第五章 SVC和STATCOMWord文档格式.docx

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a）带理想中点无功补偿器的两机模式

b）对应的相角关系c）有功功率Pp和补偿的无功功率与传输角δ的传输特性

假设系统为无穷大系统，从图5-1b中的相量图中容易看出，通过线路上每个端子（送端、中点和受端）的有功功率相同，因此有

（5.1）

因此，传输的有功功率为：

（5.2a）

或

（5.2b）

根据无功分量的定义及上面相量图的关系，同样可得

（5-3）

由此可得图5-1c所示在理想并联补偿情况下的有功功率P、无功功率Q和δ角之间的关系。

从该图中可以看出，并联的中点无功补偿能够显著提高线路传输的有功功率，即将传输功率增加了一倍，但它对中点补偿器的无功需求也会随之增加。

若欲增加受端的输入功率，则受端发电机也应能提供相应的无功功率。

显然，对图5-1所示的简单系统而言，传输线的中点是装设补偿器的最好位置。

这是因为在没有补偿的传输线路上，线路中点的电压偏移最严重。

由于中点补偿将传输线路分截为两段，因而它们的最大传输功率相同。

如果线路被分为不相等的两段，则较长线段的传输功率将决定线路的最大传输功率。

这种分段补偿的概念也可扩展到多个均匀分段补偿的情况，如图5-2中所示的传输线被均匀的分为4条线路。

理论上讲，线路长度一定时，分段数增加一倍，则传输功率也会增加一倍；

而且，分段数量的增加，有利于减少沿线电压的变化，甚至能接近恒压的理想传输。

图5-2两机系统中理想无功补偿器的线路分段对维持恒定传输电压和传输角的作用

这种分散的并联补偿器具有实时、无限制的无功吞吐容量，正是由于它的这一特点，使得并联型无功补偿器得到了广泛应用。

分布式补偿必须与所在路段的电压基波相位保持同步，并能使传输电压在规定的幅值范围内变化，它不应随负载的变化而变化。

但这样的系统可能会太复杂，或许也非常昂贵。

从实际应用的角度来看，特别是考虑故障条件下的稳定性和可靠性时，也可以使用这种补偿方式。

采用晶闸管控制的静止无功补偿器对线路的有限分段已在实用中得到证实，例如属于魁北克水电站系统的一条传输线所安装的补偿器就是很好的证明。

该线路将詹姆士海湾水力发电站到蒙特利尔市，以及邻接的美国公用电网连接在一起，它约长600mile，电压等级为735kV，传输功率为12000MW。

更为重要的是，通过在传输系统关键位置上安装并联补偿器，能够支撑电压，并从中得到了效益，这些可由在世界范围内已安装众多补偿装置得到证明。

5.1.2线路终端电压的支撑及稳定性的提高

上面讨论的两机传输系统的中点电压支撑原理，可以容易地扩展到径向传输的特殊情况之中。

假设有一无源负载在电压为U时消耗的功率为P，且该负荷已联接到线路的中点。

此时对于两机系统的受端或接收端来讲，相当于受端发电机经过阻抗为X/2的传输线路后到达负载，而对于送端发电机来讲，它也相当于经过X/2的阻抗后将电能送到负载，因此，对于任一侧的发电机而言，都相当于工作在径向传输方式。

显然，当中点（即此时的终端或受端）电压没有补偿时，负载端电压将随着负载（和负载功率因数）的变化而变化。

在图5-3a的简单径向系统中，经线路电抗X将电能送到负载Z，图的右边给出了输出端电压的标幺值Ur随功率P变化的特性，同时还标明了在负载功率因数由滞后0.8到超前0.9时的不同特性。

每一个给定功率因数的“鼻点”表示在相应的系统条件下电压的稳定极限。

可以看出，电压的稳定极限随感性负载的增加而减少，随容性负载的增加而增加。

图5-3b是在图5-3a的基础上，在负载端增加了一个无功补偿装置。

若补偿控制采用U−Ur=0的控制策略，则这个无功补偿可有效增加负载端电压的稳定性（理论上讲，甚至可以维持负载端电压的恒定）。

显然，径向线路受端的电压幅值会随着负载的变化有很大的波动，因此线路的受端就是安装无功补偿器的最好位置。

当然，对于长距离输送线路而言，连接两个交流系统传输线路的中点则是安装补偿器的最佳位置。

图5-3

a）径向线路负载功率因数的变化对电压稳定极限的影响b）并联无功补偿对稳定极限的扩展

在实际应用中，通常通过并联无功补偿来控制给定母线上的电压，这样在负载变化或波动时，能够及时调整电压。

特别是当发电机组停机检修时，由于送端发电机的电压调整能力受到削弱，负载侧的电压稳定就更加依赖补偿装置对电压进行控制。

系统中的大负荷区域一般都由两个或多个发电厂通过专门的传输线路得到电能，而随着该区域负荷的不断增加，已有的电能可能会供不应求，此时一般都是通过另外的传输线路来引入电能。

但当某一电源发生故障时，会突然加大系统剩余部分发电机组的负荷需求，因而会引起电压的严重失衡，并有可能最终导致电压崩溃。

从某种意义上讲，通过引入无功补偿控制，总是可以增加系统的稳定性。

5.1.3暂态稳定性的提高

以上介绍了在稳态情况下，通过无功补偿能有效提高线路传输容量的基本概念，同时也介绍了电压稳定的原理。

如果补偿控制的速度能够达到电力系统暂态稳定性的要求，则无功补偿不仅能增强系统的稳态稳定性，还可以在系统受到大的扰动后提高系统的暂态稳定性，并能有效地阻尼电力系统的振荡。

在电力系统的暂态稳定分析中，通常采用等面积法则对稳定性进行评价，也可以通过它容易估算出并联补偿（或其它补偿和潮流控制技术）在提高暂态稳定性方面的潜在效果。

设系统受端为无穷大母线，仍可采用简单的两机系统模型来说明无功补偿对电力系统暂态稳定性的影响。

对于图5-4a所示的简单两机系统，图5-4b给出了它的P–δ关系曲线。

假定系统在正常稳定运行下的P−δ关系用曲线a来描述，对应的功角为δ1、传输功率为P1。

若在某一时刻线路1出现接地短路故障，则系统送端的母线电压会急剧下降，在此期间，系统传输特性就会由曲线a很快下降为曲线b的P−δ特性。

显然，在故障期间由于电压的下降，将使系统传输功率显著下降，而此时由于送端发电机转子的惯性作用，使发电机的机械输出功率仍然维持在恒定功率P1。

因此，在故障期间发电机的输入功率大于输出功率，于是发电机的转子得到加速，使功角从δ1增加到δ2，送端发电机吸收的加速能量可用P对时间的积分来表示，即对应图中A1所表示的面积，此即为加速面积。

设功角增加到δ2时，线路保护断路器将故障线路1断开，电压得到恢复，但系统的等效传输阻抗会有一定程度的增加，因而使系统的传输特性由曲线b很快上升为曲线c。

故障切除后，发电机的输出功率会大于发电机的机械输入功率P1，因此，送端等效发电机转子的加速度开始下降，但由于送端发电机转子中储存的动能使转子在惯性作用下仍然进一步增加，只是增加的速度在负转矩的作用下逐渐减小。

设功角达到δ3时转子的增速为零，只要δ3不超过规定的临界值，则系统在负转矩的作用下就会使功角δ逐渐减小，经过几个振荡后，系统就会在新的平衡点重新恢复正常运行。

显然，曲线c从δ2增加到δ3与机械输入功率P1形成的面积A2即为故障清除后的减速能量，常称为减速面积。

根据能量守恒定律知，只要加速面积A1与减速面积A2相等，系统就能够恢复稳定。

当δ3=δcrit时即为系统稳定的临界值，它也是系统暂态稳定的临界值，超过这个临界值，减速能量就会小于加速能量，因此送端和受端之间也不可能保持同步。

δ3和δcrit之间的面积Amargin为系统的暂态稳定余量，它表示系统仍保持稳定的富余量。

为避免混淆，本书将采用稳定裕量来表示稳定的一种广义度量，而稳定余量则用来表示距离不稳定极限的富余部分。

图5-4双回线两机系统稳定性的等面积法则

根据上面的描述可知，在特定的功率传输等级和故障切除时间内，暂态稳定性是由故障后系统的P―δ特性来决定的。

因此，适当控制并联补偿就能有效维持电压的稳态稳定性，增强故障后系统的传输能力，同时还能提高系统的暂态稳定性。

在电力系统的暂态稳定性分析中，等面积法则是一种相对简单的分析方法，也是广泛使用的一种方法，本节及后续章节都将采用这一方法进行暂态稳定性的分析。

若图5-1a中的基本单回路两机系统既是故障前系统，也是故障后系统，尽管这种单回路系统不太切合实际，但仍可用等面积法则对该系统进行稳定性分析，也能够通过图示的方法清晰地表示系统稳定状态的暂态过程，所得到的结论不会对系统特性的有效性分析产生影响。

在该系统中，假设在有中点补偿和没有中点并联补偿的两种情况下，系统传输的稳态功率都一样，当系统出现故障后，两种系统所经历的故障时间也完全相同。

在这种前提下，可得到图5-5a和b所示的暂态稳定特性。

图示中，功角δ1和δp1分别表示故障前的运行点，而机械输入功率则用Pmech（下标mech表示“机械”的意思）表示。

在图示的单回路系统中，当出现故障时，系统的传输功率（对发电机来讲即为电磁功率）突降为零。

由于机电暂态过程远比电磁暂态过程慢得多，可以假设在电磁暂态过程中发电机的机械转速和轴上输入功率没有发生变化，因此，发电机轴上的机械输入功率在故障发生的瞬间仍保持在Pmech的恒定值不变。

此时由于机械输入功率大于电磁功率，发电机的转子会逐渐加速，功角δ也随之增加。

设故障切除时两种状况下的功角分别从稳态时的δ1和δp1加速到δ2和δp2，如前所述，此时的加速能量可分别由面积A1和Ap1表示。

由图可见，当故障切除后，系统传输的电磁功率已大于机械输出功率，于是送端发电机转子的加速度就会减小。

但由于此时发电机转子中已储存一定的动能，发电机的转子仍会进一步加速，但加速度将逐渐降低。

若功角分别达到了最大值δ3和δp3时，加速能量和减速能量达到平衡，而对应的减速面积则分别由A2和Ap2表示，这两个面积所对应的角度也即是两种情况下的最大功角振幅。

若以机械输入功率Pmech为基准，则在δ3→δcrit或δp3→δpcrit的区间内传输功率大于机械输入功率，P―δ曲线与机械功率Pmech之间的面积就是暂态稳定余量，也就是“从未用过的”或仍然可用的减速能量，此处分别用面积Amarg和Apmarg表示。

图5-5a和b清楚地表明，无功补偿对暂态稳定裕量具有实质性增加，通过对传输线路有效的理想中点分段补偿，几乎可以不受限制地提供无功输出。

显然，如果说没有无功补偿的系统已具有足够的暂态稳定裕量，则并联补偿系统不仅会进一步增加稳定裕量，还可有效地增加传输功率。

图5-5

a）没有补偿的简单两机系统暂态稳定裕量的等面积法则b）带有理想中点补偿的稳定特性

在上面的阐述中，均假设并联补偿是在“理想”条件下得到的。

所谓“理想”的补偿器就是指：

除了故障期间外，中点电压的幅值总是保持恒定，该电压的相角与发电机的相角同步。

显然，补偿器不涉及有功功率的交换，但它却能持续提供必要的无功功率。

如图5-1c所示，随着传输功率的增加，中点对补偿器的无功需求也迅速增加，当稳态传输功率达到最大标幺值2时，所需的无功需求也达到了它的最大值2。

出于经济的考虑，线路中点处的无功补偿容量不可能做得很大，一般可能会远小于所要求的完全补偿。

因此，只要无功补偿的需求不超出它能够提供的额定补偿范围，这种并联补偿器就可以看作是“理想”的补偿器。

当所需无功超出它的最大额定补偿范围时，就不可能达到“理想”的补偿效果，而只能将它看成是恒定的电抗，或者是恒定的无功电流源，实际能够起到多大作用，则完全取决于系统对补偿电路的基本要求。

补偿器的额定补偿容量通常是根据计划要求来决定的，它必须满足预期潮流的补偿设计目标，同时还应满足在特定故障条件下要有一定的稳定裕量。

在本节对等面积法则的叙述中，已清楚地说明了“故障前”和“故障后”系统之间的差别，并从暂态稳定性的角度出发，也考虑了它对整个系统可能引发的安全问题，显然，“故障后”系统是至关重要的，这就是说，电力系统通常意义上的暂态稳定性，不仅是指故障前系统是稳定的，而且该系统经过特定扰动或故障后的退化系统也应该是稳定的。

正是由于在系统设计时考虑了这些合理的因素，所以传输系统的实际容量要比它们在正常应用情况下的传输容量高得多。

此外，用快速补偿技术取代网络的整体补偿在技术上是一个值得推荐的方式，在经济上也具有很大的优势；

它的另一个优点是，由该系统在特定故障后形成的退化系统仍具有很高的传输能力。

5.1.4功率振荡的阻尼

在有衰减阻尼的电力系统中，任何很小的扰动都可能导致机械转角在它的稳定值附近波动，这个稳定值就是整个机电系统在自然频率下的稳定值。

当然，机械转角的波动会引起在传输功率在稳态值附近产生振荡。

某些电力系统存在的主要问题就是缺乏足够的阻尼特性，在某些情况下，它甚至是限制功率传输的一个重要因素。

由于功率振荡是持续不断的动态过程，因此可改变线路中点并联的无功补偿，使线路电压的变化能够抵消受扰动发电机的加速和减速的影响。

设在功率振荡期间的机械输入功率为一常数，当发电机加速旋转时，δ加速（dδ/dt>

0），传输功率一定要随之增大，以补偿超额的机械输入功率；

相反，当发电机减速时，δ减小（dδ/dt<

0），此时传输功率也一定要相应减小，以平衡不足的机械输入功率，只有这样才能逐渐使功率振荡得到衰减。

为了实现这一控制策略，并联无功补偿器在dδ/dt>

0时，就应该输出无功功率，即对系统呈现容性，以提升线路中点的电压，因而能增加传输功率；

反之，当dδ/dt<

0时，并联无功补偿器对系统应呈现感性，以降低传输线路的电压，因而也能减小线路传输的功率。

无功输出控制的要求和功率振荡阻尼的过程如图5-6中的波形所示。

图5-6a表示δ在稳态值δ0附近的有振荡阻尼和没有振荡阻尼的两种振荡波形；

图5-6b表示功率P在稳态值P0附近的波动情况，其中一条曲线为有阻尼的振荡波形，另一条曲线为没有阻尼的振荡波形。

图中功率曲线在开始位置的下凹区间表示诱发功率振荡的起始点。

图5-6并联无功补偿对阻尼功率振荡的作用

a）功角b）传输功率c）并联补偿器的无功输出

波形5-6c表示并联无功补偿器的无功功率输出Qp。

由图可见，当dδ/dt>

0时，补偿器增加正的容性功输出，这样就能抬高中点电压，增加传输功率，使发电机的电磁制动功率大于发电机轴上输入功率，电机转速就会逐渐下降；

而当dδ/dt<

0时，则应使补偿的无功为感性（负），因而能降低线路电压，减小传输功率，以达到增加电机转速的目的。

图5-6c所示的无功控制方式常称为“乓乓”控制方式，即输出的无功功率要么为正的最大值，要么为负的最小值。

在系统承受较大的功率振荡时，这种控制方式通常是非常有效的；

然而，当阻尼相对较小的功率振荡时，由于需要连续改变补偿器的控制输出，因此应优先考虑使用与发电机的功角或功率保持一致的控制策略。

5.1.5补偿装置的要求

当并联型无功补偿器用于增加功率传输、改善线路电压、提高暂态稳定性、阻尼功率振荡时，应能满足如下要求：

1）在所有运行条件下，补偿器必须与补偿母线处的交流系统同步运行，即使是在严重扰动的工况下也应如此。

由于邻近故障，可能会使补偿母线处的电压暂时消失，但补偿器必须能够在故障切除后，能立即恢复正常的同步运行。

2）保持电压的稳定，改善和提高系统的暂态稳定性，控制补偿处母线电压以增强功率振荡的阻尼性能，所有这些都应该成为补偿装置控制的基本要求。

3）对于单回传输线连接的两机系统而言，安装无功补偿器的最好位置是在传输线路的中点；

对于径向传输终端的负载补偿而言，则应采取就地补偿。

本书所介绍的所有无功发生器结构和控制方法都是较为成熟的技术，大多都在实际中已得到广泛使用，并证明可行，它们都能够满足电力系统稳态和动态补偿要求。

当然，它们的功能特性、响应时间、投资和运行成本、所需空间大小和安装要求，以及它们的自身损耗估算等存在着很大的差别，在具体应用时，应注意它们各自的特点，选择最优的方案。

5.2产生无功的控制方法

在无功补偿中，当电容器或电抗器与交流电源相连时，电容支路输出无功功率，电感支路则吸收无功功率。

在早期的交流功率的传输中，机械开关已用于粗略地控制无功的产生和吸收。

对于无功产生和吸收的连续暂态补偿系统，最初是由过励磁或欠励磁同步旋转电机来实现，以后则由饱和电抗器加上固定电容共同来实现。

自20世纪80年代初开始，与电容器和电抗器串联的大功率线性换流晶闸管就已用于各种补偿电路之中，它可以产生可变的无功输出。

从效果上看，它相当于同步投入或切除并联电容或并联电抗，因而也能改变并联在线路上的阻抗特性。

当给定某个电压时，可用适当的开关模式连续控制无功输出，使之从最大的容性输出到最大的感性输出。

随着GTO的出现，以及具有自关断能力的功率电力电子器件的发展，许多GTO和其它具有可关断能力的电力电子器件已应用于变流器的开关电路中。

这种变流器也同样用来产生和吸收可变的无功功率，但它已不像以前的补偿器那样仅采用交流电容或电感，这种补偿器的运行性能可看成是理想的同步补偿器或调相机，只要改变内部输出的交流电压幅值就可控制无功的输出。

所有不同类型的电力电子变流器都能够通过内部控制，使它们输出与给定参考值成比例的无功功率，IEEE和CIGRE将这种变流器定义为静止无功发生器（SVG）。

这种类型的无功补偿由于没有旋转部分，而是由静止不动的功率器件来完成相应的补偿，因此这类无功补偿器的前面一般都冠以“静止”二字。

而静止无功补偿器（SVC）也被IEEE和CIGRE定义为一种静止无功发生器，但它的输出变化是为了维持或控制电力系统的某些特定参数，如电压或频率等。

为了能正确理解SVG和SVC的作用，读者应充分领悟这两种补偿器之间的区别。

从“黑匣子”的观点来看，静止无功发生器（SVG）是一种能自动调节的功能器件，它从交流电源吸取可控的无功电流，在它的运行范围内，其输入可以是无功电流、阻抗、功率，或者是任何其它的参考信号，并在此输入信号的作用下产生相应的输出。

因此，SVG可以看成是设计功率等级下的功率放大器，它能忠实地再生输入参考信号规定的要求，或者说，静止无功发生器各种功能的应用是输入参考信号明确规定的。

若静止无功发生器的参考输入信号为系统运行中特定的外部参数，那么通过对这些参数的控制就能够优化电力系统的运行，完成传输线路所希望的补偿功能。

按照IEEE和CIGRE的定义，这样的静止无功发生器就称为静止无功补偿器。

这就是说，不同类型的无功补偿器完全可以用相同的外部控制实现补偿功能。

显然，无功发生器的类型和结构将最终确定它们的基本运行特性，如电压－无功输出、电压－响应时间、电压－输出谐波等特性。

而静止无功补偿器则是由外部特性来实现相应的控制功能，如电压调节、功率因数控制、功率振荡阻尼等功能。

现代静止无功发生器基本上都是由大功率的半导体开关电路所构成，这些开关电路的固有特性决定了它们在运行中的一些重要性能，例如外加电压与可得到的无功输出电流特性、谐波的产生、设备损耗与无功输出特性，以及损耗与可获得响应时间、可得到的无功发生器运行性能的设定、独立的外部控制，或静止无功补偿器需完成的所有其它功能等。

下面将着重介绍两类现行大量使用的静止无功发生器的运行原理和特性，其中一类是晶闸管控制的电抗器与固定电容或晶闸管投切电容组合而成的静止无功发生器，这种组合可得到一种可变的无功阻抗；

另一类是使用开关型功率变流器，以得到可控的同步电压源。

接着将介绍对这两类无功发生器均适用的一些应用要求、结构和运行中的外部控制等内容，这些内容同时也界定了不同系统条件下，无功发生器实现其功能的能力和运行策略。

5.2.1可变阻抗型静止无功发生器

阻抗型无功发生器的性能和运行特性是由晶闸管控制的器件所决定的，所涉及到的控制器主要有晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）。

1.晶闸管控制和晶闸管投切电抗器（TCR和TSR）

图5-7a所示为最基本的单相晶闸管控制电抗器（TCR）的原理图，它由固定电感L（通常为空芯电感）和双向晶闸管开关阀或开关电路组成。

目前可利用的晶闸管的阻断电压大约从4~9kV，导通电流可达3~6kA。

在实际使用中，由于电压等级较高，常常是许多晶闸管串联起来组成一个开关阀，一般有10~20个晶闸管进行串联，以满足给定功率下不同电压等级对阻断电压的要求。

由这些串联起来的晶闸管开关阀可通过相同极性的触发脉冲使其导通，当交流电流过零时，这种开关阀能立刻自动关断，然后再重新触发这个开关阀，使其导通。

图5-7

a）基本的晶闸管控制电抗器b）带延时触发角控制c）运行波形

通过对触发控制角α的控制，可使电抗器中的电流从晶闸管开关阀完全导通的最大值到晶闸管开关阀完全关断的零电流之间变化。

也就是说，晶闸管的触发导通是以在半周期中的电压峰值作为参考点，以控制电流导通的持续区间。

图5-7b分别说明了正负两个半波中的电流控制，它表明外加电压为U、延迟控制角为零（即开关阀完全导通）或其它任意控制角α（见图5-7c），流过电抗器的电流iL（α）对应的输出波形。

当α=0时，开关阀在外施电压的峰值点导通，显然，电抗器中流过的电流就相当于开关阀永久闭合时的稳定电流。

当开关阀在电压峰值后延迟α（0≤α≤π/2）角触发后，电抗器中的电流与电压u（t）=Umcosωt的关系可表示为

（5.4）

根据图5-7a的电路结构知，当电抗器中的电流过零时，晶闸管开关阀将自动关断，所以式（5-4）只有在α≤ωt≤π-α区间是有效的。

对于随后负半周的电流分析，式（5.4）同样有效，只是将式中各项的符号取反即可。

如图5-7b所示，式（5.4）中的（Um/ωL）sinα项是仅取决于α的常数，可认为它是α=0时正弦电流的偏移量。

该值为正时，即在电流的正半周，波形向下偏移；

而在电流的负半周时，则向上偏移。

当电流过零时，开关阀会立刻自动关断。

对于无损电抗器而言，电流的导通起始点和电流的关断终止点与电流峰值轴线呈对称关系，因此，实际上只需控制晶闸管开关阀的导通，而没有必要关心或控制它的关断。

确切的说，控制角α决定了导通角θ，而θ=π-2α。

当控制角α增加时，偏移量就增加，从而导致开关阀的导通角θ减小，最终使得流过电抗器的电流减小；

当控制角α达到了它的最大值π/2时，偏移量也达到它的最大值Um/ωL，此时导通角和电抗器的电流都变为零。

读者应该注意此处的两个参数，即控制角α和导通角θ，事实上，这两个参数有确定的关系，知道其中一个就可求出另一个。

因此，可以用其中任一参数来表示TCR的特性，至于选择其中的哪一个则没有什么关