基于電力電子技術(shù)的連續無(wú)功補償控制分析

1　引 言

　　電力系統中，電能質(zhì)量是評價(jià)電力系統運行性能優(yōu)劣的重要指標，而電壓又是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標，因此，電壓的穩定性對電力系統運行性能來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。電壓穩定與否主要取決于系統中無(wú)功功率的平衡，如果用電負荷的無(wú)功需求波動(dòng)較大，而電網(wǎng)的無(wú)功功率來(lái)源及其分布不能及時(shí)調控，就會(huì )導致線(xiàn)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(xiàn)、變壓器、發(fā)電機等構成，其內阻抗主要呈感性，使得負載無(wú)功功率的變化對電網(wǎng)電壓的穩定性帶來(lái)極為不利的影響。

　　無(wú)功功率補償是涉及電力電子技術(shù)、電力系統、電氣自動(dòng)化技術(shù)、理論電工等領(lǐng)域的重大課題。由于電力電子技術(shù)裝置的應用日益普及生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域，無(wú)功補償問(wèn)題引起人們越來(lái)越多的關(guān)注。據有關(guān)科學(xué)統計，如果全國都通過(guò)優(yōu)化配置計算來(lái)安裝無(wú)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(shí)。因此，電力系統的無(wú)功補償和電壓調整是保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的重要措施。目前，由于電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，無(wú)功功率補償方面也取得了突破性的進(jìn)展。

2　連續無(wú)功補償裝置發(fā)展歷史、現狀和發(fā)展前景

　　工程上應用的無(wú)功補償器主要包括旋轉無(wú)功補償器和靜止無(wú)功補償器，其具體分類(lèi)見(jiàn)圖1。

2.1　連續無(wú)功補償裝置的發(fā)展歷史

　　旋轉無(wú)功補償器以同步調相機為代表，同步調相機實(shí)際上就是在過(guò)勵或欠勵狀態(tài)下運行的同步電機，它既能發(fā)出容性無(wú)功，也能發(fā)出感性無(wú)功，因而同步調相機能對變化的無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償。由于其存在諸多缺點(diǎn)（見(jiàn)表1），70年代以來(lái)逐漸被靜止無(wú)功補償器取代。

　　靜止無(wú)功補償技術(shù)經(jīng)歷了圖1所示的3代發(fā)展：

　　第Ⅰ代屬于慢速無(wú)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(wú)源、快速動(dòng)態(tài)無(wú)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(wǎng)中應用很少，SVC 可以看成是電納值能調節的無(wú)功元件，它依靠電力電子器件開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現無(wú)功調節。 SVC 作為系統補償時(shí)可以連續調節并與系統進(jìn)行無(wú)功功率交換；

　　第Ⅲ代屬快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置，國外從20世紀80年代開(kāi)始研究，90年代末得到較廣泛的應用。隨著(zhù)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(shù)、脈寬調制技術(shù)（PWM）、四象限變流技術(shù)的提出，使得電力電子逆變技術(shù)得到快速發(fā)展，以此為基礎的無(wú)功補償技術(shù)也得以迅速發(fā)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(wú)功調節能力更強等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)諧波含量和占用空間都大大減少。3代無(wú)功補償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

2.2　國內外電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的現狀

　　我國電網(wǎng)中目前使用最為廣泛的補償裝置是機械投切的并聯(lián)電容器組。為滿(mǎn)足調壓要求，在低壓供電網(wǎng)絡(luò )中裝設了大量的并聯(lián)電容器組，在中壓配電網(wǎng)絡(luò )中裝設了少量的并聯(lián)電容器組。牡丹江科海電氣設備有限公司設計生產(chǎn)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(kāi)關(guān)；G（X）JK1型接觸器式電容器跟蹤投切柜（箱）投切電容過(guò)程涌流小，整機使用壽命長(cháng), 維修量小,無(wú)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(chǎn)品都是該補償裝置的進(jìn)步發(fā)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(mén)、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(lèi)SVC多為進(jìn)口，其中有3套是ABB公司的產(chǎn)品。

　　SVC在大型工礦企業(yè)中的應用較為廣泛，在鋼鐵企業(yè)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(chǎng)二期工程在35kV母線(xiàn)上安裝了由西門(mén)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(lái)講，目前SVC與SVG都已得到普遍的應用。SVC出現早，應用時(shí)間長(cháng)，僅ABB公司，其目前在全世界投運的SVC就已超過(guò)370套，ABB 與西門(mén)子兩個(gè)公司已安裝的SVC總容量約為9萬(wàn)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(dòng)態(tài)無(wú)功補償的場(chǎng)合。1999 年3月，我國第一臺工業(yè)化STATCON在河南省洛陽(yáng)市朝陽(yáng)變電站成功并網(wǎng)運行，標志著(zhù)我國掌握了高壓大容量FACTS 設備的設計制造技術(shù)。

2.3　靜止無(wú)功補償裝置的發(fā)展前景

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)的日新月異以及各門(mén)學(xué)科的交叉影響，靜止無(wú)功補償的發(fā)展趨勢主要有以下幾點(diǎn)：

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

　?。?）快速準確地檢測系統的無(wú)功參數，提高動(dòng)態(tài)響應時(shí)間，快速投切電容器，以滿(mǎn)足工作條件較惡劣的情況(如大的沖擊負荷或負荷波動(dòng)較頻繁的場(chǎng)合)。隨著(zhù)計算機數字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無(wú)功補償中引入一些先進(jìn)的控制方法，如模糊控制、微機控制等。

　?。?）目前無(wú)功補償技術(shù)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(guò)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(dòng)態(tài)無(wú)功補償的裝置具有十分重要的意義，關(guān)鍵是要解決補償裝置晶閘管和二極管的耐壓，即多個(gè)晶閘管元件串聯(lián)及均壓、觸發(fā)控制的同步性等問(wèn)題。