无功补偿技术

无功补偿技术的综述

姓名：吴维康

学号： 1609110231 专业：电气工程及其自动化学院：数理与信息工程

摘要:

分析了无功补偿的必要性,介绍了不同时期的无功补偿技术,以及应用于无功补偿的不同信号检测技术的各自优缺点。同时介绍了无功补偿装置自身谐波消除技术。最后分析了无功补偿技术的发展方向。

关键词:

无功补偿;无功功率;谐波消除;逆变器

1.引言：

在电力系统中,异步电动机和变压器等设备要消耗大量的无功功率。这些无功功率如果不能及时地得到补偿的话,会对电网的安全、稳定运行产生不利影响:首先,无功功率的增加会导致电流的增大,这不仅使设备及线路的损耗增加,而且还会威胁到设备的安全运行;另外,电流和视在功率的增大也会导致发电机、变压器及其他电气设备容量的增加,同时,电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大,这使电网的经济运行大打折扣;另外,无功储备的不足会导致电网电压水平的降低。如果是冲击性的无功功率的负载,还会使电压产生剧烈的波动,例如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击,使电网的供电质量更加恶化。

随着经济的发展,人们对电能质量的要求越来越高,而保持适量的无功裕度是电网安全、稳定、经济运行的重要保障。鉴于以上所述种种危害,如何快速有效地补偿电力系统中的无功负荷,是我们相关科研人员正在研究和亟待解决的问题。

2早期的无功补偿技术

2.1同步调相机

同步调相机相当于空载运行的同步电动机。在过励磁运行时,它向系统供给感性无功功率,提高系统电压;在欠励磁运行时,它从系统吸取感性无功功率,降低系统电压。它有利于提高系统的稳定性,虽然目前仍有使用,但运行维护比较复杂,而且技术上已显得落后。

2.2静电电容器

静电电容器可以改善线路参数,减少线路感性无功功率,补偿系统无功。但由于它供给的无功功率与节点电压的平方成正比,当节点电压下降时,它供给的无功功率反而会减少,所以电容器的无功功率调节性能比较差。但由于维护比较方便,装设容量可大可小,既可集中使用、又可分散装设,所以目前仍是我国主要的补偿方式。

3基于柔性交流输电系统(FACTS)的无功补偿技术

柔性交流输电系统是随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的广泛应用而产生的。目前基于FACTS技术且应用于无功补偿最为广泛的是静止无功补偿器(SVC)。SVC常用的有以下几种形式:固定电容加晶闸管控制电抗器型(FC+TCR)、晶闸管开关电容器型(TSC)、饱和电抗器型(SR)以及混合型(TCR+TSC)。

FC+TCR型补偿器由TCR和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角,既可以向系统输送感性无功电流,又可以向系统输送容性无功电流。由于该补偿器响应时间快(小于半周波),灵活性大,而且可以连续调节无功输出,所以目前在我国的电力系统中应用最为广泛。但该补偿装置输出的电流中含有较多的高次

谐波,而且电抗器体积大,成本也比较高。

TSC型补偿器由一组并联的电容器组成,每一台电容器都与双向晶闸管串联。这里的晶闸管仅起开关的作用,以替代常规电容器所配置的机械式开关。在运行时,根据所需补偿电流的大小,决定投入电容的组数。由于电容是按组投切的,所以会在电网中产生冲击电流。为了实现无功电流尽可能的平滑调节,有两个解决办法:首先可以增加电容的组数,组数越多,级差就越小,但这必然会增加运行成本,如何协调二者的关系,是电网公司应该考虑的问题;其次就是要把握电容器的投切时间。研究表明,最佳的投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻,也就是电容器两端电压等于电源电压的时刻。所以TSC一般都是采取过零投切的。

TCR+FC型和TSC型补偿器都能有效的补偿系统中的无功电流,但各有自己的缺点,TCR+FC型补偿器容易产生谐波,而TSC型补偿器对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制。二者的缺点正是对方的优点,所以TCR+TSC型补偿器应运而生。由TCR提供可调的感性无功功率,FC提供容性无功功率,同时作为5、7次谐波的滤波器,当FC提供的容性无功不足时,TSC投入运行。我国武汉凤凰山500kV变电站采用的就是TSC+TCR型补偿器。

SR型补偿器中,由饱和电抗器和串联电容器组成的回路具有稳压的特性,能维持连接母线的电压水平(其中的串联电容器是用来校正饱和电抗器伏安特性的斜率),对冲击性负荷引起的电压波动具有补偿作用。与其并联的滤波电路能吸收谐波并校正功率因数。SR型补偿器具有快速、可靠、过载能力强、产生谐波小等优点。另外,SR还具有有效抑制三相不平衡的能力,当电网三相电压不平衡时,饱和电抗器的三相呈现不同的饱和程度,使三相电压趋于平衡。目前应用中的SR补偿器通常采用二三柱和三三柱饱和电抗器。由于运行中电抗器长期处于饱和状态,铁芯损耗较大,而且饱和电抗器的造价较高,所以目前国内应用较少。

所有形式的SVC都属于并联无功补偿装置,补偿原理都是通过控制晶闸管的触发角,改变接入电网中的等效电纳,从而达到调节输出无功的目的。但这些SVC设备之所以能产生感性无功功率,依靠的仍然是其中的电容器。这就导致SVC与静电电容器有着同样不可逾越的障碍,即当电压水平过于低下,急需无功补偿时,补偿器的输出反而会减少。

4基于电力电子逆变技术的无功补偿技术

静止无功补偿器(SVC)虽然能对系统无功进行有效的补偿,但是由于换流元件没有断流能力,使其容易对电网产生较多的谐波电流,而且对电网电压波动的调节能力不够理想。

随着大功率全控型晶闸管GTO及IGBT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正成为研究的热点。

4.1静止无功发生器(SVG)

静止无功发生器又称静止无功调相机,也是柔性交流输电系统的重要装置之一,已在日本、美国、德国相继得到成功应用。SVG可以分为电压型和电流型两种类型,直流侧分别采用电容和电感作为储能元件。电压型由于结构简单、能量损耗小、成本低而且易于控制,所以采用电压型逆变器的SVG较多。

下面以电压型为例说明SVG的工作原理。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。由文献[1]可知,SVG向系