靜止串聯(lián)無功補(bǔ)償器SVC和ASVG

1、靜止無功補(bǔ)償器（SVC）和靜止無功發(fā)生器（ASVG）目錄預(yù)備知識(shí)SVC的工作原理與數(shù)學(xué)模型ASVG的工作原理與數(shù)學(xué)模型預(yù)備知識(shí)柔性交流輸電系統(tǒng)（柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible Alternative Current Transmission Systems） 柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）是建立在電力電子或其他靜止型控制器基礎(chǔ)之上的、能提高可控性和增大電力傳輸能力的交流輸電系統(tǒng)。 FACTS代表一種靈活性更好的交流輸電系統(tǒng)，別于以往的交流輸電系統(tǒng)； FACTS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是電力電子器件與其他（如電容器、電抗器之類）無源元件的組合； FACTS的目的是提高輸電系統(tǒng)的可控性、保證電能質(zhì)量，并能增強(qiáng)

2、系統(tǒng)傳輸能力。預(yù)備知識(shí)電力系統(tǒng)無功功率與電壓的關(guān)系電力系統(tǒng)無功功率與電壓的關(guān)系 在電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，任何電壓的偏移都會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)、安全系統(tǒng)的不利影響，而電力系統(tǒng)中的電壓水平與無功功率密切相關(guān)。 節(jié)點(diǎn)電壓的大小對(duì)無功功率分布起決定作用P+jQUjjB/2-jUj2B/2-jUi2B/2jB/2UiPi+jQiR+jXP，+jQ，預(yù)備知識(shí) 在不考慮輸電線路的對(duì)地電容時(shí)，設(shè)末端電壓Uj為基準(zhǔn)電壓，則知節(jié)點(diǎn)電壓間的關(guān)系為： 在超高壓電力系統(tǒng)中，線路電抗遠(yuǎn)大于線路電阻，因而上式可寫成：式中為線路兩端電壓的相位差，則得：ijjjjjjPjQPRQXPXQRUURjXUjUUj UUUU,cossinij

3、jiijjQXPXUUjUUjUUUcossin ,ijijjUUUUPQUXX預(yù)備知識(shí) 正常運(yùn)行時(shí)輸電線路兩端電壓的相位差比較小，可以認(rèn)為cos 1，這樣線路中傳輸?shù)臒o功功率大小就與線路兩端電壓的有效值之差成正比，無功功率將從節(jié)點(diǎn)電壓高的一端流向節(jié)點(diǎn)電壓低的一側(cè)。上述分析表明，如果遠(yuǎn)處電源經(jīng)輸電線路向負(fù)荷提供無功功率，會(huì)使沿線路各點(diǎn)的電壓下降，甚至不能滿足質(zhì)量要求。 無功功率對(duì)電壓水平有決定性影響 電力系統(tǒng)中各種用電設(shè)備吸收的無功功率，大多數(shù)與所加電壓有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)無功功率缺額，亦即無功電源不能提供足夠的無功功率時(shí)，系統(tǒng)所接的各負(fù)荷的電壓降下降。綜合無功功率負(fù)荷的靜態(tài)電壓特性SVC的工作原

4、理與數(shù)學(xué)模型 電力系統(tǒng)的電壓分布與系統(tǒng)中的無功朝流分布密切相關(guān)。因此，為了調(diào)整系統(tǒng)的電壓，必須調(diào)整系統(tǒng)中無功潮流分布。 傳統(tǒng)的靜止并聯(lián)無功補(bǔ)償是在節(jié)點(diǎn)上并聯(lián)電容器或電抗器，通過機(jī)械開關(guān)按組投入或退出。其缺點(diǎn)有三：調(diào)節(jié)離散；調(diào)節(jié)速度緩慢；電壓負(fù)特性。 靜止無功發(fā)生器（SVC）是將電力電子元件引入電力系統(tǒng)的靜止并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置。理想的SVC可以支持所補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)電壓接近常數(shù)，因其具有良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)節(jié)性能，所以目前得到了廣泛的應(yīng)用。 SVC的構(gòu)成形式有多種，但基本元件為晶閘管控制的電抗器（TCR）和晶閘管投切的電容器（TSC）。SVC的工作原理與數(shù)學(xué)模型SVC的工作原理與數(shù)學(xué)模型 圖為SVC的原理示意

5、圖，為了降低SVC的造價(jià)，大多數(shù)SVC通過降壓變壓器并入系統(tǒng)。由于晶閘管的控制作用，SVC將產(chǎn)生諧波電流，因而為降低SVC對(duì)系統(tǒng)的諧波污染，SVC中還應(yīng)有濾波器。 現(xiàn)以TCR為例分析其控制原理。TCR支路由電抗器與兩個(gè)背靠背連接的晶閘管相串聯(lián)構(gòu)成，控制元件為晶閘管。設(shè)加在TCR支路上的系統(tǒng)電壓為正弦，晶閘管的觸發(fā)延遲角為/2,，則觸發(fā)時(shí)刻為 t= +k（k=0，1，2，）在晶閘管導(dǎo)通期間，忽略電抗器的電阻，電感電流滿足方程sinLmdiLVtdtSVC的工作原理與數(shù)學(xué)模型其通解為： ，再由初值條件得： 由上式知，當(dāng)t=（k+2）-時(shí)，電感電流重新回到零。因此，晶閘管的導(dǎo)通期為： tk+,(k+

6、2)-,k=0,1,2,.電感電流的波形如圖所示，電感電流波形寬度為2（-）=2cosmLViKtLcos(k)cost,k0,1,2,.mLViLSVC的工作原理與數(shù)學(xué)模型對(duì)電感電流進(jìn)行傅里葉分解，其基波分量為：則TCR支路的等值基波電抗為：TCR從系統(tǒng)中吸收的無功功率為：1(2sin2 )sin(t)2mLViL( )2sin2LLX222sin2( )LLVQVXLSVC的工作原理與數(shù)學(xué)模型 TSC支路由電容器與兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管相串聯(lián)構(gòu)成，串聯(lián)的小電感是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能造成的沖擊電流。 理想情況下電容器投入之前的電壓為電源峰值。 對(duì)于TSC而言，晶閘管只作為投切電容器的開

7、關(guān)，而不像TCR中的晶閘管起相控的作用，因此TSC不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，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。（a）單相結(jié)構(gòu) （b）分組投切 （c）電壓電流特性SVC的工作原理與數(shù)學(xué)模型 電容器在接通期間，向系統(tǒng)注入的無功功率為： ，可得SVC向系統(tǒng)注入的無功功率為： 由上式可知，SVC向系統(tǒng)注入的無功功率可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)，為了擴(kuò)大SVC的調(diào)節(jié)范圍，根據(jù)補(bǔ)償容量的需要，一個(gè)SVC中可以采用多個(gè)TSC支路。 為了SVC本身運(yùn)行的穩(wěn)定性，通常采用有差調(diào)節(jié)而是直線AB的斜率為0.05左右。2CQCV22sin2SVCCLQQQCVLASVG的工作原理與數(shù)學(xué)模型 靜止無功發(fā)生器

8、（Advanced Static Var Generator，ASVG）也稱STATCOM，其功能與SVC基本相同，但是運(yùn)行范圍更寬，調(diào)節(jié)速度更快。 SVC的控制元件為晶閘管，晶閘管為半控性器件，只能在閥電流過零時(shí)關(guān)斷。ASVG是用全控性器件實(shí)現(xiàn)的，一般為GTO，IGBT。ASVG的工作原理與數(shù)學(xué)模型 將逆變器的輸出經(jīng)一個(gè)數(shù)值不大的電感L接至三相交流電網(wǎng)，逆變器各相電壓Vi與交流電網(wǎng)各相輸出電壓Vs同相，逆變器輸出電流I，逆變器向電網(wǎng)輸出感性滯后無功功率為IQ，向電網(wǎng)輸出的感性無功功率為QL，則：isissiLLLisQLisLsQsLLisLsVVVVVVIjjjXXXVVIXVVQV IV

9、XXVVQV ASVG的工作原理與數(shù)學(xué)模型 為了無功功率發(fā)生器能穩(wěn)定工作，直流側(cè)必須有一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓源VD。如果無功功率發(fā)生器輸出電流與電網(wǎng)電壓的相位相差90度，則電網(wǎng)不向無功功率發(fā)生器輸入無功功率P，但電力變流器實(shí)際工作中存在有功損耗，這時(shí)電容C的電壓VD將不斷減小。 為了維持直流電壓VD恒定，在交流電源每個(gè)周期中都必須給變流器補(bǔ)充能量。 給變流器不斷地補(bǔ)充電能損耗的一個(gè)簡(jiǎn)便、可行的技術(shù)方案是適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)逆變器輸出電壓Vi的相位，使其滯后電網(wǎng)電壓Vs一個(gè)小角度。ASVG的工作原理與數(shù)學(xué)模型 這時(shí)，無功功率發(fā)生器從電網(wǎng)中吸取的有功功率由相量關(guān)系可得：輸出至交流電網(wǎng)的感性無功功率： 調(diào)節(jié)、控制

10、相位角，即可使電網(wǎng)輸入的有功功率等于逆變器的功率損耗，使VD恒定，同時(shí)可以調(diào)節(jié)輸出的無功功率。sinSiSPV VPV IXcosSiSLSQVVVQV IXASVG的工作原理與數(shù)學(xué)模型 如圖給出了一個(gè)采用三相橋變流電路和PWM控制策略的無功功率發(fā)生器控制系統(tǒng)原理性框圖，圖中包括電壓VD閉環(huán)控制和無功功率Q閉環(huán)控制。ASVG的工作原理與數(shù)學(xué)模型 ASVG的伏安特性如圖所示。改變電網(wǎng)電壓的參考值Uref可以使伏安特性上下移動(dòng)。 當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，補(bǔ)償器的伏安特性向下調(diào)整時(shí)，ASVG可以調(diào)整其變流器交流測(cè)電壓的幅值和相位，以使其所能提供的最大無功電流ILmax和Icmax維持不變，僅受其電力半導(dǎo)體器件的電流容量限制。ASVG的工作原理與數(shù)學(xué)模型性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)ASVGTCR補(bǔ)償原理電壓源型逆變器可控硅調(diào)節(jié)電抗無功補(bǔ)償能力感性/容性雙向可調(diào)只能提供