并联无功补偿教学课件PPT.ppt

并联无功补偿 svc&svg (statcom),华北电力大学 谭伟璞,无功补偿方式,按补偿设备接入系统的方式， 分为： 并联补偿 串联补偿 混合补偿,并联无功补偿,特点： p146 1.一个接入系统点，另一端接地或为悬浮中性点，投切方便； 2.不改变系统主要结构，控制并联补偿量，在系统正常运行时，做到无冲击投切； 3.并联补偿的分析计算简便；（电流源，对角线） 4.并联补偿适合电流补偿，对接入点附近效果显著，最适合电力部门； 5.并联补偿承受接入点全部电压，输出补偿量受接入点系统电压控制。,并联无功补偿,对系统的作用： p146 1.向系统注入或吸收无功，改变系统阻抗特性； 2.提高系统静态稳定性； 3.提高系统动态稳定性； （快速补偿控制） 4.给系统提供电压支持； （电能质量） 5.改善系统动态特性； 6.通过控制潮流，阻尼系统振荡； 主要功能：潮流控制，提高系统稳定性，提高系统的输送能力。 安装位置：受电端；长输电线中间。,系统动态指标,1.过渡过程时间ts ：给定允许偏差（0.005pu） 2.超调：过渡过程偏离稳态值的最大 3.振荡次数：ts时间内的振荡次数 系统输送功率： p=usursin/x,线路中点并联补偿,设线路始末端及中点电压数值相等： p148 则： 补偿装置：,线路中点并联补偿,/2,线路中点并联补偿,结论： 线路中点是输电线 电压幅值下降的最大点。 线路中点并联无功补偿可以最大限度地提高线路的输送能力，前提是补偿装置能提供快速和大量的无功功率以维持补偿点处的电压。 补偿点不在中点处，由输电线分段长度大的一侧决定输送容量。 如果在输电线上等分设置补偿点，线路输送能力提高倍数理论上近似为线路分段数。,并联无功补偿设备,主要有两大类： 无源型无功补偿器：svc 静止无功补偿器 有源无功补偿器：svg（statcom） 静止无功发生器,静止无功补偿器 static var compensator controller,一、svc的主要作用及现状,提高负载和系统的功率因数，减少设备的功率损耗，稳定电压，提高供电质量。在长距离输电中，提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率等。 国内电网采用的补偿技术主要是电容集中补偿与就地补偿。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿(如风机、水泵等)，其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。 由于性价比较高，目前我国广泛使用的是静止补偿器(svc)。,二、svc的基本型式,利用电容器和电抗器组成可提供感性或容性无功补偿的装置，能平滑控制动态无功功率。 六种方式：固定容性、固定感性、可变容性、可变感性、固定容性可变感性、可变容性可变感性。常用后两种。,二、svc的基本型式,tcr fc tcr tsc fc tcrfc型 tcrtscfc型,二、svc的基本型式,tsc - thyristor-switched capacitor - 晶闸管投切的电容器 tcr - thyristor-controlled reactor - 晶闸管控制的电抗器 fc - fixed capacitor - 滤波电容器(固定电容器),三、svc的主要内容,动态无功补偿的应用背景及应用范围 无功补偿的基本原则及方法 svc的基本工作原理 svc的基本组成及原理，tsc/tcr/fc svc在我国的应用情况及发展趋势,3.1 应用背景,长距离输电的功角稳定 负荷中心的电压稳定 直流输电系统无功补偿（换流站需约所传输功率60%的动态无功补偿） 冲击性负荷侧补偿，提高电能质量 工业电弧炉、电力机车、轧钢机等；与交交变频的配合使用。,3.1 应用范围,110-500kv变电站 输电系统补偿 380-10kv配电网 冲击负荷（无功负荷大、有谐波分量） 铁路牵引变电站，电弧炉，油国，轧钢厂，铝厂，整流负荷等（大功率交交变频） 用户侧无功补偿（380v线路末端补偿） 减少380v系统中的无功电流分量，降低线损，提高电能质量,3.2 无功补偿基本原则及方法,负荷侧的无功经常变化，固定无功补偿不能稳定母线电压。 如果保证系统中某些母线处的无功量恒定或恒定接近于零，就能消除由负荷变化引起的母线电压波动。 负荷变化率（由零到额定值）在1s以上的，采用调相机。负荷变化率在1s以下的，采用调相机很难胜任，需采用静补。 补偿原则： 其中：q1为线路注入变电站母线的无功，qf（t）为无功负荷，qc（t）为无功补偿装置提供的补偿量。 通常采用欠补偿或全补偿，以欠补偿为主。 核心问题：补偿地点、补偿容量。,或c,3.3 svc的基本工作原理,一、基本组成： 1、fctcr 2、fctsctcr 二、工作模式： 1、fc提供无功补偿的基本量 2、tsc、tcr提供无功补偿的连续平滑调节量 三、与svc配套，需加装滤波装置或采用相应的滤波措施,3.3.1 tsc - 晶闸管投切的电容器,3.3.2 tcr - 晶闸管控制的电抗器,动画曲线,3.3.3 svc的控制,1. 固定补偿电容器组fc的控制 2. 晶闸管控制电抗器tcr的控制 3. 晶闸管投切电容器tsc 的控制,3.4 补偿电容器运行中的问题,1. 电容器允许的过电压 2. 电容器允许的过电流 3. 谐波与谐振 4. 切断补偿电容器时的过电压 5. 补偿电容器的放电,3.4.1 电容器允许的过电压,因电容器输出的无功功率及内部有功损耗均与运行电压的平方成比例，当运行电压超过其额定值时，电容器过负荷运行，温升增高，极易损坏，所以须严格限制其最高运行电压。 电容器允许的最高运行电压表 运行电压/额定电压 最长持续运行时间 1.10 连续运行 1.15 24小时内不超过30分钟 1.20 5分钟 1.30 1分钟,3.4.2 电容器允许的过电流,电容器的过电流包括与最高允许运行电压成比例的输出无功过电流及由电网中谐波通过它引起的放大过电流两部分。所以，过电流的限额比过电压的限额要高。我国规定：电容器长期允许的工作电流为额定电流的1.3倍。 电容器运行时引起过电流的原因： 1、电容器的电容值有正偏差 2、运行电压高于电容器的额定电压 3、电网中的谐波电压 4、电网运行频率高于额定频率 5、故障或操作引起的暂态过电压,3.4.3 谐波与谐振,电网中存在着各种频率的高次谐波源，对电容器危害极大。为保护补偿电容器免受高次谐波的损害，通常在电容器回路串联一组电抗器，使其回路总阻抗在各次谐波下均呈感性。 串联电抗器的选取原则： 其中：xl与x c皆为工频阻抗, n为谐波的次数 xl / xc = k/n2 = 称为调谐度或补偿度 k为安全系数，一般取：1.2 1.5 的取值：对于三次，取12；对于五次取5。,3.4.4 切断补偿电容器时的过电压,切断电容器时的过电压最高可达 电容器运行电压的三倍 10.5kv系统，补偿电容器从电网上切除时，屡发损坏事故。,3.4.5 补偿电容器的放电,为对补偿电容器进行维护，保证工作人员安全，电容器退出运行后，要有相应的放电措施。,svg or statcom,静止无功发生器 or 静止同步补偿器,svg static var generator 静止无功发生器 statcom static synchronous com-pensator p193 静止同步补偿器 （固态同步电压源） 2002年ieee统一为statcom，中国习惯称呼svg，asvg,一、svg与statcom的功能定义,svg既能向系统提供无功，又能从系统吸收无功，且与系统的无功功率交换量可以是任意的。 statcom功能上类似于能产生三相正弦对称电压的旋转同步电机。即可与系统进行无功交换，也可同时与系统进行有功交换。,1.1、 svg的基本功能,svg作为无功补偿装置，既可向系统提供感性无功，也可向系统提供容性无功。 svg向系统提供的容性无功不象静止无功补偿器svc那样受系统电压的影响，可以在任何系统电压条件下，输出额定的无功功率。 与静止无功补偿器svc相比， svg给系统提供电压支持、提高系统稳定性的作用更有效，尤其在系统故障的情况下， svg进行电压维持、防止电压崩溃、提高系统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用效果较静止无功补偿器svc更加明显。,1.2 svg的拓扑结构,svg的基本结构是由可关断电力电子器件构成的dc/ac逆变器。 逆变器主电路由直流电源、可关断电力电子器件构成的三相桥式电路（或三组可关断电力电子器件构成的单相桥式电路）、保护电路等辅助环节 逆变器控制电路一般由cpu控制单元、信号检测环节、驱动电路、显示报警单元等构成 与系统连接的中间环节 svg按逆变器主电路直流电源是电压源形式或电流源形式分成两大类,1.2.1 svg的系统示意图,svg的基本结构：由可关断电力电子器件构成的电压源型dc/ac逆变器，与系统的接线示意图如下图所示。 逆变器,1.2.2 svg的拓扑结构图,逆变器的拓扑结构有两种：电压源型和电流源型。 实用中一般采用电压源型。,1.3 svg的工作原理,1、svg的逆变器可发出与系统电压同频率且三相对称的正弦电压，而且可对此三相电压的幅值和相位进行快速的调节和控制。 2、逆变器根据它的两个控制参量qf和pf来确定它的输出电压的幅值和相位，从而控制svg与系统之间的有功和无功交换。 3、当逆变器的输出电压与系统电压同相位时，即控制参量pf 为零而qf不为零时，svg只与系统进行无功交换，而没有有功交换。 4、当系统与svg之间没有有功交换时，在理想情况下，逆变器的直流电容电压保持不变。,1.3 svg的工作原理,5、当svg只与系统进行无功交换时，逆变器的输出电压幅值大于系统电压幅值时，svg向系统注入无功；逆变器的输出电压幅值小于系统电压幅值时，svg从系统吸收无功。 6、当逆变器的输出电压与系统电压相位不同时，即控制参量pf 不为零，此时svg将与系统之间进行有功交换。 7、当svg与系统进行有功交换时，逆变器的输出电压的相位超前于系统电压相位时，svg向系统注入有功；逆变器的输出电压相位滞后系统电压相位时，svg从系统吸收有功。 8、当svg与系统进行有功交换时，逆变器的直流电容电压将发生变化，需对逆变器的直流电容电压进行控制。,1.3 svg的工作特点,svg实质上是作为一个储能单元在工作的。 svg与系统进行无功交换和有功交换时，可以看作是系统对应于所要求的运行状态能量不平衡，由svg来平衡缓冲。 当svg只与系统进行无功交换时，相当于svg储存的能量与系统之间交替吐纳，过程结束时，svg储能不变。 当svg只与系统进行有功交换时，相当于svg储存的能量与系统之间有了给予，过程结束时，svg储能改变。 svg与系统之间进行有功交换时，svg获得有功，直流电容电压升高； svg送出有功，直流电容电压下降。 为方便控制计算，通常控制svg的直流电容电压恒定。,1.3.1 svg的工作原理相量图,单相等值电路相量图 动画曲线1,动画曲线2,1.3.2 svg的优越性,无功电流,电压,svg,svc,1.0,0.2,1.3.3 svg的控制方式,svg的控制方式主要有两种： 1.方波控制方式 2.pwm控制方式,方波控制方式： 高压、大功率、大容量 pwm控制方式： 低压、小功率、小容量,两种控制方式的应用场合？,从功率损耗和开关速度两方面考虑,动画曲线,1.3.4 svg直流储能电容的工作特点,作为直流储能元件的电容器，在svg与系统交换无功的过程中，不起补偿的作用，只是简单的起一个桥梁作用，使svg的三个输出端口之间能自由地流动无功电流。 直流电容器上的电流，在稳态时应为零，实际工作过程中流过的是一个很小的谐波电流，以保证svg交、直流两侧瞬时的能量平衡。 svg向系统注入有功功率时，能量由直流储能元件电容器供给系统，电容器电压下降；反之，当svg从系统吸收有功功率时，能量由系统供给直流储能元件电容器，电容器电压升高。,1.3.5 svg的控制策略,svg控制策略的选择根据补偿器要实现的功能和应用的场合, 决定采用开环控制还是闭环控制。 作为快速补偿干扰性负荷对电网产生不利影响的动态无功补偿装置, svg的控制策略在反馈控制量和调节器的选取原则上与svc 装置一样。 svg通常采用双闭环控制，外环反馈控制量和调节器的类型根据补偿器要实现的功能选取。 例如：要实现改善电压调整的功能, 控制系统即需采用系统电压的外环反馈控制, 设置电压调节器。,1.3.5 svg的控制策略,svg与svc的区别在于：在svc装置中, 由外环调节器输出的控制信号用作svc 等效电纳的参考值bref , 以此信号来控制svc调节到所需的等效电纳; 在svg中, 外环调节器输出的控制信号被视为补偿器应产生的无功电流(或无功功率) 的参考值 。 由无功电流(或无功功率)的参考值调节svg ，产生所需无功电流的具体控制方法, 可以分为间接控制和直接控制两大类,且其具体控制方法是多样的；而这与svc所采用的触发角移相控制原理是完全不同的。,1.3.5 svg的控制策略,间接控制就是将svg作为一个交流电压源, 通过对svg变流器所生成的交流电压基波相位和幅值的控制, 来间接控制svg交流侧的输出电流。 直接控制就是采用跟踪型pwm控制技术，直接对svg变流器交流侧输出的电流瞬时值进行反馈控制。 svg采用电流直接控制方法后, 其响应速度和控制精度比间接控制法有很大提高。 在直接控制法下, svg实际上相当于一个受控电流源。直接控制法由于是对电流瞬时值的跟踪控制，因而要求主电路的电力半导体器件有较高的开关频率, 因此受控制容量的限制。,1.3.6 svg控制器的构成,svg的功能概括为三类： 1、在稳定状态下，维持系统电压不变，或按要求调压 2、在稳定状态下，维持系统某处的无功功率最小，或按经济等要求调节无功量 3、在动态或暂态，按系统稳定性要求，调节无功量以提高稳定极限或抑制某个方式的振荡 svg的控制器，除上述功能，还需具有维持自身运行的功能 控制器的构成环节有：电压检测、电流检测、同步信号、直流电压控制、 输出电压相位/输出电流控制、门极驱动、保护限制、振荡抑制等。,1.3.6.1 svg控制器示例,1.3.6.2 svg控制器示例,系统结构:信号检测电路、基于tsm320lf2407的控制电路、驱动电路和触摸屏显示电路。信号电路用来检测电压、负载电流、svg输出电流和svg直流侧电容电压。 单片机89c196控制电路用来完成系统电压和电流信号的采集、处理以及与触摸显示屏和lf2407之间的数据交换。 基于lf2407的控制电路为控制系统的核心，用于完成信号的采集、处理、数据交换。pwm脉冲生成及输出信号的保护等。,1.3.6.3 svg的主电路设计,构建svg主电路考虑的因素： 受现有可关断电力电子器件的个体控制容量限制，考虑增容方案。 考虑接入电网的电压等级，提高输出电压，能直接接入电网。 尽量降低输出无功电流中的谐波成分。 常用解决方案： 采用多器件串联或并联，以提高输出电压或控制容量。 采用脉宽调制技术（pwm），减少谐波成分。 采用几组逆变器串联，既可提高输出的电压和容量，又可降低输出电压中的谐波。 即多重化技术或多电平技术。多重化技术是svg实用必用的。,二、静止无功发生器的发展概况（国内）,我国在svg方面的研究工作也开展了多年，研究范畴不仅有svg的数学建模、系统分析、控制方法和行为特性，还开发研制了实验装置，这些成果表明我国在这一领域的研究已经达到了相当的水平。 1999年3月30日， 我国第一套20兆乏svg装置成功并入河南电网投入试运行，容量居世界第3位。这套装置由清华大学和河南电力工业局联合研制，被原电力部列为部重点科技攻关项目。 p196 2001年，该项目被评为中国电力科学技术一等奖。2002年获国家科学技术进步奖二等奖。这一科研成果使我国成为世界上继美、日、德之后第4个在svg应用领域具有自主知识产权的国家。,二、静止无功发生器的发展概况（国外） 1.日本三菱电机制造80mvasvg p229,三菱电机制造80mvasvg参数 额定电压：154kv 额定容量：80mva 相数、脉冲：48 逆变器数：8 逆变器容量：10mva 逆变器方式：1脉冲pwm 晶闸管参数：4.5kv，3ka 冷却方式：水冷 反向二极管：4.5kv，1ka 阀臂：3晶闸管串联 直流电压：4150v 逆变器电流：1110a 交流侧电压：3kv 工作频率：60hz 线电压：5.2kv 载波频率：60hz 主变压器变比：154/34.24 逆变控制方式：1脉冲pwm 多重变压器变比：34.24/33,1.日本三菱电机制造80mvasvg,1991年，安装在日本犬山开闭所，属关西电力公司。 8组换流器，触发相序依次相差7.