无功补偿

1.无功补偿1.1.FACTS简介柔性交流输电系统（以下简称FACTS）是美国电力研究所（Electric Power Research Institule，EPRI）N.G.Hnigornai 博士于1986年首先提出。

它具有控制速度快、控制灵活、可靠性高、可连续调节、可迅速改变潮流分布等优点。

近年来成为电力系统稳定控制的一个重要研究方向。

目前，主要的FACTS 装置包括三大类。

第一类为并联装置，如静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC），它能够根据无功功率的需求自动补偿；静止无功发生器（Static Var Generator，SVG），它是最新出现的一种并联补偿装置，这是本文研究的主要对象。

第二类为串联装置，如静止同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compensator，SSSC）、晶闸管控制串联电容器（Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC）等。

第三类为混合装置，如统一潮流控制器（United Power Flow Conrtollor ，UPFC）相间潮流控制器（Interphase Power Controller，IPC）等。

图1.1 无功补偿装置发展概况传统的静态无功补偿装置是无功补偿电容器，它具有结构简单、经济、方便等优点。

但是，它的阻抗是固定的，不能跟随负荷无功需求变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。

且目前由于电力公司推行无功“返送正计”，即过补偿视为欠补偿，不可调的静态无功补偿会使功率因数大幅下降，所以要研究可调无功补偿技术。

1.2.可调无功补偿技术方案近几年，结合国外的先进技术，我国在无功补偿与谐波综合治理提出了许多可调无功补偿方案，无论哪种方案，都是力求基波下补偿牵引负荷感性无功功率，提高功率因数，并滤除（或抵消）指定谐波。

主要方案有：（1）真空断路器投切电容器。

最大的优点是简单、投资省；缺点是合闸时，投切滤波支路有一个暂态的过程，会产生过电流过电压，影响电容器及串联电抗器的可靠运行；切除滤波支路时，触头上恢复电压较高，有开关重燃的可能，多次重复击穿时，电容器上产生很高的过电压，致使设备损坏。

对电容器的投切冲击，IEC规定不超过1000次/年，加之开关寿命的限制，不能频繁投切，从而影响动态补偿效果。

（2）固定滤波器＋晶闸管调节电抗器（TCR）。

固定滤波器按谐波要求设计，反并联晶闸管与电抗器串联，通过改变晶闸管触发角来调节流过电抗器的感性电流，使其与并联滤波器中多余的容性无功补偿电流平衡，满足功率因数要求。

优点是固定滤波器长期投入，需要的晶闸管数量少，响应速度快，调节性能好，缺点是TCR也产生谐波。

（3）固定滤波器＋晶闸管调节变压器（TCT）。

用高漏抗变压器代替方案（2）中的电抗器即得到这种补偿方案。

由于高漏抗变压器制造麻烦，有功损耗大，这种补偿方案并没有得到广泛应用。

（4）固定滤波器＋可控饱和电抗器。

调节饱和电抗器的饱和程度来改变流入回路的感性电流，使其与并联滤波器中多余的容性无功功率得以平衡，优点是固定并联滤波支路长期投入，不需投切，实现光滑可调，但同TCR一样要产生谐波，有损耗，噪声大。

（5）晶闸管投切电容器（TSC）。

按照一定的寻优模式，设计多组某次或某几次滤波器，基波下各支路呈容性，分级改变补偿装置的无功出力；滤波器某次谐波下偏调谐，兼滤该次谐波。

优点是损耗小，结构简单，速度响应快，不产生谐波，可以实现过零投切，不会产生像真空形状那样严重的过电压，缺点是每级都配相应的晶闸管，滤波效果受系统特性和投入组数的影响，一次性投资大。

（6）固定滤波器（FC）＋调压电容器（TC）＋调压电抗器（TL）。

通过调节降压变压器低压侧的母线电压来调节连接在低压母线上的滤波器或电抗器的电压，从而改变其无功出力。

调节时，用晶闸管通断，分接开关无载调节，可充分利用分接开关的机械寿命（达50－100万次）和晶闸管的电气寿命（理论上不受限制）。

在实际应用中，也可加装FC来提供稳定的无功功率和实现滤波。

（7）有源补偿器。

使用电力电子装置产生与负荷中谐波电流、负序电流相位相反的电流，使其相互抵消来满足电源的总谐波、无功电流的要求。

这种方案补偿灵活，调节速度快，不会与系统发生谐振，但因电力电子设备价格昂贵，尚未得到广泛应用。

（8）无源补偿器＋有源补偿器。

采用有源滤波器产生与负荷中谐波电流相位相反的谐波电流，使其相互抵消来满足电源的总谐波电流的要求。

比较成功的是无源、有源混合滤波器，它能扬长避短，充分利用无源补偿的大容量和有源补偿的灵活性、可控性，但其结构复杂、造价高、运行费用高。

这一技术正在研究阶段。

1.3.有源滤波与静止无功补偿技术近年来国内外有关单位对装设补偿装置综合治理电能质量的问题进行了广泛的研究和试验，提出了许多方案，其中有的方案已在现场实施投运。

其中研究比较多的是有源滤波和静止无功补偿技术。

所谓静止无功补偿，是指不用旋转元件而用不同的开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抵制系统振荡等功能。

静止无功补偿装置主要有晶闸管控制电抗器（TCR；Thyristor Controlled Reactor）、晶闸管投切电容器（TSC：Thyristor Switched Capacitor），这两种装置统称为SVC（Static Var Compensator），还有基于可关断器件的静止无功发生器（SVG：Static Var Generator）（1）晶闸管控制电抗器（TCR）两个反并联的晶闸管与一个线性电抗器相串联，其单相原理图如图1.2所示，其三相多接成三角形。

当触发角α=90°时，晶闸管全导通，此时电抗器吸收的无功电流最大；当触发角α=180°时，导通角σ=0°，此时电抗器无功电流为零。

图1.2 TCR补偿原理导通角与补偿器等效导纳之间的关系为：（1.1）触发角与导通角的关系为：（1.2）根据式（2.1）、（2.2）可知增大触发角α即可减小导通角σ，从而减小补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。

由于单独的TCR 只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用，构成静止无功补偿器SVC（FC+TCR）。

（2）晶闸管投切电容器（TSC）为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。

两个反并联的晶闸管将电容器并入电网或从电网中断开，串联小电抗器用于抑制电容器投入电网时可能产生的冲击电流。

一般在补偿母线上设置几组合适的电容器支路（实际应用中一般设置成单调谐滤波器），TSC控制器根据牵引网电压与电流来计算需投入的电容器支路数量，按一定的寻优模式，通过晶闸管电子开关控制电容器支路的投入与切除，实现有级调节无功功率的目的，最终使得系统的功率因数保持在较高的水平。

为节约投资，实际应用中是将牵引母线电压通过协调变压器降到一定的电压水平。

TSC型静止无功补偿装置响应速度快，对无功电流有很好的补偿效果。

TSC装置一般与电抗器相并联，构成SVC（TSC+TCR），以电容器作分级粗调，以电感作相控细调。

（3）有源滤波器（APF）SVC 抑制谐波所采取的措施主要是将固定电容器支路设置为滤波器，滤除牵引负荷产生的3、5、7次谐波电流。

应该看到，此措施对抑制谐波有一定的效果，但为了防止系统产生谐振，在实际应用中滤波器不能完全调谐，因此效果有限，不能很好地滤除注入系统的谐波。

抑制谐波的一种趋势是使用APF。

根据与系统连接方式的不同，APF分为串联型和并联型两种形式，在实际应用中主要采用并联型APF。

并联型APF可单独使用，也可与无功补偿装置结合使用，其结合方式可与无功补偿装置并联，也可与无功补偿装置串联。

这种滤波器采用全控型器件，工作在电压源变流器模式，通过实时控制，对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，已在日本、欧美等国家获准广泛应用，并取得良好的效果。

（4）静止无功发生器SVGSVG采用全控型器件。

由于工作在电压源变流器模式，它不需要大容量的电抗器和电容器等储能元件。

改变控制方法可使其发出的无功功率呈电容性，也可使其吸收的无功功率呈电感性，且可实现连续调节。

采用PWM控制或多重化的结构，使其输出电流接近正弦波，不需附加额外的滤波器具体结构。

从理论上讲，使用SVG补偿装置可使功率因数、谐波及负序均能达到满意的结果。

此类装置自上个世纪90 年代中期以来，已在日本新干线上使用。

在我国，在国家重点项目京沪线电气化改造工程中南翔牵引站采用了SVG方案，这也是国内首例电气化铁路主动在牵引站内加装SVG装置。

2.SVG介绍2.1.静止无功发生器主电路的拓扑结构SVG 的主电路有电压型桥式和电流型桥式两种类型。

直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。

对电压型桥式电路，还需要串联连接电抗器才能并入电网，电抗器能滤除装置投入时产生的谐波；对电流型桥式电路，还需要在交流侧并联上吸收换相产生的过电压电容器。

其电路基本结构分别如图2.1所示。

图2.1 SVG的电路基本结构图a）采用电压型桥式电路b）采用电流型桥式电路在单相电路中，在负载和电源之间来回往返的是与基波无功功率有关的能量。

但在三相平衡的系统中，不论负载功率因数是多少，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都等于三相总的有功功率。

总的来看三相电路中电源和负载之间没有无功能量的传递，各相的无功能量是在三相之间来回往返的，在总的负载侧也就无需设置无功储能元件。

因此，需要将三相各部分统一处理，而SVG正是将三相的无功功率统一处理的装置。

理论上来说，SVG直流侧无需储能元件，但由于实际电路中存在谐波，能量会在SVG与电源之间交换。

因此，通常会在SVG 的直流侧接上一定容量的储能元件（电容或电感），但这种储能元件的容量远比SVG所能提供的无功容量小的多。

SVC所需储能元件的容量要大于等于其能提供的无功功率的容量。

因此，同容量条件下，就储能元件的体积大小而言SVG 要比SVC要小的多。

电流型桥式电路发生短路故障时危害比较大，且效率低。

所以在实际工程应用中大都采用电压型桥式电路。

本文也将只对采用自换相的电压型桥式电路的SVG 进行研究。

2.2.静止无功发生器的基本工作原理SVG的工作原理就是将自换相逆变器主电路通过电抗器并联在电网上，适当地调节逆变器主电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者通过对其交流侧电流直接控制，近而可以使该SVG发出或吸收目标无功电流，实现动态无功补偿。