【正文】 第 3 章 靜止無(wú)功補(bǔ)償器（ SVC） SVC 的工作原理 SVC 是用以晶閘管為基本元件的固態(tài)開(kāi)關(guān)替代了電氣開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)快速、頻繁地以控制電抗器和電容器的方式改變輸電系統(tǒng)的導(dǎo)納。 在實(shí)際的電網(wǎng)中，按照補(bǔ)償電容器安裝位置的不同，無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢砸韵聨追N： （ 1）集中補(bǔ)償：在高低壓配電線路中安裝并聯(lián)電容器組； （ 2）分組補(bǔ)償：在配電變壓器低壓側(cè)和用戶車間配電屏安裝并聯(lián)補(bǔ)償電容器； （ 3）單臺(tái)電動(dòng)機(jī)就地補(bǔ)償：在單臺(tái)電動(dòng)機(jī)處安裝并聯(lián)電容器等； （ 4）在系統(tǒng)補(bǔ)償裝置的選擇時(shí)，常常要綜合使用多種補(bǔ)償方式，最終達(dá)到最為經(jīng)濟(jì)合理的補(bǔ)償目標(biāo)。 而由圖我，我們可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后，系統(tǒng)的功率因數(shù)由 cos? 提高到 cos 39。 （ 3） 建立 MATLAB 仿真模型，進(jìn)行 MATLAB 仿真校正。 通常我們用來(lái)提高功率因數(shù)的方法就是補(bǔ)償法。對(duì)于我國(guó)而言，大功率電力電子器件依然需要進(jìn)口，使得 SVG裝置在我國(guó)實(shí)現(xiàn)普及依然需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。國(guó)內(nèi)工業(yè)應(yīng)用的 TSC 型裝置大約有 20 套，其中一部分為國(guó)產(chǎn)，另一部分為進(jìn)口。 靜止無(wú)功補(bǔ)償器 （ SVC）是一種采用與輸電網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的感應(yīng)或無(wú)功功率補(bǔ)償。然而，由于電容器的容量是一個(gè)恒定的值，系統(tǒng)的無(wú)功功率變化的情況下，電容器本身的投切只有一種可能那就是有級(jí)別的，難免會(huì)表現(xiàn)出過(guò)補(bǔ)償或者欠補(bǔ)償，我們對(duì)系統(tǒng)所需的無(wú)功功率的變化不能采用動(dòng)態(tài)的跟蹤。此外，與 TCR 相比較， TSC 雖然不能連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，但具有運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生諧波及損耗較小的優(yōu)點(diǎn)。但它的優(yōu)點(diǎn)也 明顯，即結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，電容器利用率高，使用中不存在諧波污染等。 （ 3）晶閘管控制電抗器 (Thyristor Controlled Reactor， TCR) 晶閘管控制電抗器 (Thyristor Controlled Reaetor， TCR) SVC 中最重要的組成部件之一 。 SR 的附加內(nèi)部補(bǔ)償將諧波水平進(jìn)一步削弱到小于百分之二，因此減小了采用外部濾波器的必要性 。所以一般很少采用此種方法進(jìn)行無(wú)功調(diào)。 此外，還有按運(yùn)行費(fèi)最小、年支出費(fèi)用最小確定補(bǔ)償容量以及考慮負(fù)荷分布時(shí)的補(bǔ)償容量等等補(bǔ)償容量的確定方法，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)不同選擇不同的確定補(bǔ)償容量的方法，然后應(yīng)用到無(wú)功補(bǔ)償器的控制策略中，才能設(shè)計(jì)出更加合理的無(wú)功補(bǔ)償控制器。 (1)為了 提高功率因數(shù) 而 需要 抉擇的 補(bǔ)償容量 如果電力網(wǎng)最大負(fù)荷月的平均 的 有功功率 的值 為 Pw， 沒(méi)補(bǔ)償時(shí) 的功率因數(shù)為 ，進(jìn)行 補(bǔ)償 完 的功率因數(shù)為 ， 那么 補(bǔ)償容量 的方 式 可用公式 （ ）計(jì)算 （ ） 若需要將功率因數(shù) 提高到大于 ，小于 ，則補(bǔ)償容量可用式（ ）確定。 負(fù)載需要的無(wú)功功率 Q，裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置后，補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功為 QC，這樣電源輸出的無(wú)功減少了 QC，功率因數(shù)由原來(lái)的 提高到補(bǔ)償后的 ，視在功率由原來(lái)的減少到 ，但有功功率并沒(méi)有變化。變壓器需要無(wú)功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而在二次線圈感應(yīng)出電壓。但同步補(bǔ)償器 的缺點(diǎn)是： 成本 太 高，安裝 比較 復(fù)雜， 維修護(hù)理比較 困難，正是這些缺點(diǎn) 使 得同步補(bǔ)償器的 推廣 受到 限制。 (3) 城市二級(jí)變電站 在區(qū)域電網(wǎng)中，系統(tǒng)無(wú)功的補(bǔ)償與功率因數(shù)的改善一般都采用分級(jí)投切電容器組的方式，由于電容器組只能有級(jí)地向系統(tǒng)提供無(wú)功功率，這就意味著：第一，此方式不能隨負(fù)載的微小變化來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的快速精確無(wú)功補(bǔ)償；第二，當(dāng)電網(wǎng)輕載的時(shí)候，由于架空線之間的電容效應(yīng)，使得電網(wǎng)母線末端電壓升高，此時(shí)無(wú)法消耗電網(wǎng)中過(guò)剩的無(wú)功功率來(lái)降低母線末端的電 壓值；第三 ,當(dāng)電網(wǎng)中功率因數(shù)很高的時(shí)候，易向電力系統(tǒng)倒送無(wú)功，抬高了系統(tǒng)母線電壓，對(duì)電力設(shè)備安全及其系統(tǒng)穩(wěn)定性造成了威脅，甚至可能會(huì)擊穿電力設(shè)備的絕緣，造成了經(jīng)濟(jì)損失。 (1) 電弧爐 電弧爐是一種在電網(wǎng) 中最為典型的非線性及非對(duì)稱負(fù)荷，當(dāng)電弧爐接入電網(wǎng)后，對(duì)電網(wǎng)造成了一系列負(fù)面的影響，而且在電弧爐的不同工作階段對(duì)電網(wǎng)的影響也是不同的，其影響具體如下：導(dǎo)致電網(wǎng)的嚴(yán)重三相不對(duì)稱，產(chǎn)生負(fù)序電流和高次諧波（包括奇次與偶次諧波），嚴(yán)重時(shí)能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變和產(chǎn)生電壓的閃變，導(dǎo)致電網(wǎng)中功率因數(shù)偏低。SVC 最重要的性質(zhì)是穩(wěn)定電網(wǎng)端電壓，快速響應(yīng)無(wú)功的 變化以及能進(jìn)行分相補(bǔ)償無(wú)功能力，平衡三相電網(wǎng)。但當(dāng)電力用戶的各種用電裝置接入電力系統(tǒng)后，電力供應(yīng)由理想的電力供應(yīng)變成了電壓電流偏離這種狀態(tài)的非理想狀態(tài)。采用 ATT7022 作為電能檢測(cè)芯片，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的精確采樣與計(jì)算。 首先，本文介紹了無(wú)功功率的基本概念，介紹了無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)的影響以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。利?MATLAB/SIMULINK 仿真軟件對(duì) SVG 工作方式及利用 SVG 動(dòng)態(tài)提高系統(tǒng)電壓的原理進(jìn)行仿真研究。特別是一些像電弧爐、軋機(jī)、整流橋等非線性和沖擊性負(fù)荷的大量使用是導(dǎo)致電能質(zhì)量惡化的最主要來(lái)源，造成了一系列嚴(yán)重的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，將固定電容器和晶閘管控制電抗器 (Fixed Capacitor Thyristor Controlled Reactor 即 FC+TCR )組合在一起，這種 FC+TCR 型 SVC 就可以在感性與容性的整個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)， SVG 在改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)穩(wěn) 6 定性方面具有 SVC 無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。一般傳動(dòng)裝置中會(huì)產(chǎn)生6K177。 無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究發(fā)展 無(wú)功補(bǔ)償裝置 在 早期 多采用 并聯(lián)電容器 或者 同步補(bǔ)償器， 他們 多 被 用 8 于 集中補(bǔ)償 系統(tǒng)的高壓側(cè)。無(wú)功功率比較抽象，它是用來(lái)在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)，用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)交換，因此它不對(duì)外做功。在普通用戶中又有大量對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有較高要求的精密電氣，如計(jì)算機(jī)等，這些都使得對(duì)電力系統(tǒng)中無(wú)功功率的補(bǔ)償變得尤為重要。 假如 供電線路 的 電壓 也是因此 而 產(chǎn)生增大 ， 那么，相繼也會(huì)增大電容器 它 本身功率 的消耗 ，使溫 度有一定的升高 ，電容器的壽命 將會(huì)受到影響 。在此種情況下有 （ ） 其中， —— 投入電容母線電壓值； —— 阻抗容性分量； —— 變電所母線電壓。當(dāng)改變功率因數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的無(wú)功和有功功率會(huì)相應(yīng)改變，同時(shí)轉(zhuǎn)子電流、定子電流以及拖動(dòng)電機(jī)的機(jī)械輸出功率也會(huì)有相應(yīng)的變化。此外，每個(gè)鐵芯在每個(gè)周期的正向和負(fù)相交替飽和一次，這樣， 1 個(gè)周期內(nèi)就有 18 種不同的非飽和狀態(tài)。由于 SR 的高強(qiáng)度磁滯伸縮噪聲，使它常常被安裝在很厚地包裹起來(lái)的地方。 （ 4）晶閘管投切電抗器 (ThyristorSwitehedReactor， TSR) 晶閘管投切電抗器 (ThyristorSwitchedReactor， TSR)是 TCR 的一種特例，它屬于并聯(lián)型無(wú)功補(bǔ)償裝置。需要指出的是， TCT 的結(jié)構(gòu)避免了高壓環(huán)境下為承受高電壓需串聯(lián)數(shù)量巨大的晶閘管閥組而導(dǎo)致的很多問(wèn)題，因此他在高電壓級(jí)別的電網(wǎng)中非常有前景。目前雖在使用，但在技術(shù)上已顯落后。近些年又出現(xiàn)的新技術(shù) 柔性交流輸電系統(tǒng)（ Flexible AC Transmission SystemFACTS） , 是綜合電力電子技術(shù) 、微處理和 微電子技術(shù) 、 通信技術(shù) 和 控制技術(shù) 而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術(shù) ， 柔性交流輸電系統(tǒng)能夠增強(qiáng)交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性并降低電力傳輸?shù)某杀尽?TSC補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無(wú)功功率，如果級(jí)數(shù)分的足夠細(xì)，基本上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。在我國(guó)， 1995年清華大學(xué)和河南省電力局研制出首臺(tái)作為工業(yè)試驗(yàn)裝置 300Mvar的 SVG，續(xù)之在 1999年實(shí)現(xiàn)了 20Mvar的 SVG并網(wǎng)成功。為了形象的描述電源利用的程度，我們提出了功率因數(shù)的概念，功率因數(shù)就是電路中有用功率和視在功率（電源總功率）的比值。 本文的主要工作 詳細(xì)分析課題任務(wù)，對(duì) 無(wú)功補(bǔ)償 器 的歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑磉M(jìn)行了深入的研究，并將其綜合。 圖 21 無(wú)功功率補(bǔ)償原理圖 無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮砜捎蓤D 21 來(lái)解釋 ， 圖中字母的含義參照表21 所示。 理想狀態(tài)中，最好的無(wú)功補(bǔ)償方式是哪里有無(wú)功功率哪里就進(jìn)行補(bǔ)償。 (3) 通過(guò)控制功率變化，阻礙系統(tǒng)振蕩。 TCR 的單相原理圖如圖 31 所示 。 ，晶閘管 處于 全導(dǎo)通 狀態(tài) ，導(dǎo)通角為 θ=180176。 忽略電阻時(shí)， T 為無(wú)窮大，故得 24 )c o sc o s(2c o s22tX UiXUiLLL???????? （ 33） 當(dāng) 90176。 時(shí)，TCR 等效 得到的 電抗值與 它的 控制角 α 之間 有個(gè)關(guān)系式為： ??? ? 2s in2239。) 25 的 特 性 曲 線 向 上 移 動(dòng) ， 此 時(shí) 補(bǔ) 償 器 運(yùn) 行 在 過(guò) 負(fù) 荷 范 圍 ， 超 過(guò) 此 范 圍 后 ， 觸 發(fā) 控 制 將 設(shè) 置 一 個(gè) 電 流 極 限 以 防 止 晶 閘 管 閥 因 過(guò) 電 壓 而 損 壞 。TCR+FC 型 SVC 中， FC 的容性部分損耗雖然會(huì)隨電壓的變化出現(xiàn)一點(diǎn)波動(dòng)，但是一般變化不大。 28 圖 35 SVC 電路模 塊（ SVC） 補(bǔ)償電納計(jì)算電路模塊（ B Count） 前面介紹了三相不對(duì)稱負(fù)荷的平衡化原理，利用對(duì)稱分量法求出三相不對(duì)稱負(fù)荷各相所需要的補(bǔ)償導(dǎo)納。 直 流 側(cè) 分 別 采 用 的 是 電 容 和 電 感 兩 種 不 同 的 儲(chǔ) 能 元 件 。 因 此 ， 改 變 S V G 交 流 側(cè) 輸 出 電 壓 IU 的 幅 值 及 其 相 當(dāng) 于 SU 的 相 位 ， 就 可 以 改 變 連 接 電 抗 上 的 電 壓 ， 從 而 控 制 S V G從 電 網(wǎng) 吸 收 電 流 的 相 位 和 幅 值，也 就 控 制 了 S V G 吸 收 無(wú) 功 功 率 的 性 質(zhì) 和 大 小 。 圖 42 SVG等效電路 圖 42 電流超前 33 圖 43 電流滯后 因此，三相電壓型 SVG 裝置采用直流電容器作為電壓源。 （ 3 ） 控 制 靈 活 、 調(diào) 節(jié) 速 度 更 快 、 調(diào) 節(jié) 范 圍 廣 ， 在 感 性 和 容 性 運(yùn) 行 工 況 下 均 可 連 續(xù) 快 速 調(diào) 節(jié) ， 響 應(yīng) 速 度 可 達(dá) 毫 秒 級(jí) 。 在 多 種 形 式 的 S V C 裝 置 中 ， S V C 本 身 產(chǎn) 生 一 定 量 的 諧 波 。 S V G 通 過(guò) 直 接 調(diào) 節(jié) 無(wú) 功 電 流 實(shí) 現(xiàn) 無(wú) 功 功 率 補(bǔ) 償 ， 其 輸 出 電 流 不 依 賴 于 電 壓 ， 表 現(xiàn) 為 恒 流 源 特 性 ； S V C 通 過(guò) 調(diào) 節(jié) 等 值 阻 抗 實(shí) 現(xiàn) 無(wú) 功 功 率 補(bǔ) 償 ， 其 輸 出 電 流 和 電 壓 成 線 性 關(guān) 系 。 這 給 S V C 系 統(tǒng) 的 濾 波 設(shè) 計(jì) 帶 來(lái) 許 多 困 難 ， 而 在 S V G 中 則 完 全 可 以 采 用 橋 式 交 流 電 路 的 多 重 化 技 術(shù) 、 多 電 平 技 術(shù) 或 P W M 技 術(shù) 來(lái) 進(jìn) 行 處 理 ， 以 消 除 次 數(shù) 較 低 的 諧 波 ， 并 使 較 高 次 數(shù) 如 7 、 11 等 次 數(shù) 諧 波 減 小 到 可 以 接 受 的 程 度 。 （ 5 ） 對(duì) 電 容 器 的 容 量 要 求 不 高 ， 這 樣 可 以 省 去 常 規(guī) 裝 置 中 的 大 電 感 和 大 電 容 及 龐 大 的 切 換 機(jī) 構(gòu) ， 使 S V G 裝 置 的 體 積 小 、 損 耗 低 。如果單純用于補(bǔ)償無(wú)功功率，可用移相多重連結(jié)的方法來(lái)降低其補(bǔ)償電流中的諧波。 設(shè) 電 網(wǎng) 電 壓 和 S V G 輸 出 的 交 流 電 壓 分 別 用 相 量 SU 和 SVGU? 表 示 ， 則 連 接 電 抗 X 上 的 電 壓 32 LU? 即 為 SU? 和 SVGU? 的 相 量 差 ， 而 連 接 電 抗 的 電 流 是 可 以 由 其 電 壓 來(lái) 控 制 的 。 S V G 正