基于电力电子技术的连续无功补偿控制分析

1　引 言

　　电力系统中，电能质量是评价电力系统运行性能优劣的重要指标，而电压又是衡量电能质量的一个重要指标，因此，电压的稳定性对电力系统运行性能来说显得尤为重要。电压稳定与否主要取决于系统中无功功率的平衡，如果用电负荷的无功需求波动较大，而电网的无功功率来源及其分布不能及时调控，就会导致线路电压超出允许极限；另外，对于负荷一侧，电力系统多由输配电线、变压器、发电机等构成，其内阻抗主要呈感性，使得负载无功功率的变化对电网电压的稳定性带来极为不利的影响。

　　无功功率补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域的重大课题。由于电力电子技术装置的应用日益普及生产、生活各个领域，无功补偿问题引起人们越来越多的关注。据有关科学统计，如果全国都通过优化配置计算来安装无功补偿装置，在总投资不变的条件下，估计每年可以节省电量大约3亿千瓦时。因此，电力系统的无功补偿和电压调整是保证电网安全、优质、经济运行的重要措施。目前，由于电力电子技术的飞速进步，无功功率补偿方面也取得了突破性的进展。

2　连续无功补偿装置发展历史、现状和发展前景

　　工程上应用的无功补偿器主要包括旋转无功补偿器和静止无功补偿器，其具体分类见图1。

2.1　连续无功补偿装置的发展历史

　　旋转无功补偿器以同步调相机为代表，同步调相机实际上就是在过励或欠励状态下运行的同步电机，它既能发出容性无功，也能发出感性无功，因而同步调相机能对变化的无功功率进行动态补偿。由于其存在诸多缺点（见表1），70年代以来逐渐被静止无功补偿器取代。

　　静止无功补偿技术经历了图1所示的3代发展：

　　第Ⅰ代属于慢速无功补偿装置，在电力系统中应用较早，目前也仍在应用；

　　第Ⅱ代属无源、快速动态无功补偿装置，出现于 20 世纪 70 年代，国外应用普遍，我国目前有一定应用，主要用于配电系统中，输电网中应用很少，SVC 可以看成是电纳值能调节的无功元件，它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。 SVC 作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换；

　　第Ⅲ代属快速的动态无功补偿装置，国外从20世纪80年代开始研究，90年代末得到较广泛的应用。随着大功率全控型电力电子器件GTO、IGBT、及IGCT的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术（PWM）、四象限变流技术的提出，使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿技术也得以迅速发展。静止同步补偿器，作为FACTS家族最重要的成员，在美国、德国、日本、中国相继得到成功应用。此外，SVG和SVC相比还拥有调节速度更快、调节范围更广、欠压条件下的无功调节能力更强等优点，同时谐波含量和占用空间都大大减少。3代无功补偿装置的优缺点见表1。

2.2　国内外电网动态无功补偿的现状

　　我国电网中目前使用最为广泛的补偿装置是机械投切的并联电容器组。为满足调压要求，在低压供电网络中装设了大量的并联电容器组，在中压配电网络中装设了少量的并联电容器组。牡丹江科海电气设备有限公司设计生产的G(X)JF1型电容器跟踪投切柜（箱）采用了KH－ZK电容器智能投切开关；G（X）JK1型接触器式电容器跟踪投切柜（箱）投切电容过程涌流小，整机使用寿命长, 维修量小,无功补偿响应快，可频繁投切，多级补偿一次到位。包括G（X）D1型电容投切产品都是该补偿装置的进步发展。

　　目前，我国输电系统中一共有5地 6套大容量SVC投入使用，它们分别被装设在广东江门、湖南云田、湖北凤凰山（2套）、河南小刘以及辽宁沙岭的500kV变电站中。此类SVC多为进口，其中有3套是ABB公司的产品。

　　SVC在大型工矿企业中的应用较为广泛，在钢铁企业中的应用尤为突出，武汉钢铁公、包头钢铁公司、宝山钢铁公司、济南钢铁公司、张家港沙钢铁公司、天津钢管公司等均装有该补偿装置，如济南钢铁公司中厚板厂二期工程在35kV母线上安装了由西门子公司设计制造的一套容量为25Mvar的SVC，2001年底带负荷一次投运成功。

　　从国际范围来讲，目前SVC与SVG都已得到普遍的应用。SVC出现早，应用时间长，仅ABB公司，其目前在全世界投运的SVC就已超过370套，ABB 与西门子两个公司已安装的SVC总容量约为9万Mvar（包括已退役装置）。SVG装置在20世纪主要以示范工程为主，从上世纪90年代末到本世纪初，SVG在日本及欧美得到了广泛应用，尤其是在冶金、铁道等需要快速动态无功补偿的场合。1999 年3月，我国第一台工业化STATCON在河南省洛阳市朝阳变电站成功并网运行，标志着我国掌握了高压大容量FACTS 设备的设计制造技术。

2.3　静止无功补偿装置的发展前景

　　随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，静止无功补偿的发展趋势主要有以下几点：

　　（1）在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合一体化的问题。

　　（2）快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况(如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合)。随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制、微机控制等。

　　（3）目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管水平的限制，是通过变压器降压接入的，如用于电气化铁道牵引变电所等。研制高压动态无功补偿的装置具有十分重要的意义，关键是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压，即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制的同步性等问题。