电气工程及其自动化毕业论文(4)

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1.5.1 并联电容器

利用并联电容器是补偿无功功率的传统方法之一。在电力系统常用的无功补偿设备中，并联电容器的单位容量费用最低，有功损耗最小，运行维护最简便，而目可以分散安装，实现无功就地补偿，获得最好的技术经济效果，此外改变容量也方便，还可以根据主要分散拆迁到其他地点。因此以并联电容器作为无功补偿方式目前在国内外均得到广泛的应用。

下图为电力网中利用并联电容器进行无功补偿的等效电路图及相量图:

a）电路图 b）相量图

图1-3并联电容器补偿无功功率的电路和相量图

由图1-3可以看出，当并联电容器未投入使用时，电力网中的感性无功电流都由系统电源承担，使得系统功率因数较低;并联电容器投入后，向系统供应感性无功功率，分担了系统的绝大部分无功负荷，使得功率因数大大提高。但是在补偿过程中，如果电容的容量过大，就会使补偿后的电流相位超前于电压，出现过补偿，这会引起变压器一次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗，使温升增大，影响电容器的寿命，

因此，在利用并联电容器进行无功补偿时，一定要认真计算补偿容量。

由于电容器只能向系统供应感性无功功率，而且它所供应的感性无功功率与其端电压的平方成正比，所以以并联电容器作为无功补偿方式存在以下一些缺点:首先是电压的调节特性差，当系统因无功负荷过大，出现电压下降时，电容器的无功输出反而减小，这会导致电网电压的进一步下降，从而威胁到整个电力系统的安全运行。其次，当电容器的补偿容量确定以后，其阻抗是固定的，因此在补偿过程中不能跟踪负荷需求的变化，也就是说不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。

1.5.2 同步调相机(Synchronous Condenser-SC)

传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机，它实际上是不带机械负荷，空载运行的同步电动机。它有过激和欠激两种运行方式:在过激运行时，向系统提供感性无功功率，成为无功电源，提高系统功率因数和电压;在欠激运行时，则从系统吸收感性无功功率，成为无功负荷，降低系统电压。只要改变调相机的励磁，就可以平滑地改变其输出无功功率的大小及方向，因而可以

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平滑地调节所在地区的电压，这是同步调相机相对于并联电容器的最大优点。

然而，由于同步调相机属于旋转电机，因此损耗和噪声都很大，运行和维护复杂，而目相应速度慢，在很多情况下己无法适应快速无功功率控制的要求。所以70年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所取代。

1.5.3 静止型无功补偿装置(Static Var Compensator-SVC)

静止型无功补偿器是属于“柔性交流输电系统”(Flexible AC Transmission System-ACTS)范畴的无功功率电源，它有各种不同的形式，日前常用的有饱和电抗器型(SR型)、晶闸管控制电抗器型((TCR型)、晶闸管开关电容器型((TSC型)二种。

早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器((Saturated Reactor-SR)型的，1967年，英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后，各国厂家纷纷推出各自的产品。图 1-4 a)是其等效电路图，由SR

L和若干组不可控电容器组成。与电容C串联的电感f与其构成串联谐振回路，兼作高次谐波的滤波器。而与饱和电抗器串联的电容CSC则用以校正饱和电抗器伏安特性的斜率。图1-4 b)是其伏安特性图，当SR单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其斜率因CSC取值的不同而变化。当电容器单独作用时，补偿器的电流如图中虚线所示，即随其端电压的增大而增大。而补偿器的整体伏安特性则如图中实线所示。可以看出，当系统电压高于参考电压时，补偿器产生感性无功电流，降低系统电压，;而当系统电压低于参考电压时，补偿器则产生容性无功电流，提高系统电压。

a）等效电路图 b）伏安特性图 图1-4 SR型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图

SR型静止无功补偿器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快。但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在

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非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。

进入70年代后，随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，使用晶闸管的静止无功补偿装置受到越来越多的关注并逐渐占据无功功率补偿的主导地位。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。我们日前所说的静止无功补偿装置(SVC)往往专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，主要包括晶闸管控制电抗器((Thyristor ControlledReactor-TCR)和晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor-TSC) 。

TCR型补偿器由TCR和若干组不可控电容器组成。如图2-5所示，与电

L容C串联的电感f与其构成串联谐振回路，兼作高次谐波的滤波器，滤去由TCR产生的5, 7, 11?等次谐波电流。TCR由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其工作原理就是通过控制晶闸管的触发延迟角?，增大或减小补偿器的等效电抗，从而达到动态改变其吸收的基波电流和无功功率的大小，图b)为TCR型补偿器的伏安特性图，当TCR单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其值取决于晶闸管的触发角，而后者又取决于设定的控制规律和系统的运行状况等。当仅有电容器作用时，补偿器的电流如图中虚线所示，即随其端电压的增大而增大。当TCR与电容器同时投入时，补偿器的电流如图中实线所示。所以，通过控制晶闸管的触发延迟角，TCR型补偿器既可吸收感性无功功率，又可吸收容性无功功率，从而达到对系统无功功率和电网电压的动态控制。

a）等效电路图 b）伏安特性图 图1-5 TCR型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图

TSC型补偿器的工作原理比较简单，其等效电路图如图2-6a)所示，利用两个反并联晶闸管将电容器并入电网或从电网中断开，其实只是以晶闸管开关取代了常规电容器所配置的机械式开关。

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a）等效电路图 b）伏安特性图 图1-6 TSC型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图

在工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。这样，

可以根据电网的无功需求投切这些电容器，TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，其伏安特性按照投入电容器组数的不同而不同，见图1-6b）。电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，这样可以尽可能的实现平滑调节，但是也应综合考虑到系统复杂性以及经济性的问题。另外，电容器的投切时刻必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻，否则将会产生冲击电流，很可能会破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响

所有形式的SVC虽然能够快速动态的调节系统无功功率，但是我们应该注意到，这些SVC设备之所以能产生感性无功功率，依靠的还是其中的电容器，这就使得SVC与静电电容器有同样不可逾越的障碍，即电压调节特性差，另外装置的补偿能力受其安装容量的限制，这些缺点，都是促使STATCOM产生的必要条件。

1.6 STATCOM研究现状和发展趋势

1.6.1 STATCOM研究现状

采用电力电子半导体变流器实现无功补偿的思想早在20世纪80年代初就已提出，1980年日本研制出第一台士20Mvar STATCOM,1987年，美国Westinghouse(西屋公司)研制成?1Mvar晶闸管的STATCOM实验装置，并成功的进行了现场实验。1991年和1994年日本和美国分别研制成功了一套?80MVA和?100MVA的采用GTO晶闸管的STATCOM装置，并且最终成功的投入了商业运行。另外，用STATCOM来补偿工业负荷的研究也时有报道，使用的大都是GTO晶闸管和IGBT这样的全控型器件。在国内，1994年研制大容量STATCOM被列为电力部重点科研攻关项目。1999年3月，由清华大学和河南省电力局合作共同研制的?20Mvar STATCOM在河南朝阳变电站并网成功，使我国成为世界上继日本、美国、德国之后第四个拥有该

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项技术的国家。2001年2月国家电力公司电力自动化研究院也将?500KvarSTATCOM投入了运行。目前清华大学与上海电力公司合作，正在研制基于IGCT?50Mvar链式STATCOM装置。东南大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等院校与科研机构也在进行STATCOM的相关研究。但国内对STATCOM的研究和应用还处于刚刚起步阶段，具有十分广阔的发展空间与工程应用前景。

1.6.2 STATCOM发展趋势

近十多年来，世界范围内有关STATCOM的研究和应用有了长足的进步和发展，纵观近年来建设的这些项目和投运装置，具有如下的发展趋势:

(1)更大容量如100Mvar-200Mvar的STATCOM主电路的研究。 为了加强500kV网络的电压调节能力，对百兆乏级STATCOM的需求将更大，由于开关元器件如IGBT, IGCT的单管容量限制，必须采用多重化连接或其他方式来增大装置容量和提高装置的耐压水平，为此需要对更大容量STATCOM的主电路进行深入研究。

(2) STATCOM在异常状态下的行为及新的保护和监测系统的研究。 由于STATCOM的最终目的是用于改善系统的稳定性，因此要求在系统异常情况下仍安全、可靠地运行，并且提供所需的无功支持。但是当系统电压幅值、相位发生很大的突变或系统电压存在较大的不平衡度时，STATCOM又可能出现过电流。目前采用的措施是当系统异常导致装置发生过电流时，立即封锁脉冲以保证装置的安全，等系统电压变化趋于缓和时再重新投入运行，因此为了加强STATCOM对系统电压变化的跟踪能力，充分发挥它的作用，需要系统地研究STATCOM在异常情况下的行为及其相应的保护对策。另外为了保证STATCOM在系统中的可靠运行，还需加强对STATCOM的监测，尤其是遥控监测，以便及时掌握装置的安全状态。

(3) STATCOM布点优化规划、多个STATCOM协调控制与其他控制器综合控制研究。

为了充分发挥STATCOM在系统中的作用，需要对STATCOM的装设地点进行优化，以提高系统的性能投资比;另外，由于电力系统是个统一的、元件间相互耦合的整体，当装设多个STATCOM时，则要求当系统发生故障时，各STATCOM装置以及其他装置除了要维持自身的安全和稳定，还必须尽可能多地为全系统的安全和动态性能的改善做出贡献，至少不恶化全系统的安全和动态性能，这样就需要研究多个STATCOM的协调控制以及与其它控制器的综合控制。

(4) STATCOM控制方法的研究。

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