電力系統(tǒng)并聯(lián)補償與靜止無功補償器的課件

1、第4章 電力系統(tǒng)并聯(lián)補償與靜止無功補償器 電力系統(tǒng)補償可按接入方式分為并聯(lián)補償、串聯(lián)補償和串并聯(lián)混合補償三種 。其中，并聯(lián)型FACTS控制器是并聯(lián)補償設(shè)備的主要成員。 并聯(lián)補償是在電力系統(tǒng)中接入并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器或靜止補償器，以補償系統(tǒng)的無功功率和維持系統(tǒng)的電壓水平的措施。1各種用電設(shè)備中，除相對很小的白熾燈照明負(fù)荷只消耗有功功率，為數(shù)不多的同步電動機可以發(fā)出一部分無功功率外，大多數(shù)都要消耗無功功率。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)無功功率缺額時，系統(tǒng)各負(fù)荷電壓將下降。而且系統(tǒng)電壓值并不統(tǒng)一，不同地點具有不同的電壓值。電力系統(tǒng)的無功功率電源除發(fā)電機之外，還有電容器、同步調(diào)相機、靜止補償器等。2并聯(lián)補償器的目的

2、增加傳輸功率，改進穩(wěn)態(tài)傳輸特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 重載條件下 采用各種并聯(lián)、固定或機械開關(guān)連接的電抗器減小線路過電壓。 輕載條件下 采用并聯(lián)、固定或機械開關(guān)連接的電容器來維持電壓的幅值。 目的 3一、并聯(lián)補償 1、電力系統(tǒng)并聯(lián)補償?shù)奶攸c： 只需要電網(wǎng)提供一個接入節(jié)點，另一端為大地或懸空的中性點，因此接入電網(wǎng)很方便。 接入方式簡單，不會改變電力系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)；而且通過調(diào)節(jié)并聯(lián)補償輸出，可以在系統(tǒng)正常運行時接入系統(tǒng)，并將接入造成的影響減到最小，甚至可以做到無沖擊投入運行和無沖擊退出運行。 并聯(lián)補償設(shè)備要么只改變系統(tǒng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣的對角線元素，要么可等效為注入電網(wǎng)的電流源，因此并聯(lián)補償?shù)耐度雽﹄娏ο?/p>

3、統(tǒng)的復(fù)雜程度增加不多，便于分析。 4 并聯(lián)補償設(shè)備與所接入點的短路容量相比通常較小，并聯(lián)補償對節(jié)點電壓的補償或控制能力較弱，它主要是通過注入或吸收電流來改變系統(tǒng)中電流的分布。因此，并聯(lián)補償適合于補償電流。 并聯(lián)補償只能控制自身注入的電流，而電流進人電網(wǎng)后如何分布則由系統(tǒng)狀況決定，因此并聯(lián)補償通常能使節(jié)點附近的一定區(qū)域均受益，適合于電力部門采用；而串聯(lián)補償可以針對特定的用戶采用，更適用于特定用戶的補償。基于此，電流源性質(zhì)的裝置比電壓源性質(zhì)的裝置更加適合于并聯(lián)補償。 并聯(lián)補償設(shè)備需要承受全部的節(jié)點電壓，因此并聯(lián)補償設(shè)備的輸出通常受系統(tǒng)電壓的限制。52、并聯(lián)補償在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用并聯(lián)補償在輸電網(wǎng)和配

4、電網(wǎng)中都得到廣泛應(yīng)用。 在輸電網(wǎng)中主要功能是改善潮流可控性、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和傳輸能力； 在配電網(wǎng)中主要功能是提高負(fù)荷電能質(zhì)量和減小負(fù)荷對電網(wǎng)的不利影響（如不對稱性、諧波等）。常見的方式有兩種： 安裝于輸電線路的受電端（負(fù)荷側(cè)）； 在長傳輸線中間增加變電站（即線路分段）并布 置并聯(lián)補償設(shè)備。63 并聯(lián)補償?shù)淖饔?并聯(lián)補償通過向系統(tǒng)中注入電流或改變系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣的對角元素，可以方便地向系統(tǒng)注入或吸收QP進而可以控制電力系統(tǒng)的功率平衡。 向電網(wǎng)提供或從電網(wǎng)吸收無功和或有功功率； 改變電網(wǎng)的阻抗特性； 提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性； 改善電力系統(tǒng)的動態(tài)特性； 維持或控制節(jié)點電壓； 通過控制潮流變化阻尼系統(tǒng)振

5、蕩； 快速可控的并聯(lián)補償可以提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性； 負(fù)荷補償，提高電能質(zhì)量等。7電力系統(tǒng)的動態(tài)性能主要包括以下三項指標(biāo)。 過渡過程時間。對于穩(wěn)定的電力系統(tǒng)，當(dāng)其受到擾動后將從一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡; 某些重要狀態(tài)變量在過渡過程時間ts中的振蕩次數(shù); 一些重要狀態(tài)變量的超調(diào)量。 8電力系統(tǒng)受到干擾后，從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)的過渡過程時間越短，振蕩次數(shù)越小，超調(diào)量越小，則稱電力系統(tǒng)的動態(tài)性能越好。良好的動態(tài)性能對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。電力系統(tǒng)的主要作用是為用戶提供安全可靠和經(jīng)濟優(yōu)質(zhì)的電能，電力系統(tǒng)中任何的過渡過程一般都伴隨著功率的變化。由于所有負(fù)荷均被設(shè)計為在一定的額定電壓下正常工

6、作，所以電壓則通常是用戶所直接關(guān)心的參數(shù)。因此要保證電力系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)就要關(guān)心電力系統(tǒng)中功率的過渡過程和過渡過程中電壓的動態(tài)性能。 9 典型的輸電系統(tǒng)中，系統(tǒng)1（送端）通過輸電線（等效阻抗為 X）送到系統(tǒng) 2（受端）的有功功率為 式中 ，為兩端母線電壓相角差。10 輸電系統(tǒng)的并聯(lián)無功補償可在一定的范圍內(nèi)改變節(jié)點電壓，進而對系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β蔬M行控制。 因此，在電力系統(tǒng)受到擾動的過程中，并聯(lián)補償設(shè)備可以控制節(jié)點電壓和線路功率，從而縮短輸電系統(tǒng)的過渡過程，降低過渡過程中狀態(tài)量的超調(diào)并抑制其振蕩。所以，只要為并聯(lián)補償設(shè)備設(shè)計合適的控制規(guī)律，即可改善電力系統(tǒng)的動態(tài)性能。11輸電線路分段和中點并聯(lián)補償

7、在簡單輸電網(wǎng)傳輸線中間“插入”一個理想并聯(lián)補償裝置，將原傳輸線等分為兩段，如圖（a）所示，不計線路損耗和電容充電效應(yīng)，并設(shè) ，則很容易得到各電壓和電流相量之間的關(guān)系如圖（b）所示，進而推導(dǎo)出線路功率為：12并聯(lián)補償裝置提供的功率為 補償后線路傳輸?shù)挠泄β室约安⒙?lián)補償器需提供的無功功率與送-受端母線電壓相位差（功角）之間的關(guān)系如圖（c）所示?？梢?，采用線路分段和中間并聯(lián)補償后，兩系統(tǒng)之間的傳輸容量大大增加，最大值增加1倍；但前提是“插入”的并聯(lián)補償裝置能提供快速和大量的無功功率以維持分段處母線的電壓。1314并聯(lián)的中點無功補償能夠顯著提高線路傳輸?shù)挠泄β?。并?lián)補償器的最佳位置是傳輸線路的電氣

8、中點，是因為補償前電壓幅值沿著傳輸線先逐漸下降而后上升，在電氣中點處的壓降最小，在該處將線路一分為二，并采用并聯(lián)補償將其壓降完全補償，能最大限度的提高傳輸容量。如果線路被分為不相等的兩段，則較長線段的傳輸功率將決定線路的最大傳輸功率。 15線路長度一定時，分段數(shù)增加一倍，傳輸功率也增加一倍。增加分段的數(shù)量，有利于減少沿線電壓的變化。 分散的并聯(lián)補償器具有實時和沒有限制的無功功率吞吐能力分布式補償須與所在段的電壓基波相位保持同步，并使傳輸電壓維持在規(guī)定的幅值，它不能隨負(fù)載的變化而變化。16X/2ismimrX/2理想補償器（有功功率p=0)d /2d /217jX/4ImsljX/4IlmjX/

9、4ImnjX/4InrUlUsUmidUnUrIslIurIlmImnUsU1UrUsUmidInrImnIlmIslX/4X/4X/4X/418并聯(lián)補償提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)在正常運行條件下遭受擾動之后系統(tǒng)所有母線都持續(xù)的保持可接受的電壓的能力，其核心問題是系統(tǒng)（包括負(fù)荷）的無功功率特性，而并聯(lián)補償能提供穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的無功補償，因此對改善系統(tǒng)的小干擾和暫態(tài)電壓穩(wěn)定性都具有重要作用。并聯(lián)補償可以提高小干擾（或靜態(tài)）電壓穩(wěn)定性。19 分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的輻射型簡單電力系統(tǒng)，無窮大電源 通過線路電抗X向一純阻抗負(fù)載 供電。負(fù)荷吸收的有功功率及負(fù)荷節(jié)點電壓分別為： 當(dāng)負(fù)荷為純電阻，即

10、時，負(fù)荷吸收的有功功率為2021 隨著負(fù)荷阻抗的變化，負(fù)荷吸收的有功功率也發(fā)生變化，當(dāng) 時，負(fù)荷吸收的有功功率最大，為 綜合上面式子有： 取功率因素不同值時，利用上式可以繪制圖4-6所示的負(fù)荷P-V關(guān)系曲線。2223 分析圖4-6可知，電源通過電抗X向負(fù)荷傳輸?shù)挠泄β蚀嬖谧畲笾?。?dāng)電抗X上電壓降落大小等于負(fù)荷電壓大小時，傳輸功率等于最大值。 對于一定的功率因數(shù)，如果負(fù)荷功率小于最大值，則對應(yīng)的阻抗值有兩個。其中一個位于曲線的上半部，是正常運行點；而另一個位于上半部，是不正常的運行點。 如果在負(fù)荷母線處接入并聯(lián)補償，對負(fù)荷的無功功率進行補償，提高負(fù)荷的功率因數(shù)，則可以有效地提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性

11、。由圖4-6b曲線可知，并聯(lián)補償不僅可以提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，還能調(diào)節(jié)負(fù)荷的電壓水平。24并聯(lián)補償裝置位于未補償前的電壓跌落最大處，能調(diào)節(jié)接入點的母線電壓，進而提高線路傳輸容量。在實際應(yīng)用中，根據(jù)多目標(biāo)的控制需要，如提供無功、電壓調(diào)節(jié)、增強系統(tǒng)傳輸容量等，來確定并聯(lián)補償?shù)姆植寂c控制方式。結(jié)論：25并聯(lián)補償提高輸電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性暫態(tài)穩(wěn)定性：是指電力系統(tǒng)受到大擾動后，過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運行方式的能力。針對單機無窮大系統(tǒng)，分析如何通過并聯(lián)補償來提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。發(fā)電機采用二階數(shù)學(xué)模型： 26單機無窮大系統(tǒng)發(fā)生故障（大干擾）的過程可分為三個階段來分析。故障發(fā)生前 系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，

12、發(fā)電機的轉(zhuǎn)速w為1，而發(fā)電機輸出的電磁功率與原動機輸入的機械功率相等，即 。功角特性為 其中27 故障期間在雙回輸電線中一回的首段發(fā)生故障，如下圖。按照正序等效定則，暫態(tài)穩(wěn)定分析中可以僅考慮在線路故障處對地接入一個正序阻抗來等效故障對傳輸功率的影響。相應(yīng)的功角特性為：28故障切除后 由于電力系統(tǒng)裝設(shè)了繼電保護，因此故障發(fā)生一段時間后，繼電保護動作將故障線路切除，如下圖。相應(yīng)功角特性為： 其中，29 采用等面積定則來判斷單機無窮大系統(tǒng)在系統(tǒng)故障后能否保持暫態(tài)穩(wěn)定，其運行特性可用下圖的功角曲線來分析。正常運行時，功角特性為P1，發(fā)電機輸出的電磁功率等于原動機輸入的機械功率，系統(tǒng)運行在a點；發(fā)生故障

13、時，發(fā)電機功角特性變 為P2，由于發(fā)電機輸出的電磁功率 比原動機功率低，因此發(fā)電機轉(zhuǎn)子 加速，功角增大；功角增大到 時，繼電保護動作 切除故障，此時功角特性變?yōu)镻3， 由于發(fā)電機輸出功率大于原動機 功率使得發(fā)電機轉(zhuǎn)子開始減速， 如果功角不超過 ，則發(fā)電機在切除故障后能夠保持暫態(tài)穩(wěn)定。30幾個概念：加速面積、減速面積、最大減速面積根據(jù)等面積定則，當(dāng)最大減速面積大于等于加速面積時，能保證發(fā)電機暫態(tài)穩(wěn)定，否則發(fā)電機將失去穩(wěn)定。如果在故障期間減小發(fā)電機轉(zhuǎn)子的加速面積或在故障切除后增加發(fā)電機轉(zhuǎn)子的減速面積即可提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。 31P29-P44 為電力系統(tǒng)暫態(tài)分析中關(guān)于暫態(tài)穩(wěn)定的內(nèi)容回顧326.4

14、 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性暫態(tài)穩(wěn)定性：指系統(tǒng)受到大擾動后，各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的穩(wěn)定運行方式或恢復(fù)到原來穩(wěn)定運行方式的能力。大擾動：短路故障、切除輸電線路或發(fā)電機組或切除大容量負(fù)荷。33一、暫態(tài)穩(wěn)定分析計算的基本假設(shè)1.電力系統(tǒng)機電暫態(tài)過程特點2.基本假設(shè)(1)忽略發(fā)電機定子電流的非周期分量和與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流的周期分量.(2)發(fā)生不對稱故障時,不計零序和負(fù)序電流對轉(zhuǎn)子運動的影響.(3)忽略暫態(tài)過程中發(fā)電機的附加損耗(4)不考慮頻率變化對系統(tǒng)參數(shù)的影響(4)發(fā)電機采用E恒定的簡化模型(不考慮發(fā)電機調(diào)速器的作用）發(fā)電機電磁功率急劇變化大擾動發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)不平很轉(zhuǎn)矩功角變化34

15、二、簡單電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析1.三種運行情況下的功率特性351.三種運行情況下的功率特性1）正常運行情況361.三種運行情況下的功率特性2）短路情況371.三種運行情況下的功率特性3）短路切除后情況381.三種運行情況下的功率特性一般:XIXIII1，即 時，為使w保持在1，應(yīng)減小w，即使 ，為此必須增加發(fā)電機輸出的電磁功率或減小原動機功率； 當(dāng)w1時向系統(tǒng)注入無功，抬高節(jié)點電壓，增加發(fā)電機輸出的電磁功率；WUm則 a=0和 Usw=UminULUcUswCiUL82下 頁上 頁返 回所有情況下電容的投切只需遵循兩個簡單的原則： 如果電容器的初始電壓低于交流電壓峰值（Uc0ILF(a)IC=

16、ILF(a)IQ=ILF(a) ICILF(a) IC感性容性損耗取消固定電容電流后引起的固定損耗 隨著容性無功輸出電流的增加，則總的損耗將減少。隨著TCR支路感性無功電流的進一步增加，并使它大于容性輸出電流后，則系統(tǒng)總的凈無功輸出變?yōu)楦行詿o功。98下 頁上 頁返 回 晶閘管投切電容器與晶閘管控制電抗器 組成的無功發(fā)生器 晶閘管投切電容器與晶閘管控制電抗器所組成的合成補償器，用于電力傳輸系統(tǒng)的暫態(tài)補償，降低待機損耗，增加系統(tǒng)運行的靈活性。 在給定的容性輸出范圍內(nèi)，由n個TSC支路和一個TCR組成。 UiC3iQiL(a)SW3SW2SW1SW4iC2iC1Q=UIL1(a)-IC

17、n99下 頁上 頁返 回UiC3iQiL(a)SW3SW2SW1SW4iC2iC1在給定的容性輸出范圍內(nèi)，支路數(shù)根據(jù)實際情況決定，它應(yīng)考慮運行電壓等級、最大無功輸出、晶閘管開關(guān)閥的電流額定值、母線工作和安裝成本等。 在感性無功輸出范圍內(nèi)，也要根據(jù)所允許的最大感性無功輸出需求，適當(dāng)考慮增加TCR的支路數(shù)。 100下 頁上 頁返 回UiC3iQiL(a)SW3SW2SW1SW4iC2iC1在第一區(qū)間，無功發(fā)生器的輸出從零到QCmax/n范圍可控 。在該區(qū)間只有一組電容器投入運行。在第2和第n個無功補償區(qū)間，容性無功輸出可在QCmax/n到 2QCmax/n 、和(n1)QCmax/n到QCmax的

18、范圍內(nèi)可控，通過控制TCR的控制角a抵消少許富余的容性無功。 101下 頁上 頁返 回 為了將電容器組在一個交流電壓周期中投入到電網(wǎng)，或從電網(wǎng)中切除，應(yīng)使無功發(fā)生器總輸出無功中的最大容性富余容量限制在一個電容器組的容量之內(nèi)，理論上，TCR的額定無功容量應(yīng)與TSC的容量相當(dāng)。然而，為了確保在各區(qū)間邊界無功切換的平滑進行，TCR的實際額定容量應(yīng)比TSC的額定容量略大一點，這樣就可保證TSC的“切入”和“切出”之間的交界區(qū)域具有足夠的重疊余量。102下 頁上 頁返 回QCQQLQQCdemandQLdemandC3“進”C3“出”C3“進”C3“出”C3“進”C3“出”TSC的容性無功輸出Qc是以階

19、躍變化方式變化的，使它的無功輸出接近系統(tǒng)所需的無功容量，但略有一定的富余，可用相對較小容量的TCR輸出感性無功QL 抵銷富余的容性無功。 103下 頁上 頁返 回TCR觸發(fā)延時角控制TSC1通/斷控制TSC1TSC2“通”要求 TSCn“通”要求 電容和電抗的電流計算IqrefIe1L1L/2L/2C1TCRUiL(a)i0 TSC+TCR靜止無功發(fā)生器的功能控制原理104下 頁上 頁返 回確定需要投入TSC支路的數(shù)量，使補償電流近似等于所需的容性輸出電流，但應(yīng)保留一定的富余，然后再計算感性電流幅值，使之能夠抵消富余的容性電流。根據(jù)“無瞬變”過渡過程的原理，投入相應(yīng)的TSC支路。計算上述感性電

20、流所對應(yīng)的控制角a，并在該控制角下控制TCR支路的運行。TSC+TCR靜止無功發(fā)生器控制應(yīng)具備的 功能： 105下 頁上 頁返 回TCR觸發(fā)延時角控制TSC1通/斷控制TSC1TSC2“通”要求 TSCn“通”要求 電容和電抗的電流計算IqrefIe1L1L/2L/2C1TCRUiL(a)i0所有已投入電容支路的電流總合與參考輸入電流的幅值之差，即TCR支路需要輸出的基波電流幅值。 106下 頁上 頁返 回 根據(jù)“無瞬變”過渡過程的原理，投入相應(yīng)的TSC支路應(yīng)滿足圖中所示的無瞬變投切的兩個簡單原則。即要么晶閘管開關(guān)閥電壓為零，要么晶閘管開關(guān)閥電壓為最小值時投切電容器組。 UuuCtUuuCt1

21、07下 頁上 頁返 回UCCUSW與與或LC開關(guān)閥電壓和電容電壓極性測量觸發(fā)脈沖發(fā)生器TSC導(dǎo)通的條件：“導(dǎo)通”1&USW=1 或“導(dǎo)通”1&PT=1&Upol=1當(dāng)UC=u 時，USW=1當(dāng)u=Uc 時，PT=1當(dāng)u與UC的符號相同時，Upol=1“導(dǎo)通”要求PT（同步）UUpelUSW TSC無瞬變切換方法的邏輯執(zhí)行功能108下 頁上 頁返 回 TSC+TCR組合型無功發(fā)生器對TCR觸發(fā)控制角a的控制，它與上圖所示的FC+TCR組合型無功補償器的控制相同。 UCiCiQRef(BRef)iFLiL(a)iC同步定時電路變流器電流延時角iL(a)=KF(a)觸發(fā)脈沖發(fā)生器109下 頁上 頁返

22、 回i=ic+iLiciLiqref所需無功功率（由滯后到超前）三個電容器組成的TSC+TCR組合型無功發(fā)生器的運行波形110下 頁上 頁返 回UICILUCmaxULmaxICmaxILmaxBCBLmax0BCmax=2BC 兩個TSC組成的TSC+TCR組合型無功發(fā)生器的UI特性 采用兩個或更多的TSC支路進行無功補償時，在需要增加容性輸出時，所涉及到的一個或多個電容器組的初始電壓在投切的瞬間都會滿足所希望的極性和幅值要求。111下 頁上 頁返 回TSC+TCR組合型無功發(fā)生器傳遞函數(shù)與FC+TCR相同,可用下式表示 : 當(dāng)需要增加容性輸出時，它的最大傳輸延時Td為FC+TCR的兩倍，即

23、在單相運行時，傳輸延時Td為1/f=T，在三相平衡運行時為1/(3f)=T/3。 112下 頁上 頁返 回TSC+TCR組合型無功發(fā)生器的損耗和無功輸出之間的特性與它的具體運行情況有關(guān)。 UiC3iQiL(a)SW3SW2SW1SW4iC2iC1QCQQLQQCdemandQLdemandC3“進”C3“出”C3“進”C3“出”C3“進”C3“出”113下 頁上 頁返 回隨著容性輸出增加，更多的TSC支路投入運行，每投進一組TSC，損耗增加一個固定值。 iC1iC2iC3iQSW3SW2SW1SWLUiL(a)IQ=ILF(a)=ICnnIQ=ILF(a)容性感性C2C1C3損耗 固定損耗與T

24、CR的損耗之和為TSC+TCR組合型無功發(fā)生器總的損耗。 TSC+TCR組合型無功發(fā)生器總的損耗與它的無功輸出成正比。 114下 頁上 頁返 回4.2.2 開關(guān)型無功發(fā)生器 靜止同步發(fā)生器 有合適的電源，能像機械式交流電機一樣與交流系統(tǒng)交換有功功率。沒有旋轉(zhuǎn)部分的補償裝置。同步補償器(靜止同步調(diào)相機) 沒有外部能量支撐的補償裝置類似于旋轉(zhuǎn)的同步補償器或調(diào)相機。115下 頁上 頁返 回變流器（DCAC變流器 ） 利用各種直流交流產(chǎn)生可控?zé)o功的開關(guān)變流器 。整流器（周波換流器 ） 利用各種交流直流產(chǎn)生可控?zé)o功的開關(guān)變流器 。變流器功能將直流功率轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞴β省?116下 頁上 頁返 回功率變流器是

25、由一組固態(tài)開關(guān)所組成，它們將輸入與輸出端連接在一起。變流器的瞬時輸入功率等于瞬時輸出功率。如果變流器的輸入端是能夠發(fā)出有功功率的電壓源或是無源電壓源，則它的輸出端必須與電流源相連接。如果變流器的輸入端接的是電流源，則輸出端應(yīng)與電壓源相連。117下 頁上 頁返 回電壓型變流器與電流型變流器的區(qū)別電流型變流器需要雙向電壓阻斷性能的功率半導(dǎo)體器件。電流型變流器中的電抗器所產(chǎn)生的損耗要比由電壓型變流器中電容產(chǎn)生的損耗大得多。電流型變流器在它的交流輸出端子上與電壓型器件相連，一般用容性濾波器來代替。電壓型變流器在它的交流輸出端子上與電流型器件相連。 118下 頁上 頁返 回 基本工作原理

26、同步補償器的無功輸出電流由系統(tǒng)電壓、補償器內(nèi)電勢、同步電機的電抗加上變壓器漏抗和系統(tǒng)短路阻抗所合成的總回路電抗來決定。 系統(tǒng)母線耦合變壓器電機同步電抗加變壓器漏感勵磁EXUI119下 頁上 頁返 回相應(yīng)的無功功率為：通過控制同步旋轉(zhuǎn)電機的勵磁，控制與系統(tǒng)電壓平衡的電機自感電勢的幅值，控制無功功率的輸出。 系統(tǒng)母線耦合變壓器電機同步電抗加變壓器漏感勵磁EXUI120下 頁上 頁返 回同步調(diào)相機具有旋轉(zhuǎn)無功發(fā)生器特征的同步電機。 改變變流器輸出電壓的幅值，就可以控制變流器與交流系統(tǒng)之間無功功率的交換。 系統(tǒng)母線耦合變壓器XU+UdcCSDC-AC開關(guān)變流器U0I121下 頁上 頁返 回開關(guān)型無功功

27、率發(fā)生器的基本變流器結(jié)構(gòu)UdcUoaUdcUocUobUoaUdcUocUobUoaUdcC/2C/2122下 頁上 頁返 回48脈沖變流器輸出無功功率時的典型輸出電壓和電流波形10-1p.u0641081412ms16輸出電流218輸出電壓線電壓fh=48n1Uh=U1/(48n1)20123下 頁上 頁返 回由充電電容支撐的直流電源所提供的有功輸入功率為零，交流側(cè)得到的瞬時有功功率之和也為零,直流電容器輸出的無功功率也應(yīng)為零。直流儲能電容需根據(jù)上述要求進行控制，使變流器與系統(tǒng)之間的瞬時輸入/輸出功率始終保持相等。為了保證瞬時輸入和輸出功率的相等，在直流電容端電壓恒定的情況下，變流器必須能夠

28、從直流儲能電容中汲取對應(yīng)的波動電流(紋波電流)。 124下 頁上 頁返 回輸入電流中的紋波分量完全是由于輸出電壓的波動分量所造成的，它與構(gòu)成輸出電壓波形所使用的不同控制方式有關(guān)。 理想的電壓型變流器所構(gòu)成的靜止無功發(fā)生器能夠輸出正弦電壓，并能從交流系統(tǒng)吸收正弦無功電流，且直流電容提供的輸入電流可以為零。實際應(yīng)用中，直流電容中的儲能會由于變流器半導(dǎo)體開關(guān)切換的內(nèi)部損耗而耗盡。 125下 頁上 頁返 回變流器從交流系統(tǒng)吸收少量的有功功率，彌補內(nèi)部的損耗，使電容電壓維持在希望的電壓等級。相角調(diào)節(jié)器可通過增加或減少電容電壓來控制無功的產(chǎn)生與吸收，控制變流器輸出的電壓幅值。變流器輸出電壓和交流系統(tǒng)電壓間

29、的幅值之差可決定無功電流的大小和方向，確定變流器輸出或吸收的無功大小。 126下 頁上 頁返 回?zé)o論變流器是否工作在理想狀態(tài)，在無功輸出的暫態(tài)變化中，直流電容能夠在系統(tǒng)的輸入和輸出之間建立必要的能量平衡。變流器就可以控制它與交流系統(tǒng)之間有功和無功功率的交換，這種變流器就具有靜止同步發(fā)生器的功能。變流器控制有功和無功功率交換有效地用于功率振蕩的阻尼、降低功率需求的峰值，為關(guān)鍵負(fù)載提供不間斷的電源。 127下 頁上 頁返 回 基本控制方法 靜止變流器或無功發(fā)生器的觸發(fā)命令是由變流器內(nèi)部產(chǎn)生，該功能是無功發(fā)生器一部分，它根據(jù)無功和/或有功參考信號的要求輸出相應(yīng)的控制信號。這個參考信號可

30、以是操作人員下達的指令、系統(tǒng)參數(shù)形成的控制規(guī)律，或是外部輸入的控制信號，所有這些就可決定STATCOM的運行功能。128下 頁上 頁返 回 內(nèi)部控制是變流器整體的一部分，它的主要功能是按給定的幅值和相角控制變流器開關(guān)的動作，并產(chǎn)生與交流系統(tǒng)同步的基波輸出電壓。這種由內(nèi)部控制的功率變流器可以看作是內(nèi)阻抗為耦合變壓器漏電抗的正弦同步電壓源，而該電壓源的幅值和相角則由STATCOM系統(tǒng)適當(dāng)?shù)耐獠繀⒖驾斎胄盘杹砜刂啤?129下 頁上 頁返 回內(nèi)部控制器的主要功能是控制變流器的功率開關(guān)，以產(chǎn)生同步輸出的電壓波形，并完成補償所要求的無功（有功）功率的交換。 輸出電壓幅值和相角計算變流器門極觸發(fā)模式發(fā)生器能

31、量儲存aU0PTIQRefIPRefu: (U 0)偶合變壓器變流器輸出的電壓幅值和相角由內(nèi)部參數(shù)決定，這些參數(shù)能控制變流器輸出/輸入的無功電流，即能控制變流器與系統(tǒng)之間交換的有功和無功功率。靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM130下 頁上 頁返 回Uo(+a)Uo(-a)UoF(+a)=U(+ a)sinwt(u+ u)dc(u- u)dcUdc極小wt0UoF(-a)=U(+ a)sinwtwtwtwtUm sinwtq*q0q=q+q*-a+aU0兩電平變流器 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOMCu0: (U0 (a) 0)i0Udcidc=f(a)udc= idcdt1C131下

32、頁上 頁返 回uUsinwt0wtwtwt000tqqawtuomaxuo(0aX時，斜率就會增加，UT /U 1，此時端電壓將無法進行調(diào)節(jié)。 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM153下 頁上 頁返 回系統(tǒng)阻抗是反饋控制的一個主要部分，控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間由系統(tǒng)阻抗所決定的，因而也能決定控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)在所希望的最大系統(tǒng)阻抗（即最小的短路容量）下進行優(yōu)化。 式表明：靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM154下 頁上 頁返 回e-j0.0004ssjw=j2pfConve-j0.00277sTSCTCRe-j0.00277s0-90-180-270110fHZ1001000角度e -T

33、ds(s=j) 項隨頻率變化的相角特性，TSC的Td值為4.44ms，TCR的Td值為2.77ms，變流器的Td值為0.4ms。 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM155下 頁上 頁返 回URUG1G2X=X/k1+T1Se-TdSH = 11+T2S假設(shè):Xmin=4.761Xmax=9.422k=0.846SVC類的TSC和TCR: TdTSC=4.44ms，變流器的STATCOM: Tdconv=0.4ms，T2=4ms，由此可得：靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM156下 頁上 頁返 回40200-20-4020logGHXf=0=20logX/SLP=14dB20logGHX11

34、01001000fHz增益dB0-90-180-2701101001000fHzL11+0.014sL11+0.004sL(e-j0.0004s)sjw=j2pf角度補償類型：STATCOM (a) 系統(tǒng)：強（X=4.761),T1=0.014sL(GH)=L(G1G2H)低阻抗對應(yīng)的強系統(tǒng)下STATCOM的增益和相角頻率特性 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM157下 頁上 頁返 回40200-20-4020logGHXf=0=20logX/SLP=20dB20logGHX1101001000fHz增益dB0-90-180-2701101001000fHzL11+0.014sL11+0.0

35、04sL(e-j0.0004s)sjw=j2pf角度補償類型：STATCOM (b) 系統(tǒng)：弱（X=9.422),T1=0.014sL(GH)=L(G1G2H)高阻抗對應(yīng)的弱系統(tǒng)下STATCOM的增益和相角頻率特性靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM158下 頁上 頁返 回40200-20-4020logGHXf=0=20logX/SLP=14dB20logGHX1101001000fHz增益dB0-90-180-2701101001000fHzL11+0.004sL11+0.034sL(GH)=L(G1G2H)L(e-j0.00444s)sjw=j2pf角度補償類型：SVC(TSC/TCR)

36、 (a) 系統(tǒng)：強（X=4.761),T1=0.034s低阻抗時的強系統(tǒng)下SVC的增益和角頻率特性 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM159下 頁上 頁返 回40200-20-4020logGHXf=0=20logX/SLP=20dB20logGHX1101001000fHz增益dB0-90-180-2701101001000fHzL11+0.004sL11+0.034sL(GH)=L(G1G2H)L(e-j0.00444s)sjw=j2pf角度補償類型：SVC(TSC/TCR) (b) 系統(tǒng)：弱（X=9.422),T1=0.034s高阻抗時的弱系統(tǒng)下SVC的增益和角頻率 靜止并聯(lián)補償器SV

37、C和STATCOM160下 頁上 頁返 回4.3.3 暫態(tài)穩(wěn)定性的增強和功率振蕩的阻尼 暫態(tài)穩(wěn)定性的增強 暫態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)受到大的擾動后能夠恢復(fù)到穩(wěn)定運行的能力。 在給定功率等級和故障清除時間下，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性主要取決于后故障系統(tǒng)的功角P 特性。故障清除后通過維持傳輸電壓和控制終端電壓來加強系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM161下 頁上 頁返 回X/2X/2靜止補償UsUrUmP2.01.0PMUm=UUmUA2A2SVCSTATCOMP(p.u)d0pdcrit 與 Um= 恒定didcrit 與 Ic= 最大無補償通過SVC和STATCOM瞬時增

38、加中點傳輸電壓以提高暫態(tài)穩(wěn)定性 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM162下 頁上 頁返 回靜止無功發(fā)生器電壓測量調(diào)理電路PI控制器理想調(diào)節(jié)器UT=URef ,UT=0UT輔助輸入直接輸入URefUTURCi0Z(w,t)UTU,dIqRefPE=0電力系統(tǒng)URefPM為了實現(xiàn)圖中控制方案、增強系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，可將信號DU與固定基準(zhǔn)電壓信號URef相加。靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM163下 頁上 頁返 回在主要擾動的第一個振蕩周期內(nèi)增加基準(zhǔn)電壓提高暫態(tài)穩(wěn)定性 靜止無功發(fā)生器電壓測量調(diào)理電路PI控制器理想調(diào)節(jié)器UT=URef , UT=0URef=URef+UUT故障恢復(fù)和功率擺動的系

39、統(tǒng)參數(shù)URefUT+UTi0Z(w,t)IqRefURefUUiUT+UT(t),fT+ fT(T)fPIU測量處理執(zhí)行電路電力系統(tǒng)靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM164下 頁上 頁返 回 功率振蕩的阻尼 靜止無功發(fā)生器電壓測量調(diào)理電路PI控制器理想調(diào)節(jié)器UT=URef , UT=0URef=URef+Kd(d)/dtUT功率潮流或頻率變化測量電路URefUT+UTi0Z(w,t)IqRef電力系統(tǒng)UReffT d(d)/dtUiUT+UT(t),fT+ fT(T)UPEdtd(d)/dt 在功率振蕩時能夠提供端電壓的調(diào)節(jié) 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM165下 頁上

40、頁返 回靜止無功發(fā)生器電壓測量調(diào)理電路PI控制器理想調(diào)節(jié)器UT=URef , UT=0URef=URef+Kd(d)/dtUT功率潮流或頻率變化測量電路URefUT+UTi0Z(w,t)IqRef電力系統(tǒng)UReffT d(d)/dtUiUT+UT(t),fT+ fT(T)UPEdtd(d)/dt 根據(jù)頻率或潮流變化調(diào)節(jié)靜止無功發(fā)生器的基準(zhǔn)電流以消除功率振蕩的方法之一靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM166下 頁上 頁返 回4.3.4 無功運行點的控制 補償器控制的目的將補償器的無功輸出限制在給定的參考值附近，使它能快速改變它的輸出以消除瞬時擾動。 采用自動控制實現(xiàn)靜止無功補償器具有處理暫態(tài)系

41、統(tǒng)運行的能力，它能調(diào)節(jié)補償器的工作點以維持它預(yù)先確定的無功儲備。靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM167下 頁上 頁返 回靜止無功發(fā)生器電壓測量調(diào)理電路PI控制器理想調(diào)節(jié)器UT=URef ,UT=0URef=URefkIQdtUTURefUT+UTi0Z(w,t)URefUUiUT+UT(t)電流測量調(diào)理電路緩慢偏差積分器kIQdtIQIQIQIQ*電力系統(tǒng) 無功儲備控制方案靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM168下 頁上 頁返 回213UTUSVCSTATCOM系統(tǒng)UT - IQICIQ*0IL快慢補償器運行在UI曲線的工作點“1”，若系統(tǒng)出現(xiàn)擾動，使端電壓幅值產(chǎn)生了DUT的負(fù)突變，使輸

42、出電流由穩(wěn)態(tài)值IQ*增加到Ic2，并使補償器在UI曲線的工作點“2”上運行。靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM169下 頁上 頁返 回在無功儲備控制回路中便產(chǎn)生偏差信號IQ經(jīng)過緩慢積分后，使電壓調(diào)節(jié)器的參考信號發(fā)生變化，迫使補償器緩慢減小它的輸出電流。最終，補償器在UI曲線新的穩(wěn)定點“3”運行。213UTUSVCSTATCOM系統(tǒng)UT - IQICIQ*0IL快慢靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM170下 頁上 頁返 回4.3.4 補償器控制總結(jié) 靜止無功發(fā)生器電壓測量調(diào)理電路PI控制器UT功率諧振阻尼URefUTi0Z(w,t)UT+UT(t),fT+fT(t)U,dIQRef過電壓限制

43、PMi電壓校準(zhǔn)循環(huán)U/IQ偏差特征VAR存儲瞬時穩(wěn)定增強I0UTI0TfpfTpUwM+wM(t)電力系統(tǒng)SSR阻尼UTwM(t)(fT(t)自動輸入URef靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM171下 頁上 頁返 回USVG電力電路接口接口SVG內(nèi)部控制補償器內(nèi)部控制控制面板和CRT監(jiān)控管理控制和狀態(tài)監(jiān)控實時控制系統(tǒng)變量的測量光介質(zhì)連接輔助設(shè)備和系統(tǒng)狀態(tài)輸入SCADA 靜止補償器運行控制的主要功能模塊 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM172下 頁上 頁返 回補償器控制系統(tǒng)應(yīng)包含： 各種開關(guān)型變流器、TSC和TCR構(gòu)成的補償器應(yīng)具有大容量的高電壓開關(guān)閥、無功發(fā)生器內(nèi)部操作所要求的高精度實時

44、控制、以及系統(tǒng)所需要的補償功能之間的接口。系統(tǒng)和設(shè)備中各有關(guān)變量的測量和調(diào)理電路。與補償器各部分相連的監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM173下 頁上 頁返 回具有圖形顯示的CRT用戶接口，應(yīng)是能與所有監(jiān)視器、鍵盤和數(shù)據(jù)錄入的定點接口適配的單機電腦。該電腦一般與狀態(tài)處理器串行連接，具有合適的圖形顯示器和控制軟件。通過界面能得到大量的信息，并能以圖像和數(shù)字的形式進行操作、診斷和維護。 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM174下 頁上 頁返 回4.4 STATCOM和SVC的比較 4.4.1 UI和UQ特性 0.3UT瞬時額定1.00.

45、40.4ICILIcmaxILmax瞬時額定(t1秒)0.3UT1.00.4QCQLQcmaxQLmax瞬時額定(t1秒)瞬時額定容性感性 STATCOM的UI特性 STATCOM的UQ特性 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM175下 頁上 頁返 回0.3UT瞬時額定1.00.40.4ICILIcmaxILmax瞬時額定(t1秒)0.3UT1.00.4QCQLQcmaxQLmax瞬時額定(t1秒)瞬時額定容性感性 STATCOM的最大容性或感性輸出電流可以不依賴交流系統(tǒng)電壓，它輸

46、出或吸收的最大無功容量會隨著交流系統(tǒng)電壓的改變而線性變化。靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM176下 頁上 頁返 回0.3UT1.00.4ICILIcmaxILmax瞬時額定(t1秒)UT1.00QCQLQcmaxQLmax瞬時額定(t1秒)容性感性 SVC的UI特性 SVC的UQ特性 SVC最大補償電流隨交流電壓的降低而線性減少，它的最大無功輸出則與該電壓的平方成正比。靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM177下 頁上 頁返 回4.4.2 暫態(tài)穩(wěn)定性 000.421.4p1p/22.4P/P0X/2X/2SATACO

47、MIcmax3Icmax2Icmax1dUS=U d/2Ur=U -d/2 STATCOM在系統(tǒng)電壓很低時能夠保持輸出全部容性電流的能力，使得它在改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性方面比SVC更加有效，特別是對第一振蕩周期所發(fā)揮的穩(wěn)定作用。 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM178下 頁上 頁返 回000.421.4p1p/22.4P/P0X/2X/2dUS=U d/2Ur=U -d/2Bcmax3Bcmax2Bcmax1在達到最大容性輸出電流ICmax之前，STATCOM相當(dāng)于理想中點并聯(lián)補償器的運行 。 000.421.4p1p/22.4P/P0X/2X/2SATACOMIcmax3Icmax2Icm

48、ax1dUS=U d/2Ur=U -d/2靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM179下 頁上 頁返 回X/2ismimrX/2理想補償器（有功功率p=0)d /2d /22PmaxP,QPmax0ppd帶理想中點無功補償器的兩機模式 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM180下 頁上 頁返 回000.421.4p1p/22.4P/P0X/2X/2dUS=U d/2Ur=U -d/2Bcmax3Bcmax2Bcmax1dCd1 用STATCOM提供并聯(lián)補償比SVC實現(xiàn)的并聯(lián)補償能傳輸更多的功率。 000.421.4p1p/22.4P/P0X/2X/2SATACOMIcmax3Icmax2Icma

49、x1dUS=U d/2Ur=U -d/2d1dC余量P1/P0靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM181下 頁上 頁返 回4.4.3 響應(yīng)時間 STATCOM傳遞函數(shù)G2中的時間常數(shù)比SVC的時間常數(shù)小一個數(shù)量級，這個時間常數(shù)反映了電能控制中“傳輸滯后”的內(nèi)在特性。STATCOM和SVC兩種補償器的閉環(huán)電壓控制特性均可由下式表示靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM182下 頁上 頁返 回4.4.4 交換有功功率的能力STATCOM可以通過適當(dāng)?shù)膬δ芙涌谂c交流系統(tǒng)交換有功功率 。STATCOM和交流系統(tǒng)間的無功和有功功率交換可以獨立進行控制，也可與任何有功功率和無功功率的產(chǎn)生與吸收設(shè)備組合起來一

50、起使用。 使用耗能設(shè)備代替昂貴的儲能設(shè)備只要通過STATCOM就可從交流系統(tǒng)吸收功率。 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM183下 頁上 頁返 回4.4.4 不平衡交流系統(tǒng)的運行 SVC對每相建立一個相同并聯(lián)導(dǎo)納的控制, 在不平衡系統(tǒng)電壓的作用下通過調(diào)節(jié)TCR的控制角，對三個導(dǎo)納分別進行獨立地控制，使補償后的三個系統(tǒng)電流達到相等。在不平衡系統(tǒng)條件下,STATCOM要求電壓型變流器交流側(cè)和直流側(cè)的瞬時功率在任何時刻都相等,變流器交直流端的凈瞬時功率必須相等。靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM184下 頁上 頁返 回0000000UabUcbUdciaibicIQ故障期間，變流器內(nèi)部所產(chǎn)生的負(fù)序電壓平衡了交流系統(tǒng)中大部分的負(fù)序電壓分量，使故障期間的系統(tǒng)得到實質(zhì)上的平衡。 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM185下 頁上 頁返 回0000000UabUcbUdciaibicIQ故障期間，STATCOM提供了2.0 p.u.的容性補償電流，即達到了它的最大輸出容量，但同時也造成了相當(dāng)程度的三次諧波畸變。 靜止并聯(lián)補償器SVC和STATCOM186下 頁上 頁返 回0000000UabUcbUdci