电力电子技术在高压领域应用概况(二)

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一、静止型动态无功补偿装置SVC

　　1，当前电网存在的问题

　　随着现代电力电子设备和非线性负荷的大量应用,使电网供电质量受到严重影响,尤其是各种电力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是最主要的干扰源,对电网的稳定造成一系列不良影响:

　　⑴ 功率因数低，增加电网损耗，降低效率，降低输电系统的稳定性;

　　⑵ 产生的无功冲击引起电网电压降低，电压波动及闪变，甚至电压崩溃。严重时导致传动

　　装置及保护装置无法正常工作甚至停产;

　　⑶ 导致电网三相不平衡，产生负序电流使电机转子发生振动;

　　⑷ 电容器组谐振及谐波电流放大，使电容过负荷或过电压，甚至烧毁;

　　⑸ 增加变压器损耗，引起变压器发热;

　　⑹ 导致电力设备发热，电机力矩不稳甚至损坏;

　　⑺ 加速电力设备绝缘老化，易击穿;

　　2，静止型动态无功补偿装置SVC结构与功能

　　针对上述问题，世界各国目前普遍采用TCR型静止型动态无功补偿装置SVC，用以消除无功冲击，滤除高次谐波，平衡三相电网。

　　SVC(Static Var Compensator)由晶闸管控制电抗器(TCR)和无源滤波器(FC)构成，是一种并联连接于电网当中，根据负荷的工作状态快速、自动调节系统无功功率的补偿装置。主要功能是提高输电线路供电稳定性，抑制电压波动、闪变，滤除高次谐波，改善功率因数、改善三相不平衡。

　　如图1所示，无源滤波器FC装置和TCR装置并联接入电力系统中。FC滤波器组主要由电力电容器、串联电抗器、放电线圈、避雷器、刀闸、电流互感器、断路器等主要一次元件组成。根据不同的负载情况设计成若干条LC滤波器。其中串联电抗器与电容器串联谐振于特定谐波频率，对特定谐波呈现低阻，实现谐波滤除功能。同时，对50Hz工频呈现容性，在SVC系统中提供容性无功。TCR支路主要由相控电抗器、穿墙套管、避雷器、晶闸管阀组、刀闸、断路器、线电流互感器、相电流互感器等主要一次元件组成。TCR采用三角形接线，其中每相电抗器分裂成两个，分别位于阀组两侧，可减小相控电抗器短路时的短路电流。晶闸管阀组可受控改变流过相控电抗器的电流，实现调节TCR电流的作用。晶闸管阀组作为TCR的核心部件，其快速开断能力是实现快速动态调节无功的基础。在所有一次设备中，其结构也最为复杂，是TCR核心技术之一。晶闸管阀组由晶闸管元件、晶闸管电子板等组成。晶闸管电子板也被称为TE板，实现电光电触发方式。SVC控制系统与阀组的联结采用光纤方式，可有效隔离高低电位，减少阀组对控制系统产生的传导性干扰。

　　TCR装置跟随负载的变化快速调整与相控电抗器连接的晶闸管导通角，通过改变晶闸管导通角的大小使相控电抗器输出大小可调的感性无功功率，来维持或控制功率因数为1或其它设定值。

　　控制原理公式表述如下：

　　负载所需的无功功率+TCR提供的无功功率—FC提供的无功功率=0(设定常数)。

　　二、高压大功率静止无功发生器SVG

　　作为无功补偿领域的另一重要分支，SVG是当前世界上最先进也是最复杂的补偿技术产品，在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减少占地面积等多方面具有更加优越的性能。由于区域电网的容量越来越大，这就要求补偿装置的容量也相应增大。在几百MVA级的无功补偿系统中，常用的方案是将SVG与SVC相结合，充分发挥SVG的快速特性和SVC的稳态性能，使系统在补偿特性、造价、可靠性等方面达到最优。

　　1，SVG (STATC OM)原理

　　SVG是当今无功补偿领域最新技术的代表。SVG并联于电网中，相当于一个可变的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿系统所需无功功率。由于SVG的响应速度极快，所以又称为静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, 简称STATCOM)。

　　SVG的基本原理(见图2)是利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT)组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

　　2，SVG的功能

　　目前最理想的方案就是采用SVG，用以提高电网稳定性，增加输电能力，消除无功冲击，滤除谐波，平衡三相电网。

　　⑴ 提高线路输电稳定性

　　在长距离输电线路上安装SVG装置，不但可以在正常运行状态下补偿线路的无功损耗，抬高线路电压，提高有效输电容量，而且可以在系统故障情况下提供及时的无功调节，阻尼系统振荡，提高输电系统稳定性。

　　⑵ 维持受电端电压，加强系统电压稳定性

　　对于负荷中心而言，由于负载容量大，又没有大型的无功电源支撑，因此容易造成电网电压偏低甚至发生电压崩溃的稳定事故。而SVG具有快速的无功功率调节能力，可以维持负荷侧电压，提高负荷侧供电系统的电压稳定性。

　　⑶ 补偿系统无功功率，提高功率因数，降低线损，节能降耗

　　电力系统中的大量负荷，如异步电动机、电弧炉、轧机以及大容量的整流设备等，在运行中需要大量的无功;同时，输配电网络中的变压器、线路阻抗等也会产生一定的无功，导致系统功率因数降低。

　　对电力系统而言，负荷的低功率因数会增加供电线路的能量损耗和电压降落，降低了电压质量。同时，无功也会导致发电、输电、供电设备的利用率降低;对于电力用户而言，低功率因数会增加电费支出，加大生产成本。

　　⑷ 抑制电压波动和闪变

　　电压波动和闪变主要是负荷的急剧变化引起的。负荷的急剧变化会导致负荷电流产生对应的剧烈波动，剧烈波动的电流使系统电压损耗快速变化，从而引起受电端电网电压闪变。引起电压闪变的典型负荷有电弧炉、轧钢机、电力机车等。

　　SVG能够快速地提供变化的无功电流，以补偿负荷变化引起的电压波动和闪变现象。

　　目前，抑制电压波动和闪变的最佳方案是采用SVG。

　　⑸ 抑制三相不平衡

　　配电网中存在着大量的三相不平衡负载，典型的如电力机车牵引负荷和交流电弧炉等。同时，线路、变压器等输配电设备三相阻抗的不平衡也会导致电压不平衡问题的产生。

　　SVG能够快速地补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供用电的电能质量。

　　⑹ 面向电网应用多种补偿功能

　　抑制系统振荡，提高电网稳定性，为电网安全保驾护航。

　　由于区域电网的容量越来越大，这就要求补偿装置的容量也相应增大。在几百MVA级的无功补偿系统中，常用的方案是将SVG与SVC相结合，充分发挥SVG的快速特性和SVC的稳态性能，使系统在补偿特性、造价、可靠性等方面达到最优。

　　3，SVG-优势

　　SVG是目前最为先进的无功补偿技术，基于电压源型变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。从技术上讲，SVG较传统的无功补偿装置有如下优势：

　　⑴ 响应速度更快

　　SVG响应时间：≤5ms。

　　传统静补装置响应时间： ≥10ms。

　　SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。

　　⑵ 电压闪变抑制能力更强

　　SVC对电压闪变的抑制最大可达2：1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5：1，甚至更高。SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。而SVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑　制电压闪变的能力。

　　⑶ 运行范围更宽

　　SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽很多。更重要的是，在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。