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动态无功补偿装置的工作原理及其在输电网中的应用

已有 284 次阅读2014-12-3 11:05

3.1 SVC的工作原理及在电网中应用 

  TCR+TSC型SVC的基本拓扑结构见图1。它由1台TCR、2台TSC以及2个无源滤 波器组成,在实际系统中,TSC及无源滤波的组数可根据需要设置 

 

图1 TCR+TSC型SVC基本拓扑结构 

  TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效电纳的大小,从而输出连续可变的无功功率。图1中两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行,通过改变控制角α可以改变电感中通过的电流。α的计量以电压过零点为基准,α在90°~180°之间可部分导通,导通角增大则电流基波分量减小,等价于用增大电抗器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90°~180°之间连续调节时电流也从额定到0连续变化,TCR提供的补偿电流中含有谐波分量。 

  TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。这里,晶闸管只是作为投切开关,而不像TCR中的晶闸管起相控作用。在实际系统中,每个电容器组都要串联一个阻尼电抗器,以降低非正常运行状态下产生的对晶闸管的冲击电流值,同时避免与系统产生谐振。用晶闸管投切电容器组时,通常选取系统电压峰值时或者过零点时作为投切动作的必要条件。由于TSC中的电容器只是在两个极端的电流值之间切换, 因此它不会产生谐波,但它对无功功率的补偿是阶跃的。 

  TCR和TSC组合后的运行原理为:当系统电压低于设定的运行电压时,根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组,并略有一点正偏差(过补偿),此时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功;当系统电压高于设定电压时,则切除所有电容器组,只留有TCR运行。图2给出了该控制方式下稳定系统电压时采用的控制框图,控制器所需信号为系统线电压和线电流。如果用于补偿系统无功功率或校正系统功率因数,只需将电压设定值改为相应的无功设定值或功率因数设定值即可。控制规律采用可变参数的PI调节器,其算法简单、可靠,而且易实现。 

 

图2 SVC面向系统平衡策略控制框图 

  SVC应用于电力系统中对系统产生的影响有:①增强系统的暂态稳定性。SVC安装于中长距离输电线路中点可以改善系统的暂态稳定性,其P-δ特性曲线给故障后电机提供的减速面积和暂态裕量比没有补偿的情况下要大。②有力的支持系统电压,防止电压崩溃。系统发生故障或者负荷电流(尤其是无功电流)急剧增高的瞬间,SVC 能够对系统进行瞬时无功补偿来支撑电压以抑制电压崩溃的趋势。③有效的阻尼系统振荡。TCR可以用极高的速度平滑地调节无功和电压,具有调制状态工作的可能。它可以在一个与工频50 Hz不同的频率下作适当浮动,如果浮动与系统摇摆或振荡频率相同而相位相反,就可以增大系统的阻尼而抑制振荡。④补偿不平衡负荷。负荷不平衡时,SVC不平衡控制策略可以补偿系统使供电电流变成三相平衡,能够使单相负荷变成三相平衡负荷而没有无功分量。⑤抑制负荷侧电压波动 和闪变,校正功率因数。 

SVC也有其自身的弱点,它是阻抗型补偿,随着电压的降低其无功输出也会与电压成平方关系降低,若采用基于电压源逆变器的STATCOM将会取得更好的效果。 

3.2 STATCOM的工作原理及在电网中应用 

  我国首次研制成功的±20 Mvar STATCOM的总体构成框图见图3。它主要由直流电压源(通常以直流电容代替)、基于GTO的逆变器和连接变压器3部分组成。以二极管构成的整流桥从交流系统吸取少量有功功率对直流电容C充电,保持其电压稳定。控制器根据电网无功变化情况,通过6 个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功。STATCOM 向系统注入的无功Q为

  式中,Vs为系统电压;Rs为逆变桥等效电阻;δ为SVG输出电压与Vs的夹角。 

  由公式可知,通过调节δ的大小,就可以控制STATCOM注入系统的无功功率。由于Rs很小,所以调节范围非常大。如果多台STATCOM并联移相输出,则既可提升补偿容量,又能抑制装置本身的谐波电流。 

 

图3 ±20 Mvar STATCOM总体构成框图 

  TATCOM在控制策略上与SVC的区别在于[5]:在SVC装置中,由外闭环调节器输出的控制信号用作SVC 等效电纳的参考值,以此信号来控制SVC 调节到所需的等效电纳。而在STATCOM中,外闭环调节器输出的控制信号则被视为补偿器应产生的无功电流(或无功功率)的参考值,然后由参考值调节STATCOM来产生所需无功电流。其具体控制方法可分为间接控制和直接控制两大类,STATCOM 采用电流直接控制方法的响应速度和控制精度比 间接控制法有很大的提高。 

  STATCOM在输电系统中的作为无功补偿装置用时,除具有SVC的所有良好性能外,运行范围更宽,且输出无功电流不受系统电压影响。采用多重化技术的STATCOM,谐波含量少,不需要滤波器,能够有力的提高系统的暂态性能。 

3.3 STATCOM及SVC应用于输电网的仿真研究 

STATCOM和SVC应用于大规模输电网中以加强动态无功补偿、改善电网末端或大负荷中心电压稳定性以及作为直流输电无功控制设备,已经做了大量的研究工作。近年来,由于经济的快速发展,我国形成了京津唐、长三角以及珠三角3大负荷中心。这3个地区都具有远离电源、缺乏足够的无功备用以及空调负荷比例高等特点,因此,均有不同程度的电压稳定问题。 

  根据已有的仿真分析[6],北京电网在负荷突增时会出现暂态电压失稳现象,需要在安定、老君堂、西大望等地安装STATCOM(或者SVC)以防止电压崩溃。上海的黄渡分区内150 Mvar 调相机退出运行后,只有一个12 MW的小火电接入,并且这里将是三峡直流的落点,若发生故障将会出现严重的电压失稳,需要安装STATCOM提供快速的无功支撑,目前正在研制的50 Mvar STATCOM将在这里投入使用。广东电网是拥有多直流的交直流混联系统,直流落点本身需要大量的无功支撑,STATCOM无疑是最佳的选择;同时在直流退出运行的情况下,需要在交流长输电线路中点贺州安装STATCOM以提升线路传输极限,维持电压稳定;此外,负荷突增情况下,弱受端系统会出现持续的电压跌落,选择合适的地点安装STATCOM可以增强系统的电压维持能力。 


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