静止同步补偿器与传统无功补偿器的比较.pdf

2 0 0 8 年第2 期 上 海 电力 静止同步补偿器与传统无功补偿器的比较 冯 煜 埕 ( 上海市电力公司 超高压输 变电公 司 ， 上海 2 0 0 0 6 3 ) 摘 要 ： 随着灵 活交流输 电( F Ac T S ) 技术 的不断发展 ， 出现 了很 多新型 的 F AC T S装置 。比如 基于全 控型 电 力电子器件( 如 G TO晶闸管与 I GB T等) 的 S TA TC ( ) M 就是其 中之一 ， 它 与传统 的补偿 器 S VC相 比在技术 上有着很 多的优势。介 绍 F AC T S装 置中的 S T AT C O M 与 S V C， 并对它们在 电压支撑 、 动态仿 真、 控制方 法、 谐波和经济性等方面进行综合分析与 比较 ， S T AC ( ) M 具有显著 的优越性 。 关键词 ： 灵活交流输变 电系统 ； 静止同步补偿器 ； 静止无功补偿器 中 图分 类 号 ： TM7 1 2 文 献 标 识 码 ： B l 引 言 F AC TS l l 技 术 的 出现 给 电 力 系 统 带 来 了新 的控 制 技 术 和 应 用 手 段 。不 断 推 出 的 F AC T S 装 置 正 在为 电力 系 统 的安 全 稳 定 运 行 发 挥 着 日 益重 要 的 作 用 ， 特 别 是 在 电压 稳 定 方 面 。静 止 无 功 补 偿器 S Vc( S t a t i c Va r C o mp e n s a t o r s ) 和 静 止 同步 补 偿 器 S T ATC OM ( S TAt i c s y n c h r o n o u s C OMp e n s a t o r s ) 是 F AC TS家 族 中重 要 的 成 员 ， 主 要 作用 是 调 节 交 流 电 网 的无 功 ， 即无 功 补 偿 。 S V C和 S TAT C oM 采用 先 进 的电力 电子 开关 器 件 ， 能够 快 速调 节 交 流 电 网 的 无 功 ， 具 有 反 应 快 速 和 平 滑调 节 等 特 性 ， 因此 ， 能 够 作 为 在 电力 系 统 关 键节 点 处用 来 保 证 动 态 电压 支 撑 的 强 有 力 手 段 。 当系 统安 装 S VC或 S T ATC OM 后 ， 可 以 减 小 系统 的 电气 距 离 ， 还 可 以起 到 阻 尼 系 统 功 率 振 荡 ， 甚 至 抑 制 次 同 步 谐 振 S S R( S u b S y n c h r o n o u s Re s o n a n c e ) 的 作 用 l 2 。 。 在 适 当 控 制 下 ， S VC或 S T ATC o M 可 以增 大 系 统 的 阻 尼 转 矩或 异 步转 矩 ， 起 到 衰 减 振 荡 的 作 用 ， 从 而 提 高 系统 的暂 态稳 定 极 限 l 4 。 2 电压 支撑 比较 可 控硅 型 的 S VC 和基 于 门极 可 关 断 晶 闸管 GTO( Ga t e Tu r n Of f t h y r i s t o r ) 的 S TATCOM 在 许 多 方 面 都 存 在 差 异 。图 1所 示 为 2种 装 置 的 V I关系 曲线 图 。 由图 1 ( a ) 可 见 ， S VC主 要 由 一 系列 无源 元件 组 成 ， 如 电容 和 电感 ， 当 S VC达 到运行 极限 时 ， 装 置输 出 的无 功 电 流将 随着 电压 的下降迅 速下 降 ( 见 图 1 ( a ) b o段 所示 ) ， 这 是 由其 装置 特性 所 决 定 的l 5 j 。而 S TAT C OM 由换 流器 及 电容器 等组成 ， 即使 在 系统 电压 降 到 较 低 的情 况下 ， 装 置输 出的 容性 电流仍 然可 以维 持不 变 ， 不 依 赖 于 电压 值 ， 见 图 1 ( b ) b c 段 所示 。因此在 电力 系统 出现 故 障 ， 特 别 是 系 统 电压 降 低 时 ， S TAT C ( ) M 较 之 于 S VC的优 势就 充分地 表现 出来 了。 纛 舌 痰 亩 。 0 ( a ) S VC 。 0 ( b ) S T A T C O M 图 1 V I曲线 图 比较 S VC达到最 大 容量 后 ， 由于 可控 硅控 制 的电 抗 变成 常数 ， S VC对 于系 统来 说就 变 成 了一 个数 值不 变 的 电纳 ， 无法 再继 续增 大无 功 电流 的输 出 ， 过载 能力 较 差 。但 是 ， 在 不 超 过 G TO 关 断 电 流 和热 稳定极 限的前 提下 ， S TAT C OM 却 可 以以额 定 容 量的 1 2 0 1 8 0 短 时 间 过载 运 行 ， 最 长 的 过载 时 间可 以达 到 l S ， 对 于提 高暂 态 电 压 稳 定 性 有 很 大 的作用 。 图 2为 S VC 和 S 1 一 C OM 两 种 装 置 分 别 接 入 单 机 无穷 大系统 的模 型 。 安 装 点 为 线 路 中 点 。 ： 图 2 并联连接 F A C TS控 制器 的单机无穷大模型 一 1 6 5 维普资讯 上 海 电力 2 0 0 8 年第2 期 工作时 ， 电纳的变化引起系统电抗的变化 ， 从而引 起线路传输功率的变化为 P一 s i n ( 1 ) 其 中 享 ( x + x + X 2 ) ( 2 ) 式 中 B S VC或 S T AT C OM 的等效 电纳 ； K补偿度 ， = +XT +X。 当 系 统 出 现 故 障 或 其 它 扰 动 时 ， S VC 或 S TAT C OM 装置 的作 用相 当 于改 变 了 K 值 。从 而使得 功角特 性 曲线上 下移 动而直 接影 响稳定 边 界 。S V C或 S T AT C OM 在系 统 故障 情况 下 向系 统 注入无 功 电流 ， 装 置 容量 的大 小 由需 要 提 高 的 系统 稳定 水平决 定 。假定 两者具 有相 同 的额定容 量 ， 设 为 一0 2 ， 且 此 时 的 电压为 U 一0 9 。对 于 直接 与系统并 联 的 S VC， 有 Q 一U Bs ( 3 ) 对 于 S TATCC I M Q 删一- us2B T c 0 M一- us2 一 us Q ( 4 ) 同 时 ， 假定 正 常情 况 下 装 置 接人 点 的 系 统 电 压 为 1 0 ， 而 在严 重故 障情况 下 降低到 0 5 。结 合 图 1 ( a ) 与式 ( 3 ) 可得 当装 置 点 电压 在 E o 5 ， 1 0 3 这个 区间 内变化 时 S VC所 能 提供 的最 大 等 效 电 纳 为 Bs v c m x 一 一 2 4 7 ( 5) 对 于 S TAT C OM ， 结合 图 1 ( b ) 与式 ( 4 ) 可 见 即使当系统电压跌到 0 5时 ， 其所能提供 的无功 电流仍 能维持 最 大值为 一 薯= 0 _ 2 2 2 ( 6 ) 于是 ， 当装置点电压在E 0 5 ， 1 0 这个范围内 变化时 S TAT C OM 的最大等效电纳为 B s rA r C O M 一 台 一 一 o 4 4 4 从 而根 据式 ( 1 ) ， 式 ( 5 ) 和式 ( 7 ) 有 K 一 李 ( X T + 享 ) K 一一 享 ( 享 ) 可 以 看 出 ， K 删 K ， 即 S TAT C OM 的补偿 系数 要 大 些 。此 外 ， 当 在装 置 接入 点 的 系 统 电压 U 从 1 0 下 降 到 0 5时 ， 根据 式 ( 3 ) 和式 ( 5 ) S VC提 供 的无 功 功 率 Q 一0 5 0 2 4 7 一 一 1 66 0 0 6 2 ， 而根 据 式 ( 4 ) 和 式 ( 6 ) S T ATC OM 能 提 供 的无功功率 为 Q T o 0 M一0 5 0 2 2 2 0 1 1 1 。 显 然 ， Q 一 Q ，说 明 在 系 统 故 障 时 ， S TAT C OM 比 S VC能提供更多 的无功功率来支 撑 系统 电压 ， 提高 暂态 稳定 。 3动态仿真比较 现 对 I E E E 3 9节 点 系统 进 行 故 障动 态 仿 真 ， 研 究安 装 同等容 量 的 S T ATC O M 或 S VC后 流人 安 装点 的无 功 电流与其 电压 的变化 情况 。仿 真计 算 条 件 为 ： 发 电 机 采 用 E 。恒 定 模 型 ； 负 荷 采 用 8 0 电动机 +2 0 恒阻抗的综合模 型； 故 障情况 为 F A C TS安 装点 附近 在 0 2 S发 生 在相 接 地 永 久性故障， 故障持续时间为 0 1 s ， 然后切 除故障 线路 ； 所 有 电压 、 电流值 取 为标 么值 ， 所 有 时 间单 位 为 s 。算 例 中 S VC与 S T ATC OM 均 采 用 维持 电压 恒 定的 P I 控 制模 型 。故 障后 S TAT C OM 与 S VC安装点 无 功 电流 与 电压 的 仿真 结 果 如 图 3与 图 4所 示 。 图 3 故 障 后 S TATCOM 和 S VC无 功 电 流 比较 图 由图 3可 见 ， 故 障 后 S ATC O M 反 应 更 为迅 速 ， 而且 输 出 的无 功 电流 大 大 高 于 S VC 的输 出 ， 即 o M 、 ， ， 与之 前 定性 分 析 相 一 致 。 为 了得到 相 同的效 果 ， 需 采 用 更大 容 量 的 S VC。图 4说 明 ， 相 同 容 量 的 S T ATC OM 比 S VC更 能 加 快 电压恢复速度 ， 减小 了电动机低 电压甩负荷的 可能性 ， 有利于提高动态电压稳定性 ， 使系统安全 过渡 到一个 新 的稳定 运行 状态 。 4控制方法 比较 S TAT C OM 控 制 的 本 质 是 通 过 对 S T AT C OM 换 流器产生 的交 流 电压 基 波 幅值 和 相 位 的 快速控制 ， 来控制 S T ATC OM 交流侧 电流 ， 电压 调节可以在几 ms内快速动作 。这种控制方法本 质 上 和 S VC( 晶 闸 管 控 制 电 抗 器 固 定 电 容 器 TCR FC Th y r i s t o r C o n t r o l l e d Re a c t o r s 维普资讯 2 0 0 8 年第2 期 上 海 电力 1 _ 2 1 _ O 0 8 0 6 O 4 0 2 图 4故 障后 STATCOM 和 S VC电 J土 比较 图 F i x e d C a p a c i t o r s ) 的控 制 是 不 同 的 ， S VC通 过 改 变 晶闸管触 发 角来 改 变 整 个 装 置 的 等效 电纳 ， 触 发角 和系统 电压 波形 是相 关 的 。 一 般 ， 调节 器 的设 计 必 须 能 适应 各 种 扰 动情 况 ， 对 于一 些系 统来说 ， 这 就意 味着 装置 不能 提供 最大 的无 功功率 来 帮助 系统度 过暂 态过 程 。有 的 文献指 出只有 把 调 节 器设 定 到 S VC对 系统 暂 态 稳定没有 任何 帮助时 ， S VC装置 才能加 到系统 中 。S VC的无 功 电流 和母 线 电 压 对 外 部 网络 参 数 较 为 敏 感 ， 而 S T ATC o M 对 外 部 电力 系 统 的 运行条 件 和结构 变化 是不 敏感 的 。在外 部系 统容 量和补 偿装 置容 量 的数 量级 可 比时 ， S V C 会 变得 不 稳定 ， 而 S T AT C OM 则不 会 。 因此 ， S TAT C OM 的电压 调节 器 的 响 应速 度 可 以设 计得 比 S VC快很 多 ， 并 且 可 以提供 更 多的 无 功功 率 ， 这在 系统 出现 严 重 故 障 的情 况 下 对 暂 态稳定 有很 大 的 帮 助 。此外 ， 值得 一 提 的是 传 输 系统 中 S T ATC OM 的应 用有 助 于 缓 解 系统 低 频 谐 振 的 趋 势 ， 因 为 S T ATC O M 没 有 采 用 大 量 的 交 流电容 ， 只用 了少 数 的直 流 电容 。 5 谐波量和经济性 比较 在各 种 类 型 的 S VC装 置 中 ， S VC本 身 会 产 生一 定量 的谐 波 ， 如 S R 型会 产 生 3 、 5 、 7 、 1 1等 高 次谐 波 ， 而 TC R型 的 5 、 7次 谐 波 量较 大 ， 约 占基 波值 的 5 8 ， 这 给 S VC 系统 的滤 波 器 设 计 带来 很多 困难 。而 S TAT C OM 由于大 多采 用 多 重化技术或脉宽调制运行方式 ， 其交流侧 的电压 谐 波含 量很 小 。 大 多 数 情 况 下 ， S V C( T C R F C或 晶 闸 管 控 制 电抗 器 晶 闸 管 投 切 电 容 器 T c R T s c Th y r i s t o r Co n t r o l l e d Re a c t o r s Th y r i s t o r S wi t c h e d C a p a c i t o r s ) 装 置 中采 用 的 电 感 和 电 容 器 容 量 比 装 置 额 定 发 出 或 吸 收 的 要 大 许 多 ； 相 比 之 下 ， S T AT C OM 装 置 中 需 要 的 电 感 和 电 容 要 小 得 多 ， 仅 为 2 O 3 O ， 而 且 S T AT C OM 所 需 的 滤 波 器 件 也 更 少 ， 但 由 于 S T ATC OM 采 用 的 GT O、 绝缘 门极 双极性 晶体 管 I GB T( I n t e g r a t e d G a t e B i p o l a r Tr a n s i s t o r s ) 等 电力 电 子器 件 要 比传 统 的 电容 和 电感价 格 高 许 多 。此 外 ， S TAT C o M 为 了消除 谐 波 所 采 用 的 变 压 器 曲折 连 接 或 其 它 连 接 方 式 费 用 也 相 当 高 ， 所 以 相 同 容 量 的 S T AT C OM 装 置 要 比 S VC更 昂 贵 。 6 结语 和较 早 出 现 的 S VC一 样 ， S TATCOM 的 主 要作 用 是 对 电 力 系 统 的 无 功 功 率 进 行 控 制 ， 维 持控 制 点 及 其 附 近 区 域 的 电 压 稳 定 ， 防 止 系 统 发 生 电 压 崩 溃 ， 提 高 电 力 系 统 的 电 压 稳 定 性 。 相 比之 下 ， S TAT C OM 在 技 术 上 有 着 显 著 的 优 越性 ， 如 ： 响 应 速度 快 、 控 制 稳 定 性 好 、 交 流 侧 电 压谐 波 含 量较 小 、 为 达 到 同样 的稳 定 极 限 ， 所 需 安装 的 S TA TC o M 容 量也 比 S VC小 ， 等 等 。但 S TAT C OM 的 控制 系统 和 控制 方 式要 比 S V C复 杂 ， 且 由于 使 用 了 较 多 数 量 的 大 容 量 全 控 型 元 件 ， 其价格 目前 比 S VC使用 的普通 晶 闸管要 高 许 多 。然 而 随着 电力 电子 器 件 的 发 展 和 成 本 的 降低 ， 可 以 相 信 S TAT C OM 的 应 用 前 景 将 会 越 来 越 广 阔 。 参考文献 ： 1 王仲鸿 ， 沈裴 ， 吴铁铮 F AC T S技 术研究 现状及其在 中国 的应用与发展 J 电力系统 自动化 ， 2 0 0 0 ， 2 4 ( 2 3 ) ： 1 - 5 2 王海风 ， 李乃湖 ， 陈珩， 等 静止无功补偿器 阻尼电力系统 振荡( 上) 理论分析E J 中 国电机 工程学报 ， 1 9 9 6