MATLAB在靜止無(wú)功補(bǔ)償中的應(yīng)用.doc

裝訂線(xiàn)裝訂線(xiàn)安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)摘 要本文主要介紹MATLAB在靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。總結(jié)了幾種常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，并比較了其優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。研究了靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC)在提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性中的應(yīng)用，對(duì)靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC的功能進(jìn)行了說(shuō)明。闡述了各種靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。闡述了一種TCR-TSC型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC)設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)級(jí)模型進(jìn)行理論分析，采用MATLAB對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明加入SVC裝置的系統(tǒng)可以有效改善電網(wǎng)系統(tǒng)電壓變化，能顯著改善電網(wǎng)系統(tǒng)中電壓質(zhì)量。關(guān)鍵詞：靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置,功率因數(shù)，MATLAB仿真ABSTRACTThis paper describes the MATLAB application in the design of Static Var Compensator.It summarizes several common reactive power compensation,their strengths and weaknesses are compared.The application of static var compensator to improve voltage stability of power grid was studied. The function of static var compensator(SVC) was explained .The principle,advantageous and drawback of various static var compensator and there application in the electric system were expounded.A TCR-TSC static var compensator (SVC) is designed in this paper.It is theoretically Analysis the SVC system-level model. Then the model system is simulated by using MATLAB.The simulation results show that the SVC device can effectively improve the power system voltage changes can significantly improve the voltage quality in the grid system.Keywords：Static Var Compensator(SVC)，Power factor，MATLAB Simulation目錄1. 引言51.1課題背景51.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究意義61.3論文工作介紹92. 無(wú)功功率及無(wú)功補(bǔ)償概述102.1 無(wú)功功率102.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x與作用122.2.1無(wú)功補(bǔ)償概述122.2.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x與作用122.3無(wú)功補(bǔ)償基本事項(xiàng)142.3.1 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑瓌t142.3.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?42.3.4 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償存在的問(wèn)題152.4無(wú)功補(bǔ)償發(fā)展歷程163. 靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器203.1概述203.2 SVC分類(lèi)213.3 SVC動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理213.4 晶閘管相控電抗器（TCR）223.4.1 TCR結(jié)構(gòu)223.4.2 TCR的運(yùn)行特性243.5晶閘管投切電容器（TSC）253.5.1 TSC的結(jié)構(gòu)253.5.2TSC的運(yùn)行特性264. MATLAB仿真274.1 MATLAB概述274.2仿真的必要性和優(yōu)越性294.3基于TCR和TSC仿真模型304.3.1晶閘管控制電抗器仿真圖314.3.2晶閘管投切電容器仿真圖324.3.3 SVC控制系統(tǒng)334.4仿真分析及結(jié)論35總結(jié)與展望37致謝39參考文獻(xiàn)401. 引言1.1課題背景在電力系統(tǒng)中，供電的質(zhì)量、電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性是最根本的問(wèn)題?？焖俸侠淼卣{(diào)節(jié)電網(wǎng)無(wú)功功率，對(duì)交流電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定和系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)，合理分配潮流及限制電網(wǎng)過(guò)電壓方面有著十分重要的意義。隨著電力工業(yè)的高速發(fā)展，超高壓、特高壓電網(wǎng)相繼投入運(yùn)行，人們對(duì)供電質(zhì)量及可靠性的要求越來(lái)越高。由此產(chǎn)生了一系列問(wèn)題：超高壓大電網(wǎng)的形成及負(fù)荷變化加劇，要求大量快速響應(yīng)的可調(diào)無(wú)功電源來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)所缺無(wú)功，進(jìn)而調(diào)整電壓，維持系統(tǒng)無(wú)功潮流平衡，減少損耗，提高供電可靠性。電力系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)和變壓器等設(shè)備要消耗大量的無(wú)功功率。這些無(wú)功功率如果不能及時(shí)地得到補(bǔ)償，會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響：(1)降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。(2)降低輸、變電設(shè)備的供電能力。(3)造成線(xiàn)路電壓損失增大和電能損耗的增加。(4)造成低功率因數(shù)運(yùn)行，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。另外，無(wú)功儲(chǔ)備的不足會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓水平的降低。如果是沖擊性的無(wú)功功率的負(fù)載，還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，例如電弧爐、軋鋼機(jī)等大型設(shè)備會(huì)產(chǎn)生頻繁的無(wú)功功率沖擊，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量更加惡化。當(dāng)前，人們對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，保持適量的無(wú)功裕度是電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保障。鑒于以上所述種種危害，如何快速有效地補(bǔ)償電力系統(tǒng)中的無(wú)功缺額，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從發(fā)電機(jī)和高壓輸電線(xiàn)供給的無(wú)功功率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)充無(wú)功功率，以保證用戶(hù)對(duì)無(wú)功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。從電力系統(tǒng)的誕生開(kāi)始，并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)就開(kāi)始在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等，由于并聯(lián)電容器阻抗固定，不能動(dòng)態(tài)地跟蹤負(fù)荷無(wú)功功率的變化；而調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等補(bǔ)償設(shè)備又屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其損耗、噪聲都很大。所以這些設(shè)備已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。SVC是目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最多、最為成熟的并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，IEEE將靜止型無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)定義為一種并聯(lián)型的靜止無(wú)功發(fā)生器或者吸收器，其輸出可以調(diào)節(jié)以交換容性或者感性電流，從而維持或者控制電力系統(tǒng)中的某些特定參數(shù)(一般為母線(xiàn)電壓)?，F(xiàn)今所指的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置一般專(zhuān)指使用晶閘管的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，主要有以下三大類(lèi)型：自飽和電抗器(SR)，晶閘管投切電容器(TSC)，晶閘管控制電抗器(TCR)。由于SR型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝鼉不能附加其他控制信號(hào)，因此控制靈活性較差，運(yùn)行噪聲大，為降低噪聲對(duì)環(huán)境的影響，有時(shí)要專(zhuān)門(mén)為飽和電抗器建造一個(gè)隔音室。不能分相調(diào)節(jié)，不能直接與超高壓連接，由于自飽和電抗器在額定電壓時(shí)鐵芯需要工作于飽和狀態(tài)，磁通密度較高，鐵芯截面積比普通變壓器要小，所以單位容量損耗大，且散熱較難，制作要求高。自然相對(duì)來(lái)說(shuō)價(jià)格較高。晶閘管投切電容器(TSC)是用晶閘管代替普通開(kāi)關(guān)對(duì)多組電容器進(jìn)行投切，補(bǔ)償方式為分級(jí)補(bǔ)償，優(yōu)點(diǎn)是效率高(995997)，不產(chǎn)生諧波，多用于低壓電系統(tǒng)。缺點(diǎn)是不能連續(xù)調(diào)節(jié)，同時(shí)因?yàn)殡娙輵?yīng)在系統(tǒng)電壓與電容殘壓相等時(shí)才投入，所以響應(yīng)速度較慢。晶閘管控制電抗器+固定電容器(TCR+FC)是目前最理想的SVC補(bǔ)償方式。獨(dú)的TCR由于只能提供感性的無(wú)功功率，因此往往與并聯(lián)電容器配合使用。并上電容器后，使得總的無(wú)功功率為T(mén)CR與并聯(lián)電容器無(wú)功功率抵消后的凈無(wú)功率，因而可以將補(bǔ)償器的總體無(wú)功電流偏置到可吸收容性無(wú)功的范圍內(nèi)。另外，聯(lián)電容器串上小的調(diào)諧電抗器還可兼作濾波器，以吸收TCR產(chǎn)生的諧波電流。過(guò)控制與電抗器串聯(lián)的反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，既可以向系統(tǒng)輸送感性無(wú)功電，又可以向系統(tǒng)輸送容性無(wú)功電流。由于該補(bǔ)償器響應(yīng)時(shí)問(wèn)快(小于半個(gè)周波)，活性大，而且可以連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功輸出，所以目前在我國(guó)的輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中用最為廣泛。又由于其具有連續(xù)調(diào)節(jié)的性能且響應(yīng)迅速，使得它在校正動(dòng)態(tài)無(wú)功荷的功率因數(shù)、改善電壓調(diào)整、提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、阻尼功率振、降低過(guò)電壓、阻尼次同步振蕩、減少電壓和電流的不平衡方面都有較好的作用，且維護(hù)簡(jiǎn)單、成本較低。雖然近幾年基于變流器的STATCOM比起SVC具有更好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能，但經(jīng)濟(jì)性、裝置容量、技術(shù)現(xiàn)狀、可靠性和發(fā)展趨勢(shì)等各方面綜合考慮，在未來(lái)相長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，SVC仍將是大量采用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。所以，SVC的理論研究及工程設(shè)計(jì)仿真將是本文的重點(diǎn)。由于電力系統(tǒng)非線(xiàn)性特點(diǎn)以及對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行要求的不斷提高，常規(guī)的SVC控制方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，而新一代的SVC控制系統(tǒng)的研究才剛剛起步，對(duì)一個(gè)經(jīng)存在的龐大的電力系統(tǒng)，SVC面向不同的補(bǔ)償對(duì)象控制策略也是不一樣的。為充分發(fā)掘TCR型SVC的潛在能力，有必要對(duì)其控制方式進(jìn)行深入的分析，本文對(duì)TCR型控制策略進(jìn)行分析，找出適合的控制方法，并在MATLAB上進(jìn)行電力統(tǒng)建模仿真，分析其結(jié)果。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究意義目前廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外輸配電系統(tǒng)的SVC在無(wú)功補(bǔ)償、改善電壓不平衡度、抑制電壓閃變等多方面性能優(yōu)良，性?xún)r(jià)比和技術(shù)開(kāi)發(fā)難度適合我國(guó)國(guó)情，是國(guó)內(nèi)應(yīng)用此類(lèi)裝置的理想選擇。目前世界上幾個(gè)著名的電氣生產(chǎn)商(如瑞士ABB公司、德國(guó)西門(mén)子公司、法國(guó)阿爾斯通公司、美國(guó)通用電氣公司以及日本東芝、三菱等公司)在SVC裝置的研制方面都具有較為成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)的理論研究及探討的文章不少，但國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)缺少實(shí)質(zhì)性的工作。原機(jī)械部于1985年從瑞士BBC公司引進(jìn)SVC制造技術(shù)，水冷卻、光電觸發(fā)。但控制器仍采用模擬技術(shù)，未能得到廣泛推廣。鞍山榮信公司于90年代引進(jìn)烏克蘭TCR型SvC技術(shù)，采用熱管散熱、電磁觸發(fā)，控制器采用單片機(jī)等一系列技術(shù)，由于總體技術(shù)落后，但其價(jià)格較低、機(jī)制靈活，在國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)推出得到了較廣泛的應(yīng)用。1999年中國(guó)電科院在原國(guó)家電力公司的資助下開(kāi)始了“靜止無(wú)功補(bǔ)償器實(shí)用化技術(shù)的研究”，并在2002年推出了TCR平臺(tái)，采用了全數(shù)字化控制、封閉式純水冷卻、綜合自動(dòng)化、光電觸發(fā)等技術(shù)，并將其成功運(yùn)用于電弧爐的治理工程。但就輸電網(wǎng)而言，對(duì)于高壓大容量的SVC國(guó)內(nèi)尚不具備制造能力，特別是關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)集成能力。目前國(guó)內(nèi)一些產(chǎn)家也推出了自己的TCR型SVC產(chǎn)品，但大多仍以低壓產(chǎn)品為主，主要的生產(chǎn)產(chǎn)家有鞍山榮信公司、北京金白天正公司、中國(guó)電力科學(xué)研究院、保定三伊公司、西安電力電子研究所、深圳波宏公司等。但總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)功和電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和自動(dòng)調(diào)節(jié)的技術(shù)還相對(duì)落后，國(guó)內(nèi)對(duì)高壓TCR裝置研制和生產(chǎn)還處于起步階段。SVC在實(shí)際工程實(shí)踐中主要有以下應(yīng)用：(1)輸電線(xiàn)路：在高壓輸電系統(tǒng)中SVC具有改善電壓控制、提高穩(wěn)定性、增加電能力、阻尼系統(tǒng)振蕩、降低工頻過(guò)電壓等功能。電網(wǎng)負(fù)荷中心樞紐點(diǎn)電壓關(guān)系至系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性和廣大用戶(hù)的電壓質(zhì)量，用SVC技術(shù)能有效解決電壓控制問(wèn)題，早己被國(guó)內(nèi)外大量工程實(shí)踐所證實(shí)，但產(chǎn)SVC(TCR型)在我國(guó)電網(wǎng)中的成功應(yīng)用僅開(kāi)始于2004年。在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的末端和中間站設(shè)置svc裝置，只要容量和技術(shù)性能(Up應(yīng)速度與靈敏度等)合適，一般可在該處建立電壓支撐點(diǎn)。這些電壓支撐點(diǎn)可把線(xiàn)分成若干段，每段各自按照近于90。的傳輸功率角輸電。加拿大魁北克水電局將該省拉格蘭德河和拉剖第河上的16000MW水電送至負(fù)荷中心蒙特利爾，原方需架設(shè)10回735kV輸電線(xiàn)，現(xiàn)方案只有6回735kV輸電線(xiàn)，另外在4個(gè)變電站別安裝8組300Mvar總計(jì)2400Mvar的SVC裝置，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，而且定性也很好。電力輸送的能力會(huì)受系統(tǒng)阻尼不足的限制，改進(jìn)阻尼的方法可以采取在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)中裝設(shè)對(duì)阻尼有適當(dāng)控制的SVC。SVC可以裝設(shè)在電力系統(tǒng)的任何地點(diǎn)，這就是說(shuō)可選擇最有利的安裝地點(diǎn)，能做到瞬時(shí)控制無(wú)功功率，控制程度能選擇，既能提高暫態(tài)穩(wěn)定性，又能加強(qiáng)阻尼，SVC可以同時(shí)兼作不同的用途，只要選擇不同的優(yōu)先次序及不同的控制方式即可實(shí)現(xiàn)，不論電網(wǎng)經(jīng)受何種干擾，也不論振蕩頻率是多少，均可獲得對(duì)電網(wǎng)的最佳效果。高壓自流輸電是一種與交流輸電相輔相成的先進(jìn)輸電方式。自流輸電系統(tǒng)有時(shí)需要采用SVC來(lái)解決以下問(wèn)題：補(bǔ)償無(wú)功。整流站及逆變站各需40-60的補(bǔ)償無(wú)功，這些無(wú)功應(yīng)通過(guò)交流濾波器、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、同步補(bǔ)償機(jī)及SVC等按具體情況進(jìn)行配合來(lái)滿(mǎn)足，吸收諧波，調(diào)整電壓，抑制過(guò)電壓，降低絕緣要求。電弧爐作為非線(xiàn)性及無(wú)規(guī)律負(fù)荷接入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一系列不良影響，其中主要問(wèn)題是：導(dǎo)致電網(wǎng)三相嚴(yán)重不平衡，產(chǎn)生負(fù)序電流，產(chǎn)生高次諧波，其中普遍存在如2，4偶次諧波與3，5，7次等奇次諧波共存的狀況，使電壓畸變更為復(fù)雜化，存在嚴(yán)重的電壓閃變，功率因數(shù)低。SVC具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的特點(diǎn)，它可向電弧爐快速提供無(wú)功電流并且穩(wěn)定母線(xiàn)電網(wǎng)電壓，最大限度地降低閃變的影響，SVC具有的分相補(bǔ)償功能可以消除電弧爐造成的三相不平衡，濾波裝置可以消除有害的高次諧波并通過(guò)向系統(tǒng)提供容性無(wú)功來(lái)提高功率因數(shù)。(3)軋機(jī)及其他大型電機(jī)對(duì)稱(chēng)負(fù)載引起電網(wǎng)電壓降及電壓波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)使電氣設(shè)備不能正常工作，降低了生產(chǎn)效率，使功率因數(shù)降低；負(fù)載在傳動(dòng)裝置中會(huì)產(chǎn)生有害的高次諧波，主要是以5，7，ll，13次為代表的奇次諧波及旁頻，會(huì)使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。安裝SVC系統(tǒng)可解決上述問(wèn)題，保持母線(xiàn)電壓平穩(wěn)。 (4)城市二級(jí)變電站(66KV-IIOKV)：在區(qū)域電網(wǎng)中，一般采用分級(jí)投切電容器組的方式來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功，改善功率因數(shù)，這種方式只能向系統(tǒng)提供容性無(wú)功，并且不能隨負(fù)載變化而實(shí)現(xiàn)快速精確調(diào)節(jié)，在保證母線(xiàn)功率因數(shù)的同時(shí)，容易造成向系統(tǒng)倒送無(wú)功，抬高母線(xiàn)電壓，危害用電設(shè)備及系統(tǒng)穩(wěn)定性。TCR結(jié)合固定電容器組FC(fixed capacitor)或者TCR+TSC可以快速精確的進(jìn)行容性及感性無(wú)功補(bǔ)償，穩(wěn)定母線(xiàn)電壓、提高功率因數(shù)。并且，在改造舊的補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，在原有的固定電容器組的基礎(chǔ)上，只需增加晶閘管相控電抗器(TCR)部分即可,用最少的投資取得最佳的效果，成為改善區(qū)域電網(wǎng)供電質(zhì)量的最有效方法。(5)電力機(jī)車(chē)供電：電力機(jī)車(chē)運(yùn)輸方式在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的“污染”，因電力機(jī)車(chē)為單相供電，這種單相負(fù)荷就造成了供電網(wǎng)的嚴(yán)重三相不平衡及低的功率因數(shù)，目前世界各國(guó)解決這一問(wèn)題的唯一途徑就是在鐵路沿線(xiàn)適當(dāng)位置安裝SVC系統(tǒng)，通過(guò)SVC的分相快速補(bǔ)償功能來(lái)平衡三相電網(wǎng)，并通過(guò)濾波裝置來(lái)提高功率因數(shù)。顯然，SVC技術(shù)對(duì)解決上述問(wèn)題具有相當(dāng)重要意義。當(dāng)然，具體的最佳解決方案應(yīng)通過(guò)深入細(xì)致分析，作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后才能得到。隨著SVC技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的成功，SVC在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)中的應(yīng)用有廣闊前景。因此，SVC具有較高的研究?jī)r(jià)值和較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。1.3論文工作介紹本文主要介紹靜止無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹怼?.介紹無(wú)功功率和無(wú)功補(bǔ)償基本概念以及無(wú)功補(bǔ)償在電力系統(tǒng)中的作用。2.介紹SVC的工作原理以及SVC在無(wú)功功率補(bǔ)償中的重要作用，著重介紹TCR型和TSC型的SVC基本原理、運(yùn)行特性。3.通過(guò)MATLAB自帶的Simulink仿真環(huán)境，結(jié)合具體事例建立仿真模型以及對(duì)仿真結(jié)果的分析。4.通過(guò)MATLAB仿真對(duì)比FC-TCR和TSC-TCR在靜止無(wú)功補(bǔ)償中的作用5.對(duì)全文工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)今后的工作進(jìn)行了展望，提出需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善之處。2. 無(wú)功功率及無(wú)功補(bǔ)償概述2.1 無(wú)功功率交流電網(wǎng)以及接在交流電網(wǎng)上的設(shè)備一單通電，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與所加交流電壓相關(guān)的時(shí)變電場(chǎng)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與所流經(jīng)電流相關(guān)的時(shí)變磁場(chǎng)。當(dāng)這些電場(chǎng)和磁場(chǎng)建立起來(lái)時(shí)，能量就會(huì)被儲(chǔ)存起來(lái)，而當(dāng)這些電場(chǎng)和磁場(chǎng)消失時(shí)，能量就被釋放出來(lái)。除了在電阻元件上的消耗，所有能量耦合設(shè)備，包括變壓器和能量轉(zhuǎn)換裝置（例如電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)），都根據(jù)它們儲(chǔ)存和釋放能量來(lái)運(yùn)行的。對(duì)于圖2.1a所示的交流電路，從電壓源到負(fù)荷的瞬時(shí)功率可以由瞬時(shí)電壓v和瞬時(shí)電流i計(jì)算得出 （2.1）在穩(wěn)態(tài)時(shí)，因此 （2.2）其中，V和I分別是v和i的均根值（rms)。式（2.1）和式（2.2）可以用圖形來(lái)表示，如圖2.1b所示。式（2.2）包含有兩個(gè)倍頻（2）分量，第一項(xiàng)平均值為，其倍頻分量的峰值為，這一平均值就是從電源流向負(fù)荷的有功功率P；第二個(gè)倍頻的分量的峰值為，其平均值為零。如果用向量來(lái)表示，圖2.1a網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)功率可以表示為： （2.3）式中，P是有功功率，單位為瓦特（W），Q稱(chēng)為無(wú)功功率，單位為乏（Var）。比較式（2.3）和（2.2）可以看出，式（2.2）中瞬時(shí)功率第二個(gè)倍頻分量的峰值就是無(wú)功功率。為了產(chǎn)生所需要的耦合電場(chǎng)和磁場(chǎng)，無(wú)功功率是必須的。它是電路中電壓和電流負(fù)載的一個(gè)組成部分，但它不產(chǎn)生有功功率消耗。事實(shí)上無(wú)功功率是所有交流電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分。在大功率電網(wǎng)中，有功功率和無(wú)功功率的單位分別為兆瓦和兆乏。圖2.1 交流電網(wǎng)中的電氣參數(shù)電磁型設(shè)備將能量?jī)?chǔ)存在它們的磁場(chǎng)中，這些設(shè)備吸收滯后的電流，從而產(chǎn)生正值Q，因此通常被稱(chēng)為無(wú)功功率吸收器。靜電型設(shè)備將能量?jī)?chǔ)存在電場(chǎng)中，這些設(shè)備吸收超前電流，從而產(chǎn)生負(fù)值Q，因此被看做是無(wú)功功率的發(fā)出器。官方定義：國(guó)際電工委員會(huì)給出的無(wú)功功率的定義是：電壓與無(wú)功電流的乘積為無(wú)功功率。其物理意義是：電路中電感元件與電容元件活動(dòng)所需要的功率交換稱(chēng)為無(wú)功功率。電網(wǎng)中電力設(shè)備大多是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，他們?cè)谀芰哭D(zhuǎn)換過(guò)程中建立交變的磁場(chǎng)，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等。電源能量在通過(guò)純電感或純電容電路時(shí)并沒(méi)有能量消耗，僅在負(fù)荷與電源之間往復(fù)交換，在三相之間流動(dòng)，由于這種交換功率不對(duì)外做功，因此稱(chēng)為無(wú)功功率。從物理概念來(lái)解釋感性無(wú)功功率：由于電感線(xiàn)圈是貯藏磁場(chǎng)能量的元件，當(dāng)線(xiàn)圈加上交流電壓后，電壓交變時(shí)，相應(yīng)的磁場(chǎng)能量也隨著變化。當(dāng)電壓增大，電流及磁場(chǎng)能量也就相應(yīng)加強(qiáng)，此時(shí)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)能量就將外電源供給的能量以磁場(chǎng)能量形式貯藏起來(lái)；當(dāng)電流減小和磁場(chǎng)能量減弱時(shí)，線(xiàn)圈把磁場(chǎng)能量釋放并輸回到外面電路中。交流電感電路不消耗功率，電路中僅是電源能量與磁場(chǎng)能量之間的往復(fù)轉(zhuǎn)換。從物理概念來(lái)解釋容性無(wú)功功率：由于電容器是貯藏電場(chǎng)能量的元件，當(dāng)電容器加上交流電壓后，電壓交變時(shí)，相應(yīng)的電場(chǎng)能量也隨著變化。當(dāng)電壓增大，電流及電場(chǎng)能量也就相應(yīng)加強(qiáng)，此時(shí)電容器的電場(chǎng)能量就將外電源供給的能量以電場(chǎng)能量形式貯藏起來(lái)；當(dāng)電壓減小和電場(chǎng)能量減弱時(shí)，電容器把電場(chǎng)能量釋放并輸回到外面電路中。交流電容電路不消耗功率，電路中僅是電源能量與電場(chǎng)能量之間的往復(fù)轉(zhuǎn)換。無(wú)功功率分類(lèi)：1.感性無(wú)功：電流矢量滯后于電壓矢量90 如電動(dòng)機(jī)、變壓器、晶閘管變流設(shè)備等2.容性無(wú)功：電流矢量超前于電壓矢量90 如電容器、電纜輸配電線(xiàn)路等3.基波無(wú)功：與電源頻率相等的無(wú)功（50HZ）4.諧波無(wú)功：與電源頻率不相等的無(wú)功2.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x與作用2.2.1無(wú)功補(bǔ)償概述 電力系統(tǒng)中，不但有功功率要平衡，無(wú)功功率也要平衡有功功率、無(wú)功功率、視在功率之間的相量關(guān)系功率三角形，由式cos=P/S可知，在一定的有功功率下，功率因數(shù)cos越小，所需的無(wú)功功率越大。為滿(mǎn)足用電的要求，供電線(xiàn)路和變壓器的容量就需要增加。這樣，不僅要增加供電投資、降低設(shè)備利用率，也將增加線(xiàn)路損耗 。為了提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率，根據(jù)電網(wǎng)中的無(wú)功類(lèi)型，人為的補(bǔ)償容性無(wú)功或感性無(wú)功來(lái)抵消線(xiàn)路的無(wú)功功率。2.2.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x與作用隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大，工業(yè)電弧爐、軋鋼機(jī)、 電力機(jī)車(chē)等沖擊性負(fù)荷在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中大量使用，這些負(fù)荷功率因數(shù)低，無(wú)功變化大且急劇，運(yùn)行時(shí)會(huì)造成低壓配電網(wǎng)電壓的急劇波動(dòng)，從而惡化電能質(zhì)量和造成大量線(xiàn)路損耗，而且在系統(tǒng)中注入了大量的高次諧波，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量，使用戶(hù)的正常工作受到不同程度的影響。如何對(duì)上述負(fù)荷的供電采取有效的補(bǔ)償，快速地提供其在動(dòng)態(tài)過(guò)程中所需的無(wú)功，從而抑制其引起的電壓波動(dòng)和閃變，在國(guó)內(nèi)越來(lái)越引起供電部門(mén)和工業(yè)用電大戶(hù)的關(guān)注。因此，提高供電的可靠性和電能質(zhì)量，提高配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平具有重要的價(jià)值，這也是推動(dòng)電力工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的要求。 無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕饔镁褪翘岣吖β室驍?shù)以減少設(shè)備容量和功率損耗、穩(wěn)定電壓和提高供電質(zhì)量，在長(zhǎng)距離輸電中提高輸電穩(wěn)定性和輸電能力以及平衡三相負(fù)載的有功和無(wú)功功率。安裝并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可限制無(wú)功功率在電網(wǎng)中的傳輸，相應(yīng)減少了線(xiàn)路的電壓損耗，提高了配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。具體如下：1提高電壓質(zhì)量把線(xiàn)路中電流分為有功電流Ia和無(wú)功電流Ir，則線(xiàn)路中的 電壓損失: 式中： P有功功率，KW Q無(wú)功功率，Kvar U額定電壓，KV R線(xiàn)路總電阻， Xl線(xiàn)路感抗，因此，提高功率因數(shù)后可減少線(xiàn)路上傳輸?shù)臒o(wú)功功率Q，若保持有功功率不變，而R、Xl均為定值，無(wú)功功率Q越小，電壓損失越小，從而提高了電壓質(zhì)量。2提高變壓器的利用率，減少投資 功率因數(shù)由提高到提高變壓器利用率為： 由此可見(jiàn)，補(bǔ)償后變壓器的利用率比補(bǔ)償前提高S%，可以帶更多的負(fù)荷，減少了輸變電設(shè)備的投資。3減少用戶(hù)電費(fèi)支出 （1）可避免因功率因數(shù)低于規(guī)定值而受罰。 （2）可減少用戶(hù)內(nèi)部因傳輸和分配無(wú)功功率造成的有功功率損耗，電費(fèi)可相應(yīng)降低。4.提高電力網(wǎng)傳輸能力有功功率與視在功率的關(guān)系式為： 可見(jiàn)，在傳輸一定有功功率的條件下，功率因數(shù)越高，需要電網(wǎng)傳輸?shù)墓β试叫　?.3無(wú)功補(bǔ)償基本事項(xiàng)2.3.1 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑瓌t從電力網(wǎng)無(wú)功功率消耗的基本狀況可以看出，各級(jí)網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗一定數(shù)量的無(wú)功功率，尤以低壓配電網(wǎng)所占比重最大。為了使電網(wǎng)補(bǔ)償能取得最佳的綜合效益，要綜合比較各種無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益和最優(yōu)分布方案，應(yīng)按照“全面布局，分級(jí)補(bǔ)償，就地平衡”的原則，合理布局。國(guó)家電力系統(tǒng)電壓和無(wú)功電力技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定，無(wú)功補(bǔ)償與電壓調(diào)節(jié)應(yīng)以下列原則進(jìn)行：a.總體平衡與局部平衡相結(jié)合；b.電力補(bǔ)償與用戶(hù)補(bǔ)償相結(jié)合； c.分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合；d.降損與調(diào)壓相結(jié)合，以降損為主。無(wú)功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)原則：無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)盡量分層(按電壓等級(jí))和分區(qū)(按地區(qū))補(bǔ)償，就地平衡，避免無(wú)功電力長(zhǎng)途輸送與越級(jí)傳輸（詳見(jiàn)：國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則）。無(wú)功補(bǔ)償在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)就地、分級(jí)實(shí)行，避免這一級(jí)的諧波污染影響到他用電等級(jí)。2.3.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕绞接形宸N：變電站補(bǔ)償、配電線(xiàn)路補(bǔ)償、隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。后三者屬于低壓配電網(wǎng)的補(bǔ)償方式。下面簡(jiǎn)要介紹一下這五種補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)：變電站補(bǔ)償：針對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功平衡，在變電站進(jìn)行集中補(bǔ)償，補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，主要目的是平衡電網(wǎng)的無(wú)功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)終端變電所站的母線(xiàn)電壓，補(bǔ)償變電站主變壓器和高壓輸電線(xiàn)路的無(wú)功損耗。這些補(bǔ)償裝置一般集中接在變電站10kV母線(xiàn)上，因此具有管理容易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是這種補(bǔ)償方式對(duì)10kV配電網(wǎng)的降損不起作用。配電線(xiàn)路補(bǔ)償：線(xiàn)路無(wú)功補(bǔ)償即通過(guò)在線(xiàn)路桿塔上安裝電容器實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。線(xiàn)路補(bǔ)償點(diǎn)不宜過(guò)多；控制方式應(yīng)從簡(jiǎn)，一般不采用分組投切控制；補(bǔ)償容量也不宜過(guò)大，避免出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象；保護(hù)也要從簡(jiǎn)，可采用熔斷器和避雷器作為過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)。線(xiàn)路補(bǔ)償方式主要提供線(xiàn)路和公用變壓器需要的無(wú)功，該種方式具有投資小、回收快、便于管理和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適用于功率因數(shù)低、負(fù)荷重的長(zhǎng)線(xiàn)路。缺點(diǎn)是存在適應(yīng)能力差，重載情況下補(bǔ)償不足等問(wèn)題。隨機(jī)補(bǔ)償：隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并接，通過(guò)控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的無(wú)功消耗，以補(bǔ)償勵(lì)磁無(wú)功為主，此種方式可較好地限制用電單位無(wú)功負(fù)荷。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償投入；用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，而且不需頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等。隨器補(bǔ)償：隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過(guò)低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無(wú)功的補(bǔ)償方式。配變?cè)谳p載或空載時(shí)的無(wú)功負(fù)荷，主要是變壓器的空載勵(lì)磁無(wú)功。配變空載無(wú)功是用電單位無(wú)功負(fù)荷的主要部分，對(duì)于輕負(fù)載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導(dǎo)致電費(fèi)單價(jià)的增加。隨器補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線(xiàn)簡(jiǎn)單、維護(hù)管理方便、能有效地補(bǔ)償配變空載無(wú)功，限制低壓電網(wǎng)無(wú)功基荷，使該部分無(wú)功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無(wú)功網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前補(bǔ)償無(wú)功最有效的手段之一。跟蹤補(bǔ)償：跟蹤補(bǔ)償是指以無(wú)功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶(hù)04kV母線(xiàn)上的補(bǔ)償方式。適用于lOOkVA以上的專(zhuān)用配變用戶(hù)，可以替代隨機(jī)、隨器兩種補(bǔ)償方式，補(bǔ)償效果好。跟蹤補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方式靈活，運(yùn)行維護(hù)工作量小，比前兩種補(bǔ)償方式壽命相對(duì)延長(zhǎng)、運(yùn)行更可靠。但缺點(diǎn)是控制保護(hù)裝置復(fù)雜，首期投資相對(duì)較大。但當(dāng)這三種補(bǔ)償方式的經(jīng)濟(jì)性接近時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用跟蹤補(bǔ)償方式。2.3.4 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償存在的問(wèn)題無(wú)功倒送問(wèn)題：無(wú)功倒送會(huì)增加線(xiàn)路和變壓器的損耗，加重線(xiàn)路供電負(fù)擔(dān)。固定補(bǔ)償部分容量過(guò)大，也容易出現(xiàn)無(wú)功倒送。三相不平衡問(wèn)題：系統(tǒng)三相不平衡同樣會(huì)增大線(xiàn)路和變壓器的損耗。對(duì)三相不平衡較大的負(fù)荷，比如機(jī)關(guān)、學(xué)校等單相負(fù)荷多的用戶(hù)，應(yīng)考慮采用分相無(wú)功補(bǔ)償裝置。諧波的問(wèn)題：諧波含量過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)電容器的使用壽命產(chǎn)生影響，甚至造成電容器的過(guò)早損壞；并且由于電容器對(duì)諧波的放大作用，將使系統(tǒng)的諧波干擾更加嚴(yán)重。因此做無(wú)功補(bǔ)償時(shí)必須考慮諧波治理，在存在較大諧波干擾，又需要補(bǔ)償無(wú)功的地點(diǎn)，應(yīng)考慮增加濾波裝置。優(yōu)化的問(wèn)題：目前無(wú)功補(bǔ)償?shù)某霭l(fā)點(diǎn)往往放在用戶(hù)側(cè)，只注意補(bǔ)償用戶(hù)的功率因數(shù)。然而要實(shí)現(xiàn)有效的降損，必須從整個(gè)電力系統(tǒng)出發(fā)，通過(guò)計(jì)算全網(wǎng)的無(wú)功潮流，確定配網(wǎng)的補(bǔ)償方式、最優(yōu)補(bǔ)償容量和補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)，才能使有效的資金發(fā)揮最大的效益。2.4無(wú)功補(bǔ)償發(fā)展歷程無(wú)功功率補(bǔ)償裝置先后經(jīng)歷了早期調(diào)相機(jī)，到目前廣泛采用的并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、各種類(lèi)型的SVC，以及新出現(xiàn)的新型靜止無(wú)功發(fā)生器(STATCOM)。下面分別介紹各種無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。1、同步調(diào)相機(jī)調(diào)相機(jī)是電網(wǎng)中最早使用的無(wú)功補(bǔ)償裝置。調(diào)相機(jī)的基本原理與同步發(fā)電機(jī)沒(méi)有區(qū)別，它不發(fā)有功功率只輸出無(wú)功電流，因此不需要原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，沒(méi)有啟動(dòng)電機(jī)的調(diào)相機(jī)也沒(méi)有軸伸，實(shí)質(zhì)就是相當(dāng)于一臺(tái)在電網(wǎng)中空轉(zhuǎn)的同步發(fā)電機(jī)。調(diào)相機(jī)的工作是通過(guò)改變激磁電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。當(dāng)增加激磁電流時(shí)，其輸出的容性無(wú)功電流增大。當(dāng)減小激磁電流時(shí)，其輸出的容性無(wú)功電流減小。當(dāng)激磁電流減小到一定程度時(shí)，輸出無(wú)功電流為零，只有很小的有功電流用于彌補(bǔ)調(diào)相機(jī)的損耗。當(dāng)激磁電流進(jìn)一步減小時(shí)，輸出感性無(wú)功電流。在系統(tǒng)電壓偏低時(shí)，過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行供給無(wú)功功率而將系統(tǒng)電壓調(diào)高；在系統(tǒng)電壓偏高時(shí)，欠勵(lì)磁運(yùn)行吸收系統(tǒng)多余的無(wú)功功率而將電壓調(diào)低。調(diào)相機(jī)容量大、有較大的過(guò)負(fù)荷能力、對(duì)諧波不敏感、可以雙向、連續(xù)調(diào)節(jié)：能獨(dú)立地用調(diào)節(jié)勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功的大??；并且具有當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)輸出無(wú)功電流自動(dòng)增加的特點(diǎn)。但其價(jià)格高，效率低，運(yùn)行成本高；起動(dòng)、運(yùn)行、維修復(fù)雜；動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)慢：不適應(yīng)太大或太小的補(bǔ)償；發(fā)生失磁故障時(shí)將加重系統(tǒng)的電壓波動(dòng)。2、并聯(lián)電容器補(bǔ)償并聯(lián)電容器補(bǔ)償是目前應(yīng)用最廣的一種無(wú)功補(bǔ)償方式，其電壓等級(jí)和補(bǔ)償容量可以通過(guò)電容器的串聯(lián)、并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，理論上可以達(dá)到任何的電壓等級(jí)和補(bǔ)償容量。由于沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，因此運(yùn)行時(shí)基本上沒(méi)有噪聲。并且目前隨著無(wú)功補(bǔ)償電容器技術(shù)的發(fā)展，高壓電容器的損耗率已降至O05以下，而調(diào)相機(jī)的有功損耗滿(mǎn)載時(shí)占額定功率的1855，50額定負(fù)載時(shí)占299，25額定負(fù)載時(shí)高達(dá)515，而且自愈式電容器其自身都有自愈能力使得其可靠性大大提高。1999年底全國(guó)電網(wǎng)調(diào)相機(jī)與并聯(lián)電容器容量之比已達(dá)l：256左右。由于電容器阻抗與頻率成反比，因此對(duì)于系統(tǒng)中的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，易于系統(tǒng)阻抗形成串并聯(lián)諧振，對(duì)系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行放大。同時(shí)由于大量諧波的流入易引起電容器的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，使電容器發(fā)熱超過(guò)設(shè)計(jì)值，減少電容器的使用壽命。并聯(lián)電容器補(bǔ)償具有功率損耗小、投資少、可自動(dòng)投切、維護(hù)簡(jiǎn)易、容量可任意選擇等特點(diǎn)，但不能連續(xù)調(diào)節(jié)、負(fù)荷調(diào)節(jié)特性差，這是由于當(dāng)無(wú)功負(fù)荷增大，電容器的補(bǔ)償容量與電壓的平方成正比因電壓下降而無(wú)功輸出減小，故調(diào)壓效果下降：對(duì)系統(tǒng)中的高次諧波有放大作用，在諧波電流過(guò)大時(shí)，可能引起內(nèi)部過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至引起爆炸。3、并聯(lián)電抗器并聯(lián)電抗器調(diào)壓主要用在超高壓(330kV及以上)系統(tǒng)的線(xiàn)路上，其主要功能是：吸收容性電流，補(bǔ)償容性無(wú)功，使系統(tǒng)達(dá)到無(wú)功平衡；削弱電容效應(yīng)，限制系統(tǒng)的工頻電壓升高及操作過(guò)電壓。其不足之處是容量固定的并聯(lián)電抗器，當(dāng)線(xiàn)路傳輸功率接近自然功率時(shí)，會(huì)使線(xiàn)路電壓過(guò)分降低，且造成附加有功損耗，但若將其切除，則線(xiàn)路在某些情況下又可能因失去補(bǔ)償而產(chǎn)生不能允許的過(guò)電壓。4、靜止無(wú)功補(bǔ)償器靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)是用戶(hù)電力技術(shù)(CustomerPower，CusPow)的一種，是20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)?！办o止是針對(duì)旋轉(zhuǎn)的同步調(diào)相機(jī)而言的，國(guó)內(nèi)多稱(chēng)其為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器，這是針對(duì)固定電容器組(FixedCapacitor，F(xiàn)C)而言。SVC是通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)快速調(diào)節(jié)并聯(lián)電抗器的大小或投切電容器組。它對(duì)調(diào)節(jié)負(fù)荷功率因數(shù)、穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)電壓、消除流向系統(tǒng)的高次諧波電流、平衡三相負(fù)荷等有顯著的作用。將它裝設(shè)于高壓輸電系統(tǒng)可用以控制長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路甩負(fù)荷、空載效應(yīng)等引起的動(dòng)態(tài)過(guò)電壓，改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)的無(wú)功功率及電壓振蕩。它具有價(jià)格適中，性能可靠等特點(diǎn)。SVC最基本的兩種類(lèi)型結(jié)構(gòu)為晶閘管相控電抗器型(TCR)和晶閘管投切電容器型(TSC)。TCR和TSC可以相互之間組成TCR+TSC，或者與FC組成TCR+FC和TCR+TSC+FC等混合型結(jié)構(gòu)，對(duì)于負(fù)載補(bǔ)償絕大多數(shù)采用TCR+FC型。5、靜止無(wú)功發(fā)生器靜止無(wú)功發(fā)生器(Static var Generator，SVG)也被稱(chēng)為靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)161，是在20世紀(jì)80年代以來(lái)出現(xiàn)的更為先進(jìn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。圖3.3為SVG的基本構(gòu)成，它由直流電容、電壓型變流器和與系統(tǒng)連接的變壓器構(gòu)成。裝置中6個(gè)可關(guān)斷晶閘管(GTOIGBT)分別與6個(gè)二極管反向并聯(lián)，適當(dāng)控制GTOIGBT的通斷，可以把電容器C上的直流電壓轉(zhuǎn)變成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，裝置的交流側(cè)通過(guò)電抗器或變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)。適當(dāng)控制逆變器的輸出電壓就可以靈活地改變SVG的運(yùn)行工況，使其處于容性負(fù)荷、感性負(fù)荷或零負(fù)荷狀態(tài)。與SVC相比，SVG的響應(yīng)速度更快，運(yùn)行范圍更寬，諧波電流含量更小，尤其重要的是，電壓較低時(shí)SVG仍可向系統(tǒng)注入較大的無(wú)功電流。在穩(wěn)態(tài)情況下，SVG的直流側(cè)和交流側(cè)之間沒(méi)有有功功率交換，無(wú)功功率在三相之間流動(dòng)，因此它的直流儲(chǔ)能元件(電容器)只需要較小容量的電容即可。圖3.3SVG系統(tǒng)原理圖和電壓電流特性曲線(xiàn)與SVC相比，SVG的調(diào)節(jié)速度更快且不需要大容量的電容、電感等儲(chǔ)能元件，諧波含量小，同容量占地面積小，在系統(tǒng)欠壓條件下無(wú)功調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。此外，SVG裝置用銅和鐵較少，且有優(yōu)良的補(bǔ)償特性，因此是新一代無(wú)功補(bǔ)償裝置的代表，有很大的發(fā)展前途。綜合上述我們可以得出各無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ膬?yōu)缺點(diǎn)如表11所示。項(xiàng)目裝置同步調(diào)相機(jī)（SC）SVC或FC+SVCTSCTCR+TSC或TCR+MSCSVG響應(yīng)速度慢較快較快較快快吸收無(wú)功連續(xù)連續(xù)分級(jí)連續(xù)連續(xù)控制簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單復(fù)雜諧波電流無(wú)大無(wú)大小分相調(diào)節(jié)有限可以有限可以可以損耗大中小小很小噪聲大小小小很小表11 各種無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn) 第- 41 -頁(yè)3. 靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器3.1概述靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器（Static Var CompensatorSVC）是指其輸出隨電力系統(tǒng)特定的控制參數(shù)而變化的并聯(lián)連接的靜止無(wú)功功率發(fā)生裝置或無(wú)功功率吸收裝置。這里的“靜止”是專(zhuān)指SVC沒(méi)有運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)部件。與同步調(diào)相機(jī)相比較，SVC 是完全靜止的設(shè)備。但它的補(bǔ)償過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，即可根據(jù)系統(tǒng)無(wú)功功率的需求或電壓的變化自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償。SVC的一個(gè)重要特征是主要依靠晶閘管等電力電子器件完成調(diào)節(jié)或投切功能，它可以頻繁地調(diào)節(jié)和投切，其動(dòng)作速度是毫秒級(jí)的，遠(yuǎn)比機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作速度要快。SVC的稱(chēng)呼也有一個(gè)統(tǒng)一的過(guò)程。在靜止無(wú)功功率補(bǔ)償應(yīng)用的初期，它還沒(méi)有明確的定義，因而稱(chēng)呼也很多。在國(guó)外，除了稱(chēng)之為SVC外，還被稱(chēng)為靜止電壓并聯(lián)穩(wěn)定裝置（SVS）、靜止并聯(lián)穩(wěn)定裝置（SSS)。國(guó)內(nèi)在70年代末開(kāi)始引入靜止無(wú)功功率補(bǔ)償時(shí)稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，后來(lái)又稱(chēng)其為靜止無(wú)功功率系統(tǒng)和SVC。在1986年幼國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議組織（CIGRE）第38專(zhuān)業(yè)委員會(huì)（電力系統(tǒng)分析和技術(shù)）統(tǒng)一規(guī)定為SVC后，才在國(guó)內(nèi)外統(tǒng)一稱(chēng)為SVC。SVC的基本作用是連續(xù)而迅速地控制無(wú)功功率，并通過(guò)發(fā)出貨吸收無(wú)功功率來(lái)控制所連接的輸電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓。因此SVC的顯著特點(diǎn)是能快速、平滑調(diào)節(jié)容性或感性無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。靜止無(wú)功功率補(bǔ)償系統(tǒng)中的各種無(wú)功功率補(bǔ)償器都是用無(wú)功功率器件（電容器和電抗器）產(chǎn)生武功功率，兵器根據(jù)需要調(diào)節(jié)容性或感性電流，這種調(diào)節(jié)可以采用聯(lián)系調(diào)節(jié)或投切的方法進(jìn)行。目前，由于它的兩大特點(diǎn)：一是靜止型，其主要部件是無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部分；二是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，其反應(yīng)速度很快，能及時(shí)跟蹤無(wú)功功率快速變化做出變化、調(diào)節(jié)性能好、運(yùn)行損耗和維護(hù)費(fèi)用低，并且可作為多方面應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。所以，SVC被廣泛應(yīng)用，而且頗具有發(fā)展?jié)摿?。與傳統(tǒng)的電容器及同步調(diào)相機(jī)相比，它的唯一缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)制造相對(duì)比較復(fù)雜。目前，靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器已廣泛用于輸電系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)系統(tǒng)。在輸電系統(tǒng)，控制長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)甩負(fù)荷、空載效應(yīng)等引起的過(guò)電壓（動(dòng)態(tài)）；改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定抑制系統(tǒng)的無(wú)功功率及電壓振蕩；維持輸電線(xiàn)的電壓，提高線(xiàn)路輸送有功的能力，特別是由于它的快速反應(yīng)，使其能對(duì)故障引起的系統(tǒng)擾動(dòng)提供較好的阻尼。在工業(yè)網(wǎng)系統(tǒng)中，能使電壓閃變削弱到規(guī)定值范圍以?xún)?nèi)；調(diào)節(jié)負(fù)荷功率因數(shù)，限制無(wú)功功率向系統(tǒng)倒流，減少無(wú)功功率引起的損耗，提高輸電網(wǎng)的輸送有功功率的能力，穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)電壓；限制流向系統(tǒng)的諧波電流；平衡三相負(fù)荷，減少工業(yè)網(wǎng)對(duì)通信系統(tǒng)的干擾，提高用電質(zhì)量。3.2 SVC分類(lèi)常見(jiàn)的SVC有四種形式：SR(自飽和型電抗器型)、TCR(晶閘管控制電抗器)、TCT(晶閘管控制高漏抗變壓器)、TSC(晶閘管投切電容器)。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議將SVC分為：機(jī)械投切電容器型(MSC)、機(jī)械投切電抗器型(MSR)、自飽和電抗器型(SR)、晶閘管控制電抗器型(TCR)、晶閘管投切電容器型(TSC)、晶閘管投切電抗器型(TSR)、自換相或電網(wǎng)換相器型(SCCLCC)7種。3.3 SVC動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理SVC對(duì)電力系統(tǒng)中的無(wú)功功率進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功負(fù)荷的功率因數(shù)的校正、改善電壓調(diào)整、提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、阻尼系統(tǒng)振蕩、降低過(guò)電壓、減少電壓閃爍、阻尼次同步振蕩、減少電壓和電流的不平衡。應(yīng)當(dāng)指出的是，以上這些功能雖然是相互關(guān)聯(lián)的，但實(shí)際的靜止無(wú)功不差裝置往往只是對(duì)其中某一條或者某幾條為直接控制目標(biāo)，其控制策略也因此不同。因此，這些功能有的屬于對(duì)一個(gè)或者幾個(gè)在一起的負(fù)載的補(bǔ)償效果（負(fù)載補(bǔ)償），有的則是以整個(gè)輸電系統(tǒng)性能額改善和傳輸能力的提高為目的（輸電補(bǔ)償），而改善電壓調(diào)整，提高電壓穩(wěn)定度，則可以看作是兩者的共同目標(biāo)。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)補(bǔ)償裝置容量要求也不一樣，要求的容量較小，而以電力系統(tǒng)性能為直接控制的系統(tǒng)用無(wú)功補(bǔ)償裝置，則要求較大的容量。下面以改善電壓調(diào)整的基本功能為例對(duì)無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑碜骱?jiǎn)單介紹。圖3.1(a)所示為系統(tǒng)、負(fù)載和補(bǔ)償器的單相等效電路圖。其中，U為系統(tǒng)線(xiàn)電壓：R和X分別為系統(tǒng)電阻和電抗。設(shè)負(fù)載變化很小，故有AUU，則假定RX時(shí)，反映系統(tǒng)電壓與無(wú)功功率變化的特性曲線(xiàn)如圖3.1(b)中實(shí)線(xiàn)所示，由于系統(tǒng)電壓變化不大，其橫坐標(biāo)也可以換為無(wú)功電流。可以看出，該特性曲線(xiàn)是向下傾斜的，即隨著系統(tǒng)供給的無(wú)功功率Q的增加，系統(tǒng)電壓下降。由電力系統(tǒng)中的分析可知，系統(tǒng)的特性曲線(xiàn)可近似用下式表示： (3.1)或者寫(xiě)為： (3.2)式中無(wú)功功率為零時(shí)的系統(tǒng)電壓。 系統(tǒng)短路容量。圖3.1無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理（a）單相電路簡(jiǎn)圖 （b）動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理可見(jiàn)，無(wú)功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成比例的變化，投入補(bǔ)償器后，系統(tǒng)供給的無(wú)功功率為負(fù)載和補(bǔ)償器無(wú)功功率之和，即： （3.3）因此，當(dāng)負(fù)荷無(wú)功功率變化時(shí)，如果補(bǔ)償器的無(wú)功功率隨反方向變化以使得保持不變，即，則，從而供電電壓保持不變。圖3.2（b）示出了進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償，并使系統(tǒng)工作點(diǎn)保持在常數(shù)當(dāng)使系統(tǒng)工作點(diǎn)保持在=0，即圖中的C點(diǎn)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)完全補(bǔ)償。可見(jiàn)補(bǔ)償因數(shù)可以看做是改善電壓調(diào)整的功能特例。3.4 晶閘管相控電抗器（TCR）TCR是晶閘管型SVC的最重要的組成部件之一，盡管TCR可以單獨(dú)使用，但它更經(jīng)常地和固定電容器或晶閘管投切電容器相結(jié)合，在選定的超前-滯后補(bǔ)償范圍內(nèi)對(duì)無(wú)功功率實(shí)施快速、連續(xù)的控制。3.4.1 TCR結(jié)構(gòu)單相TCR如圖3.2所示，基本單相TCR由反并聯(lián)的一對(duì)晶閘管閥T1、T2與一個(gè)線(xiàn)性的空心電抗器相串聯(lián)組成。反并聯(lián)的一對(duì)晶閘管就先一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，晶閘管閥T1在供電電壓正半波導(dǎo)通，而晶閘管閥T2在供電電壓負(fù)半波導(dǎo)通。晶閘管的觸發(fā)角以及其兩端之間電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻作為計(jì)算的起點(diǎn)。圖3.2 單相TCR結(jié)構(gòu)圖TCR觸發(fā)角可控范圍是90180。當(dāng)觸發(fā)角為90時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，此時(shí)TCR中的電流為連續(xù)的正弦波形。當(dāng)觸發(fā)角從90接近到180時(shí)，TCR中的電流呈非連續(xù)脈沖形，對(duì)稱(chēng)分布于正半波和負(fù)半波。當(dāng)觸發(fā)角為180時(shí)，電流減小到零。當(dāng)觸發(fā)角低于90時(shí)，將在電流中引入直流分量，從而破壞兩個(gè)并聯(lián)閥支路的對(duì)稱(chēng)運(yùn)行。晶閘管一旦導(dǎo)通，電流的關(guān)斷將發(fā)生在其自然過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，這一過(guò)程稱(chēng)為電網(wǎng)換相。而TCR是按電網(wǎng)換相方式運(yùn)行的。電網(wǎng)換相過(guò)程的一個(gè)特征是一旦閥開(kāi)始導(dǎo)通，任何觸發(fā)角的變化只能在下個(gè)半周期起作用。三相TCR由三個(gè)單相TCR按照三角形連結(jié)而成，如圖3.3所示。每一相中的電抗器被拆分兩半，分別放置在反并聯(lián)晶閘管對(duì)的兩側(cè)，以防止當(dāng)電抗器的兩端發(fā)生短路時(shí)，整個(gè)交流電壓加到晶閘管閥上而導(dǎo)致?lián)p壞。圖3.3 三相TCR結(jié)構(gòu)圖3.4.2 TCR的運(yùn)行特性沒(méi)有電壓控制時(shí)TCR的運(yùn)行，可以將整個(gè)TCR支路用一個(gè)等效的連續(xù)可變電抗器來(lái)替代，通過(guò)電抗器的正弦電流與流過(guò)TCR中的非正弦電路的基頻分量相等。從而可以得到3.3.6的電壓電流特性，它的邊界由最大允許電壓、最大允許電流和TCR最大導(dǎo)納構(gòu)成，在正常運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，可以視作連續(xù)可調(diào)電感。120140Vsvc90 發(fā)出極限吸收極限Isvc圖3.4 無(wú)電壓控制TCRV-I特性圖如果TCR采用電壓控制，則圖3.3.6所示的正常運(yùn)行區(qū)域就被壓縮到一條特性曲線(xiàn)上，如圖3.3.7所示。這種特性曲線(xiàn)體現(xiàn)了補(bǔ)償器的硬電壓控制特性，它將系統(tǒng)電壓精確地穩(wěn)定在電壓設(shè)定值Vref上。正常情況下，控制器通過(guò)控制電抗器注入節(jié)點(diǎn)的感性無(wú)功功率，來(lái)維持節(jié)點(diǎn)電壓不變。當(dāng)電壓升高，運(yùn)行點(diǎn)將向右移動(dòng)，控制器通過(guò)增大晶閘管閥的觸發(fā)角增大注入節(jié)點(diǎn)的感性無(wú)功功率，保持節(jié)點(diǎn)電壓。當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)控制范圍的最右端，節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)一步升高后將不能控制系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償，因?yàn)門(mén)CR的電抗器已經(jīng)處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，所以運(yùn)行點(diǎn)將沿著對(duì)應(yīng)電抗器全導(dǎo)通的特性曲線(xiàn)向上移動(dòng)，此時(shí)補(bǔ)償器處于過(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。在特性曲線(xiàn)的左側(cè)，如果節(jié)點(diǎn)電壓過(guò)分降低，補(bǔ)償器就會(huì)達(dá)到極限，運(yùn)行點(diǎn)將會(huì)落在欠電壓特性上。圖3.5 有電壓控制的V-I特性圖3.5晶閘管投切電容器（TSC）3.5.1 TSC的結(jié)構(gòu)一個(gè)基本的單相TSC是由一對(duì)反向并聯(lián)的晶閘管閥與一個(gè)電容器和一個(gè)小的限流電抗器組成的，反向并聯(lián)的晶閘管閥的作用如同一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，如圖3.6所示。晶閘管卡關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間為整個(gè)半波，因此TSC不像TCR，它不是相位控制的。安裝小型串聯(lián)電感器是為了限制電流的暫態(tài)分量，包括電壓期間的電流暫態(tài)分量，計(jì)劃投切操作時(shí)的電流暫態(tài)分量，錯(cuò)誤時(shí)刻投切操作所引起的電流暫態(tài)分量，或電壓極性不合適時(shí)投切操作產(chǎn)生的電流暫態(tài)分量。三相TSC有三個(gè)單相TSC按三角形連結(jié)而成，通常由同樣的三角形