国内外无功功率补偿装置发展现状和趋势

摘　要：本文介绍了无功功率补偿装置的应用背景，并分析了各种无功功率补偿装置的分类和优缺点，重点介绍了静止同步补偿器SVC和静止同步补偿器STATCOM的特点和工作的原理，并介绍了基于STATCOM的两种控制方法。

关键词：电能质量优化；无功功率补偿装置；静止同步补偿器；静止同步补偿器

　　随着现代工业和电力工业的不断发展，电能传输的距离和容量日益增大，工业用户对电能质量的要求越来越高。近年来，电弧炉、轧钢机、大型可控硅装置的应用和大功率冲击性负载的存在，使得系统功率因数变低，电网谐波加大。电能质量的下降严重地影响了供用电设备的安全、经济运行 ，降低了人民的生活质量。因此，无功功率补偿对电力系统有着重要的意义。
　　对电力系统进行适当的无功功率补偿，可以稳定电网的电压，提高电网的功率因数，提高设备的利用率，减少网络有功功率损耗，提高输电能力，平衡三相功率，为系统提供电压支撑，提高系统安全运行性。
　　无功功率补偿装置可以改善电网的电能质量，在今后的电力系统中具有广泛的应用前景。
1.电网电能质量要求
1.1 频率要求
　　我国电力系统的运行频率为50Hz，国家标准规定，电网容量在300万kW及以上，频率允许的误差为±0.2Hz；电网容量在300万kW以下，频率允许的误差为±0.5Hz。
1.2 供电电压要求
　　一般以电压变动幅值来衡量电压是否符合标准，国家标准规定，35kV及以上供电电压允许的偏差为额定电压的±10%；10kV及以下供电电压允许的偏差为额定电压的±7%；220V单相供电电压允许的偏差为额定电压的+7%～-10%。
2.无功补偿装置介绍
　　目前，无功功率补偿装置主要有同步调相机SC、静止电容器FC、机械投切电容器MSC、静止同步补偿器SVC和静止无功发生器SVG(也称STATCOM)，其分类如图1所示。

2.1 早期的无功功率补偿装置
　　同步调相机SC和静止电容器FC是早期的无功功率补偿装置。同步调相机SC不仅可以补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也可以进行动态的补偿，当电网电压下降时，SC通过控制励磁发出和吸收无功功率，并通过电压调节器来自动调节无功功率的大小，以维持电压的恒定。同步调相机SC的成本高、安装复杂、损耗和噪声都比较大、响应速度慢。
　　静止电容器FC可以改变线路的感应无功功率，来补偿系统的无功功率。其补偿容量有级，调节性能差，目前同步调相机SC和静止电容器FC基本上已经不再使用。
　　机械投切电容器MSC是一种比较简单的无功补偿装置，不能进行动态无功功率补偿，但是价格低廉，目前在国内仍然拥有较大的市场。
2.2 SVC介绍
　　SVC是目前广泛用于无功功率补偿的装置，具有响应速度快，可以连续调节无功功率输出的特点。SVC在系统中相当于可变电纳，随着电压的变化而改变其电纳值，因为所加的交流电压是恒定的，改变电纳值就可以改变基波电流，从而导致电抗器吸收无功功率的变化。
　　SVC主要包括饱和电抗器SR型SVC、晶闸管投切电容器TSC型SVC、固定电容—晶闸管控制电抗器FC-TCR型SVC、机械投切电容器—晶闸管控制电抗器MSC-TCR型SVC以及晶闸管投切电容器—晶闸管控制电抗器TSC-TCR型SVC，各种类型的SVC装置的结构图如图2所示。
　　FC-TCR型SVC由TCR和若干个不可控的电容器并联而成。其中，电容器为固定连接，TCR支路采用触发延迟控制，形成连续可控的感性电流，TCR的容量大于FC的容量，以保证既能输出容性无功电流也能输出感性无功电流。
　　TSC型SVC由电容器和双向导通晶闸管组成，其中，晶闸管仅仅起到开关作用，TSC只能提供容性电流，将多组TSC并联使用，根据容量需要逐个投入可以获得近似连续的容抗。
　　MSC-TCR型SVC采用机械开关控制电容的投入和切除，只能在一些要求不高、电容切断频繁的场合使用。
　　TSC-TCR型SVC一般使用n组电容器和一组晶闸管相控电抗器，它的无功功率输出可以在容性和感性范围内调节。

2.3 SVG介绍
2.3.1 SVG原理
　　SVG也被称为静止同步补偿器STATCOM，图 3为STATCOM原理图。其中，直流侧为储能电容，GTO逆变器通常由多个逆变器串联或并联而成，将直流电压变换成交流电压，交流电压的大小、频率和相位可以通过控制GTO的触发脉冲来控制。连接变压器将逆变器输出的电压转换成与电网电压等级相同的电压，从而使得STATCOM装置可以并联到电网中。

　　整个STATCOM装置相当于一个电压大小可以控制的电压源，根据图3可以得到，STATCOM装置所吸收的复功率。
　　STATCOM装置吸收的无功功率，其中为超前的角度。
　　将多个逆变器组合成多重化结构、多级并联逆变器和多电平结构可以扩大STATCOM的容量，原理图如图4所示。

　　多个逆变器并联的结构，由多个开关频率较高的小容量STATCOM并联运行，可以灵活地扩大逆变系统的容量，易于实现逆变器的模块化，提高系统运行的可靠性和可维护性。
2.3.2 SVG的控制
　　要实现STATCOM的快速补偿功能，必须快速地从负载电流中检测出无功电流。1983年日本的赤木所提出的三相瞬时电流分解成有功和无功电流的p、q分解法被广泛应用。
　　
　　瞬时无功功率P和瞬时无功功率Q分别为
　　将有功功率分成直流有功功率和交流有功功率两部分，只考虑直流有功功率，那么负载电流可以写成，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
　　根据得到的三相补偿电流构成补偿电流矢量作为补偿装置的控制矢量。由无功电流参考值调节STATCOM产生所需无功电流的具体控制方法可以分为直接电流控制和间接电流控制两大类，控制方法分别如图5和图6所示。

　　直接电流控制的方法适合于中小容量的STATCOM装置，采用跟踪型的PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，跟踪型的PWM控制技术采用了三角载波比较的PWM方式。直接电流控制中引入了p、q分解法，以瞬时电流无功分量的参考值为主，这种控制方法要求主电路中电力半导体开关器件有较高的开关频率。
　　间接电流控制的方法，通过STATCOM逆变器所产生交流电压基波的相位和幅值，来间接控制STATCOM的交流侧电流。间接电流控制采用了STATCOM吸收的无功和有功功率的反馈控制，采用了p、q分解法来检测STATCOM吸收的有功和无功电流，利用直流侧电压调节其的输出作为有功电流的参考值，这种控制方法多应用于大容量的STATCOM。
2.4 各种无功功率补偿装置比较
　　各种无功功率补偿装置的性能对比如表1所示，比较可知，STATCOM的性能是最优

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的，但是目前用得最多的还是SVC，由于STATCOM价格贵，控制比较复杂，它的大范围应用还存在着限制。
　　表1 各种无功功率补偿装置性能比较

性能 SC MSC                      SVC
　　SR       TSC   FC+TCR    MSC+TCR  TSC+TCR STATCOM
调相范围 超前/滞后 超前 超前/滞后 超前 超前/滞后 超前/滞后 超前/滞后 超前/滞后
控制方式 连续 不连续 连续 不连续 连续 连续 　连续 连续
调节灵活 好 差 差 好 好 好 　好 很好
响应速度 慢 较快 快 快 快 快 快 最快
调节精度 好 差 好 差 好 好 好 最好
高次谐波 少 无 少 无 多 多 多 少
控制难易 简单 简单 简单 稍复杂 稍复杂 稍复杂 稍复杂 复杂
技术成熟 好 好 好 好 好 好 好 一般
噪声 大 小 大 小 小 小 小 小
分相调节 有限 可以 不可以 有限 可以 可以 可以 可以
单位投资 高 低 中等 中等 中等 中等 中等 高

无功功率补偿装置的发展现状
　　目前，SVC装置因为控制简单，价格低，能满足大多数用户对无功功率补偿的需要，因而得到了广泛的应用。相比较而言，STATCOM具有明显的性能优势，但是由于STATCOM价格贵，控制比较复杂，它的大范围应用还存在着限制。
　　日本于1980年研制了世界山第一台20Mvar的STATCOM，采用电力电子半导体变流器实现无功补偿的思想相应地被提出。1991年和1994年，日本和美国分别研制成功了一套80Mvar和一套100Mvar的采用GTO晶闸管的STATCOM装置，德国的西门子公司研制的单机容量为8Mvar的STATCOM装置也于1998年投入运行。1999年3月，清华大学和河南电力局共同研制的用于220kV电网的±20MvarSTATCOM在河南电网成功投入运行，我国也成为世界上第四个拥有大容量STATCOM装置的国家。
　　国内TCR、TSC、STATCOM所接母线的最高电压分别为35Kv、10Kv和2kV，要将它们应用于220～500kV的变电站，主变压器需要设计第三绕组，或者加中间变压器。全世界正在运行的SVC装置已经达到上千台，总容量在100Gvar以上。有学者断言，在今后相当长的时间内，电力系统无功补偿装置发展的主流将是SVC、STATCOM及两者混合的装置。
总结
　　本文分析了各种无功功率补偿装置的分类和优缺点，重点介绍了静止同步补偿器SVC和静止同步补偿器STATCOM的特点和工作的原理，并介绍了基于STATCOM的两种控制方法。
　　STATCOM是性能最优的无功功率补偿装置，是FACTS的核心，基于STATCOM的控制方法的研究很有必要，STATCOM也值得在电力系统中推广使用。
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