摘 要: 合理的无功功率补偿对于对输配电系统非常重要。无功补偿装置已经由同步调相机、并联电容器发展到基于大功率电力电子器件的静止补偿装置。文章在描述动态无功补偿技术在国内外应用现状的同时,详细介绍了SVC及STATCOM的基本原理、功能以及它们在输电网、配电网、大型工矿企业的具体应用,并对二者的技术经济性能做了详尽的比较。
在电力系统中,如果无功储备不足将会导致电网电压水平降低,冲击性的无功功率负载还会使电压产生剧烈的波动,恶化电网的供电质量。对于给定的有功分布,要想使无功潮流最小以减少系统的损耗,就要求对无功功率的流向与转移进行很好的控制。
随着电网的不断发展,对无功功率进行控制与补偿的重要性与日俱增:①输电网络对运行效率的要求日益提高,为了有效利用输变电容量,应对无功进行就地补偿;②电源(尤其水电)远离负荷中心,远距离的输电需要灵活调控无功以支撑解决稳定性及电压控制问题;③配电网中存在大量的电感性负载,在运行中消耗大量无功,使得配电系统损耗大大增加;④直流输电系统要求在换流器的交流侧进行无功控制;⑤用户对于供电电能质量的要求日益提高。因此,对电网的无功进行就地补偿,尤其是动态补偿,在输配电系统中十分必要。
1 无功补偿装置的发展
电力系统中,常见的无功控制方法有同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等,这里主要讨论静止无功补偿装置。
静止无功补偿技术经历了3代:第1代为机械式投切的无源补偿装置,属于慢速无功补偿装置,在电力系统中应用较早,目前仍在应用;第2代为晶闸管投切的静止无功补偿器(SVC),属无源、快速动态无功补偿装置,出现于20世纪70年代,国外应用普遍,我国目前有一定应用,主要用于配电系统中,输电网中应用很少;第3代为基于电压 源换流器的静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM),亦称ASVG,属快速的动态无功补偿装置[1],国外从20世纪80年代开始研究,90年代末得到较广泛的应用,我国的第一个STATCOM示范应用工程已经在河南电网投运。
早期的无功补偿装置主要是无源装置,方法是在系统母线上并联或者在线路中串联一定容量的电容器或者电抗器。这些补偿措施改变了网络参数,特别是改变了波阻抗、电气距离和系统母线上的输入阻抗。无源装置使用机械开关,它不具备快速性、反复性、连续性的特点, 因而不能实现短时纠正电压升高或降落的功能。
20世纪70年代以来,以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容器(TSC)以及二者 的混合装置(TCR+TSC)等主要形式组成的静止无功补偿器(SVC)得到快速发展[2]。SVC可以看成是电纳值能调节的无功元件,它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换,同时还具有较快的响应速度, 它能够维持端电压恒定。
SVC虽然能对系统无功进行有效的补偿,但是由于换流元件关断不可控,因而容易产生较大 的谐波电流,而且其对电网电压波动的调节能力不够理想[3]。随着大功率全控型电力电子器件GTO、IGBT及IGCT的出现,特别是相控技术、脉宽调制技术(PWM)、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展,以此为基础的无功补偿技术也得以迅速发展。静止同步补偿器,作为FACTS家族最重要的成员,在美国、德国、日本、中国相继得到成功应用。电压型的STATCOM直流侧采用直流电容为储能元件,通过逆变器中电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压。当只考虑基波频率时,STATCOM可 以看成一个与电网同频率的交流电压源通过电抗器联到电网上。由于STATCOM直流侧电容仅起电压支撑作用,所以相对于SVC中的电容容量要小得多。此外,STATCOM和SVC相比还拥有调节速度更快、调节范围更广、欠压条件下的无功调节能力更强的优点,同时谐波含量和占地面积都大大减小。
2 国内外电网动态无功补偿的现状
我国电网中目前使用最为广泛的补偿装置是机械投切的并联电容器组。为满足调压要求,在低压供电网络中装设了大量的并联电容器组,在中压配电网络中装设了少量的并联电容器组。20世纪70年代初,武汉钢铁公司在1.7 cm轧机工程中进口了由比利时直流励磁饱和电抗器与日本电容器组成的静止补偿装置后,国内才对动态无功补偿问题引起了重视。自20世纪80年代以来,我国对晶闸管控制的SVC投入了大量研发力量,目前已有了一定的技术基础,但高压大容量产品仍主要依靠进口。
目前,我国输电系统中一共有5地6套大容量SVC投入使用,它们分别被装设在广东江门、湖南云田、湖北凤凰山(2套)、河南小刘以及辽宁沙岭的500 kV变电站中。
此类SVC多为进口,其中有3套是ABB公司的产品。高电压等级下SVC面临的最为严重的问题是电容器爆炸,如广东江门500 kV变电站中SVC运行5年后并联电容器爆炸,湖南云田500 kV变电站中SVC自1988年以来发生了4次电容器组爆炸事故。
在380 V~10 kV配电系统中,近年来主要采用无平滑调节功能的TSC实现分级无功补偿。
SVC在大型工矿企业中的应用较为广泛,在钢铁企业中的应用尤为突出,武汉钢铁公司、包头钢铁公司、宝山钢铁公司、济南钢铁公司、张家港沙钢铁公司、天津钢管公司等均装有该补偿装置。如济南钢铁公司中厚板厂二期工程在35 kV母线上就安装了由西门子公司设计制造的一套容量为25 Mvar的 SVC,2001年底带负荷一次投运成功。
1999年3月,我国第一台工业化STATCOM在河南省洛阳市朝阳变电站成功并 网运行,标志着我国掌握了高压大容量FACTS设备的设计制造技术[4]。该STATCOM基于GTO器件,主电路核心部分是电压型多重化逆变器,容量为±20 Mvar,由清华大学电机系柔性输配电系统研究所与河南省电力局联合研制。为了进行机理研究,事先还研制了1台300 kvar中间工业试验装置,于1995年8月并网闭环运行。目前,清华大学电机系正和上海市电力局联合研制基于链式结构的±50 Mvar STATCOM,它将应用于上海500 kV电网中。
从国际范围来讲,目前SVC与STATCOM都已得到普遍的应用。SVC出现早,应用时间长,仅ABB公司,其目前在全世界投运的SVC就已超过370套,ABB与西门子两个公司已安装的SVC总容量约为9万Mvar(包括已退役装置)。STATCOM装置在20世纪主要以示范工程为主,从上世纪90年代末到本世纪初,STATCOM在日本及欧美得到了广泛应用,尤其是在冶金、铁道等需要快速动态无功补偿的场合。2001~2003年,美国在输电网接连投运了百Mvar级的大容量STATCOM,表明STATCOM在输电网中已完全进入实用阶段。由于都是基于电压源换流器技术,这些STATCOM装置仅通过改变母线接线方式,就可以变成背靠背的直流输电,能对电网的潮流进行更有效的控制。据ABB公司2001的统计,目前全世界SVC的投运容量超过32000 Mvar,STATCOM的投运容量已超过1 500Mvar。
3 动态无功补偿装置的工作原理及其在输电网中的应用
3.1 SVC的工作原理及在电网中应用
TCR+TSC型SVC的基本拓扑结构见图1。它由1台TCR、2台TSC以及2个无源滤 波器组成,在实际系统中,TSC及无源滤波的组数可根据需要设置
图1 TCR+TSC型SVC基本拓扑结构
TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效电纳的大小,从而输出连续可变的无功功率。图1中两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行,通过改变控制角α可以改变电感中通过的电流。α的计量以电压过零点为基准,α在90°~180°之间可部分导通,导通角增大则电流基波分量减小,等价于用增大电抗器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90°~180°之间连续调节时电流也从额定到0连续变化,TCR提供的补偿电流中含有谐波分量。
TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。这里,晶闸管只是作为投切开关,而不像TCR中的晶闸管起相控作用。在实际系统中,每个电容器组都要串联一个阻尼电抗器,以降低非正常运行状态下产生的对晶闸管的冲击电流值,同时避免与系统产生谐振。用晶闸管投切电容器组时,通常选取系统电压峰值时或者过零点时作为投切动作的必要条件。由于TSC中的电容器只是在两个极端的电流值之间切换, 因此它不会产生谐波,但它对无功功率的补偿是阶跃的。
TCR和TSC组合后的运行原理为:当系统电压低于设定的运行电压时,根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组,并略有一点正偏差(过补偿),此时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功;当系统电压高于设定电压时,则切除所有电容器组,只留有TCR运行。图2给出了该控制方式下稳定系统电压时采用的控制框图,控制器所需信号为系统线电压和线电流。如果用于补偿系统无功功率或校正系统功率因数,只需将电压设定值改为相应的无功设定值或功率因数设定值即可。控制规律采用可变参数的PI调节器,其算法简单、可靠,而且易实现。
图2 SVC面向系统平衡策略控制框图
SVC应用于电力系统中对系统产生的影响有:①增强系统的暂态稳定性。SVC安装于中长距离输电线路中点可以改善系统的暂态稳定性,其P-δ特性曲线给故障后电机提供的减速面积和暂态裕量比没有补偿的情况下要大。②有力的支持系统电压,防止电压崩溃。系统发生故障或者负荷电流(尤其是无功电流)急剧增高的瞬间,SVC 能够对系统进行瞬时无功补偿来支撑电压以抑制电压崩溃的趋势。③有效的阻尼系统振荡。TCR可以用极高的速度平滑地调节无功和电压,具有调制状态工作的可能。它可以在一个与工频50 Hz不同的频率下作适当浮动,如果浮动与系统摇摆或振荡频率相同而相位相反,就可以增大系统的阻尼而抑制振荡。④补偿不平衡负荷。负荷不平衡时,SVC不平衡控制策略可以补偿系统使供电电流变成三相平衡,能够使单相负荷变成三相平衡负荷而没有无功分量。⑤抑制负荷侧电压波动 和闪变,校正功率因数。
SVC也有其自身的弱点,它是阻抗型补偿,随着电压的降低其无功输出也会与电压成平方关系降低,若采用基于电压源逆变器的STATCOM将会取得更好的效果。
3.2 STATCOM的工作原理及在电网中应用
我国首次研制成功的±20 Mvar STATCOM的总体构成框图见图3。它主要由直流电压源(通常以直流电容代替)、基于GTO的逆变器和连接变压器3部分组成。以二极管构成的整流桥从交流系统吸取少量有功功率对直流电容C充电,保持其电压稳定。控制器根据电网无功变化情况,通过6 个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功。STATCOM 向系统注入的无功Q为
图3 ±20 Mvar STATCOM总体构成框图
TATCOM在控制策略上与SVC的区别在于[5]:在SVC装置中,由外闭环调节器输出的控制信号用作SVC 等效电纳的参考值,以此信号来控制SVC 调节到所需的等效电纳。而在STATCOM中,外闭环调节器输出的控制信号则被视为补偿器应产生的无功电流(或无功功率)的参考值,然后由参考值调节STATCOM来产生所需无功电流。其具体控制方法可分为间接控制和直接控制两大类,STATCOM 采用电流直接控制方法的响应速度和控制精度比 间接控制法有很大的提高。
STATCOM在输电系统中的作为无功补偿装置用时,除具有SVC的所有良好性能外,运行范围更宽,且输出无功电流不受系统电压影响。采用多重化技术的STATCOM,谐波含量少,不需要滤波器,能够有力的提高系统的暂态性能。
3.3 STATCOM及SVC应用于输电网的仿真研究
STATCOM和SVC应用于大规模输电网中以加强动态无功补偿、改善电网末端或大负荷中心电压稳定性以及作为直流输电无功控制设备,已经做了大量的研究工作。近年来,由于经济的快速发展,我国形成了京津唐、长三角以及珠三角3大负荷中心。这3个地区都具有远离电源、缺乏足够的无功备用以及空调负荷比例高等特点,因此,均有不同程度的电压稳定问题。
根据已有的仿真分析[6],北京电网在负荷突增时会出现暂态电压失稳现象,需要在安定、老君堂、西大望等地安装STATCOM(或者SVC)以防止电压崩溃。上海的黄渡分区内150 Mvar 调相机退出运行后,只有一个12 MW的小火电接入,并且这里将是三峡直流的落点,若发生故障将会出现严重的电压失稳,需要安装STATCOM提供快速的无功支撑,目前正在研制的50 Mvar STATCOM将在这里投入使用。广东电网是拥有多直流的交直流混联系统,直流落点本身需要大量的无功支撑,STATCOM无疑是最佳的选择;同时在直流退出运行的情况下,需要在交流长输电线路中点贺州安装STATCOM以提升线路传输极限,维持电压稳定;此外,负荷突增情况下,弱受端系统会出现持续的电压跌落,选择合适的地点安装STATCOM可以增强系统的电压维持能力。
4 动态无功补偿装置在配电网及大型工矿企业的应用
4.1 SVC在配电网和工矿企业的应用
无功传输对配电网的影响,一是会导致电力用户电压水平的恶化,二是会造成线损的上升。为了降低无功传输带来的不利影响,可以在配电网无功负荷集中处安装一定容量的SVC,由SVC向负荷点就近提供无功功率,以减少系统流入的Q,这样不仅可使网络产生的压降△U变小,同时也可使网络的线损△A减小。当在配电网络中并入容量为Qb的SVC之后,网络的压降和线损为
the IEEE,1988,76(4):483~494.
[3]王兆安等编著. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京:机械工业出版社,2002.
[4]刘文华,姜齐荣等. ±20 Mvar STATCOM总体设计. 电力系统自动化,2002,24(23):14~18.
[5]姜齐荣,刘文华等. ±20 Mvar STATCOM控制器设计. 电力系统自动化,2002,24(23):24~28.
[6]陈辉祥,王仲鸿,崔文进等. 广东电网电压稳定研究. 电力系统自动化,2004 ,28(7): 86~89.
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