随着高频功率半导体器件的参数不断提高 、制造 成本持续降低及先进拓扑结构的完善 ,STATCOM 在 一定容量范围内逐渐具有了和 SVC 争夺市场份额的 能力 。级联多电平是首先应用于高压变频调速的新 拓扑结构 ,虽然有需要较多的开关器件以及独立电 源 ,生产成本较高等缺点 ,但它的电平数越多 ,输出电 压谐波含量越小 ,开关损耗小 ,效率高 ,无需钳位二极 管或电容 ,易于封装 ,无电容电压平衡问题的优点 ,特 别是基于低压 、小容量变换器的级联组成方式 ,技术 成熟 、易于模块化 ,使得系统的冗余设计 、容量扩展变 得容易的特点 ,使得多电平拓扑在 STATCOM 工程应 用方面越来越收到人们重视 。
图 3 可控硅投切电抗结构 (相控方式可选)
的工作原理为 : 控制多组基于 IGBT 的 H 桥逆变器 , 采用电流滞环控制使变压器二次侧产生削弱基波磁 通补偿电流 ,在变压器一次侧体现出等效电抗的变 化 ,实 现 电 感 线 性 调 节 。其 电 抗 调 节 范 围 为 [ x0 , xm ] 。其中 , x0 为变压器漏抗 , xm 为变压器励磁电 抗。
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技术的飞速发展 ,器件参数不断提高 ,造价却呈现下 降趋势 ,具有先进功能的级联多电平拓扑的动态无功 补偿装置受到关注 。就静止无功补偿器的研究现状 和发展前景进行了研究探讨 。
1 传统 SVC 的主要应用型式
SVC 由可控电感支路和固定 (或可变) 电容器支 路并联组成 ,已经工程实现并大量应用的有以下四种 可控电感 、电容支路型式 ,如图 1 所示 。第 2Βιβλιοθήκη 卷第 3 期 2006 年 6 月
四川电力技术 Sichuan Electric Power Technology
Vol . 29 ,No. 3 Apr. ,2006
静止无功补偿器研究现状及发展
彭 军1 ,尹忠东2 ,冉文胜2 (1. 重庆大学 ,重庆 400030 ;2. 华北电力大学 ,河北保定 102206)
具有 TCR 的几乎所有优点 。由于 TCT 变压器 一 、二次绕组损耗较大 ,比 TCR 的效率低 ,同时 ,运行 时 ,噪声较大 。研究表明 ,从补偿器容量和价格等角 度进行综合比较 ,补偿容量在 25 MVar 以下选用 TCT 比较经济 ,在 25 MVar 以上的补偿容量则不宜采用 TCT而应采用 TCR。TCT 的可控硅采用并联均流可 承受大电流 ,TCR 的可控硅则采用串联均压以承受高 电压 。高漏抗变压器的漏磁大 ,要加强变压器箱体对 漏磁的屏蔽和采用无磁性夹件等技术措施 。当电弧 炉等三相不平衡负荷以 TCT 作无功补偿时 ,如果将 TCT 的高漏抗变压器做成三相变压器型式 ,则其铁芯 必须有两边芯柱作为零序磁通的闭合铁芯磁路 。
上述结构对于快速变化的过程 ,控制效果可能不 理想 ,同时装置损耗很大 。运行效果还有待大量工程 实践检验 。其不足体现为 :
基于 IGBT 的逆变器结构 ,实际上是 DSTATCOM 的派生拓扑 ,主要思路是通过小容量单元组合构成大 容量装置 。DSTATCOM 可以产生及吸收无功 ,该装置 只能吸收无功 ,从而限制了该拓扑结构的实际应具有 的功能 。
无功平衡对提高电网的经济效益和改善供电质 量至关重要 。随着电力工业的高速发展 ,超高压 、特 高压电网相继投入运行 ,人们对供电质量及可靠性的 要求越来越高 。由此产生了一系列问题 :超高压大电 网的形成及负荷变化加剧 ,要求大量快速响应的可调 无功电源来调整电压 ,维持系统无功潮流平衡 ,减少 损耗 ,提高供电可靠性 。
约 0. 7 %～1 % 不可 差 简单
TCR 连续 、感性/ 容性
约 10 ms 能
依靠设计 有 好 较小
约 0. 5 %～0. 7 % 不可 好
较复杂
TCT 连续 、感性/ 容性
约 10 ms 能
依靠设计 有 好 稍大
约 0. 7 %～1 % 可以 好 较复杂
可控硅投切电容器
TSC 分级 、容性 约 10～20 ms
能 无 无 无 很小 约 0. 3 %～0. 5 % 不可 好 较复杂
表注 :TCR、TCT 和 TSC 结合起来 ,可能取得较好的技术经济效果 ;动态响应时间仅指扰动开始到补偿回路开始动作的时间 ; 自生谐波量是指三相平衡工况下 ,SVC 本身产生的谐波吸收谐波能力主要取决于容性部分滤波器的设计 ;SR 噪声大 , 一般通过特殊设计隔音间改善 ;表中列出的损耗是指大中型装置 (20 MVA 及以上) 的额定损耗 ;若容量较小 (如 10 MVA 以下) ,则损耗将增大 。
型 式 英文缩写 无功输出 动态响应时间 分相调节 限制过电压能力 自生谐波量 吸收谐波能力
噪音 损耗率 直接接入超高压 控制灵活性 运行维护
表 1 目前常用的几种 SVC 性能比较
自饱和电抗器
可控硅控制电抗器 可控硅控制高漏抗变压器
SR 连续 、感性/ 容性
约 10 ms 不能 很好 小 好 大
第 29 卷第 3 期 2006 年 6 月
四川电力技术 Sichuan Electric Power Technology
Vol . 29 ,No. 3 Apr. ,2006
平衡时产生较多谐波电流 。工作点受电压波动的影 响较大 ,因其制造工艺复杂且价格较高 ,在大容量领 域也难以广泛应用 。 1. 4 可控硅控制高漏抗变压器 ( TCT)
基于 IGBT 的 H 桥逆变器长期工作在大电流情 况下 ,开关损耗非常严重 ,会造成装置总体效率不高 。
4 级联多电平拓扑静止无功发生器
图 4 可控硅短路绕组结构 (相控方式可选)
和图 2 原理一样 ,主磁通在低压绕组逐步短接 (可控硅逐步导通) 过程中被逐步挤出主铁芯柱 ,从而 实现一次侧容量的分级或连续调节 。可以设想 ,若变 压器二次侧并联电抗器支路参数配合合理或二次低 压绕组数目足够多 ,则分级容量能够达到很小数值 , 可以近似为连续调节 。同时 ,一次侧表现为线性电 抗 ,实现无谐波注入 。
摘 要 :概述了国内外静止无功补偿器的研究现状及四主要装置结构 、功能的不同特点 ,介绍了静止无功补偿装置的 最新发展动态及研究成果 。 关键词 :无功补偿 ;静止无功补偿器 ;高漏抗变压器 ;可控电抗 Abstract : The research status of static var compensator (SVC) in China is described as well as the structure and function characteris2 tics of four main devices , and the latest developing trend and research achievements of SVC are introduced. Key words : reactive compensation ; SVC ; high - leakage impedance transformer ; controlled reactor 中图分类号 :TM71413 文献标识码 :A 文章编号 :1003 - 6954 (2006) 03 - 0026 - 03
特点是反应时间快 ,适用范围广 ,分相调节装置 本身不产生谐波 ,损耗小 ;但它只能分级调节 ,且价格 较高 。10 kV 以上难以广泛应用 ,1 kV 以下使用很 广 ,进口设备最高用在 8 kV 。 1. 3 自饱和电抗器 (SR)
优点是勿需复杂的控制系统 ,维护较简单 ,反应 时间较短 ,运行可靠 。缺点是噪音大 ,本身在三相不
诸如炼钢电弧炉 、电气化铁道 、可逆式大型轧钢 机等动态变化的非线性负荷在运行时 ,其有功与无功 功率随时间作快速变化 ,导致供电电压波动或闪变 、 波形畸变 、功率因数恶化以及不平衡负荷引起三相电 压动态不平衡 ,从而使电网电能质量恶化 。近年发展 起来的静止型无功补偿装置 ( SVC) ,是一种快速调节 无功功率的装置 ,已成功地应用于冶金 、采矿和电气 化铁路等冲击性负荷的补偿上 。这种装置在调节的 快速性 、功能的多样性 、工作的可靠性 、投资和运行费 用的经济性等方面都比传统调相机有明显的优势 ,取 得了较好的技术经济效益 ,因而在国内外得到了快速 发展 。
图 2 BBC 公司提出的 TCT 接线图
20 世纪 70 年代后期 ,前苏联学者提出一种助磁 式可控电抗 器 MVTCR (Magnetic Valve Thyristor Con2 trolled Reactor) ,中间主铁芯柱一分为二 ,分别绕以上 、 下两个绕组 ,中间部分交叉连接 。此外 ,另有两个绕 组由外接电源和可控硅供电 ,由此产生的直流助磁在 两个分裂铁芯柱内自我闭合而不向边柱铁芯流出 。 其后对其结构进行了改进 ,即在 4 个绕组的中间部分
然而 ,一些具有技术先进性的动态无功补偿设 备 ,如 SVC、STATCOM 装置造价高昂 、维护复杂 ,可靠 性方面也很难达到人们的期望 ,不能直接接入超 、特 高压电网 ,离在电力系统中被广泛应用还有距离 。因 此寻求更为经济可靠的可调无功电源成为研究的热 点 。磁控式可调电抗器由于其特殊结构可以直接接 入超 、特高压电网连续调节容量 ,但响应速度较慢 ,制 作工艺复杂 ,同时有效材料的消耗较大 ,损耗也是一 个问题 。由此研究人员又提出一种基于变压器形式 的高速可控电抗器以解决上述不足 。随着电力电子
表 1 中列出了以上四种型式的综合性能比较 。
2 可控电抗器的无功补偿装置
20 世纪 70 年代英国 BBC 公司推出的 TCT 装置 单相接线如图 2 所示 ,其中高压主绕组 1 和低压控制 绕组 2 之间的漏抗电压为 100 % , K为双向可控硅 ,改
变它们的导通角 ,可使电抗值在极小的励磁容量到全 容量之间平滑调节 ,绕组 2 的电压很低 ,故可控硅的 选择比较容易 。图中 3 为补偿绕组 ,它与其他两相的 相应绕组接成三角形 ,以便为 3 次及其奇次倍数的谐 波电流提供通道不使其注入电网 。这种电抗器的特 点是其响应时间极短 ,只有 0. 01 s ,曾在加拿大超高 压电网中采用[1 ,2] 。由于必须采用滤波装置 ,而且损 耗过大 (达到 2 %) ,因而使用范围受到限制[11] 。