浅谈无功补偿中的电力电子技术

　　【摘要】本文简要地阐述和分析了电力静止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG）的基本原理及其应用，它是实现动态、瞬时无功补偿机理的先进的一种无功补偿的新技术。
　　【关键词】电力电子，无功补偿，静止无功补偿器，静止无功发生器
　　一、前言
　　无功补偿作为保持电力系统功率平衡、降低网损、提高供电质量的一种重要措施，已被广泛应用于各电压等级电网中。合理选择无功补偿，能够有效地维持系统的电压水平，提高电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损，提高设备利用率，无功补偿的合理应用是我们供电企业提高经济和社会效益的一项重要课题。
　　在配电系统中，较多采用的是电容器组无功补偿方式，由运行值班人员或VQC装置根据功率因数及电压情况决定并联电容器的投退组数。这种并联补偿电容器由于只能进行分级阶梯状调节，并且受机械开关动作的限制，响应速度慢，不能满足对波动频繁的无功负荷进行补偿的要求。随着电力电子技术的发展，新型的电力电子补偿技术得以应用，从而实现了功率的动态、瞬时补偿。本文重点分析这种电力电子技术发展起来的静止无功补偿器和静止无功发生器新的无功补偿技术。
　　二、电力电子无功补偿装置
　　2.1静止无功补偿器（SVC）
　　静止无功补偿器由电力电子器件和储能元件构成。所谓静止是相对传统的旋转式调相机而言的。其显著特点在于快速、平滑地调节容性和感性无功功率，实现动态补偿。常用于防止配电网中部分冲击性负荷引起的电压波动干扰、重负荷突然投切造成的无功功率强烈变化，以及用于平衡三相之间的波动性不对称负荷和控制用电线路的功率因数等，用以增强系统的静态稳定性和输电能力。
　　静止无功补偿器有两种基本类型：晶闸管可控电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC），下面分别介绍这两种装置的原理。
　　①晶闸管可控电抗器（TCR）。它是模拟无级调节电抗器的一种新型无功补偿器。由于其工作方式的特殊与先进，因此它所吸取的感性无功功率可以快速、平滑调节。根据电力系统的运行的条件，系统可能需要感性无功功率也可能需要容性无功功率，为了实现这个运行特点有必要在TCR两端并联电容器组，以满足系统运行要求。
　　晶闸管可控电抗器的基本原理图如图(a)所示，其中，电抗器通过反并联晶闸管构成的双向开关（或三端双向晶闸管）与交流电源相连接。
　　                 
　　在晶闸管控制的电感电路中，由于电感的储能作用，晶闸管一旦导通，只有回路电流过零时才能关断。延迟关断的时间不仅与触发角有关，还与电源电压和回路电流间的相位角有关[1]。因此，对于双向开关来说，当其中一个晶闸管尚未关断时，不可能触发另一晶闸管导通。晶闸管可控电抗器通过改变其触发延迟角（π/2＜α＜π）即可控制回路中的电流，起到可变电感的作用，使所吸取的感性无功功率在零（对应α＝π）到最大值（对应α＝π/2）间快速、平滑调节。
　　②晶闸管投切电容器（TSC）。在目前广泛应用的电力电子无功补偿技术中，除了常见的晶闸管可控电抗器方式外，还有一种常见方式就是晶闸管投切电容器无功补偿装置。TSC的基本电路配置如图（b）所示，可以看到它利用反并联晶闸管构成的双向开关分别将3～4组电容器投切到交流系统母线上的一种无功补偿装置。与利用相控方式改变电抗器的有效电感量不同，TSC采用整数半波控制（即过零触发）方式来控制某组电容器全投入（或全切除）。这种补偿方式实际上是用可快速通断的晶闸管代替了金属接触器开关，以克服投切电容器时响应速度慢的缺点[2]。
　　显然，若闭锁双向开关中两个晶闸管的门控触发脉冲，则电容器组被切除。在晶闸管控制的纯电容器电路中，当回路的电流在过零的瞬间被阻断时，对应电容两端的电压等于所连接交流母线上的电压最大值，其极性由晶闸管门控触发脉冲闭锁的时刻来决定。当要投入电容器组时，为避免较大的合闸涌流，晶闸管必须恰好在交流电压最大值的瞬间触发导通。这种控制方式常称为零电流开关触发。为了限制投入电容器组时可能出现的过电流，我们采取在线路中加入串联电抗器，用以限制操作过电流。
　　电力系统静止无功补偿（SVC）的结构形式，除以上两种基本类型外，在实际应用中更多采用组合型的静止补偿电路。如用固定电容与可变电感并联构成的FC-TCR型和FC-DCMSR（直流励磁饱和电抗器）型静补装置，以及用两种基本类型混合构成的TSC＋TCR型混合补偿器等。它们的特点是可以实现无功功率的大小和方向全特性补偿，补偿精度高，稳态空载下的输出损耗小，但是存在着造价昂贵的缺点。
　　2.2静止无功发生器(SVG)
　　上面介绍的静止无功补偿器电路都离不开大容量储能元件，这是利用电感和电容能够储存和交换电能的特点向系统提供所需无功功率的补偿原理所决定的。通常电感器和电容器的容量分别要按最大补偿容量来选取，由于这些大容量储能元件固有的时滞影响，使他们不可能作到瞬时无功控制。另一方面，晶闸管控制投切电容器组的补偿容量受到安装点电压变化的制约（与安装点电压平方成正比）。当电网无功功率不足引起电压下降时，由于电容器提供的无功功率反而减少，导致母线电压进一步降低。另外，传统的无功功率的定义和概念，只限于处理系统运行参数是正弦周期的情况，对功率急剧变化所出现的瞬变或随机变化的非周期现象已不能适应。
　　但是新型电力电子技术，如开关型逆变器，以及瞬时无功功率的概念和补偿原理，在储能元件容量很小条件下（约为计算补偿容量的10％左右）可解决以上各种问题，实现瞬时无功补偿。这种新型补偿器被称为静止无功功率发生器（SVG）。
　　SVG基本原理就是将自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，实现动态补偿的目的[3]。SVG根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型两种。由于运行效率的原因，目前大都选用电压型桥式结构，见图（c）。电路的主要结构为三相PWM强迫换流的电压型变流电路(VSI)；变流器通过三个进线电抗与电网连接，可以滤除电流中的较高次的谐波；直流侧是储能电容C，用以和交流侧交换能量，并滤除VSI输入电流纹波。
　　                  
　　SVG工作时是通过开关的通断将直流侧的电压转换成与网侧同频率的电压，故将其等效为一个交流电压源，其幅值和相位都可以控制。以单相工作原理为例，将连接电抗和变流器本身的损耗视为连接电抗的总体电阻R考虑，等效电路如图（d）所示。
　　以电网电压相位为基准相位，由于不考虑SVG的阻抗，根据要吸收或发出无功的不同，电流的相位或超前或滞后电压的相位90o;由于连接电抗的阻抗，电网电压与电流的相差不再是90o的关系，而是比90o小了δ角，此时电网向系统提供了一定的有功能量，按一般理解我们把它认为是电路的损耗。从电压的矢量三角形中可以看出(图（e）所示)，控制SVG交流侧的电压及它相对于的相位，就可以控制电抗上的电压，从而控制电流，进而控制SVG系统从电网吸收无功的性质和大小[4]。
　　                          
　　根据以上所述与SVC装置相比较而言，SVG装置不需要大容量的电容器等储能元件，只需要维持直流侧电压的较小容量的电容器，大大减小了装置的体积；而且调节速度更快，运行范围更宽；在采用桥式多重化整流技术和PWM控制技术后，则可以大大减少补偿电流中的谐波含量。所以，SVG具有优越的性能，是新世纪的环保节能型产品，它代表动态无功补偿装置的发展方向。
　　三、结束语
　　总之，本文介绍的SVC和SVG二种无功补偿技术都具有补偿精度高和较优越的性能，是环保节能产品，具有广阔的应用前景。
　　【参考文献】
　　[1]张一工、肖湘宁，现代电力电子技术原理及应用[M].科学出版社，2006.04；
　　[2]粟时平、刘桂英，静止无功功率补偿技术[M]，北京：中国电力出版社，2006，03；
　　[3]罗安编，电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M]，北京：中国电力出版社，2006.07；
　　[4]李景禄,实用配电网技术[M].河北：中国水利水电出版社，2003.06。