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1、动态无功补偿装置应用及发展11页动态无功补偿装置应用及发展1. 背景一般说来，“教师”概念之形成经历了十分漫长的历史。杨士勋（唐初学者，四门博士）春秋谷梁传疏曰：“师者教人以不及，故谓师为师资也”。这儿的“师资”，其实就是先秦而后历代对教师的别称之一。韩非子也有云：“今有不才之子师长教之弗为变”其“师长”当然也指教师。这儿的“师资”和“师长”可称为“教师”概念的雏形，但仍说不上是名副其实的“教师”，因为“教师”必须要有明确的传授知识的对象和本身明确的职责。 近年来，各电力用户对电能质量的要求越来越高，对电能应用过程中出现的各种电能质量问题越来越重视。这是因为一方面现代化生产过程中所使用的各种先

2、进设备对供电质量的敏感性不断增加。传统的机电设备对供电质量的要求低，能在较大变化范围的供电质量下正常工作，但现代广泛使用的自动化流水线生产线、以微处理器为核心构成的各种电气设备、精密加工仪器、机器人等先进技术，他们能否正常工作都取决于是否有高质量的供电。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障，重则造成整个系统的损坏，由此带来的经济损失难以估计。另一方面大量以提高生产效率，减少环境污染而采用的基于电力电子技术的现代化设备正成为主要的电能质量问题的根源。比如工业系统中各种调速设备正在取代传统的电动机直接驱动方式成为主流，相应地所带来了谐波、无功、闪变、三相不平衡等电能质量问题。也就是说新型的电力电

3、子设备具有双面性，它既是电能质量的敏感对象，也是电能质量的污染源。唐宋或更早之前，针对“经学”“律学”“算学”和“书学”各科目，其相应传授者称为“博士”，这与当今“博士”含义已经相去甚远。而对那些特别讲授“武事”或讲解“经籍”者，又称“讲师”。“教授”和“助教”均原为学官称谓。前者始于宋，乃“宗学”“律学”“医学”“武学”等科目的讲授者；而后者则于西晋武帝时代即已设立了，主要协助国子、博士培养生徒。“助教”在古代不仅要作入流的学问，其教书育人的职责也十分明晰。唐代国子学、太学等所设之“助教”一席，也是当朝打眼的学官。至明清两代，只设国子监（国子学）一科的“助教”，其身价不谓显赫，也称得上朝廷要

4、员。至此，无论是“博士”“讲师”，还是“教授”“助教”，其今日教师应具有的基本概念都具有了。 基于电力电子新技术成功解决实际生活环境中看得见的污染的同时造成了电力系统中看不见的污染，污染问题不是得到了解决，而是在一定程度上进行了形式的转换。因此用户端大量非线性负荷正式成为新型电能质量恶化的主要因素。不论是低压小容量家用电器还是高压大容量工业交直流变换装置中存在的各种变流器，它们都以开关方式工作，会引起电网电流、电压波形的畸变。如电弧炉、弧爆设备等是主要的冲击源、谐波源和不平衡源。“师”之概念，大体是从先秦时期的“师长、师傅、先生”而来。其中“师傅”更早则意指春秋时国君的老师。说文解字中有注曰：

5、“师教人以道者之称也”。“师”之含义，现在泛指从事教育工作或是传授知识技术也或是某方面有特长值得学习者。“老师”的原意并非由“老”而形容“师”。“老”在旧语义中也是一种尊称，隐喻年长且学识渊博者。“老”“师”连用最初见于史记，有“荀卿最为老师”之说法。慢慢“老师”之说也不再有年龄的限制，老少皆可适用。只是司马迁笔下的“老师”当然不是今日意义上的“教师”，其只是“老”和“师”的复合构词，所表达的含义多指对知识渊博者的一种尊称，虽能从其身上学以“道”，但其不一定是知识的传播者。今天看来，“教师”的必要条件不光是拥有知识，更重于传播知识。 电能质量是一个本身模糊的概率，所以不同的人从不同的角度出发给

6、出了许多不同的定义，但是电能质量可用功率因数、电压波动、谐波含量、闪变、负序电流和三相不平衡度等指标来表示。1.1. 电能质量问题及危害在我国当代的主要电能质量问题是无功和谐波，涉及负序和电压波动和闪变等方面，主要表现如下：(1)功率因数功率因数是供用电系统的一个重要技术经济指标，用电设备在消耗有功功率的同时，还需要大量的无功功率功率由电源端送给负荷，功率因数反映的是用电设备在消耗一定的有功功率的同时所需的无功功率。用电设备大都为感性负荷，功率因数低引起线路电流增大，使得供配电设备的容量不能充分利用，降低了系统的供电能力；电流有效值增大，使得设备和线路的损耗急剧增加、电压损失加大，使得负载端的

7、电压质量下降；对发电机而言，无功电流增大，使电机的去磁效应增加，端电压降低，使得发电机的出力降低。(2)谐波含量工业的发展使得越来越多的电力电子设备及其非线性负荷在电网中获得应用，这也使得谐波污染问题更加凸显出来。谐波不仅会造成电网污染和危害电力系统正常运行外，还会带来大量谐波损坏，浪费能源，并危害各种节电设备。谐波会引起电网的附加损耗，一般来说，谐波电流和基波电流相比所占比例不大，但是谐波频率高，导线的集肤效应使得谐波电阻增加很多，因此由谐波产生的损耗也大；谐波会引起旋转电机和变压器的附加损耗，谐波对旋转电机和变压器的影响主要是引起附加损耗过热，其次是产生机械振动、造成和谐波过电压，这些都会

8、缩短电机或变压器寿命，严重时还会损坏电机或变压器谐波对电力设备的危害大，谐波存在会对电力设备造成损坏，加速绝缘老化，谐波叠加后的电压峰值会降低其绝缘性能，严重的谐波过流使得设备的损耗增加，发热加剧；谐波干扰通讯和继电保护等设备，谐波对计算机、通讯、继电保护、电表等弱点设备进行干扰，影响正常的工作和生活。(3)负序电流由于单相负荷和三相不对称负荷的使用，产生了较大的负序电流。较大的负序电流使得旋转电机产生逆向旋转磁场，导致转子产生谐波电流，电机热功率增大，功率降低；负序还容易导致电力系统以负序为启动的继电保护误动作；负序造成电力系统容量和设备容量利用率低，还造成附加损耗，造成电压不对称，降低发电

9、机和电动机出力等不良影响。(4)电压波动和闪变电压波动和闪变的出现是供电系统的特征造成的，任何负荷的改变都会造成电压的波动。波动和闪变主要是由于负荷在0.01秒到数十秒时间内重复反复变动，或由于偶然暂态过程，如电机启动造成。如果这类负荷容量较大将足以通过公共阻抗引起同一公共母线连接点处的电压波动和闪变。大型冶炼厂的电弧炉、大型采矿转绕电动机工作具有不确定性和重复性，是主要的波动和闪变来源。波动和闪变的主要危害是损害人体的健康和视觉功能。因波动和闪变造成的白识灯发光不稳定，计算机显示屏闪烁将影响人的视力。因此，电能质量问题给电力系统和用户都造成了多方面的危害。这些危害轻则造成电能损耗的增加和产品

10、质量的下降；重则造成企业的生产中断和停顿，甚至发生电网解列，出现像美加大那样的停电事故，破坏经济、社会和生活的正常秩序，造成重大的经济损失和深远的社会影响。这种巨大的无形损失远大于直接损失动态电能质量问题已经成为目前影响供电可靠性的主要干扰，这是现代信息化社会供电质量问题不同于以往任何时代的特征。如何改善动态电能质量问题将是提高供电质量至一个全新水平的关键所在。1.2. 解决方案现代电能质量问题因电力电子技术的应用而产生，而治理这些电能质量问题也可以通过基于电力电子的补偿技术来解决。针对当前最突出的无功问题采用无功补偿技术，釆用电力电子装置就近吞吐无功从而是提高功率因数。无功补偿装置有串联补偿

11、和并联补偿两种，串联补偿需将补偿装置串入高压系统，对补偿装置的耐压水平和可靠性有很高需求，一旦补偿装置发生故障，将会导致整条线路的故障，增加电网的风险性。而并联补偿出现故障只会影响补偿效果，并不会造成停电停产的问题，在电力电子及其控制技术还不完善的今天，并联补偿是配电网补偿的首选。目前，采用较为广泛的并联无功补偿方式主要有以下几种：(1)同步调相机同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，而且对变化的无功功率也能进行动态补偿。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，从系统吸收感性无功功率，降低系统电压。至今在无功补偿领域中这种装

12、置还在使用，但其运行维护比较复杂，且总体上说这种补偿手段已显落后。(2)开关投切电容器（Mechanically Switched Capacitor-MSC）设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法之一，目前在国内外得到广泛应用。这种方法有集中补偿、分散补偿、就地补偿三种方式。设置并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点。但由于电容器供给的无功功率与节点电压成正比，当节点电压下降时，供给无功反而减少，无功功率调节性能较差，还有可能与系统发生并联谐振异致谐波放大。 (3) 静止无功补偿器(Static Var Compensator-SVC)静止无功补偿装置或称SVC，是相对于调相

13、机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿(可提供可变动的容性或感性无功)的装置。1967年，第一台静止无功补偿装置在英国研制成功以后，受到世界各国的广泛重视，西德、美国、日本、瑞典、比利时、苏联等国竟先研制、大力推广，使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力，广泛用于电力、铁道、科研等部门，成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压、改善运行条件的有效设备。随着柔性交流输电(FACTS)概念的提出，特别是电力电子技术得到长足发展以后，静止无功补偿装置(SVC)有了很好的发展。在工业界，静止无功补偿装置通常是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，它包括晶闸管投切电容器(Thyr

14、istor Switched Capcitor-TSC)，晶阐管控制的电抗器(Thyristor Controlled Reactor-TCR)，可控硅控制高漏抗变压器(Thyristor Controlled Transformer， TCT)，自饱和电抗器(Saturated Reaetor， SR)及其通过相互结合改装的的静止无功补偿器(TCR+FC和TSC+TCR)。(4)静止无功发生器(Static Var Generator-SVG)使用晶闸管对电抗器进行实时控制和投切，构成晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)，可以根据电网中无功功率的状况进行补偿。但在实际应用中

15、，SVC离不开具有时滞特性的大容量器件，不能做到瞬时无功控制。随着大功率全控型晶闸管(GTO)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术(PWM)，四相限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，一种以此为基础的更为先进的无功补偿装置静止无功发生器(SVG)出现了。其基本原理就是将换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，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。无功补偿装置的发展历程如图1.1所示。图1.1 无功补偿装置发展历程目前，由于电能质量要求不断提高，电网不断发展，对无功补偿装

16、置的性能也更加严格，所以同步调相机和并联电容器的应用逐渐减少，SVC和SVG成为重点研究和开发对象。2. SVG技术及设备SVG的发展源于SVC，又不同于SVC，其具有自己独特的原理性能。2.1. SVG的基本原理1.1.1. SVG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3.1所示。a）采用电压型桥式电路 b）采用电流型桥式电路图3.1 SVG的

17、电路基本结构图在单相电路中，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

18、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。1.1.2. SVG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。 SVG通过控制电力半导体开关器件的通断完成将直流侧电压转换成交流

19、侧输出电压（频率同电网相同）。因此，正常工作时 SVG就像一个交流侧输出接电网的电压型逆变器。当仅考虑基波频率时，SVG可以等效为一个与电网电压同频率的交流电压源，且这个电压源的幅值和相位是可控制的。 图 3.2 为SVG的工作原理图（忽略其损耗时）。其中，：电网电压；：SVG 输出的交流电压；：电抗器L上的电压（和的相量差）。由基尔霍夫电压定律可得，为接电抗器上通过的电流，也是SVG从电网侧吸收的电流，控制近而可以控制。如图3.2所示在不考虑逆变器的损耗和SVG本身损耗，并将连接电抗器视为纯电感时，SVG不从电网吸收能量。在上述情况下，只需使和同相位，仅改变的幅值大小即可实现 SVG 从网侧

20、吸收的电流的大小和方向的控制。具体控制相量原理如图3.2（b）所示。当时，电流超前电压 90，工作在容性工况下，吸收容性无功； 当=时，电流电压同相，不吸收无功。a）单相等效电路 b）向量图图3.2 SVG等效电路及工作原理图（不计损耗）在考虑损耗情况下，（如连接电抗器的损耗、逆变器本身的损耗），并将总的损耗等价为连接电抗器的电阻，在如此情况下SVG的等效电路如图3.3（a）所示，其工作原理如图3.3（b）所示。a）单相等效电路 b）向量图图3.3 SVG等效电路及工作原理图（计及损耗）由图3.3 可知，此时与相差90，与相差比 90略小角，因此，必须有有功功率交换来供给整个装置的器件及开关损

21、耗。也就是说，电流既有无功分量也有一定量的有功分量。与的相位差也是角。由图3.3（b）所示其工作原理经计算可得SVG从电网吸收无功公式：。 调节即可调节 SVG 从电网吞吐无功功率，如图3.3（b）所示。 当 0时，Q 时。SVG工作于容性工况，i 超前，吸收容性无功； 当 0时，Q 0，即当时。SVG工作于感性工况，i 滞后，吸收感性无功； 当= 0时，SVG不吸收无功。 在图3.4 中，将SVG本身的损耗也等价到连接电抗器电阻中考虑。事实上，这部分损耗发生在逆变器内部，应该由逆变器从交流侧吸收的有功能量补充。因此，实际上与的相位差比90略小。 工程实际中还有一种在直流侧并联直流电压源（如蓄

22、电池）提供损耗能量的方案。其工作原理图如图3.4所示。在相位上，电流与网侧电压相差90，与变流器输出电压的相差90+。图3.4 损耗能量由直流侧电源提供时SVG的工作向量图2.2. SVG的优缺点SVG是在SVC的基础上发展起来的一种无功补偿装置，其具备一些SVC的基本性能，但也具备许多SVC不具备的优缺点。1.1.3. SVG的优点跟其它静止无功补偿装置相比，SVG具有明显的优势：它的性价比更高，性能更好，功能更强大，能同时解决多种配电网的电能质量问题如电网中同时存在的三相电压不平衡、电压波动与闪变、电流畸变等电能质量问题。由于SVG性能的优越性，现在受关注和应用的程度越来越多了，SVG主要

23、有特点：(1)补偿能力强：输出的无功容量与电网电压频率的变化关系不大。SVG接入电网相当于在电网中接入了一个电压源，它的输出特性不受电网的影响，只与自身开关器件的影响有关。(2)稳定性好：不会与电网中的器件发生谐振。尽管SVG以并联的方式接入电网，但是它接入电网是通过一个电抗器连接的，同时SVG中电容的容量比较小，是不可能与电网中的器件发生谐振的。(3)谐波特性好：SVG输出电流完全可控，可以输出接近正弦的基波无功电流。可以从额定的感性工况到额定容性工况连续输出，与固定电容器或电抗器组合可构成任意范围连续补偿。特别的，链式结构的SVG，由于不需要连接变压器，而且等效开关频率高，可实现谐波补偿功

24、能。(4)响应时间快：SVG从信号触发到稳定需要的时间通常只要几十个微秒，暂态特性较好。而且，SVG可迅速改变无功电流方向，因此具有很大的动态调节范围。(5)启动冲击小：SVG采用自励方式启动，速度快且冲击电流可限制在很小的幅值，减小对电网的冲击，有利于电网的稳定运行。(6)可靠性高：SVG可等效为一个可控电流源，对外部系统运行条件和结构变化不敏感，当外部条件发生变化时，不会出现振荡现象。1.1.4. SVG的缺点虽然SVG与传统无功补偿装置相比，优势特别明显，但是在实际应用中以下因素的制约限制了它的广泛应用：(1)成本高：SVG的控制开关采用GTO、IGBT等功率电子器件，造价昂贵，且容易损

25、坏。所以单位容量无功造价由SVG产生的比传统无功补偿装置高的多。对许多用户来说，在对电能质量要求不高的情况下，很少选择价格昂贵的SVG进行无功补偿。(2)补偿容量小：SVG是由IGBT等可关断的电力电子器件构成的，由于这些可关断的电力电子开关器件的容量比较小，比普通晶闸管的容量要小很多，这就限制了SVG的容量。虽然可以采用这些可关断开关器件的串并联进行扩容，但是这将会增加控制的难度和投入的成本。(3)控制很复杂：SVG装置由于开关器件的耐压性能限制，通常由多个模块串并联组成，并且线路中用电容作为电源分压。这将导致控制其无功和有功通道的解耦非常复杂。而其它阻抗型无功补偿装置，就不会有解耦的问题。

26、 (4)散热性能要求高：SVG使用GTO等可关断功率器件，存在通态损耗、开关损耗、断态漏电流损耗和驱动损耗等，这些损耗都最终转换为热能。所以SVG装置需要有良好的散热性能，否则会导致装置内部温度升高，使得器件损害，最终导致无功补偿装置，威胁电网稳定性。(5)电磁干扰强：由于SVG主逆变电路采用PWM控制方式，IGBT工作频率较高，当根据给定频率和幅值指令产生预期的和重复的开关模式时，其输出的电压和电流的功率谱是离散的，并且带有与开关频率相应的高次谐波群。高载波频率和场控开关器件的高速切换(dv/dt可达1kV/us以上)所引起的辐射干扰问题相当突出。由于SVG逆变电路功率较大，对其他电气设备干

27、扰性较强，其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分传导(即电路耦合)、电磁辐射、感应耦合。SVG的厂商目前在国内，机械投切电容器和晶闸管投切电容器的SVC动态无功补偿装置占据了一定的市场份额，SVG装置也开始出现并大量使用。国内有几个500KV，容量在105Mvar到108Mvar的SVC装置。低电压的SVC装置已经能够国产化。但是高电压等级的补偿装置，国外的企业占据技术优势。国内无功补偿行业的公司有思源电气、荣信电力电子、恒顺电气、和顺电气、泰开电气、时代集团、南瑞电力保护、龙华电力、清华电子、银湖电气、鲁电汇达电气、电科院等，国内对无功补偿的研究热情也逐年递增。其中鞍山红一变（35KV

28、，100Mvar）是由电科院制造的第一套国产化SVC装置。1995年清华大学和河南省电力局共同研制的20Mvar的SVG装置并网运行，2019年上海电网黄渡分区50Mvar的SVG示范工程由国家电网公司主持通过，这些表明中国的SVG装置在国内已经开始探索使用。国外无功补偿技术的发展起步较早，ABB公司20世纪50年代开始生产的SVC设备占据无功补偿领域一半以上的份额。上世纪70年代西门子公司开始生产SVC装置，也占据不少份额，并在美国安装了当时世界上最大容量的SVC系统。1980年日本达的一个电力公司与三菱电机公司研制了世界上第一台容量为20Mvar的SVG样机。1986年美国研制成功1Mva

29、r首台采用GTO控制的SVG装置，该装置由美国国家电力研究院和西屋公司研发。1991年80MvarSVG装置由日本研发成功，并在犬山变电站投运。1996年美国国家电力研究院与田纳西电力局、西屋公司合作，在Sullivan500kv变电站建造了100Mvar的SVG设备，随后几年，日本，德国，法国等国相继推出各自的SVG产品，大多采用GTO和IGBT等全控型器件。国外在无功补偿领域具有领先优势。2.3. SVG的发展趋势由于SVG的优越性能，受到国内外专家广泛的关注，并且取得了诸多的成果，特别是在数学模型的建立，物理模型的研究及控制方法方面。近年来对 SVG 的研究主要有对SVG的主电路结构的研

30、究、对新的电力电子器件在 SVG 中的应用研究、以及对SVG控制策略的研究等。 （1）对SVG的主电路结构的研究，早期：多重化的方波逆变器；现代：主要以PWM逆变器形式，并将多电平与多重化结合。 （2）对新型电力电子器件在SVG中的应用研究，早期：以GTO为主；现代：趋向IGBT和IGCT，但GTO仍在使用。容量较小为如几十兆伏安以下的场合，采用IGBT的趋势更多。 （3）对SVG控制策略的研究：SVG的控制器设计方法大致集中于以下几个方面； 线性 PID 控制从已公开投运的SVG来看大部分的控制器设计，都是采用经典PID。它们要么对PI控制进行局部改进，要么引入PSS辅助线路。优点：维持接入

31、点的电压基本不变。缺点：进行了局部线性化变换，近而限制了SVG的使用范围，尤其在扰动比较大情况下，很难保证系统电压的稳定性。 最优控制有关文献研究表明有将SVG和发电机的电压调节器（励磁控制器）相配合的控制方式。优点：提高电压的稳定性，提高系统的阻尼系数。缺点：基于局部线性化模型的设计，在强耦合、非线性的电力系统中控制效果差。 自适应控制自适应控制在某种意义上克服了经典PID控制过分依靠精确数学模型（被控对象）的缺点。优点：控制效果优于基于固定参数的控制，在较大的扰动下，仍具有良好的稳定性。缺点：控制方法比较复杂，在实际应用中会影响控制速度和控制精度。 微分几何控制优点：克服了局部线性化法的局

32、限性。缺点：设计时系统参数必须确切可知，在一个强耦合的非线性的电力系统中很难做到；不考虑接入点的电压，无法保证接入点的电压动态响应良好。 智能控制 优点：解决了因控制对象具有高度复杂性和不确定性而引起的控制方法应用上困难的问题，尤其是将模糊控制与经典PID控制相结合产生的各种改进算法。这种控制方法，不需要电力网络和SVG的精确数学模型，具有良好的鲁棒性，在一定程度上解决了由于电力系统强耦合、非线性所带来的控制器设计上的难题。（4）混合式动态无功补偿装置混合式动态无功补偿装置由两部分单元组成静止无功发生器单元、投切型电容器/电抗器无功补偿单元。原理结构图如下：图4.1 混合式动态无功补偿装置原理结构图混合式动态无功补偿装置中，静止无功发生器、投切式无功补偿器各单元之间通过控制总线进行