（电力系统及其自动化专业论文）svc对城市电网动态电压无功特性的影响.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 s v c 对城市电网动态电压无功特 性的影响，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：捻衄日 期： q 2 ，主，z 芷。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：缘母 日 期：q z ：2 ：， 导师签名： 日期：立：! ：! ! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章引言 动态无功补偿技术从传统的带旋转机械的方式到现代的电力电子元件的应用 经历了近一个世纪的发展历程，大体可分为以下几个阶段：同步调相机：响应慢、 噪音大、损耗大、技术陈旧；开关投切电容器：补偿方式响应慢，连续可控性差； 晶闸管控制电抗器( t c r ) 型和晶闸管投切电容器( t s c ) 型s v c 装置：这类无功补偿 装置采用晶闸管串联控制技术，损耗小、速度快、控制灵活，是比较成熟、实用的 技术：静止无功发生器( s t a t c o m ) ：采用可关断器件串联技术，速度更快，控制 灵活，占地面积小，是更先进的技术，也是未来的发展方向。s t a t c o i 在国际上已 有几十套示范工程投入使用，单套容量已达到2 0 0 m v a r ，该技术正在逐渐成熟。国内 已出现了2 0 m v a r 的工程样机，更大容量的装置正在研制中。 从2 0 世纪7 0 年代中期开始，美国的g e 公司、b b c 公司( 现为a b b 公司) 和s i e m e n s 公司先后开发出了t c r 型s v c 装置，并开始应用于工业用户和输配电领域。我国在 2 0 世纪8 0 年代初期由机械部和电力部联合引进了b b c 公司的t c r 型s v c 动态无功 补偿技术，并经过多年的努力在大冶钢厂投入使用，但由于其控制器和调节器采用 的是模拟技术，冷却系统采用半封闭开放式手动方式，自动化程度和装置的可靠性 较低，因此没有得到广泛使用。9 0 年代中期，我国又引进了乌克兰的t c r 型s v c 动 态无功补偿技术，其价格较低，在一定时期内赢得了市场，但其控制器和调节器以 分立元件为主，采用脉冲变压器隔离的电磁触发方式，通过风冷式热管散热，在补 偿容量较大时晶闸管的结温较水冷散热方式高3 0 0 以上，装置故障率较高，也限制 了其应用范围。 进入9 0 年代后，随着电力电子技术的不断发展和控制技术的不断提高，a b b ， s i e m e n s 、日本东芝、三菱等大公司的全数字化大容量t c r 型s v c 装置进入了实用 化阶段，装置的可靠性和无功补偿的效果得到了明显提高，s v c 在工业领域和输配 电领域得到了前所未有的高速发展。 截止到2 0 0 0 年，全世界已有超过4 0 0 套、总容量约为6 0 g v a r 的s v c 在输配电 系统中运行；全世界已有超过6 0 0 套、总容量约为4 0 g v a r 的s v c 在工业部门使用。 我国的输电系统中有6 套容量为1 0 5 1 7 0 m v a r 的s v c 安装在5 个5 0 0 k v 变电站， 均为进口；工业用户安装了1 0 0 多套s v c ，约有1 5 是进口的。6 套引进的s v c 在 我国电网中的应用情况如下： l ，郑州电网中的s v c 使河南南北联络线的功率输送极限提高了5 ，使5 0 0 k v 华北电力大学硕士学位论文 葛岗云线路的稳定极限提高了8 ，并有效稳定了2 2 0 k v 母线的电压； 2 ，辽宁电网的5 0 0 k v 辽沙线的并联电抗器于1 9 9 0 年1 1 月发生故障，致使该 线路的电压高达5 5 0 k v ，沙岭s v c 投入后，发生上述故障时该线路电压可迅速降到 正常水平： 3 ，广东江门电站的s v c 的投入为稳定电网电压起到了重要作用，在2 0 0 5 年的 西电东送规划工程中，该s v c 仍有利于改善电压稳定性： 4 ，凤凰山电站的s v c 对湖北电网的安全、经济运行发挥着重要作用，对抑制 5 0 0 k v 过高电压、增加西电东送的输送容量、保证系统的电压稳定、改善系统的电 压水平、降低高压网损意义重大。 但6 套引进的s v c 的运行情况都不太理想，主要原因有：与中国电网不相适应， 与系统的相互作用问题突出；早期技术陈旧，自动化程度低，对运行人员素质要求 较高；后期技术服务不及时，又没有技术升级措旄等“。 1 2 课题研究的意义 近2 0 年来，世界各地( 包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、日本等国) 发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重视。持续 了短短7 2 小时的8 1 4 美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响，这次 事故提醒人们，电网运行要有足够的无功备用容量，无功不能靠远距离传输，在电 力市场环境下，必须制定统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安 全性的角度提供充足的动态无功备用。在我国也曾多次发生电压崩溃事故，如1 9 9 3 年和1 9 年南方电网的几次事故，这些事故都促使人们采取各种措旌以维持电网稳 定。 采用静止无功补偿器( s v c ) 是解决上述问题的有效措施之一。s v c 技术是从7 0 年代初发展起来的，在全世界的输配电系统中得到了广泛应用。它在提高电网稳定 性以及改善配电系统的电能质量等方面发挥了重要作用，是目前各国普遍采用的先 进实用技术，可作为电力系统的战略防御手段“。 我国电网的建设和运行中长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备不 合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。近年来，随 着大功率非线性负荷的不断增加，电网的无功冲击和谐波污染呈不断上升的趋势， 无功调节手段的缺乏使得母线电压随运行方式的变化很大，导致电网( 特别是配电 系统) 的线损增加、电压合格率降低。此外，随着电网的发展，系统稳定性的问题 也愈加重要。电网的动态稳定性与快速无功功率调节器的性能有关；电网的电压稳 定性与无功功率的有效提供有关。动态无功补偿技术是一种提高电压稳定性的经 济、有效的措施，是促进电网安全稳定和战略防御的客观需求，利用它可以提高西 电东送工程的输电能力以及受端系统的电压稳定性：为枢纽变电站提供动态无功支 2 华北电力大学硕士学位论文 撑，从而提高电压稳定性：提高配电网电能质量的综合指标，改善系统的动态和静 态品质。 动态无功补偿技术在输电系统中的主要作用有：控制无功潮流，提高线路的 输电能力；调节系统的电压，改善电能质量；为a g d c 换流器提供无功功率； 提高功率因数，减少无功潮流以降低网损，节约电能资源；提高系统的静态和 暂态稳定性，限制操作过电压；加强对低频振荡的阻尼以及抑制次同步振荡等“。 1 3 我国城市电网的概况 电力工业是国民经济的基础产业之一，而作为在城市重点能传输、分配载体的 城市电网又是城市重要的基础设施之一。电能已成为人类生活和社会活动中应用范 围最广、与现代社会紧贴最近、与人民生活质量影响最大的一种能源，也是最常用、 最普及、最清洁、最容易疏松与控制和高效节能、不可代替的一种二次能源。根据 我国现有的电力体制，在“厂网分开”以后，城市电网基本上是以城市地域来划分 城市供电企业的管辖范围。城市电网又是一个区域电力系统的重要组成部分，具有 用电负荷密度大、电能质量和供电可靠性要求高等特点。城市电网的建设与发展， 必然涉及到城市电网的规划，电网结构、电压等级和系统接地方式的选择，无功补 偿设置的配置，配电网和线路的建设，继电保护、通信、自动化水平的提高，电能 质量、环境保护以及电力营销等诸多问题，因此只有按照科学发展观，保持发展速 度，提高发展水平，增强发展后劲，努力实现和全面协调可持续发展的要求，与时 俱进依托电力科技进步，建设与现代化城市相适应的现代城市电网，才能不断地提 高城市电网的供电充裕度和可靠性，保持做好优质服务，向广大电力用户提供充足、 优质、可靠、廉价的电能，以满足广大电力用户不断增长的各种用电需求。l ) 1 城市电网是城市范围内为城市供电的各级电压电网的总称，它包括送电网、高 压配电网、中压配电网和低压配电网，连同为其提供电源的变电所和网内的发电厂。 目前每个城市的供电企业，其运营范围通常是包括该城市范围内的各级配电网和向 配电网提供电源的输电网，所以经常也统称为供电系统和供电网。城市电网是电力 系统的重要组成部分，又是其主要负荷中心，具有用电量大、负荷密度高、安全可 靠和供电质量要求高等特点。城市电网还是城市现代化建设的重要基础设施之一。 为此，城市电网的各项建设和改造项目必须与城市发展规划相互配合，同步实施， 并与环境协调一。 我国城市负荷增长趋势 城市是电力负荷集中地区，据统计其用电量约占全国用电量的7 0 - 8 0 。随着 我国城市经济的不断发展及城市用地面积的扩大，城市用电量增长很快。建国以来， 除了1 9 8 0 , - - 1 9 8 5 年期间平均年增长率仅6 2 以外，各期的年平均增长率都超过1 0 ， 华北电力大学硕士学位论文 近1 0 年来平均增长率约为1 1 1 。 表1 - 1 为我国工业和生活用电占总用电比重，从用电分类构成看，工业用电仍 占我国总用电量的主要部分，历年来占7 0 - - 8 0 ，但近年其占总用电量的百分比正 呈下降趋势，而且平均增长率已小于总电量的增长率，这个趋势在一些大城市更为 明显【6 1 ，见表1 - 2 。 表卜1 工业和生活用电占总用电比重 年份 1 9 7 01 9 7 51 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 31 9 9 4 工业用电占总用电比重( ) 8 2 97 9 5 7 7 97 3 87 8 67 6 77 5 生活用电占总用电比重( ) 6 84 84 25 37 58 99 7 表1 - 2 工业和生活用电量增长率 年份1 9 8 0 - 1 9 9 01 9 9 0 1 9 9 41 9 9 3 - 1 9 9 4 工业用电量增长率( ) 9 49 18 5 生活用电增长率( ) 1 0 8 1 7 31 9 9 总用电量增长率( ) 9 1l o 21 0 3 随着城市产业结构的调整，促进了城市第三产业的发展。以上海和深圳两城市 为例，第三产业的产值占全市总产值的比重连年增加，目前约占4 0 ，到2 0 1 0 年预 计将达5 0 。因此，第三产业用电量的比重亦将有所增加。 据以上分析，我国城市电网负荷增长的趋势已逐步呈现现代化城市的特点： ( 1 ) i 业( 第二产业) 用电比重已趋下降，第三产业和生活用电比重将进一 步上升； ( 2 ) “电力”负荷的增长比“电量”负荷的增长快，近年来一些城市的夏季高 峰负荷陡增并称“迎峰度夏”，对城市配电网造成矛盾更是突出。 所以，相对于“电量”而言，“电力”负荷的增加和分布对城市电网改造规划 中有关的网络布局和容量配置等关系更为直接9 1 。 通过对“电力”和“电量”负荷的统计数据和规划指标数据的分析，可以看出 我国城市中各类电力负荷发展的趋势。现就占总用电量约9 0 以上的居民生活、公 共设施、工业三大类负荷的特性分别综述如下。 ( 1 ) 居民生活用电。随着城市经济的发展，居民生活水平必将进一步提高， 从而随着生活方式的改变，居民家庭生活用电量有迅速增加的趋势。2 1 世纪初，我 国绝大多数城市居民生活用电量的增长率和占总用电量的比重都在逐年上升，并且 按照居民生活用电负荷分布的特点，将造成中、低压城市配电网的高峰负荷有很大 的增加。但是，此类负荷主要受城市所处的地理位置、经济发展水平、电力供应条 件、居民生活水平、习惯和气候条件等因素影响，尤其以空调等家用电器的普及、 气候的影响更为突出。在一些经济比较发达的城市，居民生活水平高，晚间业余及 4 华北电力大学硕士学位论文 社交活动较多，家用电器拥有量比较大，生活用电就比较多。而一些经济欠发达、 居民生活水平相对比较低的山区城市，居民家用电器的购买力和需求量就差些，因 此家庭生活用电就较少。虽然两者水平相差铰六，但是迅速增长的趋势都是不容低 估的。 ( 2 ) 公共设施用电。主要表现在第三产业的用电负荷上，由于大多数城市第 三产业的发展和生产结构的调整，其用电负荷增长迅速，年用电量的平均增长率和 占总用电量的比重都是逐年提高的，提高的程度取决于各城市具体的建设发展规 划。目前全国各个城市都新建和改造了不少功能小区，高层建筑普遍出现，其用电 负荷的趋势估计较为复杂，主要决定于建筑规模及其等级、配套用电设备的完善程 度，有些建筑还与所选的空调制冷剂组的型式有关，有些综合性建筑与其经营项目 ( 如餐饮、娱乐等) 有关，商贸建筑与其经营的场地大小和商品有关。 ( 3 ) 工业用电。从城市总体建设发展的一般趋势看，当前工业在城市的产值 结构中的比例是逐步下降的，其用电量比例也相应下降，从我国总的用电量和一些 大城市的统计中可以看到这个趋势。但目前工业用电负荷仍占最大比重( 全国约占 7 0 以上) ，这一情况预计多数城市在相当长的时期内变化不大。因此，在电网规划 中对工业用电量的估算仍是最重要的方面。一般工业用电负荷指标是按我国已开发 建成的一些标准厂房地区的实际数据经综合分析后确定的，可作为我国城市中一般 工业建筑的发展趋势，比较符合城市中新建的工业园区或经济技术开发区等，主要 以电子、轻纺、加工装配为主的工业园区( 如冶金、化工、石化、汽车等) ，则应 按具体规划项目作充分的调研、收资、分析估算，才能得到比较符合实际的测算数 据哺1 。 1 4f a c t s 选址问题的国内外研究现状 近年来，随着大功率电力电子技术的发展，f a c t s 技术日渐成为实现电力系统暂 态稳定控制的新的技术手段。f a c t s 的概念是最早由美国电力科学研究的h i n g o r a n i 博 士于1 9 8 8 年提出的，它的主要内涵是采用大功率可控硅的元件代替机械高压元件，从 而使电力系统的三个主要参数电压、线路参数和功率角按系统运行的需要进行快 速、灵活的调节。电压崩溃是近代电力系统研究的重要课题之一。随着系统负荷的快速 增长和电力市场开放的发展，电压稳定作为一个限制系统运行的重要因素，越来越受到 电力部门的重视。一般认为电压失稳的原因是负荷过重，超过了系统最大可承受的负荷， 系统失去工作平衡点，从而导致电压崩溃。 众所周知，并联补偿和串联补偿可以增大系统的传输能力，从而提高电压稳定性。 伴随着电力电子器件的发展而发展起来的灵活交流输电技术( f a c t s ) 提供了更加灵活快 速的补偿手段，正在被越来越多地投入使用以控制电压和潮流。f a c t s 控制器对系统的 华北电力大学硕士学位论文 暂态过程和事故后的恢复具有快速、灵活的调节能力。f a c t s 控制器在电力系统中的应 用，一方面有助于改善电力系统的安全稳定水平，但同时对电力系统分析以及控制方法 的研究提出了新的任务：如何选择f a c t s 控制器的最佳设置点以最大效能地改善电力 系统的稳定水平：如何使所设计的f a c t s 的控制策略对系统的各种变化具有强的鲁棒 性；如何设计在工程上易于实现的f a c t s 的控制策略。f a c t s 控制器一般装于远离发 电机的输电线路上，发电机端变量对f a c t s 控制器来说是不易得到的，因此f a c t s 的 控制输入尽可能采用当地的可测变量；另外如何实现多个f a c t s 控制器之间以及f a c t s 与系统中的其它控制器( 如p s s 等) 之间的控制作用的协调p “j 。 在电网的规划过程中，选择合适的f a c t s 地点可以使得f a c t s 控制器在提高系统 的稳定性中的效果达到理想的效果，近年来，对利用f a c t s 设备提高电压稳定性的研 究有很多，其中选取最佳的f a c t s 设备的安装地点，以最大限度地提高电压稳定性， 增大稳定裕度是一个重要而又实际的问题。因此国内外学者在f ：a c t s 选址方面进行了 许多探索性的工作h 。 m a r t i n s 详细研究了s v c 和t c s c 对静态电压稳定的影响。对并联式的f a c t s 装 置( 如s v c ) ，采用了以系统崩溃点处雅可比矩阵的零特征值对应的了，右特征向量选择 最佳安装地点；。o k a r m t o 等人利用s - m a t r i x 方法，计算发电机的输出功率相对于变阻 抗元件参数变化的灵敏度，构造表征变阻抗元件提供最大可能阻尼的位置评价指标。 n o r o o s i a n m 和d a v r i u a 等人基于电压稳定模态分析，根据参与因子确定s v c 的最佳安 装地点。l a r s o n e v 等人提出了一种根据系统雅可比矩阵的最小奇异值对系统参数的灵 敏度选择最佳f a c t s 设备安装地点的方法。还有采用模态分析法，根据f a c t s 控制器 自身控制系统对振荡支配模式的变化量的作用，确定f a c t s 控制器的最优设置点。但 这些方法的缺点是：不能反映由特定扰动激发的具体模式以及非线性对大扰动稳定性的 影响。有从改善系统暂态稳定水平的角度，提出了临界能量相对于网络参数变化的灵敏 度的分析方法，但却末对暂态稳定的故障相关性给子充分的考虑。有在结构保留模型的 基础上，基于拓扑能量函数，通过分析网络中暂态势能分布以及变化特点，建立了评价 割集稳定性的量化指标，通过对指标的分析选择f a c t s 控制器的最优装设位置；对于 串联式的f a c t s 装置( 如t c s c ) ，则选取正常运行方式和临界崩溃点的运行方式功率变 化最大的支路作为最佳安装地点，并提出了一种衡量最佳补偿容量的指标p “j 。 1 5 本论文的主要工作 本文主要进行了以下几点工作： 1 ，在阅读大量文献的基础上明确了静止无功补偿装置对电网电压支撑作用的 国内外研究现状。截止到2 0 0 0 年我国引进了6 套s v c 装置，并应用于实际系统中， 该6 套装置都对保证系统的电压稳定，改善系统的电压水平起到了重要作用。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 ，对s v c 的电压控制原理进行深入的学习，掌握了s v c 的v - i 特性，并且对 s v c 动态特性中是否引入斜率的控制效果进行分析比较，并给出结论，进一步了解 了s v c 对系统电压的影响。 3 ，研究s v c 选址问题。在参阅大量文献并对l e e e 0 3 9 系统进行静态电压稳定 分析的基础上，通过比较各种方法的优缺点，最终决定使用模态分析法利用母线参 与因子确定s v c 的安装地点，利用e u r o s t a g 对选址结果进行仿真分析，比较了 s v c 安装于不同节点对电压的支撑作用，验证了利用模态分析法选定的s v c 安装 地点的可取性。 4 ，对s v c 的定容问题进行了必要的讨论。当系统发生三相短路时，在不加任 何补偿装置的情况下，从仿真结果可以看出此时该节点的无功需求，根据此节点的 无功需求确定s v c 的安装容量。 5 ，在选定的s v c 安装点安装合适容量的s v c 后，在系统发生任一线路断线， 三相短路，电压波动和不加任何扰动的情况下，分别利用e u r o s t a g 对系统进行 仿真分析，结果表明加装s v c 在上述情况下能够较好的支撑系统电压，从而保证了 系统的安全稳定运行。 华北电力大学硕士学位论文 第二章无功功率补偿技术 在电力系统中，异步电动机和变压器等设备要消耗大量的无功功率。这些无功 功率如果不能及时地得到补偿的话，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响：首 先，无功功率的增加会导致电流的增大，这不仅使设备及线路的损耗增加，而目还 会威胁到设备的安全运行；另外，电流和视在功率的增大也会导致发电机、变压器 及其他电气设备容量的增加，同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸 和规格也要加大，这使电网的经济运行大打折扣；另外，无功储备的不足会导致电 网电压水平的降低。如果是冲击性的无功功率的负载，还会使电压产生剧烈的波动， 例如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更 加恶化。 随着经济的发展，人们对电能质量的要求越来越高。而保持适量的无功裕度是 电网安全、稳定、经济运行的重要保障。鉴于以上所述种种危害，如何快速有效地 补偿电力系统中的无功负荷是我们相关科研人员正在研究和亟待解决的问题。 目前，我国城市电网的电压质量不高，原因是多方面的，主要有：电力负 荷中异步电动机和中小容量变压器占有很大比重，其消耗的无功功率约占全国无 功负荷的8 0 9 0 ，同时，架空线路也消耗一定的无功功率。管理上欠严格， 有些电网的自然功率因数过低，而有些电网的功率因数过高。电网结构不合理， 导线截面太小和无功潮流不合理等。由此可见，无功电源不足( 或过剩) 和分配不 合理是造成电压质量低的根本原因。对无功的合理规划不仅可以提高系统运行的电 压水平，而且可以降低系统的有功网损和无功网损，对提高电力系统的运行经济 性和安全性起着重要的作用”。 无功补偿的作用主要有以下几点“： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线路合适的地 点设置动态无功补偿装置，还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡 三相的有功及无功负载。 无功补偿的原则为“1 ： ( 1 ) 无功补偿应根据就地平衡和便于调整电压的原则进行配置，可采用分散 和集中补偿相结合的方式，接近用户端的分散补偿可取得较好的经济效益，集中安 装在变电所内有利于控制电压水平； ( 2 ) 无功补偿设施应便于投切，装设在变电所和大用户处的电容器应能自动 投切。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 静态无功补偿 2 1 1 理论基础 静态无功功率补偿指阻抗固定，其补偿容量不能实时跟踪负荷无功功率的变 化，主要是用于提供固定无功功率补偿容量的一种无功功率补偿方式。无功功率补 偿装置接入系统的方式有两种：并联和串联。以并联方式接入系统的无功功率补偿 装置称为并联无功功率补偿，以串联方式接入系统的无功功率补偿装置称为串联无 功功率补偿。并联补偿方式因为接线简单、操作方便、对系统可靠性影响小而广泛 使用，串联补偿方式因为接线复杂、操作不方便、对系统可靠性影响大而使用范围 受到限制，一般是在并联补偿方式不能满足要求的情况下才使用。 用于电力系统无功功率补偿的静态无功功率补偿装置由并联电容器、并联电抗 器、串联电容、串联电抗器及其组合组成。并联电容器用于补偿感性无功功率，并 联电抗器用于补偿容性无功功率。串联电容器和串联电抗器也常用于电力系统。单 独使用时，串联电容器用于补偿线路等效感抗、降低线路感性无功功率流动和提高 线路受电端的电压，串联电抗器用于限制系统短路电流、补偿线路等效容抗和降低 线路容性无功功率流动；混合使用时，一般是串联电抗器串联在并联电容器支路中， 然后与并联电容器一起接入系统，补偿高频无功功率，起到抑制高次谐波以及保护 并联电容器的作用。由于串联电容器和串联电抗器不如并联电容器和并联电抗器方 便，我国功率补偿效果也不及并联电容器和并联电抗器，因此，静态无功功率补偿 主要采用并联电容器和并联电抗器”3 。 2 1 2 传统无功补偿装置 2 1 2 1 并联电容器 并联电容器是指并联在系统的电容器。并联电容器通过吸收容性无功功率来补 偿感性无功功率和增大局部电压。并联电容器首先是在2 0 世纪1 0 年代中期用于功 率因数的校正，自2 0 世纪3 0 年代后期，电容器的使用有显著的增加。发展到今天， 并联电容器成为一种提供无功功率的非常经济的电力装置，并联电容器以价格低 廉、安装灵活、操作简单、运行稳定、维护方便而受到欢迎，已被用在电力系统中 的各点上，为提高输电和配电的效率，保持电力系统无功功率平衡发挥了很大作用。 并联电容器的一个缺点是其无功功率输出与电压平方成正比，结果是在低压时无功 功率输出减小，而这时的系统却需要更多的无功功率；并联电容器的另一个缺点是 电容器提供的无功功率在电压稳定时是不变的，不能随电力系统无功功率需求的改 变而改变，是一种静态无功补偿装置，适用于无功功率需求稳定的场所，但即使这 华北电力大学硕士学位论文 样，也容易造成欠补偿或过补偿“。 2 1 2 2 并联电抗器 。 并联电抗器也是一种较早应用的重要无功补偿装置。在超高压电网中，线路空 载或轻载时大量充电功率过剩。采用并联电抗器补偿是必不可少的。一般可以通过 采用高压和低压并联电抗器适当配合的补偿方式来实现。在长距离输电线路上，高 压电抗器具有限制过电压、分层平衡无功功率，有利于使用单相重合闸和提高系统 稳定性的综合功能。低压电抗器的主要特点是易于投切，主要用于运行方式变化中 无功功率平衡和电压调整 2 1 2 3 串联电容器 串联电容器与导线相串联以补偿线路的感性电抗。串联电容器主要用于补偿线 路的部分串联感抗，从而降低输送功率时的无功功率损耗，也是得到较早应用的一 种无功功率补偿装置，它是国内外电力系统在远距离输电时比较普遍采用的提高系 统稳定性和输送能力的重要手段”。 2 1 2 4 串联电抗器 串联电抗器在电力系统中被广泛应用，但很少单独用于基波容性无功功率补 偿，多数情况下用于限制短路电流、抑制涌流或电流冲击，或与电容器构成高频功 率补偿器，即通常所称的高次谐波滤波器“1 。 2 2 动态无功补偿 2 2 1 基本概念 动态无功功率补偿指阻抗可调，其补偿容量能够快速实时跟踪负荷无功功率的 变化而变化的一种无功功率补偿方式。动态无功功率补偿的最大特征就是其输出能 够自动跟踪给定的控制目标。 以并联电容器为代表的静态无功功率补偿装置虽然具有简单经济、灵活方便的 优点，但其缺点是采用常规接触器，进行电容投切只能进行有级调节，并且受机械 开关动作时间限制，响应速度慢，不能满足对波动较频繁的无功负荷补偿要求，即 不能实现对无功功率的动态补偿，还有可能与系统发生谐波放大甚至并联谐振。因 此，随着电力系统和现代化工业交通技术的发展，大量诸如炼钢电弧炉、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电力系统得到使用。这类负荷的 特点是有功与无功功率随时问作快速变化，导致供电电压的波动和闪变、供电电压 的波形畸变、功率因数恶化以及不平衡负荷引起三相供电电压的动态不平衡。以并 联电容器为代表的传统静态无功功率补偿装置已不能胜任，需要发展能对无功功率 o 华北电力大学硕士学位论文 进行快速跟踪补偿的动态无功功率补偿。 2 2 2 动态无功功率补偿的主要功能 对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能“。： ( 1 ) 改善功率因数。可以对动态无功负荷的功率因数进行校正不但能把平 均功率因数补偿到所需的值，而且使动态功率因数保持在一定的范围内。 ( 2 ) 改善电压调整能通过发出和吸收无功功率来提高电压和降低电压，防 止过电压和欠电压。 ( 3 ) 减少电压波动。由于反应迅速，所以能补偿快速变化的电压波动，减少 电压闪烁，如电弧炉产生的闪变电压。 ( 4 ) 减少谐波。 ( 5 ) 提高系统的稳定极限值。 ( 6 ) 抑制电压崩溃。 ( 7 ) 提高系统的三相平衡化。 应当指出，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的动态无功功率补偿装置 往往只能以其中某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此而不同。此外， 这些功能有的属于对一个或几个在一起的负载补偿效果( 负载补偿) ，有的则是以 整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目标( 输电补偿) ，而改善电压调整， 提高电压的稳定度，则可以看作是两者的共同目标。在不同的应用场合，对补偿装 置容量的要求也不一样。 2 3 静止无功补偿装置 2 3 1 概述 静止无功补偿器是电网中控制无功功率的装置，它根据无功功率的需求自动补 偿。所谓静止无功补偿的静止是指它没有机械运动部件，与同步调相机相比较，s v c 是完全静止的设备。但它的补偿是动态的，即根据无功的需求或电压的变化自动跟 踪补偿。静止无功补偿系统中的各种无功补偿器都是用无功器件( 电容器和电抗器) 产生无功功率，并且根据需要调节容性或感性电流。这种调节可能采用连续调节或 投切的方法进行。静补的另一个特点是依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切 功能，它们可以频繁地调节和投切，其动作速度是毫秒级的，远比机械设备的动作 要快。对于系统中平衡无功功率或不变动的无功功率常采用传统的电容器补偿，而 变动的部分采用动态补偿，这样可以节省投资。电容器补偿或称为固定电容补偿 ( f i x e dc a p a c i t o r , f c ) ，开关投切电容器( b r e a k e rs w i t c h e dc a p a c i t o r , a s c ) ，由他们补 偿无功的不动部分时和动态的静补结合起来，形成静止无功补偿系统( s v c l “。 1 l 华北电力大学硕士学位论文 下面是对几种常用的静止无功补偿设备作一简单介绍。 2 3 2 静止无功补偿设备介绍 2 3 2 1 固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r ，f c ) 固定电容器就是传统的采用机械式开关投切电容器。它虽不是动态补偿装置， 但它在动态补偿中作为平均( 不变) 无功功率的补偿设备是很有必要的当无功负荷 较小、不需要那么多补偿电容器时，一般由电抗电流动态地抵消电容电流，因此固 定电容也是配合其他静止补偿器的必要设备 僦 细 1 c 彻 图2 - 1 静止无功补偿器( s v c ) 主电路 ( a ) 固定或开关投切电容器滤波器f c( b ) 晶闸管控制电抗器t c r ( c ) 晶闸管投切电容器t s c ( 有抑制涌流及谐波电流用电抗器) 2 3 2 2 晶闸管控制电抗器( t h y r is t o rc o n t r o ii e dr e a c t o r ，t c r ) 晶闸管控制电抗器t c r 是静止无功补偿系统的主要装置。t c r 的电路见图 2 - 1 ( b ) 。t c r 有一个控制器，它接受系统的信息，判断当时需要多大的电抗电流， 由控制器指挥晶闸管的开通角度以调节电抗器的电抗。晶闸管的触发角可以从 9 0 。1 8 0 。连续调节，电抗器的电流也从额定到0 连续可变。 如果一个静补系统s v c 中包含有固定电容量及晶闸管控制电抗器t c r ，它可以 按无功量的大小来控制，也可以按系统电压来控制。虽然两种控制方法效果相近， 但对于大电力网的中枢点和用户，多用电压控制。图2 2 是固定电容与t c r 联合的 电压电流特性或称为电抗特性。在图2 2 的a 点，电压降到最低，此时电抗电流应 完全闭锁。电容器在投入运行中，如果电压继续降低，t c r 由于已关闭，特性变为 电容器的特性，即电容电流与电压成比例，但电压降到c 点，则电容器也必须退出， 防止系统切除故障由电容产生过电压。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 电压 冬 i p u 一7 b 。 ，。 i l 电容电流 o 电感电流 图2 - 2 静补的电抗特性 电压在a b 之间，是正常运行范围，根据电压调节晶闸管的触发角，调节电抗 电流以维持电压适当的值。当电压高到b 点，则电抗器全开，并联电容器应切除。 如果电压仍在b 点或电压更高，则由于电容切除，电抗全开( 口= 9 0 。) ，电流特性按 电抗特性沿b d 变化。电压b 点以上较明显地由于电抗前变压器饱和而出现电流非 线性变化。从a 点到b 点的斜率是由控制器决定的，使它能在正常电压范围内，s v c 向系统提供适当的无功补偿量。 晶闸管投切电抗器能在9 0 。和1 8 0 触发角时投切，而不能用中间角度调节，因 此它不产生谐波l j 。 2 3 2 3 晶闸管投切电容器( t h y r js t o rs w i t c h e dc a p a c i t o rt s c ) 晶闸管投切电容器是静补中主要的一种装置，从图2 - 1 ( c ) 可看出，它是接线， 有一个限流的小电抗器与电容串联。t s c 的控制只能采用全投入一切除的方法。由 于不能用触发角调节电流，电容器只能在电压超前9 0 。时投入，或说它在9 0 6 时反向 投入。其电流电压波形如图2 3 。t s c 在切除时由于电容器上存在电压，一般是峰 值，随后的若干时间晶闸管将承受2 倍峰值电压的强度。这就是要求t s c 比t c r 使用电压耐受能力更高的晶闸管的原因。 图2 - 3t s c 的投切过程 i 一电容电流：甜。一电容电压 在超前电压过零点的9 0 。投入，正值电容电流应该过零的位置，因t s c 电容投 入和切除，没有过渡暂态存在，也就是电压和电流没有冲击变化。 晶闸管投切电容器比开关投切电容器的最大优点是可以频繁投切，没有投切次 华北电力大学硕士学位论文 数的限制【2 ，7 1 表2 - 1 静止补偿系统( s v c ) 各装置的比较 装置类型特点应用 1 、机械开关投切电容器 1 ) 分组投切 广泛用于负载无功，电压补 ( 固定电容器，f c )2 ) 不产生谐波偿，适用于电压变动不频繁 3 ) 操作有涌流和过电压的情况，可配合其它静补设 4 ) 不可频繁操作备 5 ) 使用简单 2 、晶闸管投切电容器( t s c )1 ) 分组投切对频繁变化的负荷作无功 2 ) 快速反应，反应时间 所示。如果没有死区，稳态时s v c 会向着无功输出的 边界“漂动”来进行电压控制。但我们不希望在今后的电压调整和系统稳定控制时， s v c 可调无功的裕量过小。因此为了阻止这种“漂动”，我们在r e f 上设立了一个死 区，在死区中，。位于或接近于零值，这一点主要取决于死区的位置。这样，在设 定的工作点上，s v c 输出的无功功率将保持不变，一般就等于滤波器的m v a 输出。 这个输出值是非常小的，因此使总的运行损耗最小。这种电压死区是由一个慢速的 电纳调整器来实现的，它的时间常数一般是几分钟。因此对于快速的暂态过程，电 纳调整器的作用是微乎其微的，不会对电压控制器的操作产生影响“”。 3 2s v c 的电压控制 s v c 电压控制的行为可用一个简化了的s v c 和电力系统的框图来表不，如图 3 - 2 。系统的模型是用一个等效的电压源珞和一个等效的系统阻抗以来表示。其中 对应于s v c 母线端的短路m v a 的系统阻抗以，可从下式获得： 墨= v _ 疋兰b 2 m v a 6 ( 3 5 ) 其中疋2 s v c 母线3 相短路m v a 珞2 工频相间电压 m 吼= 系统工频m v a 如果己知s v c 吸入无功电流i s 。，那么在没有s v c 电压调整器的情况下，可得 s v c 母线电压为： = w + ，w 以 ( 3 6 a ) 或 珞= v s h c z o 。+ i s r c z 9 0 。x s z 9 0 ( 3 - 6 b ) 或 k = ( 略w + l x s ) z o 。 ( 3 6 c ) 或= m + ，w 以 ( 3 6 d ) 因此s v c 电流的存在产生了与系统电压同相位的电压降。当电流是感性的时候， 1 9 一姚懒z 麓： 图3 2 ( a ) 电力 c a ) ( b ) v c 动态特性 翻桃比蠛龆嗽一量图 2 0 ( 3 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 3 3 在s v c 动态特性中斜率的好处 s v c 是用于电压调整的控制器，它可使母线电压维持在一个不变的值。如果在 s v c 动态特性中加入一个有限的斜率后，尽管对于母线电压的调整会带来一点轻微 的影响，但它将产生以下的好处“： 1 可在降低s v c 无功功率额定值的同时，而达到和原来几乎同样的控制效果。 2 可防止s v c 频繁地到达它无功功率的边界值。 3 促讲并列运行的名个补偿器之问的无功功率合理分配。 瓯如 o瓯瓯 容性卜 哼感性 图3 - 3 采用电流下降方式降低s v c 无功功率额定容量 3 3 1 降低s v c 的无功额定值 图3 3 显示了一个s v c 装置的两种动态v - i 特性。特性o a b c 具有一定的斜 率，而o a b c 则没有。为了说明效果，这里的斜率已经被故意夸大。假设系统负荷 曲线在l 1 和l 2 之间变化，为了提供平坦的电压控制，特性曲线0 a b c 决定了s v c 的无功功率额定值，即是从容性功率到感性功率。如果允许s v c 母线电压调 整中存在一些轻微偏差的话( 如特性曲线o a b c 所示) ，那么对于同样的系统负 荷曲线变化，s v c 用于电压控制所要求的最大无功功率额定值变为从容性功率到 感性功率如。很明显，如 如，瓯 和图3 - 4 ( c ) 所表示的要小得多，负荷 分配所达到的准确度是可接受的，无需额外的控制如果采用了附加的平衡控制i 就可实现精确的负载分配。 ( b ) s v c 2 华北电力大学硕士学位论文 ( c ) 图3 - 4( a ) 同一条系统母线上两个并联s v c ( b ) 斜率为0 的两个并联s v c ，并在基准电压上存在差异占 ( c ) 斜率不为0 的两个并联s v c ，并在基准电压上存在差异占 3 4s v c 对系统电压的影响 3 4 1 在忽略耦合变压器的情况下 s v c 的行为类似于一个可控电纳，而它对于系统电压的控制效果取决于与之相 连的交流系统的相对强度。s v c 无功电流能够引起多大的电压变化，主要是由系统 强度、或者说是系统的等效阻抗决定的( 从s v c 母线向外看) 。这一点可从图3 - 2 ( a ) 所示的电力系统和s v c 的框图上分析。在该图中，耦合变压器被忽略，s v c 被概括 为一个连接在高压母线上的可变电纳。当s v c 工作在感性区域时，就认为它是从系 统中吸收无功功率。 s v c 的母线电压可由( 3 7 ) 式得到。由此就可得到变化量和s v c 电流变 化量之间的函数关系。对于一个恒定的等效电源电压v s ，有： 鲥i k = 一xs 址s t 3 - 8 而k w 通过s v c 的电抗岛w - q ，一有以下关系： 厶 = b s 。 ( 3 9 ) 因此它们变化量之间有以下关系： a 1 5 比= 口s y c o 比+ 曰s 阳阳o ( 3 - 1 0 ) 将( 3 一1 0 ) 式中的蝇。代入( 3 8 ) 式，得： 2 4 华北电力大学硕士学位论文 a v s z c ； 二! 匹q ( 3 1 1 ) 柚e s c r 斗b o 其中e s c r ( 有效短路比) 定义为： e s c r = 可调12 击。e ( 3 - 1 2 ) 其中b s 是等效系统电纳lt a l 。 3 4 2 在考虑耦合变压器的情况下 如图3 - 5 所示，s v c 藕合变压器表示为与s v c 连接的低压母线和独立于“s 的变 压器电抗。高压侧与低压侧的关系为：7 1 8 1 三，盟一! 一 ( 3 1 3 ) 因此它们变化量之间有以下关系： ( 1 + y ，毋阳) + ：w 。h 吼w = 将式( 3 1 4 ) 和从式( 3 1 3 ) 所得的。代入式( 3 1 1 ) ，可得： 坐上：二叠；f i - x r e s c r1 缱m ( e s c r + b m o 火1 + x t b o ) 图3 5 包含了耦合变压器的s v c 和电力系统的示意图 ( 3 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 第四章静止无功补偿器的选址及容量的确定 4 1 模型描述 4 1 1 模型参考 本文的s v c 模型采用e u r o s l a g 自带模型，此模型是建立在c i g r e 文件“静 态无功补偿器”的基础之上的。 4 1 2 结构 v a t 4 1 3 宏模块i n t e r s v c 【4 5 】 g = 0 b 4 1 3 1i n t e r s v c 结构见图4 - 1 4 1 3 2 电流和电压的测量 模块1 2 的输出是网络中装有s v c 的节点的电压，时间常数t m l ( 模块1 3 ) 使 此电压平滑。s v c 产生的电流j w 由电压v 和s v c 的导纳计算得出( 模块2 ) 。时 间常数t m 2 ( 模块3 和4 ) 使l m 平滑。 模块9 给出了电压参考值。这个电压可以在仿真中被修正。 4 1 3 3 调节器 调节器包括： 时滞功能由f g ) = 蔷碧( 模块6 ，符号l l ) 这个变量是为了测试仿真过程中的系统得动态行为。 p i d 调节器 4 1 3 4 过电压延迟 当短路发生时，通过控制器获得的无功功率达到最大，在这个条件下当故障清 除后会产生过电压。因此，这个模型包含了一个保护环，当电压低于阈值时会降低 无功功率的需求( 到达最小值q 。) ( 模块1 5 ) 。 华北电力大学硕士学位论文 图4 - 1i n t e r s v c 结构图 2 7 华北电力大学硕士学位论文 4 1 3 5 平滑和触发延迟 调节器的输出被平滑和延迟。 在实际系统中