裝置出現(xiàn)了，這就是采用自換相變流電路的靜止無功補(bǔ)償裝置，本書稱之為靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，縮寫為SVG），也有人稱之為高級(jí)靜止無功補(bǔ)償器（Advanced Static Var Compensator，縮寫為ASVC），或者靜止調(diào)相器（Static Condenser，縮寫為ST

6、ATCON）。最近，日本和美國已分別有數(shù)臺(tái)SVG裝置投入實(shí)際運(yùn)行。本章將在5.4節(jié)對(duì)這種新型靜補(bǔ)裝置作細(xì)致介紹。最后，在本章結(jié)尾，作者將對(duì)各種無功功率補(bǔ)償裝置作簡(jiǎn)單對(duì)比，并就有關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)作一討論。5.1 無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑韺?duì)電力系統(tǒng)中無功功率進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)如下的功能：103, 108對(duì)動(dòng)態(tài)無功負(fù)荷的功率因數(shù)校正；改善電壓調(diào)整；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；降低過電壓；減少電壓閃爍；阻尼次同步振蕩；減少電壓和電流的不平衡。應(yīng)當(dāng)指出，以上這些功能雖然是相互關(guān)聯(lián)的，但實(shí)際的靜止無功補(bǔ)償器往往只能以其中某一條或某幾條為直接控制目標(biāo)，其控制策略也因此而不同。此外，這些

7、功能有的屬于對(duì)一個(gè)或幾個(gè)在一起的負(fù)荷的補(bǔ)償效果（負(fù)荷補(bǔ)償），有的則是以整個(gè)輸電系統(tǒng)性能的改善和傳輸能力的提高為目標(biāo)（輸電補(bǔ)償），而改善電壓調(diào)整，提高電壓的穩(wěn)定度，則可以看作是二者的共同目標(biāo)。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)補(bǔ)償裝置容量的要求也不一樣。以電弧爐、電解、軋機(jī)等大容量工業(yè)沖擊負(fù)荷為直接補(bǔ)償對(duì)象的無功補(bǔ)償裝置，要求的容量較小，而以電力系統(tǒng)性能為直接控制目標(biāo)的系統(tǒng)用無功補(bǔ)償裝置，則要求具有較大的容量，往往達(dá)到幾十或幾百兆乏。補(bǔ)償功率因數(shù)的功能及其原理是大家熟知的，下面僅以改善電壓調(diào)整的基本功能為例，對(duì)無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑碜饕缓?jiǎn)要介紹。 a） b）圖5-1 無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑韆） 單相電路圖 b

8、） 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理圖5-1a所示為系統(tǒng)、負(fù)荷和補(bǔ)償器的單相等效電路圖。其中V為系統(tǒng)線電壓，R和X分別為系統(tǒng)電阻和電抗。設(shè)負(fù)荷變化很小，故有V<<V，則假定R<<X時(shí)，反映系統(tǒng)電壓與無功功率關(guān)系的特性曲線如圖5-1b中實(shí)線所示，由于系統(tǒng)電壓變化不大，其橫坐標(biāo)也可換為無功電流?？梢钥闯?，該特性曲線是向下傾斜的，即隨著系統(tǒng)供給的無功功率Q的增加，供電電壓下降。實(shí)際上，由電力系統(tǒng)中的分析可知103，系統(tǒng)的特性曲線可近似用下式表示 （5-1）或者寫為 （5-2）其中V0為無功功率為零時(shí)的系統(tǒng)電壓，Ssc為系統(tǒng)短路容量?？梢姡瑹o功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成比例的變化。投入補(bǔ)償器之后，

9、系統(tǒng)供給的無功功率為負(fù)荷和補(bǔ)償器無功功率之和，即 （5-3）因此，當(dāng)負(fù)荷無功功率Ql變化時(shí)，如果補(bǔ)償器的無功功率Qg總能夠彌補(bǔ)Ql的變化，從而使Q維持不變，即Q=0，則V也將為0，供電電壓保持恒定。這就是對(duì)無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑?。圖5-1b示出了進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無功補(bǔ)償，并使系統(tǒng)工作點(diǎn)保持在 （5-4）的示意圖。當(dāng)使系統(tǒng)工作點(diǎn)保持在Q=0處，即圖中的C點(diǎn)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)的完全補(bǔ)償。可見補(bǔ)償功率因數(shù)的功能可以看作是改善電壓調(diào)整的功能的特例。在工程實(shí)際中，為了分析方便，常常把負(fù)荷也包括在系統(tǒng)之內(nèi)考慮，總體等效為一個(gè)串聯(lián)一定內(nèi)阻的電壓源，即將圖5-1a中虛框內(nèi)的部分等效為圖5-2a中虛框內(nèi)的部分，

10、并忽略內(nèi)部阻抗中的電阻，而電抗記為XS。等效后系統(tǒng)電源電壓為等效前連接點(diǎn)處未接補(bǔ)償器時(shí)的電壓。另外，由于補(bǔ)償器具有維持連接點(diǎn)電壓恒定的作用，故可以將其視為恒定電壓源，電壓值取為系統(tǒng)未接補(bǔ)償器（即補(bǔ)償器吸收的無功電流為零）時(shí)連接點(diǎn)處的正常工作電壓，也就是圖5-1中補(bǔ)償器未接且負(fù)荷無功不變時(shí)的供電電壓，記為Vref。其電壓電流特性如圖5-2b所示，為一水平直線，由于電流為無功電流，電壓又維持一定，因此也可以看作電壓-無功功率特性曲線。這樣，整個(gè)等效電路即如圖5-2a所示。 a） b）圖5-2 理想補(bǔ)償器的等效電路及特性a） 等效電路 b） 電壓電流（無功功率）特性當(dāng)圖5-1a中未接補(bǔ)償器而由于某種

11、原因（例如負(fù)荷無功的變化）使連接點(diǎn)處電壓變化VS時(shí)，也就是在圖5-2a中系統(tǒng)電源電壓變化VS時(shí)，接入補(bǔ)償器后，連接點(diǎn)電壓即可以回到正常值。由圖5-2a可得，此時(shí)補(bǔ)償器所吸收的無功功率應(yīng)為 （5-5）換句話說，一臺(tái)可吸收無功功率為Qg的補(bǔ)償器，可以補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)電壓變化為 （5-6）注意，按照電力系統(tǒng)中的常規(guī)做法，這里采用的是標(biāo)幺制，各量均為標(biāo)幺值，故三相電路與單相電路的公式是一樣的，且與三相的聯(lián)結(jié)方式無關(guān)109。 例如，一臺(tái)+50Mvar，-20Mvar的補(bǔ)償器（即可輸出+50Mvar-20Mvar的無功，或者說最大可吸收容性無功50Mvar，感性無功20Mvar），接在短路容量為1000MVA的

12、系統(tǒng)母線上，容量基準(zhǔn)值取100MVA，電壓基準(zhǔn)值取Vref，則故該補(bǔ)償器可以補(bǔ)償?shù)碾妷荷邽榭梢匝a(bǔ)償?shù)碾妷合陆禐橐陨纤懻摰难a(bǔ)償器具有水平的電壓電流特性曲線，能維持連接點(diǎn)電壓恒定不變，被稱為完全補(bǔ)償器或理想補(bǔ)償器（這是廣義的稱呼，嚴(yán)格地講，理想補(bǔ)償器還應(yīng)該包括沒有響應(yīng)時(shí)延、沒有損耗等要求）。實(shí)際的靜止補(bǔ)償器一般不設(shè)計(jì)成具有水平的電壓電流特性，而是設(shè)計(jì)成具有如圖5-3b所示的傾斜特性，傾斜的方向是電壓隨吸收的感性電流的增加而升高。在下文中將看到，這種傾斜的特性可以兼顧補(bǔ)償器容量和電壓穩(wěn)定的要求。另外，文獻(xiàn)103和108還指出，這種傾斜特性可以改善并聯(lián)的補(bǔ)償器之間的電流分配，并有利于預(yù)留穩(wěn)定要求的

13、無功備用。 a） b）圖5-3 實(shí)際補(bǔ)償器的等效電路及特性a） 等效電路 b） 電壓電流（無功功率）特性電壓電流特性的斜率表明補(bǔ)償器電壓隨無功電流的變化而有一定的變化，因此其等效電路可以看作在恒定電壓源的基礎(chǔ)上還串聯(lián)了一個(gè)等效電抗Xg，如圖5-3a所示。由該等效電路可得，當(dāng)未接補(bǔ)償器時(shí)由于負(fù)荷無功的變化所引起連接點(diǎn)電壓的變化為VS時(shí)，也即等效電路中若系統(tǒng)電源電壓變化為VS時(shí)，則投入補(bǔ)償器后補(bǔ)償器吸收的無功功率為 （5-6）可見與理想補(bǔ)償器相比，所需吸收的無功功率減小了。而連接點(diǎn)電壓并不象理想補(bǔ)償時(shí)那樣保持原正常值不變，而是變化了 （5-7）這樣，在前面所舉的那個(gè)例子中，如果采用具有傾斜特性的補(bǔ)

14、償器，例如吸收50Mvar容性無功時(shí)斜率為5%，即50Mvar容性無功時(shí)補(bǔ)償器電壓下降0.05p.u.，則有可得因此，由式（5-6）可得，當(dāng)系統(tǒng)電源電壓下降5%時(shí)補(bǔ)償器所需吸收的容性無功功率為 （有名值即為25Mvar）而補(bǔ)償系統(tǒng)電源電壓升高2%時(shí)所需吸收的感性無功功率為 （有名值即為10Mvar）可見，所需容量分別比理想補(bǔ)償器所需容量減小了一半。但是連接點(diǎn)電壓也不能象理想補(bǔ)償那樣保持恒定。由式（5-7）可得，當(dāng)系統(tǒng)電壓下降5%時(shí)，連接點(diǎn)電壓下降2.5%；而當(dāng)系統(tǒng)電壓上升2%時(shí)，連接點(diǎn)電壓上升1%。也就是說，能維持連接點(diǎn)電壓變化為系統(tǒng)電源電壓變化一半的補(bǔ)償器，所需容量為理想補(bǔ)償器的一半。這就是

15、所謂的補(bǔ)償器容量與電壓調(diào)整之間的折衷問題。補(bǔ)償器特性的斜率取決于其控制系統(tǒng)的參數(shù)，工程實(shí)際中一般調(diào)整到010%之間，最常用的是25%108。從圖5-2a和5-3a可以看出，系統(tǒng)和補(bǔ)償器之間是串聯(lián)而構(gòu)成回路的關(guān)系，所以工程實(shí)際中還常常應(yīng)用求系統(tǒng)的負(fù)載特性與補(bǔ)償器電壓電流特性交點(diǎn)的方法來分析靜止無功補(bǔ)償器的工作點(diǎn)。對(duì)圖5-2a或圖5-3a中的系統(tǒng)這一側(cè)來講，都是將無功負(fù)荷包含在內(nèi)的。當(dāng)不包含無功負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)載特性曲線和表達(dá)式分別如圖5-1b和式（5-1）所示。當(dāng)將無功負(fù)荷包含在內(nèi)后，系統(tǒng)的負(fù)載特性曲線的形狀是類似的，即隨著其輸出的感性無功電流的增加其輸出電壓下降，只不過在縱軸上的截距由V0變?yōu)?/p>

16、Vref，即帶無功負(fù)荷而未接補(bǔ)償器時(shí)連接點(diǎn)的正常工作電壓，而由于無功負(fù)荷容量一般遠(yuǎn)小于系統(tǒng)短路容量，可以認(rèn)為特性曲線的斜率基本與不包含無功負(fù)荷時(shí)一樣。當(dāng)無功負(fù)荷變化時(shí)，特性曲線在縱軸上的截距改變，而斜率基本不變。圖5-4中的斜線l1和l2就分別是系統(tǒng)中無功負(fù)荷正常和無功負(fù)荷增大時(shí)的負(fù)載特性，而l3和l4分別是理想補(bǔ)償器和有一定斜率的實(shí)際補(bǔ)償器的電壓電流特性。系統(tǒng)無功負(fù)荷正常時(shí)的特性與補(bǔ)償器特性都交于縱軸上電壓為Vref的A點(diǎn)。這就是系統(tǒng)無功負(fù)荷正常時(shí)的工作點(diǎn)，無需補(bǔ)償器提供無功功率。假設(shè)沒有補(bǔ)償器而無功負(fù)荷增大至特性l2，則系統(tǒng)工作點(diǎn)變?yōu)榭v軸與l2的交點(diǎn)B；如果采用理想補(bǔ)償器或?qū)嶋H補(bǔ)償器，則工

17、作點(diǎn)將分別變?yōu)檫@二者的特性l3和l4與l2的交點(diǎn)C和D。從C和D這兩個(gè)工作點(diǎn)的對(duì)比，以及它們與A、B兩點(diǎn)的關(guān)系，也可以看出理想補(bǔ)償器與有一定斜率特性的實(shí)際補(bǔ)償器在對(duì)補(bǔ)償器容量的要求以及改善電壓調(diào)整的程度這兩方面的不同。圖5-4 用系統(tǒng)負(fù)載特性與補(bǔ)償器電壓電流特性的交點(diǎn)確定系統(tǒng)和補(bǔ)償器工作點(diǎn)5.2 晶閘管控制電抗器TCR5.2.1 基本原理 a） b）圖5-5 TCR的基本原理a） 電路結(jié)構(gòu)單相簡(jiǎn)圖 b） 電壓電流特性TCR的基本原理如圖5-5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)電抗器相串聯(lián)，而三相多采用三角形聯(lián)結(jié)。這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當(dāng)于電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)。其具體

18、工作原理和在不同觸發(fā)控制角下的波形在本書第3章中已有詳細(xì)的介紹，這里不再贅述。由分析可知，觸發(fā)控制角a的有效移相范圍為90°180°。其位移因數(shù)始終為0，也就是說基波電流都是無功電流。a為90°時(shí)，晶閘管完全導(dǎo)通，導(dǎo)通角d=180°，與晶閘管串聯(lián)的電抗相當(dāng)于直接接到電網(wǎng)上，這時(shí)其吸收的基波電流和無功功率最大。當(dāng)控制角在90°至180°之間時(shí)，晶閘管為部分區(qū)間導(dǎo)通，導(dǎo)通角d<180°。增大控制角的效果就是減少電流中的基波分量，就相當(dāng)于增大補(bǔ)償器的等效感抗，或者說減小其等效電納，因而減少了其吸收的無功功率。在控制系統(tǒng)的控制

19、下，就得到了如圖5-5b所示的TCR電壓電流特性曲線?？梢钥闯觯琓CR的電壓電流特性實(shí)際上是一種穩(wěn)態(tài)特性，特性上的每一點(diǎn)都是TCR在導(dǎo)通角d為某一角度時(shí)的等效感抗的伏安特性上的一點(diǎn)。TCR之所以能從其電壓電流特性上的某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，都是控制系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)觸發(fā)控制角a，從而不斷調(diào)節(jié)導(dǎo)通角d的結(jié)果。顯然，其特性的斜率和在電壓軸上的截距（也就是無補(bǔ)償時(shí)的正常工作電壓），都是由控制系統(tǒng)參數(shù)來決定的。5.2.2 主要接線形式及配置類型圖5-6 TCR的三相接線形式如圖5-6所示，TCR的三相接線形式大都采用三角形聯(lián)結(jié)，也就是第3章中介紹的所謂支路控制三角形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓電路的形式，因

20、為這種接線形式比其它形式線電流中諧波含量要?。ㄔ斠姷?章的諧波分析）。另外，工程實(shí)際中還常常將每一相的電抗分成如圖中所示的兩部分，分別接在晶閘管對(duì)的兩端。這樣可以使晶閘管在電抗器損壞時(shí)能得到額外的保護(hù)。以上介紹的每相只有一個(gè)晶閘管對(duì)的接線形式被稱為六脈沖TCR，其線電流中所含諧波為6k±1次（k為正整數(shù)）。同第3章中介紹的多相整流原理完全一樣，由供電電壓相差30°相角的兩個(gè)六脈沖TCR可以構(gòu)成十二脈沖TCR，以進(jìn)一步減小線電流中的諧波。如圖5-7所示，TCR通過降壓變壓器連接到系統(tǒng)母線上，降壓變壓器二次側(cè)設(shè)兩個(gè)繞組，一個(gè)為Y接法，一個(gè)為D接法，就形成了30°的相差

21、，分別連接一個(gè)六脈沖TCR，即可構(gòu)成十二脈沖TCR。其一次側(cè)線電流中將僅含12k±1次諧波（k為正整數(shù)）。當(dāng)然，當(dāng)組成它的一個(gè)六脈沖TCR出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)仍可正常工作，這也是十二脈沖TCR的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。圖5-7 十二脈沖TCR的接線形式在需使用降壓變壓器的場(chǎng)合，工程實(shí)際中有時(shí)將降壓變壓器設(shè)計(jì)成具有很大的漏抗。這樣可以省去原來串聯(lián)的電抗器，降壓變壓器二次側(cè)繞組實(shí)際上通過晶閘管短接了起來。其D和Y兩種接線分別如圖5-8a和b所示。這其實(shí)是TCR的一種變形，又被稱作晶閘管控制變壓器（Thyristor Controlled Transformer，縮寫為TCT）。其優(yōu)點(diǎn)是可以降低成本，而且

22、當(dāng)二次側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，高的漏抗可使變壓器免受短路應(yīng)力；另外，由于其高漏抗變壓器不易飽和，線性度好，并且比之單獨(dú)的電抗器有更大的熱容量，因此可以吸收感性無功范圍內(nèi)更大的過負(fù)荷。缺點(diǎn)是如果需要與并聯(lián)電容器配合使用，則電容器只能接在一次側(cè)的高壓母線上，這顯然又增加了成本。a） b）圖5-8 晶閘管控制變壓器（TCT）a）D接法 b）Y接法圖5-9 與并聯(lián)電容器配合使用的TCR（S可以是機(jī)械斷路器，也可以是晶閘管開關(guān)）(1) TCR+一組電容器；(2)TCR+兩組電容器；(3)TCR+三組電容器；(4)TCR+四組電容器單獨(dú)的TCR由于只能吸收感性的無功功率，因此往往與并聯(lián)電容器配合使用，如圖5-9

23、所示。并聯(lián)上電容器后，使得總的無功功率為TCR與并聯(lián)電容器無功功率抵消后的凈無功功率，因而可以將補(bǔ)償器的總體無功電流偏置到可吸收容性無功的范圍。另外，并聯(lián)電容器串聯(lián)上小的調(diào)諧電抗器還可兼作濾波器，以吸收TCR產(chǎn)生的諧波電流。當(dāng)TCR與固定電容器配合使用時(shí)，被稱為TCR+FC型SVC，有時(shí)也簡(jiǎn)稱為TCR，其電壓電流特性如圖5-10所示。實(shí)際上，在下文中將可看到，改變控制系統(tǒng)的參考電壓可以改變特性在縱軸上的截距，因而可以使特性的水平段上下移動(dòng)。作為其特性左邊界的斜線，就是晶閘管導(dǎo)通角為零，而僅有固定電容器并聯(lián)在母線上時(shí)電容器的伏安特性；而作為右邊界的斜線段，就是晶閘管完全導(dǎo)通，其串聯(lián)電抗器直接接在

24、母線上，并與并聯(lián)電容器并聯(lián)產(chǎn)生的總等效阻抗的伏安特性，而它所對(duì)應(yīng)的無功功率是電容器與電抗器無功功率對(duì)消后的凈無功功率。因此，當(dāng)要求這種補(bǔ)償器的補(bǔ)償范圍能延伸到容性和感性無功兩個(gè)領(lǐng)域時(shí)，電抗器的容量必須大于電容器的容量。比如，當(dāng)希望補(bǔ)償器吸收無功的能力為一倍的容性無功到一倍的感性無功，則電抗器的容量必須為電容器的兩倍。此外，當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收很小的容性或感性無功的狀態(tài)時(shí)，其電抗器和電容器中實(shí)際上都已吸收了很大的無功，都有很大的電流流過，只是在相互對(duì)消而已。這些都是這種類型補(bǔ)償器的缺陷。圖5-10 TCR+FC型SVC的電壓電流特性對(duì)以上配置加以改進(jìn)，將并聯(lián)電容器的一部分或全部改為可以分組投切的，

25、如圖5-9所示。這樣電壓電流特性中電容造成的偏置度就可以分級(jí)調(diào)節(jié)，就可以使用容量相對(duì)較小的TCR。這樣的補(bǔ)償器被稱為晶閘管控制電抗器+可投切電容器型的靜止補(bǔ)償器，或者稱為混合型靜止補(bǔ)償器。圖5-9給出的即為部分并聯(lián)電容器可以分組投切的混合型靜止補(bǔ)償器，它包括一組固定電容器和三組可投切電容器。當(dāng)電容器的投切開關(guān)為機(jī)械斷路器時(shí)，又被稱為TCR+MSC型靜止補(bǔ)償器；當(dāng)電容器的投切開關(guān)為晶閘管時(shí)，又被稱為TCR+TSC型靜止補(bǔ)償器。圖5-11 混合型SVC的電壓電流特性混合型靜止補(bǔ)償器的電壓電流特性如圖5-11所示。事實(shí)上，圖中的特性0-(1)-(1)、0-(2)-(2)、0-(3)-(3)和0-(4

26、)-(4)分別是圖5-9中的TCR并聯(lián)一組、兩組、三組和四組電容器時(shí)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)。為了在切換時(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)通角立即調(diào)整，以使所增減的容性無功功率剛好被TCR的感性無功功率變化所平衡。從電壓電流特性可以看出，混合型補(bǔ)償器中TCR的容量只須在對(duì)消那組固定電容的容性無功后能滿足對(duì)感性無功的要求即可，而不必象TCR+FC型補(bǔ)償器那樣要能在對(duì)消全部并聯(lián)電容器的容性無功后滿足對(duì)感性

27、無功的要求。另外，混合型補(bǔ)償器TCR的容量還應(yīng)略大于每次電容切換時(shí)容性無功的變化，否則也會(huì)造成電壓電流特性在切換處斷續(xù)?；旌闲脱a(bǔ)償器的主要問題是在控制中應(yīng)避免過于頻繁地投入或切除電容器組，對(duì)于使用機(jī)械斷路器投切電容的混合型補(bǔ)償器更是如此。5.2.3 控制系統(tǒng)TCR的控制系統(tǒng)應(yīng)能檢測(cè)系統(tǒng)的有關(guān)變量，并根據(jù)檢測(cè)量的大小以及給定（參考）輸入量的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)控制角，以調(diào)節(jié)補(bǔ)償器吸收的無功功率。因此，其控制系統(tǒng)一般應(yīng)包括以下三部分電路：檢測(cè)電路檢測(cè)控制所需的系統(tǒng)變量和補(bǔ)償器變量；控制電路為獲得所需的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性對(duì)檢測(cè)信號(hào)和給定（參考）輸入量進(jìn)行處理；觸發(fā)電路根據(jù)控制電路輸出的控制信號(hào)產(chǎn)生

28、相應(yīng)相位角的晶閘管觸發(fā)脈沖。應(yīng)該講，檢測(cè)電路取哪些量作為補(bǔ)測(cè)對(duì)象，以及采取什么樣的控制策略和控制電路，這些都取決于用戶對(duì)補(bǔ)償器功能（如本章5.1節(jié)中所列）的要求。但總體來說，其控制策略可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。開環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)迅速，它適用于負(fù)荷補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合，尤其在減少電壓閃爍方面有成功的應(yīng)用；而閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是精確，對(duì)于輸電補(bǔ)償，特別是那些遠(yuǎn)離負(fù)荷和電源的輸電線的中點(diǎn)，則更適用閉環(huán)控制。不論是開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，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，也就是補(bǔ)償器等效電納參考值Bref，當(dāng)然，也有某些設(shè)計(jì)其控制算法直接得到觸發(fā)脈沖而未出現(xiàn)代表Bref的顯式信號(hào)。下面

29、將分別簡(jiǎn)要介紹TCR的控制系統(tǒng)中常見的信號(hào)檢測(cè)方法，由控制信號(hào)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的方法，以及具體的控制方法。5.2.3.1 信號(hào)檢測(cè)根據(jù)對(duì)補(bǔ)償器所期望的功能，被檢測(cè)的信號(hào)應(yīng)包含下列物理量中的一個(gè)或幾個(gè)：系統(tǒng)電壓；流過傳輸線或補(bǔ)償器本身的無功功率；傳輸線輸送的有功功率或其變化率；電壓相角偏差；系統(tǒng)頻率及其導(dǎo)數(shù)等等。應(yīng)當(dāng)注意的是，控制當(dāng)中需要的信號(hào)是反映以上這些量有效值或幅度大小的直流信號(hào)，因此往往需要對(duì)傳感器所得的信號(hào)作進(jìn)一步的處理。例如，對(duì)系統(tǒng)電壓，實(shí)際需要的是能反映系統(tǒng)電壓有效值大小的直流信號(hào)。所以，對(duì)從電壓互感器檢測(cè)出來的三相電壓信號(hào)常采用的進(jìn)一步處理方法有：整流、取平均值、取方均根值、取正序分

30、量、濾波等等。圖5-12示出了用于60Hz系統(tǒng)電壓檢測(cè)的典型電路方框圖110。其中的90Hz帶阻濾波器是為了濾去可能產(chǎn)生系統(tǒng)諧振的諧波，而60、120、360Hz帶阻濾波器則是用來濾去整流的特征諧波以及由于可能的三相不平衡引起的諧波的。圖5-12 用于60Hz系統(tǒng)電壓檢測(cè)的典型電路方框圖110最近，根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)的方法也應(yīng)用到了SVC的控制系統(tǒng)當(dāng)中，本書第6章中將有詳細(xì)論述。5.2.3.2 觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生如果采用鋸齒波作為觸發(fā)電路的同步信號(hào)，或者采用數(shù)字控制電路，則觸發(fā)電路的控制信號(hào)與觸發(fā)控制角a以及晶閘管導(dǎo)通角d都是線性關(guān)系，但是，觸發(fā)控制角（或晶閘管導(dǎo)通角）與補(bǔ)償器實(shí)際的

31、等效電納之間卻并不是線性關(guān)系。從第3章中3.3節(jié)的分析可知，TCR電流的基波分量與晶閘管導(dǎo)通角之間的關(guān)系為 （5-8）其中V為系統(tǒng)電壓，XL為與晶閘管串聯(lián)電抗的大小。因此，TCR的等效電納即為 （5-9）其中等效電納最大值為BLmax=1/XL?？梢姡瑢?dǎo)通角d與TCR等效電納之間是非線性的關(guān)系。將其繪成曲線，如圖5-13所示。圖5-13 導(dǎo)通角d與TCR等效電納BL之間的非線性關(guān)系為了克服這種非線性的影響，通常在觸發(fā)電路的輸入端與觸發(fā)脈沖形成環(huán)節(jié)之間插入一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，以補(bǔ)償導(dǎo)通角與實(shí)際等效電納之間的非線性，如圖5-14所示。這個(gè)插入的非線性環(huán)節(jié)被稱為線性化環(huán)節(jié)。其具體實(shí)現(xiàn)方法非常靈活，在數(shù)字

32、控制電路中可以根據(jù)式（5-9）采用查表的方法實(shí)現(xiàn)，在模擬控制電路中的實(shí)現(xiàn)方法可參閱文獻(xiàn)103?？刂齐娐份敵龅目刂菩盘?hào)一般是補(bǔ)償器等效電納的參考值Bref，因此，線性化環(huán)節(jié)的插入實(shí)現(xiàn)了等效電納的參考值Bref與實(shí)際值BL之間的線性關(guān)系。圖5-14 觸發(fā)電路前端的線性化環(huán)節(jié)及其功能5.2.3.3 控制方法開環(huán)控制的策略相對(duì)較簡(jiǎn)單，多用于負(fù)荷補(bǔ)償，例如檢測(cè)負(fù)荷無功功率，來控制TCR產(chǎn)生相等的無功功率，從而使電源供給的無功功率為零，以達(dá)到功率因數(shù)校正或改善電壓調(diào)整的目的。閉環(huán)控制的策略較為復(fù)雜，下面就以閉環(huán)控制為主，以改善電壓調(diào)整的功能為例，介紹具體的控制方法。根據(jù)控制理論的基本原理，要得到穩(wěn)定的電壓

33、，必須引入電壓的負(fù)反饋控制。圖5-15就給出了電壓閉環(huán)的控制方法示意圖。它通過檢測(cè)到的系統(tǒng)電壓V與系統(tǒng)電壓參考值Vref的比較，由其偏差來控制系統(tǒng)的運(yùn)行。其調(diào)節(jié)器一般為比例調(diào)節(jié)器。顯然，TCR電壓電流特性在電壓軸上的截距由電壓參考值Vref決定，而該特性的斜率由閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)決定，因而改變比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)就可以改變電壓電流特性的斜率。而補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性則由閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)共同來決定。圖5-15 只有電壓反饋的控制方法示意圖為了改善控制性能，可以在此基礎(chǔ)上再引入補(bǔ)償電流ISVC的反饋。一種方法是在電壓反饋構(gòu)成的外閉環(huán)之內(nèi)再引入電流環(huán)的負(fù)反饋控制，以提高控制精度

34、，如圖5-16所示。這樣，控制系統(tǒng)中就有兩個(gè)調(diào)節(jié)器電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。如果電流調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)足夠高，或者采用有積分作用的調(diào)節(jié)器，則電流偏差就可以忽略，甚至基本為零。因此補(bǔ)償電流將完全由電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)決定，而與其它因素?zé)o關(guān)。補(bǔ)償器電壓電流特性的斜率則仍由電壓調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)決定。圖5-16 帶電流內(nèi)環(huán)的電壓反饋控制方法示意圖圖5-17給出了另一種引入補(bǔ)償器電流反饋的方法。在這種情況下，調(diào)節(jié)器一般設(shè)計(jì)成具有積分作用，因而穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓偏差為零，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的精確控制。而引入的補(bǔ)償器電流反饋實(shí)際上相當(dāng)于根據(jù)補(bǔ)償器無功電流的大小對(duì)電壓參考值的修正。因此，實(shí)際上電流反饋通道的增益是用來決定補(bǔ)償器

35、電壓電流特性斜率的。而整個(gè)補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)性能是由調(diào)節(jié)器的積分增益以及系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)決定的。圖5-18給出了采用這種電流反饋形式的一個(gè)TCR控制系統(tǒng)框圖。圖5-17 具有附加電流反饋的電壓反饋控制示意圖圖5-18 TCR控制系統(tǒng)一例以上的介紹都是以電壓調(diào)整功能為例，實(shí)際上將這些控制方法稍加修改或補(bǔ)充，就可以使靜止補(bǔ)償器的功能擴(kuò)展到無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償所能實(shí)現(xiàn)的其它一些功能范圍。象圖5-19所示的那樣，這些功能可以有自己的調(diào)節(jié)器，它們通過對(duì)有關(guān)物理量的檢測(cè)有效地修正電壓控制環(huán)的參考電壓，成為附屬于電壓控制的功能。例如，要增加對(duì)輸電線傳輸?shù)臒o功功率的控制功能，則要檢測(cè)傳輸?shù)臒o功功率大小并與參考量比較；若要

36、加入阻尼功率振蕩，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定的功能，則可以將傳輸線輸送的有功功率及其變化量，或者系統(tǒng)頻率及其導(dǎo)數(shù)作為檢測(cè)量。圖5-19 補(bǔ)償器多種控制功能的實(shí)現(xiàn)在有些場(chǎng)合，某種特殊功能可能取代電壓控制功能而成為主要功能，或者要求采用特有的檢測(cè)和控制方法，因而控制系統(tǒng)可能并不包含電壓閉環(huán)。例如，以功率因數(shù)校正為主要目標(biāo)的負(fù)荷無功功率補(bǔ)償，可以采用如前文所述的開環(huán)控制，也可以與閉環(huán)控制相結(jié)合，加一個(gè)響應(yīng)速度較慢的總無功功率或功率因數(shù)反饋控制閉環(huán)即可；而若要補(bǔ)償三相電流的不平衡，則需分別檢測(cè)出三相電流中的非正序成分，采用三相分相單獨(dú)觸發(fā)的控制方法，來產(chǎn)生不平衡的三相補(bǔ)償電流。此外，控制系統(tǒng)中還可以包括各種保護(hù)

37、功能，如限制補(bǔ)償器的運(yùn)行范圍、過電流保護(hù)、諧波電流限制等等，以及各種特殊控制功能，如手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的切換、自動(dòng)增益調(diào)整、頻率補(bǔ)償?shù)鹊?08，還應(yīng)包括對(duì)與TCR配合使用的MSC或TSC的相應(yīng)控制功能，這些都不再詳述。5.2.4 動(dòng)態(tài)性能及動(dòng)態(tài)過程分析根據(jù)期望補(bǔ)償器所具有功能的不同，對(duì)補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)性能有不同程度的要求。補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)性能的好壞，對(duì)補(bǔ)償器能否真正實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能具有極其重要的意義。補(bǔ)償器功能不同，其動(dòng)態(tài)性能所包含的具體內(nèi)容也不盡相同，但不外乎都是指補(bǔ)償器針對(duì)某種參考量的突變、突加的小擾動(dòng)、或者可能使補(bǔ)償器超出正常運(yùn)行范圍的大擾動(dòng)或故障的時(shí)域響應(yīng)性能。對(duì)以改善電壓調(diào)整為目標(biāo)的輸電補(bǔ)償來講

38、，就具體包括突加電壓參考量、無功負(fù)荷突變（包括小擾動(dòng)和大擾動(dòng)）、系統(tǒng)短路電抗突變、單相或三相故障以及補(bǔ)償器過電流故障等項(xiàng)目的系統(tǒng)電壓時(shí)域響應(yīng)性能。其中對(duì)各種擾動(dòng)（包括負(fù)荷突變和系統(tǒng)短路電抗突變等）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，是補(bǔ)償器在正常工作狀態(tài)下最受關(guān)注的性能指標(biāo)。對(duì)這些動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程，常?？梢杂们懊娼榻B過的求系統(tǒng)負(fù)載線與補(bǔ)償器電壓電流特性交點(diǎn)的方法加以分析。下面就以用于改善電壓調(diào)整的TCR+FC型補(bǔ)償器（下面簡(jiǎn)稱為TCR）為例，對(duì)其受擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程進(jìn)行分析。圖5-20 TCR補(bǔ)償器對(duì)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程如圖5-20所示，TCR補(bǔ)償器的電壓電流特性為圖中O-A-B-D段，而擾動(dòng)前系統(tǒng)負(fù)載特性為l1，二

39、者交于a點(diǎn)，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da，因此a點(diǎn)也可以看成是導(dǎo)通角為da時(shí)補(bǔ)償器等效感抗的伏安特性O(shè)F與系統(tǒng)負(fù)載線的交點(diǎn)。假設(shè)在某一時(shí)刻電力系統(tǒng)突然受到擾動(dòng)，如無功負(fù)荷突然減小，造成系統(tǒng)負(fù)載線突然從l1上升至l2，則在這一時(shí)刻，由于補(bǔ)償器還未來得及調(diào)整，其晶閘管導(dǎo)通角仍為da，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da時(shí)補(bǔ)償器等效感抗的伏安特性與系統(tǒng)負(fù)載線l2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dc，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l2的交點(diǎn)，或者說導(dǎo)通角為dc時(shí)補(bǔ)償器等效感抗的伏安特性O(shè)G與l2的交

40、點(diǎn)。在這一動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)電壓的最高值出現(xiàn)在b點(diǎn)，也就是突加擾動(dòng)后的時(shí)刻，隨后隨著補(bǔ)償器的調(diào)節(jié)使系統(tǒng)電壓恢復(fù)到穩(wěn)定值。如果補(bǔ)償器控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)脑?，這個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程可以在12個(gè)周波內(nèi)完成。動(dòng)態(tài)性能較好的補(bǔ)償裝置甚至可能不會(huì)到達(dá)b點(diǎn)就很快移至c點(diǎn)。圖5-21示出了某一TCR裝置在一模擬電力系統(tǒng)當(dāng)中對(duì)負(fù)荷階躍變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果111。圖中給出了系統(tǒng)電壓、電壓檢測(cè)電路的輸出、負(fù)荷電流以及控制電路中電壓調(diào)節(jié)器的輸出波形。在圖中所示的某一時(shí)刻負(fù)荷電流突然減小，可以看出，由于檢測(cè)電路的迅速反應(yīng)，以及控制電路的及時(shí)調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)電壓在約1.5個(gè)周波內(nèi)即恢復(fù)了正常。圖5-21 TCR補(bǔ)償器對(duì)負(fù)荷

41、階躍變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)1115.3 晶閘管投切電容器TSC5.3.1 基本原理 a） b） c）圖5-22 TSC的基本原理a）單相結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 b）分組投切的TSC單相簡(jiǎn)圖 c）電壓電流特性TSC的基本原理如圖5-22所示。其中圖5-22a是其單相電路圖，其中的兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管只是起將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能造成的沖擊電流的，在很多情況下這個(gè)電感往往不畫出來。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，即如圖5-22c中OA所示。在工程實(shí)際中一般將電容器分成幾組，如圖5-22b所示，每組都可由晶閘管投切。這樣，根據(jù)電網(wǎng)的無功

42、需求投切這些電容器，TSC實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器，其電壓電流特性按照投入電容器組數(shù)的不同可以是圖5-22c中的OA、OB或OC。當(dāng)TSC用于三相電路時(shí)可以是接法，也可以是Y接法，每一相都設(shè)計(jì)成如圖5-22b所示的那樣分組投切。電容器分組的具體方法比較靈活，一般希望能組合產(chǎn)生的電容值級(jí)數(shù)越多越好，但是綜合考慮到系統(tǒng)復(fù)雜性以及經(jīng)濟(jì)性的問題，可以采用所謂二進(jìn)制的方案，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，這樣的分組法可使組合成的電容值有2k級(jí)。電容器的分組投切在較早的時(shí)候大都是用機(jī)械斷路器來實(shí)現(xiàn)的，這就是機(jī)械投切電容器MSC。和機(jī)械斷路器相比，晶

43、閘管的操作壽命幾乎是無限的，而且晶閘管的投切時(shí)刻可以精確控制以減少投切時(shí)的沖擊電流和操作困難。另外，與TCR相比，TSC雖然不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功，但具有運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生諧波而且損耗較小的優(yōu)點(diǎn)。因此，TSC已在電力系統(tǒng)獲得了較廣泛的應(yīng)用，而且有許多是與TCR配合使用構(gòu)成TCR+TSC混合型補(bǔ)償器。5.3.2 投入時(shí)刻的選取總的原則是，TSC投入電容的時(shí)刻，也就是晶閘管開通的時(shí)刻，必須是在電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時(shí)刻。因?yàn)楦鶕?jù)電容器的特性，當(dāng)加在電容上的電壓有階躍變化時(shí)（若電容器投入的時(shí)刻電源電壓與電容器充電電壓不相等就會(huì)發(fā)生這樣的情況），將產(chǎn)生一沖擊電流，很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等

44、不利影響。通常來講，希望電容器預(yù)先充電電壓為電源電壓峰值，而且將晶閘管的觸發(fā)相位也固定在電源電壓的峰值點(diǎn)。因?yàn)楦鶕?jù)電容器的特性方程如果在導(dǎo)通前電容器充電電壓也等于電源電壓峰值，則在電源峰值點(diǎn)投入電容時(shí)，由于在這一點(diǎn)電源電壓的變化率（時(shí)間導(dǎo)數(shù)）為零，因此，電流iC即為零，隨后電源電壓（也即電容電壓）的變化率才按正弦規(guī)律上升，電流iC即按正弦規(guī)律上升。這樣，整個(gè)投入過程不但不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化。這就是所謂的理想投入時(shí)刻。圖5-23以簡(jiǎn)單的電路原理圖和投切時(shí)的波形對(duì)此作了說明。圖5-23 TSC理想投切時(shí)刻原理說明如圖所示，設(shè)電源電壓為eS，在本次導(dǎo)通開始之前，電容器的端電壓VC

45、已通過上次導(dǎo)通時(shí)段最后導(dǎo)通的晶閘管T1充電至電源電壓eS的峰值，且極性為正。本次導(dǎo)通開始時(shí)刻取為eS和VC相等的時(shí)刻t1，給T2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)觸發(fā)脈沖輪流給T1和T2。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T2關(guān)斷，T1因未獲觸發(fā)而不導(dǎo)通，電容器電壓保持T2導(dǎo)通結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下次投入電容器做了準(zhǔn)備。實(shí)際上，在投入電網(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5-24給出了各種情況下使暫態(tài)現(xiàn)象最小的投入時(shí)刻112。其中b和c就是前述的理想工作狀態(tài)；a是電容

46、充電電壓VCCh為零時(shí)的情況（TSC裝置起動(dòng)時(shí)為此情況），這時(shí)，投入時(shí)刻應(yīng)取電壓零點(diǎn)，給正向晶閘管T1發(fā)出最初的觸發(fā)脈沖；d為電容充電電壓VCCh比電源eS的峰值電壓Emax低的情況，這時(shí)應(yīng)在eS與VCCh相等的時(shí)刻投入，給正向晶閘管T1最初觸發(fā)脈沖；e為VCCh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T2最初觸發(fā)脈沖，這種情況下會(huì)有沖擊電流產(chǎn)生，但可受到串聯(lián)小電感的抑制。圖5-24 各種情況下使暫態(tài)現(xiàn)象最小的導(dǎo)通時(shí)刻圖5-25 晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式代替兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管，可以使導(dǎo)通前電容充電電壓維持在電源電壓的峰值。如圖5-2

47、5所示，一旦電容電壓比電源峰值有所降低，二極管都會(huì)將其充電至峰值電壓，因此不會(huì)發(fā)生兩晶閘管反并聯(lián)的方式中電容器充電電壓下降的現(xiàn)象。但是，由于二極管是不可控的，當(dāng)要切除此電容支路時(shí)，最大的時(shí)間滯后為一個(gè)周波，因此其響應(yīng)速度比兩晶閘管反并聯(lián)的方式稍差，但成本上卻要低一些。應(yīng)該注意的是，在以上討論的最佳投入時(shí)刻中，兩個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖的順序不能搞反了，或者說應(yīng)避免觸發(fā)脈沖相位錯(cuò)開180°，否則將如圖5-26所示的那樣產(chǎn)生很大的沖擊電流和過電壓。圖5-26 TSC晶閘管誤觸發(fā)時(shí)的情況5.3.3 控制系統(tǒng)有關(guān)靜止補(bǔ)償器控制系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)、控制策略、工作原理和具體控制方法實(shí)際上已在節(jié)做了詳細(xì)介紹

48、。TSC控制系統(tǒng)的思路也是類似的，只不過其中的控制電路部分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5-27給出了一個(gè)TSC用于對(duì)波動(dòng)負(fù)載進(jìn)行負(fù)荷補(bǔ)償時(shí)的控制系統(tǒng)示意圖。圖5-27 TSC用于負(fù)荷補(bǔ)償時(shí)控制系統(tǒng)的示意圖應(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)電壓高于某一較高閾值時(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。此外，當(dāng)TSC與TCR配

49、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)控制角的調(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)。5.3.4 動(dòng)態(tài)過程分析同樣可以通過判斷系統(tǒng)負(fù)載特性與補(bǔ)償器電壓電流特性交點(diǎn)的方法來分析TSC的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程。圖5-28 TSC對(duì)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程圖5-28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)過程。在系統(tǒng)受到擾動(dòng)前其負(fù)載線為l1，TSC有一組電容投入運(yùn)行，其伏安特性為OA，因此系統(tǒng)穩(wěn)定工作在l1與OA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)

50、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)移至OB與l2的交點(diǎn)C，從而將電壓恢復(fù)到能接受的范圍。圖5-29 TCR+TSC型補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程圖5-29示出了TSC與TCR配合使用的混合型補(bǔ)償器作為改善電壓調(diào)整使用時(shí)，對(duì)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程。圖中0-(1)-(1)是TCR與一組固定電容器并聯(lián)后的電壓電流特性，而0-(2)-(2)是再由TSC投入一組電容器后的電壓電流特性。受擾動(dòng)前系統(tǒng)負(fù)載線為l1，因此系統(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da。因此a點(diǎn)也就是TCR加上固定電容器，在導(dǎo)通角為da時(shí)總等效阻抗的伏安特性O(shè)A與

51、l1的交點(diǎn)。設(shè)系統(tǒng)受干擾，其負(fù)載線突然降至l2，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da下等效阻抗伏安特性O(shè)A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)節(jié)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。由于c點(diǎn)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遷至兩組電容并聯(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)過程是按a-b-c-d-e這幾步完成的?？?/p>

52、以看出，在調(diào)節(jié)過程中TCR導(dǎo)通角的變化與TSC投切的配合是非常重要的。如果這二者的配合適當(dāng)，定時(shí)精確的話，整個(gè)過程很可能簡(jiǎn)化為a-b-e這三步，調(diào)節(jié)時(shí)間大為縮短，補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)性能將得到較大提高。5.4 采用自關(guān)斷器件的靜止無功發(fā)生器SVG所謂靜止無功發(fā)生器SVG，在本書中就是專指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。采用電力半導(dǎo)體變流器實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)乃枷朐缭谄呤甏鸵延腥颂岢觯?972年日本就發(fā)表了用強(qiáng)迫換相的晶閘管橋式電路作為調(diào)相裝置的研究論文113；1976年，美國學(xué)者L.Gyugyi在其論文中提出了用電力半導(dǎo)體變流器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)母鞣N方案114，其中使用自換相橋式變流電

53、路的方案最受青睞。限于當(dāng)時(shí)的器件水平，采用強(qiáng)迫換相的晶閘管器件是實(shí)現(xiàn)自換相橋式電路的唯一手段。1980年日本研制出了20MVA的采用強(qiáng)迫換相晶閘管橋式電路的SVG，并成功地投入了電網(wǎng)運(yùn)行115。隨著電力電子器件的發(fā)展，GTO等自關(guān)斷器件開始達(dá)到了可用于SVG中的電壓和電流等級(jí)，并逐漸成為SVG的自換相橋式電路中的主力。1987年美國西屋公司研制成1MVA的采用GTO器件的SVG實(shí)驗(yàn)裝置，并成功地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)116。1991年和1994年日本和美國分別研制成功了一套80MVA和一套100MVA的采用GTO器件的SVG裝置，并且最終成功地投入了商業(yè)運(yùn)行117,118。以上是迄今為止有關(guān)SVG的實(shí)

54、際裝置用于改善電網(wǎng)性能的報(bào)道。另外，用SVG來補(bǔ)償工業(yè)負(fù)荷的研究也時(shí)有報(bào)道，使用的大都也是GTO和IGBT這樣的自關(guān)斷器件?？梢哉f，目前國際上有關(guān)SVG的研究和將其應(yīng)用于電網(wǎng)或工業(yè)實(shí)際的興趣真是方興未艾。國內(nèi)有關(guān)的研究也已見諸報(bào)道，并且已開始有投入工程實(shí)際的行動(dòng)。與傳統(tǒng)的以TCR為代表的SVC裝置相比，SVG的調(diào)節(jié)速度更快，運(yùn)行范圍寬，而且在采取多重化或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)無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。5.4.1 基本原理簡(jiǎn)單地說

55、，SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹１娝苤?，在單相電路中，與基波無功功率有關(guān)的能量是在電源和負(fù)載之間來回往返的。但是在平衡的三相電路中，不論負(fù)載的功率因數(shù)如何，三相瞬時(shí)功率的和是一定的，在任何時(shí)刻都是等于三相總的有功功率。因此總的來看，在三相電路的電源和負(fù)載之間沒有無功能量的來回往返，各相的無功能量是在三相之間來回往返的。所以，如果能用某種方法將三相各部分總的統(tǒng)一起來處理，則因?yàn)榭偟膩砜慈嚯娐冯娫春拓?fù)載間沒有無功能量的

56、傳遞，在總的負(fù)載側(cè)就無需設(shè)置無功儲(chǔ)能元件。三相橋式變流電路實(shí)際上就具有這種將三相各部分總的統(tǒng)一起來處理的特點(diǎn)。因此，理論上講SVG的橋式變流電路的直流側(cè)可以不設(shè)儲(chǔ)能元件。實(shí)際上，考慮到變流電路吸收的電流并不僅含基波，其諧波的存在多少會(huì)造成總體看來有少許無功能量在電源和SVG之間往返。所以，為了維持橋式變流電路的正常工作，其直流側(cè)仍需要一定大小的電感或電容作為儲(chǔ)能元件，但所需儲(chǔ)能元件的容量遠(yuǎn)比SVG所能提供的無功容量要小。而對(duì)傳統(tǒng)的SVC裝置，其所需儲(chǔ)能元件的容量至少要等于其所提供無功功率的容量。因此，SVG中儲(chǔ)能元件的體積和成本比同容量的SVC中大大減小。嚴(yán)格地講，SVG應(yīng)該分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。其電路基本結(jié)構(gòu)分別如圖5-30a和b所示，直流側(cè)分別采用的是電容和電感這兩種不同的儲(chǔ)能元件。對(duì)電壓型橋式電路，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)；對(duì)電流型橋式電路，還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過電壓的電容器。實(shí)際上，由于運(yùn)行效率的原因迄今投入實(shí)用的SVG大都采用電壓型橋式電路，因此SVG往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。因此，在以下的內(nèi)容中，本文將以采用