电力系统无功补偿技术发展现状.pdf

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1、&Information communications信 息 通 信48摘 要：本文阐述了电网中进行无功功率补偿的重要性，概述了国内外无功补偿技术的研究现状，重点介绍SVC装置发展应用情况，提出了基于可变电抗的静止无功补偿装置的拓扑结构，该结构可实现功率的无级调节，在实际应用中可提高配电网的运行效率，降低系统损耗，亦可用于调压、调功控制及谐波治理等场合。关键词：静止无功补偿技术；SVC；可变电抗中图分类号：TP 303.1 文献标识码：A文章编号：1673-1131(2011)01-048-04在现代电力系统中，面临着如何最大限度地发挥输电线路的设计容量以及提高系统运行稳定性这两大问题；而随着

2、电力电子技术的发展，非线性负载的冲击性和不平衡性使电网的无功损耗增加以及受电端电压下降，大量的无功功率在电网中的传输使电能利用率大大降低且严重影响供电质量。我国电网建设和运行中，无功补偿容量不足和配备不合理是长期存在的一个问题，特别是可调快速响应的无功补偿容量严重不足，快速响应的无功调节设备更少1。以上问电力系统无功补偿 技术发展现状牛轶男 冯 婷 汪 扬 李成波/武汉理工大学自动化学院（湖北 武汉 430070）Review on the reactive power compensation of power systemNIU Yi-nan,FENG Ting,WANG Yang,LI

3、Cheng-bo(School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)Abstract:In this paper,the importance of compensating reactive power in power system was discussed,and it also introduced the present research status of reactive compensation technology in China and abroad,especially foc

4、uses on the development and application of SVC devices,and proposes the topology of static var compensator based on variable reactance.It is used for improving the effi ciency of distribution network,as well as voltage regulation,power regulation and harmonic elimination.Key words:the technology of

5、static reactive compensation;SVC;variable reactance 题的出现使得在电网中装设无功补偿装置成为稳定电网运行的必要手段。一、无功补偿的原理与作用在电网对用户输电的过程中，电网要供给负载的电功率有两种有功功率和无功功率。有功功率（P）是指保持设备运转所需要的电功率，也就是将电能转化为其它形式的能量（机械能、光能、热能等）的电功率；而无功功率（Q）是指电气设备中电感、电容等元件工作时建立磁场所需的电功率。在工业和生活用电负载中，大部分属于感性负载，如异步电机、变压器、工业用电弧炉、荧光灯等，这些设备在运行过程中需要进行无功补偿。无功补偿的作用是：提高

6、电力系统及负载的功率因数，降低设备容量；稳定电网的电压，提高供电质量；平衡三相有功及无功负载，这是由于无功补偿装置可以补偿掉负序电流分量，同时通过合理的绕组接线使零序电流无法流通，就可使三相负荷平衡2-4。无功补偿的基本原理是把具有容性设备与感性负载相并联，能量在这两种负荷间转换，以减少电网中的无功功率。对感性负2011 No.1牛轶男 冯 婷 汪 扬 李成波/电力系统无功补偿技术发展现状专业论坛Specialized forum49载进行无功补偿的基本原理说明图如图1所示。二、无功补偿装置应用现状 2.1 无功补偿装置发展历程无功补偿技术的发展经历了从同步调相机开关投切固定电容器静止无功补偿

7、器(SVC)静止无功发生器(SVG)的过程。早期的无功补偿装置为并联电容器和同步调相机，多在系统的高压侧进行集中补偿。并联电容器是电网中应用最多的一种专用无功补偿装置5，它价格便宜，易于安装维护。但是由于电容量固定，不能实现系统无功的无级补偿；由于电容器的负电压效应，使系统电压下降更大；在系统存在谐波时，可能发生并联谐振，放大谐波电流。以上缺点使并联电容器已不能适应电力系统发展的需要6。同步调相机是最早采用的一种无功补偿设备。它实质上是一种不带机械负载的同步电动机。由于同步调相机属于旋转设备，损耗、噪声都很大，并且运行维护复杂，在并联电容器得到大量使用后，它便逐渐居于次要地位。近年来，同步调相

8、机再次得到重视，被应用于高压直流输电系统7。这是由于在系统发生故障引起电压降低时，同步调相机可以提供电压支持，可在短时间进行强行励磁，同时可以给受电侧提供短路电流和电压支撑，提供电力系统的稳定性。随着研究的进一步深入，静止无功补偿技术进入人们的视线中。静止无功补偿技术是指用静止开关投切电容器或电抗器，通过吸收或发出无功电流提高电力系统的功率因数，稳定系统电压。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（Saturated reactorSR）。其拓扑结构图如图2所示，其中C1为斜坡修正电容，C2为保护电容。饱和电抗器分为自饱和式和可控饱和式。自饱和电抗器利用铁心的饱和特性，使无功功率随着端电压的升降而

9、增减。自饱和电抗器的动态响应速度很快，其缺点是铁心损耗较多，伴有振动和噪声8。可控饱和电抗器通过改变控制绕组的电流来控制铁心的饱和度，从而改变电抗器的电抗，进一步改变无功电流的大小。它能够更好的适应母线电压较大的变化，但是振动和噪声仍很大。总的来说，SR装置具有响应速度快的优点，并且在一直电压闪变方面比晶闸管相控电抗器装置要好，但是它存在较大的有效材料消耗(约为3kg/kVA)9，电抗器硅钢片长期处于饱和状态，故铁心损耗较大（比并联电容器大2-3倍），有振动和噪声，这些缺点使SR式静止无功补偿装置目前应用较少，一般只在超高压输电线路中配合电容器组，起到限制操作过电压及吸收超前无功功率的作用9。

10、1977年后，使用晶闸管的静止无功补偿装置得到了广泛的重视，并占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置(SVC)这个词往往专指使用晶闸管的静止无功补偿装置。SVC装置将在下文中具体介绍。随着电力电子技术的进一步发展，出现了采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，这就是静止无功发生器(SVG)，也被称为高级静止无功补偿装置(ASVC)、静止调相机(STATCON)或者静止补偿器(STATCOM)。其基本原理图如图3所示。SVG的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗或者直接并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可使电路吸收或发出满足需求的无

11、功电流，从而动态补偿无功功率。与SVC装置相比，SVG装置只需要维持直流侧电压的较小容量的电容器，大大减小了装置的体积和成本。同时SVG装置的调节速度更快、运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中的谐波含量12。SVG的这些优点也使得它的控制方法和控制图1 无功补偿原理说明图图2 单相饱和电抗器拓扑结构图图3 电压型SVG主电路原理图2011 No.1牛轶男 冯 婷 汪 扬 李成波/电力系统无功补偿技术发展现状&Information communications信 息 通 信50系统较为复杂，另外SVG需要使用数量较多的较大容量全控器件，其价格目前比SVC

12、使用的普通晶闸管高得多。因此SVG的总体优势还有待于通过器件水平的提高和成本的降低来得以实现。2.2 SVC装置发展应用现状SVC装置包括晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)，以及这两者的混合装置，或者晶闸管控制电抗器与固定电容器或机械投切电容器混合使用的装置。2.2.1 晶闸管控制电抗器（TCR）TCR电路原理图如图4所示。晶闸管的触发角从90 至180连续调节，增大触发角，TCR的等效导纳增大，从而减小补偿电路中的基波分量，电抗器的电路相应地从额定值到零值连续变化，故通过调整触发角的大小就可以改变TCR所吸收的无功分量，从而达到无功补偿的目的。单独使用TCR只能吸收感性无

13、功功率，因此常常与固定电容器（FC）并联使用13，二者配合使用时，被称为TCR+FC型SVC。这种结构的无功补偿装置反映时间快，约为10-20ms，运行可靠，可分相调节无功，控制技术成熟，使用范围广，价格较便宜，同时固定电容器可串联上较小的调谐电抗器可兼做滤波器，以吸收TCR产生的谐波电流，这种类型的无功补偿装置在实际应用中最为广泛，控制电弧炉产生的电压闪变时，几乎都采用这种形式14。2.2.2晶闸管投切电抗器（TSC）TSC的电路原理图如图4-a所示，它实际上是断续可调的吸收容性无功功率的补偿装置。其中两个反并联的晶闸管只是起到将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感是用来抑制电容

14、器投入电网使可能造成的冲击电流。在工程实际中，将电容器分成几组（如图5-b所示），每组都可由晶闸管根据电网的无功需求投切。TSC用于三相电网可以是三角形联结，也可以是星形联结（一般对称网络采用星形联结，负荷不对称网络采用三角形联结）。TSC的关键技术是投切时刻的选取。投切的原则是TSC投入的时刻必须是电源电压也电容器预先充电电压相等的时刻。这是由于如果电容上的电压有阶跃变化，将产生冲击电流，可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。TSC无功补偿装置的特点是响应速度快（约10-20ms），与TCR相比，虽然不能连续调节无功功率，但是具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点，因此已在电力系统中

15、获得了较广泛的应用，而且许多是与TCR配合使用，构成TCR+TSC型混合补偿装置。表1是对各种无功补偿装置性能的简要对比。表1 各种无功补偿装置简要对比 Fig.2 Topology of single-phase saturated reactor SRTCRTSCTCTSVG响应速度较快较快较快较快快吸收无功连续连续分级连续连续控制不可控较简单较简单较简单复杂谐波电流大大无大小分相调节不可可以有限可以可以损耗较大中小小小噪声大小小小小三、基于可变电抗的静止无功补偿器3.1 基于可变电抗器的静止无功补偿器补偿原理在对TCR和TSC型静止无功补偿器研究的基础上，武汉理工大学袁佑新课题组提出了基

16、于可变电抗的静止无功补偿装置。它由固定电容器、可变电抗器和智能控制器组成，其结构如图6所示。其特点是将晶闸管与电抗器串联设计成可变电抗器。可变电抗器由可变电抗变换器和电力电子功率变换器两部分组成，可变电抗器分为原边和副边，原边主线圈与负载并联，副边线圈与电力电子功率变换器相连接。与以往的无功补偿装置相比，该补偿器具有以下优点：1.它图4 TCR电路原理图图5 TSC电路原理图图6 基于可变电抗的静止无功补偿器结构图2011 No.1牛轶男 冯 婷 汪 扬 李成波/电力系统无功补偿技术发展现状专业论坛Specialized forum51利用可变电抗器电抗值连续可调实现功率的无级调节；2.利用高

17、低压隔离的方法，在低压端进行控制，降低了对电力电子器件的要求，使控制易于实现同时节约了成本；3.装置采用无源结构，与有源结构相比运行可靠性较高，运行费用较低。同时选用IGBT作为功率变换器还可抑制谐波的产生。基于可变电抗的静止无功补偿器的补偿原理就是将无功补偿器与负载并联，通过控制无功补偿器的功率变换器，改变接入系统的阻抗的大小，以达到动态调节无功功率的目的。由于电网中感性负载消耗大部分无功功率，使得负载电流相位滞后于电压，相位差越大，功率因数就越低15，因此，静止无功补偿器将负载的无功功率和无功电流作为目标参数，调节可变电抗的电抗值，来补偿负载所需的无功功率，从而提高功率因数16。3.2 基

18、于可变电抗器的静止无功补偿器拓扑结构基于可变电抗器的静止无功补偿器补偿的拓扑结构有两种：使用晶闸管以及IGBT的拓扑结构。使用晶闸管的拓扑结构如图7所示。当电网中的负载为感性负载时，电流滞后电压，调节晶闸管触发角使可变电抗器的阻抗减小，小于电容器的容抗值，这时无功补偿器阻抗呈容性，和负载并联后会降低其感抗，功率因数增大，无功功率减小；当负载为容性负载时，电流超前电压，调节晶闸管导通角使可变电抗器的阻抗增大，大于电容器的容抗值，这时无功补偿器阻抗呈感性，和负载并联后会增大其感抗，功率因数增大，无功功率减小。使用IGBT与二极管作为功率变换元件，通过调节IGBT触发脉冲PWM波的占空比，改变可变电

19、抗器阻抗大小，从而实现系统动态无功补偿。其基本原理与使用晶闸管的结构相似，但是使用PWM控制减少谐波的含量17；同时由于同等容量二极管价格较晶闸管更为便宜，此结构具有成本低的优势。在加大容量时，可以并联多个IGBT，使结构扩展更为简单。其基本结构图如图8所示。四、结语电力系统电压无功特性是实现我国电网稳定运行的一个重要研究方面。目前有关静止无功补偿装置的研究多集中于具体拓扑结构以及对其应用于系统补偿的各种场合时控制策略和方法的进一步探讨，以及开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的开关滤波器的研究上。从无功功率补偿装置的应用来看，SVC装置因为控制简单、价格低能满足大多用户对于无功补偿装置的需要

20、，因此应用最为普遍，目前在电力系统和工矿企业用户中拥有广大的市场，是并联无功补偿的主要应用装置。基于可变电抗的无功补偿装置，通过可变电抗实现变压器隔离，用低电压的功率变换电路来调控较高电压主电路的电抗值，从而达到动态调节无功功率的目的，在实际应用中可提高配电网的运行效率，还能降低配电系统的损耗，起到节能的作用，亦可应用于调压、调功控制以及谐波治理等场合，其应用前景广阔。参考文献1黄志新 TCR型SVC在济南电网10kV母线的应用探讨J 山东电力技术，2007，155(3)：37-392Bhim Singh，Ambrish Chandra，Kamal Al-Haddad，Anuradha.Rea

21、ctive power compensation and load balancing in electric power distribution systems J Electrical Power&Energy Systems，1998，20(6)：375-3813周俊 基于IGBT的静止无功发生器的研究D 江苏：江苏大学，20064Bhim Singh,，Kamal Al-Haddad，Ambrish Chandra Harmonic elimination，reactive power compensation and load balancing in three-phase，fo

22、ur-wire electric distribution systems supplying non-linear loadsJ Electric Power Systems Research，1998，44：93-100 5刘乾业 我国电网无功补偿装置建设情况及分析J 电力电容器，2009(3)：40-426李媛 新型静止无功发生器SVG控制策略仿真研究D 北京：北京交通大学，20087Heinz Karl Tyll，Frank Schettler Historical overview on dynamic reactive power compensation solutions fr

23、om the begin of AC power transmission towards present applicationsC Power Systems Conference and Exposition，2009 IEEE/PES：1-7(下转第57页)图7 使用晶闸管的拓扑结构图图8 使用IGBT的拓扑结构图2011 No.1牛轶男 冯 婷 汪 扬 李成波/电力系统无功补偿技术发展现状专业论坛Specialized forum会上，它可以提供高达100Mbps的下行速率。基于TD-LTE演示网的移动高清会议、移动高清视频监控、移动高清视频点播、便携视传等演示业务将向公众开放，同时

24、高速上网卡、天线海宝等新鲜业务也被展出。若TD-LTE技术应用于未来高速铁路通信中，它将为乘客提供更加高速的数据业务，实现在列车上进行视频会议和视频点播等功能。未来通信会像面对面交谈一样，融合听、视、味、嗅、触感等“五感”，能将通信对象立体还原。未来的信息通信，不仅将突破视听，实现“五感通信”，还将突破时空，实现沟通的无时无刻、无所不在、无所不能；突破物种，实现无障碍的交流沟通，打破人与物之间的沟通限制，远程医疗和远程教育将得到长足的发展。以后家用机器人可能会永远和无线家庭网络连接，在和其他你想知道在什么地方的人和事共享信息。你可能永远也不用担心家人晚归或出门在外是否安然无恙，因为你一直和他们

25、进行无线连接。如果对所有车辆进行无线连接，人们完全不再开车，我们也许会抛弃道路系统的各种路标、红绿灯、中间隔离带等乱七八糟的标记，把道路变回松软、车辆稀少的模样。所有信息和其他车辆保持道路通畅、交通路线升级等都将通过看不见的网络实现。我们的城镇和农村都将不会这么拥挤不堪，会变得更加平静。未来电信和高速铁路的发展将会给人们带来更加舒适的生活环境。四、结语高速铁路的“多米诺效应”将会触发电信业新的掘金点，电信事业的飞速发展也将为高速铁路的发展做出巨大贡献。将来在高速铁路上，用户都应该能随时随地接入网络，接入方法也将不再单一。如果说电信使人与人之间的感觉拉近了，那么高速铁路就使人们的“心理版图”变小

26、 了，生活空间变大了。它还将深刻改变人们的生活方式，大部分省会城市将在300公里内形成“一小时交通图”，人们的“同城效应”会越来越明显，在不远的将来人们就会有同在一个“地球村”的感觉。在中国，人们在“大城市工作、小城镇居住”的生活方式将成为可能。铁路促进了 人类的文明与进步，高速铁路和电信业进一步改变了 人们的生活方式，使人们的生活方式越来越多样化。伴随着科学技术的发展，人类的明天将更加美好。参考文献1 李世珷.世界高速铁路发展的动向.铁道技术监督.2007.12.(俄).世界高速铁路干线的现状与发展.国外铁道车辆.2010.33 曹炳坤.世界高速铁路一瞥.联合时报.2002.5.104 钱清

27、泉.引领世界的中国轨道交通.学术报告.2010.65 周喆.烽火移动TD-SCDMA高速铁路覆盖解决方案.聚焦企业.2006.46 张曙光.中国高速铁路中的信息技术含量非比寻常.电脑报.2009.9.147 张曙光.京津城际铁路开启中国高速铁路新时代.中国铁路.2009.8作者简介徐红莉（1984-），女，汉族，硕士研究生，主要研究方向为语音信号处理。(上接第51页)8柯敏倩 采用模糊控制算法的SVC控制器的研究D 西安：西安理工大学，20059吕崇伟 可控饱和电抗器在抽油机无功补偿中的应用D 北京：北京交通大学，200610谭俊源 静止无功补偿技术探讨J 华电技术，2008，30(9)：65

28、-6911Rakosh Das Begamudre著，丛伟译 超高压交流输电工程M 北京：机械工业出版社，200912程汉湘，刘建，尹项根，等 单桥路SVG无功补偿控制系统研究 电力自动化设备，2004，24(2)：5-813 王兆安，杨君，刘进军，王跃 谐波抑制和无功功率补偿M.北京：机械工业出版社，200614彭军，尹忠东，冉文胜 静止无功补偿器研究现状及发展J 四川电力技术，2006，29(3)：26-2915袁佑新，蔡珊珊，班泉聚，等 基于可变电抗的静止无功补偿器拓扑结构研究J 武汉理工大学学报，2009，31(12)：120-12216丁永忠，袁佑新，肖义平，等 基于功率变换的可变电抗器研究J 武汉理工大学学报，2008，30(3)：136-13817袁佑新，肖义平 可变电抗器的阻抗变换机理研究J 武汉理工大学学报，2008，30(3)：133-135572011 No.1徐红莉/高速铁路将与电信业协同发展