基于電力電子技術的連續無功補償控制分析

1　引 言

　　電力系統中，電能質量是評價電力系統運行性能優劣的重要指標，而電壓又是衡量電能質量的一個重要指標，因此，電壓的穩定性對電力系統運行性能來說顯得尤為重要。電壓穩定與否主要取決于系統中無功功率的平衡，如果用電負荷的無功需求波動較大，而電網的無功功率來源及其分布不能及時調控，就會導致線路電壓超出允許極限；另外，對于負荷一側，電力系統多由輸配電線、變壓器、發電機等構成，其內阻抗主要呈感性，使得負載無功功率的變化對電網電壓的穩定性帶來極為不利的影響。

　　無功功率補償是涉及電力電子技術、電力系統、電氣自動化技術、理論電工等領域的重大課題。由于電力電子技術裝置的應用日益普及生產、生活各個領域，無功補償問題引起人們越來越多的關注。據有關科學統計，如果全國都通過優化配置計算來安裝無功補償裝置，在總投資不變的條件下，估計每年可以節省電量大約3億千瓦時。因此，電力系統的無功補償和電壓調整是保證電網安全、優質、經濟運行的重要措施。目前，由于電力電子技術的飛速進步，無功功率補償方面也取得了突破性的進展。

2　連續無功補償裝置發展歷史、現狀和發展前景

　　工程上應用的無功補償器主要包括旋轉無功補償器和靜止無功補償器，其具體分類見圖1。

2.1　連續無功補償裝置的發展歷史

　　旋轉無功補償器以同步調相機為代表，同步調相機實際上就是在過勵或欠勵狀態下運行的同步電機，它既能發出容性無功，也能發出感性無功，因而同步調相機能對變化的無功功率進行動態補償。由于其存在諸多缺點（見表1），70年代以來逐漸被靜止無功補償器取代。

　　靜止無功補償技術經歷了圖1所示的3代發展：

　　第Ⅰ代屬于慢速無功補償裝置，在電力系統中應用較早，目前也仍在應用；

　　第Ⅱ代屬無源、快速動態無功補償裝置，出現于 20 世紀 70 年代，國外應用普遍，我國目前有一定應用，主要用于配電系統中，輸電網中應用很少，SVC 可以看成是電納值能調節的無功元件，它依靠電力電子器件開關來實現無功調節。 SVC 作為系統補償時可以連續調節并與系統進行無功功率交換；

　　第Ⅲ代屬快速的動態無功補償裝置，國外從20世紀80年代開始研究，90年代末得到較廣泛的應用。隨著大功率全控型電力電子器件GTO、IGBT、及IGCT的出現，特別是相控技術、脈寬調制技術（PWM）、四象限變流技術的提出，使得電力電子逆變技術得到快速發展，以此為基礎的無功補償技術也得以迅速發展。靜止同步補償器，作為FACTS家族最重要的成員，在美國、德國、日本、中國相繼得到成功應用。此外，SVG和SVC相比還擁有調節速度更快、調節范圍更廣、欠壓條件下的無功調節能力更強等優點，同時諧波含量和占用空間都大大減少。3代無功補償裝置的優缺點見表1。

2.2　國內外電網動態無功補償的現狀

　　我國電網中目前使用最為廣泛的補償裝置是機械投切的并聯電容器組。為滿足調壓要求，在低壓供電網絡中裝設了大量的并聯電容器組，在中壓配電網絡中裝設了少量的并聯電容器組。牡丹江科海電氣設備有限公司設計生產的G(X)JF1型電容器跟蹤投切柜（箱）采用了KH－ZK電容器智能投切開關；G（X）JK1型接觸器式電容器跟蹤投切柜（箱）投切電容過程涌流小，整機使用壽命長, 維修量小,無功補償響應快，可頻繁投切，多級補償一次到位。包括G（X）D1型電容投切產品都是該補償裝置的進步發展。

　　目前，我國輸電系統中一共有5地 6套大容量SVC投入使用，它們分別被裝設在廣東江門、湖南云田、湖北鳳凰山（2套）、河南小劉以及遼寧沙嶺的500kV變電站中。此類SVC多為進口，其中有3套是ABB公司的產品。

　　SVC在大型工礦企業中的應用較為廣泛，在鋼鐵企業中的應用尤為突出，武漢鋼鐵公、包頭鋼鐵公司、寶山鋼鐵公司、濟南鋼鐵公司、張家港沙鋼鐵公司、天津鋼管公司等均裝有該補償裝置，如濟南鋼鐵公司中厚板廠二期工程在35kV母線上安裝了由西門子公司設計制造的一套容量為25Mvar的SVC，2001年底帶負荷一次投運成功。

　　從國際范圍來講，目前SVC與SVG都已得到普遍的應用。SVC出現早，應用時間長，僅ABB公司，其目前在全世界投運的SVC就已超過370套，ABB 與西門子兩個公司已安裝的SVC總容量約為9萬Mvar（包括已退役裝置）。SVG裝置在20世紀主要以示范工程為主，從上世紀90年代末到本世紀初，SVG在日本及歐美得到了廣泛應用，尤其是在冶金、鐵道等需要快速動態無功補償的場合。1999 年3月，我國第一臺工業化STATCON在河南省洛陽市朝陽變電站成功并網運行，標志著我國掌握了高壓大容量FACTS 設備的設計制造技術。

2.3　靜止無功補償裝置的發展前景

　　隨著電力電子技術的日新月異以及各門學科的交叉影響，靜止無功補償的發展趨勢主要有以下幾點：

　　（1）在城網改造中，運行單位往往需要在配電變壓器的低壓側同時加裝無功補償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補償控制器和配電綜合一體化的問題。

　　（2）快速準確地檢測系統的無功參數，提高動態響應時間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況(如大的沖擊負荷或負荷波動較頻繁的場合)。隨著計算機數字控制技術和智能控制理論的發展，可以在無功補償中引入一些先進的控制方法，如模糊控制、微機控制等。

　　（3）目前無功補償技術還主要用于低壓系統。高壓系統由于受到晶閘管水平的限制，是通過變壓器降壓接入的，如用于電氣化鐵道牽引變電所等。研制高壓動態無功補償的裝置具有十分重要的意義，關鍵是要解決補償裝置晶閘管和二極管的耐壓，即多個晶閘管元件串聯及均壓、觸發控制的同步性等問題。