【正文】 器中的所有電容器，從而避免諧振的發(fā)生。 ASVG的研究歷史與現(xiàn)狀 自從美國(guó)學(xué)者 在 1976 年提出利用半導(dǎo)體變流器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)睦碚撘詠?，世界各?guó)的專家對(duì)大功率新型靜止同步補(bǔ)償器的理論研究于工程應(yīng)用方興未艾。 現(xiàn)在 ASVG在工程應(yīng)用方面已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展和進(jìn)步。迄今為止，國(guó)際已經(jīng) 投 入 電 力 運(yùn) 行 的 ASVG來自 5個(gè) 國(guó) 家 ： 中 國(guó) （ 清 華 大 學(xué) FACTS研 究 所 ）、 德 國(guó)（ Siemens公司）、瑞 典（ ABB公司）、英 國(guó)（ Alstomw公 司）、 日本 （ Toshiba和Mitsubishi公司 ）。由清華大學(xué) FACTS研究所與河南省電力公司合作研制的一臺(tái)20Mvar的 ASVG已于 1999年在河南洛陽投入運(yùn)行 ；目前，一臺(tái) 50Mvar的 ASVG正在研制中，將在上海 500KV電網(wǎng)投運(yùn) [7]。 電力電子技術(shù)的發(fā)展使得 ASVG的工程應(yīng)用研究也出現(xiàn)了 2個(gè)明顯趨勢(shì)。一是不斷采用新器件。與原來 ASVG普遍使用的 GTO相比，新型功率器件（如 IGBT、 IEGT等）具有很多的優(yōu)點(diǎn)：飽和壓降低、安全工作區(qū)寬、驅(qū)動(dòng)功率低和工作頻率高等。二是應(yīng)用范圍更廣。除了繼續(xù)向高壓大容量方向發(fā)展。另一方面向中低壓配電網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展，旨在提高用戶側(cè)的電能質(zhì)量。 8 在理論研究上，對(duì) ASVG 的研究成果主要集中在主電路接線方式及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、系統(tǒng)模型的建立、控 制器設(shè)計(jì)以及裝置在電力系統(tǒng)中作用等方面，目前投入運(yùn)行的 ASVG 的主電路多采用多重化結(jié)構(gòu)，即使用多個(gè)逆變器并通過變壓器次級(jí)的適當(dāng)連接，可將多個(gè)逆變器輸出的波形移相疊加，得到近似于正弦波形的三相對(duì)稱輸出電壓。 在 ASVG的系統(tǒng)建模的研究上，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的情況下， ASVG的工作模型是建立在一個(gè)靜止的同步電壓源的基礎(chǔ)之上的既有一個(gè)電壓型變流器構(gòu)成的 ASVG經(jīng)一個(gè)串聯(lián)電抗與電網(wǎng)相連，根據(jù)輸入的無功功率和有功功率指令，疊加到電網(wǎng)上，從而吸收或發(fā)出無功功率。由于電力系統(tǒng)具有多種非線性和起伏和參數(shù)的不確定性，并且對(duì)實(shí)際電力系 統(tǒng)而言， ASVG更多的運(yùn)行在三相不對(duì)稱條件下，因此，這種穩(wěn)態(tài)的工作模型在應(yīng)用上還存在許多不足。 在研究 ASVG的非線性動(dòng)態(tài)建模的同時(shí)， ASVG的控制策略和控制器的設(shè)計(jì)也是研究的一個(gè)焦點(diǎn)。 ASVG的控制器通常由內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器兩部分組成。內(nèi)環(huán)控制器的基本任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)同步的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而在變流器的輸出電流和無功指令之間建立一種線性的關(guān)系， ASVG的控制策略和控制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)也是研究的一個(gè)焦點(diǎn)。 ASVG的控制器通常是由內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器兩部分組成。內(nèi)環(huán)控制器的基本任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)同步的驅(qū)同，從而在變流器 的輸出電流和無功功率指令之間建立一種線性的關(guān)系，外環(huán)控制器用于提供內(nèi)環(huán)控制器所需要的無功功率參數(shù)值。對(duì)于控制器的設(shè)計(jì)方案，大多數(shù)的 ASVG裝置均通過接入點(diǎn)的電壓反饋，采用常規(guī)的 PID調(diào)節(jié)方式或引入線路功率的 PSS輔助方式來完成控制，但這種控制方式難以顯著提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的要求。 包含 ASVG裝置的電力系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，因此，如何從系統(tǒng)級(jí)角度發(fā)揮 ASVG裝置在電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的作用，有效提高電力系統(tǒng)的傳輸容量并增強(qiáng)其靜、暫態(tài)穩(wěn)定性，最后實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的是當(dāng)前 ASVG研究的另一個(gè)焦 點(diǎn)。這方面的研究目前正處于起步階段。 在工程應(yīng)用方面，日本關(guān)西電力公司與三菱電機(jī)公司共同研制并于 1980 年 1 9 月投運(yùn)了世界上首臺(tái) ASVG 的樣機(jī)，它采用了晶閘管強(qiáng)制換相的電壓型逆變器，容量為 20MVA。 1986 年 10 月，由美國(guó)國(guó)家電力研究院（ EPRI）和西屋公司研制的177。 1MVA 的 ASVG 裝置投入運(yùn)行，這是首臺(tái)采用大功率 GTO 器件作為逆變器元件的靜止補(bǔ)償器。之后，日本關(guān)西電力公司與三菱電機(jī)公司又采用 GTO 研制了177。80MVA 的 ASVG 裝置，與 1991 年在犬山變電站投運(yùn)。美國(guó) EPRI 田納西電力局（ TVA）電力系統(tǒng)的 Sullivan500KV 變電站建造了177。 100MVA 的 ASVG 裝置，于 1996 年 10月投運(yùn)。 在我國(guó)，這一領(lǐng)域的研發(fā)剛剛起步就取得了不錯(cuò)的成績(jī)，華北電力大學(xué)增研制出強(qiáng)迫換相的晶閘管元件無功發(fā)生器試驗(yàn)裝置；東北電力大學(xué)研制了GTO 器件的 ASVG 試驗(yàn)裝置；河南省電力局與清華大學(xué)共同研制的 177。 20MVA 的 ASVG在河南洛陽的朝陽變電站并網(wǎng)成功，這是國(guó)內(nèi)首臺(tái)投入運(yùn)行的大容量柔性交流輸電裝置。 上海西郊變電站的 177。 50MVA 新型靜止無功發(fā)生器裝置采用基于 IGCT 器件的鏈?zhǔn)侥孀兤?,每相由 10 個(gè) IGCT單相逆變器 (鏈節(jié) )串聯(lián)而 成并輸出 10kV 線電壓 ,IGCT 器件容量為 4500V/4000A。 不過目前 ASVG 的工程應(yīng)用方案都帶有試驗(yàn)的性質(zhì)，距離大范圍普遍應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段距離。 電力電子技術(shù)的發(fā)展使得 ASVG的工程應(yīng)用研究也出現(xiàn)了 2個(gè)明顯趨勢(shì)，一是不斷采用新器件，如 IGBT， IGET等，另一方面是向中低壓配電網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展，旨在提高用戶側(cè)的電能質(zhì)量。 從整體上看， ASVG的研究涉及到電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的尖端科技，因此，目前 ASVG的研究無論指在基礎(chǔ)理論研究方面還是在工程應(yīng)用方面仍存在著很大的 問題。 目前國(guó)內(nèi)外已研制的大功率 ASVG 裝置 多 采用 GTO 器件，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及對(duì)供電質(zhì)量要求的提高， GTO 開關(guān)頻率已經(jīng)不能滿足要求，為減少諧波和提高容量，必須采用變壓器曲折連接方式，這樣使電路設(shè)計(jì)復(fù)雜化，且保護(hù)電路難以有效工作，新型功率器件如 IGBT、 IGET 具有很多優(yōu)點(diǎn)：飽和壓降低、安全工作區(qū)寬、驅(qū)動(dòng)功率地和工作頻率高等。它的出現(xiàn)使得用其取代 GTO 器件研究ASVG 裝置的工程應(yīng)用成為一種趨勢(shì)。但新型功率器件的引用，也使得主電路拓?fù)?10 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及主電路過電壓吸收電路參數(shù)的選擇成為 ASVG 研究中的一個(gè)新 課題。 第 2章 無功補(bǔ)償?shù)脑? 電網(wǎng)無功功率及功率因數(shù) 正弦電流中的無功功率定義為： ?sinUIQ? 習(xí)慣上認(rèn)為它是由電路中的儲(chǔ)能元件（電容或電感）引起。在交流電一個(gè)周期的一部分時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)能元件從電源吸收能量，另一部分時(shí)間內(nèi)將能量返回電源，理想的無損耗儲(chǔ)能元件在整個(gè)周期平均功率是零。也就是說在外電路和電感或電容之間雖有能量的來回交換，但在儲(chǔ)能元件上并沒有能量的消耗。 當(dāng)供電負(fù)載為感性時(shí)，功率因數(shù)小于 1，此外，在半導(dǎo)體應(yīng)用系統(tǒng)中，觸發(fā)角α的變化將引起電力網(wǎng)的電流畸變。圖 21 表示的是金閘管單相控制電路，功率因數(shù)是觸發(fā)角α的函數(shù)。 11 在單電源串晶閘管帶 純電阻 負(fù)載 的 電路中 ， 由于 觸發(fā)角α的存在，當(dāng)電源電壓波形為正弦時(shí)，流經(jīng)電阻的電流波形發(fā)生了畸變。 電路的功率因數(shù)為 ： ??? UI IUSP R?c os 電阻的平均功率 /電源的視在功率 。 式中： RU 是電阻兩端電壓的有效值； I 時(shí)回路電流有效值， U 是電源正弦電壓有效值。 且 ? ???????? ???? ? 2s i n2 1)s i n2(1 0 2 UtdtUU R 于是 ? ????? ??? 2s in21c os 通過式 可知，雖然負(fù)荷為純電阻，但α越大，電流畸變?cè)酱螅??cos 越小。這個(gè)結(jié)果與正弦電路中純電阻負(fù)荷功率因數(shù)等于 1 的結(jié)論是完全違背的。在此電路中，不是由于負(fù)荷中的儲(chǔ)能元件，而是由于電流畸變而發(fā)生功率因數(shù)小于 1 的現(xiàn)象。進(jìn)一步看，在 0~α范圍內(nèi)，瞬時(shí)功率為 0，即電源停止傳輸功率。在一個(gè)周期內(nèi)有 P≥ 0，因此電路中不存在負(fù)荷向電源反送功率。只存在電源向負(fù)載傳送功率，即不出現(xiàn)電源 負(fù)載間的能量交換。 由于此電路中電源的視在功率 UI 大于負(fù)載的平均功率 IUR ，可知電源在產(chǎn)生負(fù)載功率時(shí)電源不得不提供了一部分為產(chǎn)生負(fù)載功率所不需要的電流。換句話說，在此電路中由于晶閘管的控制作用。電路除了消耗平均功率之外，還吃掉了一部分“無用”功率。 在電力系統(tǒng)中，無功應(yīng)保持平衡，否則將會(huì)使系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、系統(tǒng)癱瘓。慈愛，電網(wǎng)的功率因數(shù)和電壓降低使電氣設(shè)備得不到充分利用，促 使網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降，損耗增加。因此，解決無功補(bǔ)償問題，對(duì)電網(wǎng)降低損耗、節(jié)省能源、提高電能質(zhì)量有著極為重要的意義。 電力網(wǎng)除了要負(fù)擔(dān)用電負(fù)荷的有功功率 P，還要負(fù)擔(dān)負(fù)荷的無功功率 Q。 有功功率 P、無功功率 Q 和視在功率 S 之間的關(guān)系為 ： 12 22 QPS ?? 而電力網(wǎng)的功率因數(shù)為 SP??cos 功率因數(shù)的物理意義是線路的視在功率 S 供給有功功率的消耗所占百分?jǐn)?shù)。在電你網(wǎng)的運(yùn)行中，功率因數(shù)越大越好，如能做到這一點(diǎn)，則電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率，以減少無功功率的消耗。功率因數(shù)還可以表示成下述形式 UIPSP 3cos ??? 可見，在一定的電壓和電流下，提高 ?cos ，其輸出的有功功率將增大。因此，改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設(shè)備潛力，提高設(shè)備利用率的有效方法。 電力網(wǎng)的電壓損失可以表示為 UQXPRU ??? 可以看出，影響 U? 的因數(shù)有四個(gè)：線路的有功功率 P、無功功率 Q、電阻 R、和電抗 X。如果采用容抗為 CX 的電容來補(bǔ)償，則電壓損失為 U XXQPRU C )( ???? 故采用補(bǔ)償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失 U? 減小，改善了電壓質(zhì)量。 當(dāng)線路通過電流 I 時(shí)，其有功損耗為 32 103 ???? RIP 或 322 2 10c os3 ???? ?U RPP 可見，線路有功損耗 P? 與 ?2cos 成反比， ?cos 越高 ， P? 越小。對(duì)全網(wǎng)線路有功損耗的降低值，應(yīng)按線路節(jié)點(diǎn)間電阻以及所通過的無功負(fù)荷分段求出，再將各 13 段的值相加。 投入電容補(bǔ)償后，流過變壓器繞組中的電流減少，故繞組的有功損耗也相應(yīng)減少。單臺(tái)變壓器減少的有功功率為 32 102 ????? BeccB RU QP 式中： cQ 為補(bǔ)償電容量； Q 為變壓器無功負(fù)荷； BR 為變壓 器等效電阻。 銅損減少的有功功率為 2212 )c osc os1( ??? ???? KT PP 式中： ? 為變壓器的負(fù)載率； 1cos? 、 2cos? 為補(bǔ)償前、后的功率因數(shù)； KP? 為變壓器的額定銅損。 視在功率與有功功率成下述關(guān)系 ?cosSP? 可見，在 傳送一定有功功率 P 的條件下， ?cos 越高，所需視在功率越小。 由于補(bǔ)