動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一些靜止形態(tài)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。電力電子裝置不僅可以發(fā)送而且還可以吸收無(wú)功功率，其本身也成為產(chǎn)生無(wú)功的功率源。在許多情況下，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償有功功率或在補(bǔ)償無(wú)功的同時(shí)也補(bǔ)償部分有功功率，對(duì)改善電能質(zhì)量會(huì)有更好的效果。隨著電網(wǎng)中精密電能用戶的增多，要求電網(wǎng)必須提供與用戶所要求的質(zhì)量指標(biāo)相適應(yīng)的電能。近年來(lái)，為了進(jìn)一步提高配電電能質(zhì)量指標(biāo)，出現(xiàn)了多種動(dòng)態(tài)的改善電能指標(biāo)的電力電子設(shè)備。這些提高電能質(zhì)量和供電可靠性的技術(shù)稱為契約電力(custompower)。補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展的初期，人們已經(jīng)注意到補(bǔ)償無(wú)功功率和補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)存在某些相同的效果，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生更適合用戶的效果，因此，補(bǔ)償參數(shù)技術(shù)在電網(wǎng)中有著重要的應(yīng)用領(lǐng)域。最常用的是串聯(lián)電容輸電補(bǔ)償，他對(duì)減少電壓變動(dòng)，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性起到重要的作用。本文對(duì)電力系統(tǒng)中為提高電能質(zhì)量所使用的各種補(bǔ)償技術(shù)及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式作了概括性的介紹，重點(diǎn)敘述了補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展及其技術(shù)前景，討論了正在開展的新的補(bǔ)償技術(shù)以及補(bǔ)償用能源的合理使用，并表明了對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)中應(yīng)用各種補(bǔ)償方式的看法和評(píng)價(jià)。電力電子技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)和用戶后使電網(wǎng)上產(chǎn)生了更多的無(wú)功和諧波，而用于濾波的技術(shù)實(shí)際上與補(bǔ)償技術(shù)是相互聯(lián)系也是相互影響的，因此，對(duì)濾波技術(shù)的進(jìn)展也作了介紹。1并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償1.1同步調(diào)相機(jī)同步調(diào)相機(jī)是最早用于電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，適合于電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)。但調(diào)相機(jī)的反應(yīng)速度較慢，因此對(duì)瞬時(shí)電壓波動(dòng)效果較差。他以勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)來(lái)改變發(fā)出電壓，從電壓的幅值大小決定無(wú)功功率的輸出，同步電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行需要很大的維護(hù)工作量，這是他的弱點(diǎn)。同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行中轉(zhuǎn)子有慣性，在故障瞬間調(diào)相機(jī)向系統(tǒng)輸出短路電流，增大系統(tǒng)的短路容量。對(duì)系統(tǒng)容量偏小而且電網(wǎng)短路電流不夠大的電網(wǎng)(如直流輸電的受端)，同步調(diào)相機(jī)還是有顯著作用的。但是，在一般電網(wǎng)中，由于短路容量往往偏大，甚至于需要采取限流措施，不適合采用同步調(diào)相機(jī)。目前，除了需要加大短路容量外，作為無(wú)功和電壓補(bǔ)償?shù)耐秸{(diào)相機(jī)已經(jīng)被完全淘汰。1.2靜止無(wú)功補(bǔ)償器(staticvarcompansator，SVC)平滑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是指所補(bǔ)充進(jìn)電網(wǎng)的無(wú)功電流，他是按照電網(wǎng)無(wú)功需求的變化而變化的。由于無(wú)功是與電壓直接聯(lián)系的，所以調(diào)節(jié)無(wú)功在很大程度上是為了系統(tǒng)電壓的質(zhì)量和電壓支撐。靜止無(wú)功補(bǔ)償器目前主要有以下2種類型，一種是品閘管投切電容器(TSC)，另一種是品閘管控制電抗器(TCR)。TSC與普通電容器不同之處，在于用晶閘管代替了斷路器作電容器組的投切。TCR則連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器電流大小，使無(wú)功按要求變化，下面分別說(shuō)明其特點(diǎn)。1.2.1晶閘管投切電容器(TSC)電容器組的投切開關(guān)處用晶閘管開關(guān)取代了機(jī)械式的開關(guān)，例如油斷路器或真空斷路器。晶閘管開關(guān)由反并聯(lián)的晶閘管組成，也可以用一只晶閘管與一只二極管反并聯(lián)。TSC用的晶閘管只有2個(gè)狀態(tài)，導(dǎo)通和斷開。晶閘管由一個(gè)控制器控制。用晶閘管開關(guān)取代普通有接點(diǎn)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是，在投切過(guò)程中沒有沖擊電流和過(guò)電壓，這是由于電容器的接入是在晶閘管兩端電壓過(guò)零瞬間完成，而電容器的切斷是由晶閘管在電流過(guò)零時(shí)完成。這樣電容器可以任意頻繁的投切。由于與TSC相連的由一般斷路器投切的電容器或電纜線路會(huì)向TSC放電，因此，在TSC的電容器電路上串聯(lián)有電抗器，他既可限制放電電流也能防止電容器組產(chǎn)生某些次諧波的諧振_圖1是2種主要的TSC電路?！餍谓泳€電路的TSC可以在任何電網(wǎng)使用。Y0形接線電路的TSC則只能用在電源變壓器有中心點(diǎn)連出的系統(tǒng)中。目前，Y0接線只用在低壓系統(tǒng)。圖2是國(guó)產(chǎn)10kV，1000kvar的TSC裝置，他采用電磁觸發(fā)和自然用冷卻，這種選擇對(duì)較小的容量較為適宜。對(duì)于TSC的使用范圍，最近比較通行的看法是用在低壓系統(tǒng)，即在600V及以下電壓等級(jí)系統(tǒng)中用一臺(tái)或多臺(tái)TSC控制無(wú)功和電壓是既經(jīng)濟(jì)又可靠的選擇。1.2.2晶閘管控制電抗器(TCR)TCR是靜止補(bǔ)償器中的重要組成員，他調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角度以改變電抗器電流。TCR總與電容器并聯(lián)使用，當(dāng)系統(tǒng)需要較多電容時(shí)，TCR使電抗電流減小，若系統(tǒng)需求電容電流下降，TCR則使電抗電流加大，用電抗電流多抵消電容電流，這相當(dāng)于使接入系統(tǒng)的電容電流減小。TCR本身會(huì)產(chǎn)生諧波，所以，往往用濾波器代替部分并聯(lián)的電容器組，也可用TSC。在電容器組切除后，TCR可以接受感性無(wú)功，這樣，在電網(wǎng)夜間電壓過(guò)高時(shí)，TCR可以起到降低受端電壓的作用。圖3是TCR及其系統(tǒng)接線。其中，變壓器可以是任何一種接線。濾波器除濾掉TCR產(chǎn)生的諧波外，也要濾掉負(fù)荷所產(chǎn)生的部分諧波，要根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)考慮濾除諧波的次數(shù)。TCR和TSC都可以分相調(diào)節(jié)，也就是可以按每相電壓或無(wú)功的要求確定。瞬時(shí)補(bǔ)償無(wú)功量。他們都有減小不對(duì)稱電流和電壓的效果，并且具有在不對(duì)稱故障時(shí)支撐電網(wǎng)電壓的作用，使電網(wǎng)不因電壓崩潰而失步。1.2.3晶閘管投切濾波器(TSF)晶閘管投切濾波器在結(jié)構(gòu)上與晶閘管投切電容器TSC相同，但其參數(shù)不同，且有獨(dú)特的運(yùn)行狀態(tài)。TSC和TSF都有補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功的能力。TSC的電抗器是為了避免電容涌流和躲過(guò)諧振頻率而設(shè)置的。TSF的電抗器是為了使某一次諧波取得低阻抗通道設(shè)計(jì)的。運(yùn)行中TSF可能有大量的諧波流過(guò)，高次諧波電流流過(guò)濾波器時(shí)每基波(50Hz)電流相加使總電流可能產(chǎn)生多次過(guò)零的現(xiàn)象，這時(shí)，要求控制器有按反向電流流過(guò)而給晶閘管觸發(fā)信號(hào)的能力，這要求控制器能在同步之外符合電流方向給以觸發(fā)。雖然，晶閘管投切濾波器是新的技術(shù)，但已經(jīng)顯示出他的重要作用，到目前其的運(yùn)行效果是令人滿意的。1.3無(wú)功發(fā)生器(STATCOM，SVG)隨著電力電子技術(shù)向可控關(guān)斷和快速觸發(fā)方向發(fā)展，有可能制造出動(dòng)作頻率更高的電力開關(guān)器件，從而研究開發(fā)出可以在任何相位運(yùn)行的逆變器。無(wú)功發(fā)生器(SVG)就是一個(gè)可以產(chǎn)生超前電流90°或滯后電流90°的逆變器，同時(shí)，他帶有自整流充電能力。SVG的工作原理是從三相電網(wǎng)上取得電壓向一個(gè)直流電容充電，再將直流電壓逆變成交流電壓送回電網(wǎng)。SVG最簡(jiǎn)單的原理見圖4。如果產(chǎn)生的電壓大于系統(tǒng)電壓，那么變壓器上流過(guò)的電流超前電壓90°，使電網(wǎng)帶上電容性負(fù)荷，或者說(shuō)SVG供應(yīng)無(wú)功；如果產(chǎn)生的電壓小于系統(tǒng)電壓，流過(guò)變壓器的電流滯后電壓90°，使SVG成為電感性負(fù)載，或者說(shuō)SVG吸收無(wú)功。這樣，如果按需要調(diào)節(jié)發(fā)生器的電壓就可以得到適宜的無(wú)功輸出，而且SVG可以在感性和容性間快速連續(xù)調(diào)整。簡(jiǎn)化(略去諧波)后可用向量關(guān)系來(lái)描述上述原理(見圖5)。無(wú)功發(fā)生器的直流側(cè)電容只提供直流電壓，他的電壓則由三相6個(gè)二極管充電得到。因此，在系統(tǒng)電壓下降時(shí)，他仍能供出額定的無(wú)功電流。而靜止補(bǔ)償器類的設(shè)備，其輸出的電流與電壓是成比例減小的。在原理上，無(wú)功發(fā)生器在故障中有更好地支撐電壓的效果。無(wú)功發(fā)生器難于應(yīng)付系統(tǒng)的不對(duì)稱。無(wú)功發(fā)生器在系統(tǒng)電壓不對(duì)稱時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)序電流，這個(gè)電流必須流過(guò)直流電容器，也就是無(wú)功發(fā)生器本身不能承擔(dān)過(guò)大的不對(duì)稱電流。另外，無(wú)功發(fā)生器在系統(tǒng)不對(duì)稱時(shí)產(chǎn)生的不對(duì)稱電流將擾亂系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前采取的方法是，在系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱時(shí)將無(wú)功發(fā)生器自動(dòng)切除。由于電力系統(tǒng)中的故障多數(shù)是不對(duì)稱的，這使得無(wú)功發(fā)生器能產(chǎn)生額定無(wú)功電流的優(yōu)勢(shì)不能充分發(fā)揮出來(lái)。2串聯(lián)電容補(bǔ)償2.1靜態(tài)串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置(SC)從補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)電壓下降的角度看，用電容補(bǔ)償無(wú)功并不能使電壓的變化率減小。如果系統(tǒng)電壓用E表示，電網(wǎng)阻抗是R和X，受端電壓為U，在負(fù)荷電流i和功率因數(shù)cos中時(shí)，電流可以分解成有功電流ip(ip=icos^)和無(wú)功電流iq(iq=isin^)2個(gè)分量。受端電壓與系統(tǒng)電壓之間的關(guān)系其中ipR和iqX二項(xiàng)與U方向相同，是影響電壓降A(chǔ)U的主要成分，而ipX和iqR二項(xiàng)與電壓U垂直，主要生成兩端電壓的角度。，即功率角。有功電流和無(wú)功電流引起的電壓降向量圖見圖6。因此，對(duì)于以改善電能質(zhì)量為目的的補(bǔ)償應(yīng)該主要著眼于ipR和iqX二項(xiàng)。從圖6中可以看出，ipR一般所占比例較小，且不便于補(bǔ)償，因此，補(bǔ)償iqX項(xiàng)是唯一可行的。iq是無(wú)功電流，U是受端電壓，無(wú)功Q=iqU。如果經(jīng)補(bǔ)償使iq減小，也就是無(wú)功Q減小，電壓降分量iqX就可以降低，從而使電壓降減小。如果要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償iq，可采用TCR或TSC裝置隨時(shí)改變電容電流以減小iq，，但TCR和TSC的投資會(huì)大于電容器組。如果用固定電容器補(bǔ)償，有功電流幾乎沒有改變，而無(wú)功電流則成為iq-ic(ic，是電容電流)。在iq=-ic，時(shí)，無(wú)功電流達(dá)到最?。欢鴌q=0時(shí)，無(wú)功電流是一ic，這時(shí)，不僅電壓沒有下降反而會(huì)升高，即用固定電容補(bǔ)償并不能減少電壓的波動(dòng)。同樣，固定電容也不能減少功角6的變化。在電壓降項(xiàng)iqX內(nèi)，不能減小iq時(shí)，用降低X的辦法也是可行的。X是系統(tǒng)電抗，其線路電抗基本是感性的。如果串聯(lián)一組電容器，容抗與系統(tǒng)電抗抵消一部分，使iqX減小，電壓質(zhì)量也會(huì)得到改善。這種串聯(lián)電容補(bǔ)償方法在補(bǔ)償參數(shù)的同時(shí)，由于電抗X減小，使功率因數(shù)也得到改善(從送端看)，而且明顯縮小功角6，因此還可增進(jìn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖7是串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)南蛄繄D。其中U1和I1是未補(bǔ)償前的受端電壓和電流，U2和I2是補(bǔ)償后的電壓和電流。雖然負(fù)荷的功率因數(shù)和功率沒有變化，但受端電壓在補(bǔ)償后明顯提高，也就是電壓降減小。同時(shí)補(bǔ)償后功率因數(shù)也得到提高(從電網(wǎng)側(cè)看)，即中+62中+61。口串聯(lián)電容補(bǔ)償與并聯(lián)電容補(bǔ)償相比較，串聯(lián)電容補(bǔ)償在負(fù)荷變化時(shí)，受端的電壓變化幅度小，他和并聯(lián)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償有相似的功能。但由于串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)稍復(fù)雜，所以推廣較少。國(guó)內(nèi)在80年代初已有成套串聯(lián)電容補(bǔ)償產(chǎn)品供應(yīng)，并經(jīng)國(guó)家鑒定，串聯(lián)補(bǔ)償在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)改善電壓質(zhì)量、增加輸電容量的效果很好。2.2可控串聯(lián)電容補(bǔ)償(TCSC)串聯(lián)電容補(bǔ)償有減小電壓降和減小功角的能力。如果他能夠快速隨電流的振蕩來(lái)改變電容容抗，則既可以阻尼系統(tǒng)的低頻振蕩，從而更加增加系統(tǒng)的輸電容量，也可以抑制串聯(lián)補(bǔ)償引起的次同步諧振，即發(fā)電機(jī)軸系的扭振。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)阻抗參數(shù)X的具體方法是，在串聯(lián)電容器上并聯(lián)一組可控電抗器，借改變晶閘管的導(dǎo)通角改變電感電抗值，從而改變?nèi)菘辜把a(bǔ)償度。補(bǔ)償度定義為k=xc/x。圖8是一相可控串補(bǔ)的電路圖。可控串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備全部置于絕緣平臺(tái)上，按線路絕緣選用支架瓷瓶。因此，電容及電感晶閘管都處于高電位，而控制器裝置則在地面，中間測(cè)量和控制信號(hào)由光纖傳送，也可用電流互感器傳送電流值。巴西南北的500kV聯(lián)絡(luò)線上，始端、末端各配置有一組可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置，中間分布3級(jí)不可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置，輸送容量達(dá)到1300MW。瑞典和美國(guó)電網(wǎng)也都配置有可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置，這項(xiàng)技術(shù)正處在發(fā)展成熟過(guò)程中。由于他的設(shè)置復(fù)雜，因此只適用于長(zhǎng)距離交流輸電線路。當(dāng)線路需要擴(kuò)大傳輸容量、設(shè)計(jì)線路需要輸送超常規(guī)模的負(fù)荷以及系統(tǒng)需要增大暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)，可控串聯(lián)補(bǔ)償是一種可選的方法。和高壓直流輸電對(duì)比，可控串聯(lián)補(bǔ)償有其特點(diǎn)。3動(dòng)態(tài)有功與無(wú)功補(bǔ)償3.1蓄電池儲(chǔ)能補(bǔ)償（BSEE）在美國(guó)加州CHINO地方，有一組蓄電池儲(chǔ)能補(bǔ)償加入了南加州電網(wǎng)。為了補(bǔ)充電力系統(tǒng)峰期電能要求，吸收低谷時(shí)余裕電能。他由一組鉛酸蓄電池和一組逆變器與電網(wǎng)相連接由于蓄電池儲(chǔ)能可以放在負(fù)荷中心附近，而且占地很小，對(duì)周圍沒有污染，因此，用蓄電池儲(chǔ)能補(bǔ)償有功功率余缺效果是很好的。從直流電源到交流的逆變采用多重化方案可以減少逆變過(guò)程中產(chǎn)生的諧波。CHINO的逆變器每相用3個(gè)逆變器，相位分別差20°，三相則需要9個(gè)單相逆變器，再經(jīng)過(guò)3組變壓器的交互接線，使輸電電壓波形較接近于正弦，并且相位變化很小。90年代以前，西柏林也建造了功率為17MW的蓄電池儲(chǔ)能裝置，對(duì)補(bǔ)償有功功率的短缺起到很好的作用。目前蓄電池有向小型化發(fā)展的趨勢(shì)。蓄電池儲(chǔ)能補(bǔ)償也可以補(bǔ)償無(wú)功，只要在逆變器的控制器上改變觸發(fā)角度即可使其成為無(wú)功發(fā)生器，當(dāng)然也可以在補(bǔ)償無(wú)功功率的同時(shí)補(bǔ)償部分有功功率。補(bǔ)償有功功率對(duì)配電系統(tǒng)中線路電阻比較大的情況有很好的效果。目前，由于蓄電池儲(chǔ)能對(duì)時(shí)差電位有特殊的經(jīng)濟(jì)效果，因此，一些企業(yè)在夜間電位低的“谷”位時(shí)段對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，以便在白天電位高時(shí)補(bǔ)償用電，形成了高電位時(shí)使用原位電力的現(xiàn)象，即使加上蓄電池和逆變系統(tǒng)的損耗，這樣仍是合算的。而且，這種行為填補(bǔ)了峰谷需求差，對(duì)電網(wǎng)也是有利的。暫態(tài)有功功率補(bǔ)償對(duì)電能質(zhì)量的影響很大。蓄電池系統(tǒng)對(duì)幾分鐘到幾十分鐘的補(bǔ)償或周期間歇瞬態(tài)電壓波動(dòng)的補(bǔ)償或抑制是極有效的。3.2超導(dǎo)貯能（SMES）當(dāng)溫度降到接近絕對(duì)溫度時(shí)，異體會(huì)呈現(xiàn)沒有電阻的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱作超導(dǎo)。超導(dǎo)的電感線圈中若一旦被注入電流，電流會(huì)長(zhǎng)久的在線圈的閉合電路中循環(huán)流動(dòng)不消失，流動(dòng)時(shí)也不需要電源，這種現(xiàn)象說(shuō)明線圈中存入了磁（電）能。超導(dǎo)在許多領(lǐng)域都有不同目的的應(yīng)用，在電力系統(tǒng)中有超導(dǎo)變壓器、發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)電纜等，用超導(dǎo)儲(chǔ)能作暫態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是一個(gè)較新的方向。超導(dǎo)儲(chǔ)能的特點(diǎn)：他可以快速釋放出大的能量，即有很大的吞吐量；他是一個(gè)電流源，其結(jié)構(gòu)不允許超導(dǎo)線圈斷路。圖9是一個(gè)為了平息系統(tǒng)低頻振蕩的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖。超導(dǎo)線圈L中的電流原來(lái)經(jīng)過(guò)旁路晶閘管的斷路器飽和電抗器電路循環(huán)流過(guò)，一旦系統(tǒng)需要電源，旁路晶閘管關(guān)斷，電流經(jīng)過(guò)十二脈沖橋逆變成交流，并送入電力系統(tǒng)，在消耗功率的同時(shí)循環(huán)電流會(huì)急劇減小，此時(shí)要連續(xù)調(diào)節(jié)十二脈沖橋的觸發(fā)角，以維持應(yīng)有的輸出。美國(guó)西海岸電網(wǎng)在80年代曾利用如圖9所示的超導(dǎo)儲(chǔ)能設(shè)備平抑了該系統(tǒng)0.35Hz的低頻振蕩，該設(shè)備的主要參數(shù)如下：①最大儲(chǔ)能30MJ；②全充電流4.9kA；③線圈電壓2.1kV；④最大磁場(chǎng)2.85T；⑤溫度:4.5K；⑥最大功率10MW；⑦保持電流約1h；⑧線圈電感2.6H。超導(dǎo)最大儲(chǔ)能為30MJ，折成電量雖不足8kWh，但他在很短時(shí)間能釋放出來(lái)，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生極大的阻尼作用。這方面一些發(fā)達(dá)國(guó)家正在進(jìn)行更實(shí)用化的研究，我國(guó)也有研究項(xiàng)目在進(jìn)行中，美國(guó)商品化的是一種小型的超導(dǎo)設(shè)備，目的在于校正電壓波形的瞬態(tài)畸變，如電壓波形上的過(guò)沖或下陷，儲(chǔ)能僅1MJ，暫態(tài)輸出約有1MW。主要用在要求有嚴(yán)格正弦波形和電壓高度穩(wěn)定抗干擾電源的精密電子制造業(yè)上。4動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(dynamicvoltagerectorer，DVR)電網(wǎng)運(yùn)行中不可避免的會(huì)發(fā)生事故和故障，即使可靠性很高的系統(tǒng)仍需要防止事故發(fā)生時(shí)不使影響范圍擴(kuò)大的保護(hù)措施用以分隔事故區(qū)域和無(wú)故障區(qū)域，在事故發(fā)生時(shí)，即使最快速的保護(hù)切斷故障部分也需要零點(diǎn)幾秒，而在這個(gè)時(shí)間會(huì)使許多負(fù)荷受到影響，事故時(shí)的特點(diǎn)是故障電流增大，系統(tǒng)電壓降低，