动态无功补偿装置简介docx

1、动态无功补偿装置简介目录一、概述3二、产品介绍42.1、静止无功补偿装置（SVC）41)产品原理42)产品组成63)主要作用74)技术指标95)应用案例102.2、静止无功发生器（SVG）121)产品原理122)产品组成133)产品特点144)技术指标155)应用案例162.3、动态无功补偿装置的选择17三、市场分析183.1、风电行业183.2、光伏行业203.3、电网223.4、工业领域23一、概述无功平衡对提高电网稳定、改善供电质量和提高经济效益至关重要。我国电网建设和运行中，长期存在着无功补偿容量不足和配备不合理的问题，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。随着工业规

2、模的快速发展，诸如电弧炉、轧钢机、大容量电动机、电气化铁路牵引机车等冲击性或不平衡负荷迅速增加，使得负荷波动日益加剧，造成电压不稳、功率因数偏低、谐波污染等电能质量问题，给电力系统的安全稳定运行造成了严重的影响。因此需要大量快速响应的可调无功电源，来维持系统无功潮流平衡、调整电压、降低损耗、提高供电网可靠性以及保持系统稳定性。 传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定不能动态跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。采用静止无功

3、补偿器SVC（Static Var Compensator）和无功发生器SVG是解决电网中无功补偿和谐波滤波问题的最有效措施之一，在调节的快速性、功能的多样性、工作的可靠性、投资和运行费用的经济性等方面都比传统调相机有明显的优势，在解决电网稳定性以及配电电能质量等问题中发挥了相当重要的作用，是目前各国普遍采用的先进实用技术。SVG作为下一带无功补偿产品，目前也已经开始在小容量场合投入应用。SVC 在国外已是成熟的技术，截至2000年，全世界已有超过400 套、总容量60Gvar的SVC 在输配电系统运行，有超过 600 套、总容量约 40Gvar的SVC 在工业部门使用。SVC、SVG可快速改

4、变其发出的无功，具有较强的无功调节能力，可为电力系统提供动态无功电源、调节系统电压，当系统电压较低、重负荷时能输出容性无功；当系统电压较高、轻负荷时能输出感性无功，将供电电压补偿到一个合理水平。SVC通过动态调节无功出力，抑制波动冲击负荷运行时引起的母线电压变化，有利于暂态电压恢复，提高系统电压稳定水平。二、产品介绍2.1、静止无功补偿装置（SVC） SVC 技术是灵活交流输电（FACTS）技术之一，根据结构原理的不同，SVC 技术又分为：自饱和电抗器型（SSR Self saturable Reactor ）、晶闸管相控电抗器型（TCR Thyristor Controlled Reacto

5、r）、晶闸管投切电容器型（TSC Thyristor Switched Capcitor ）、高阻抗变压器型（TCT ）和励磁控制的电抗器型（AR）等。随着大功率电力电子器件制造技术的发展，SVC 从早期的SSR 过渡到TCR/TSC 方式，并成为SVC 的主流实用技术。国外TCR/TSC 型的SVC 装置从上世纪70年代投入商业运行以来，其装置集成技术、控制原理、设备制造技术已趋于成熟，是目前仍广泛使用的动态无功补偿设备。 从装置构成来看，TCR 型的SVC 装置主要由滤波/电容支路和TCR 支路组成，如图1。图1 TCR型SVC结构示意图1) 产品原理l 控制原理说明简化的电力系统图2 简

6、单的负荷连接一般用户负荷吸收有功功率PL和无功功率QL，电源提供有功功率PS和无功功率QS（可能为感性无功，也可能是容性无功），忽略变压器和线路损耗，则有PS=PL，QS=QL。没有足够无功补偿的电网存在以下几个问题：1）电网从远端传送无功补偿负荷所需；2）负荷的无功冲击（即无功需求）影响本地电网和上级电网的供电质量。因此，电力系统一般都要求就近对用电负荷进行必要的无功补偿，以提高电力系统的带载能力，净化电网，改善电网电能质量。l 可调电抗器补偿无功图3 带有可调相控电抗器无功补偿装置的系统假设负荷消耗感性无功（一般工业用户都是如此）QL，负荷的最大感性无功为Qlmax，则若取Qc=Qlmax

7、，即系统先将负荷的最大感性无功用电容补偿。当负荷变化时，电容与负载共同产生一个容性无功冲击，QP=Qc-QL，这时，用一个可调电抗（电感）来产生相对应的感性无功QB，抵消容性无功冲击，这样在负荷波动过程中，就可以保证：QS=QC-QB-QL=0。l 可调相控电抗器（TCR）基本原理 图4 TCR原理及TCR电压电流波形图如上图所示，U为交流电压，Th1、Th2为两个反并联晶闸管，控制这两个晶闸管在一定范围内导通，则可控制电抗器流过的电流i，i和u的基本波形如图3-2所示。为Th1和Th2的触发角，则有 (3.1)i的基波有效值为： (3.2)V：相电压有效值L：电抗器的基波电抗因此，可以通过控

8、制电抗器L上串联的两只反并联晶闸管的触发角来控制电抗器吸收的无功功率的值。2) 产品组成TCR型SVC装置主要由控制系统、相控电抗器、晶闸管阀组、滤波支路等主要部分组成，主要图4 SVC主要组成部分图5 SVC现场布置图3) 主要作用应用于配电系统：l 提高功率因数，减少电费支出；l 滤除高次谐波、补偿三相不平衡、抑制电压波动和闪变、改善电能质量；l 抑制无功冲击,减少损耗，降低设备绝缘耐受的谐波电压，延长设备使用寿命； l 减少无功占用设备容量，提高设备容量利用率，节省用户投资。应用于输变电系统：l 优化控制无功潮流，增加线路的输电能力，提高稳态输送容量；l 补偿电网无功，实现无功平衡，减小

9、网损；l 稳定系统电压，提高系统的稳态、暂态和动态电压稳定性；l 提供附加系统阻尼，抑制电力系统低频振荡，预防电网大停电和发电机组轴系扭振事故； l 改善高压直流输电系统的性能，抑制直流闭锁故障时过电压。 本项目基于世界上最先进最复杂的SVC设计，实现了多种辅助功能，能够充分满足各种类型用户的不同需求，即便对于要求最为苛刻的电网用户，我们能够提供具备稳定弱系统电压、无功调节、小干扰条件下增强阻尼、提高瞬变稳态极限、减小损耗、消除三相不平衡等功能之外，还能够根据电网需求提供慢速导纳控制、无功设定点恢复、自适应调整电压、抑制次同步振荡、零无功启停等特殊控制。4) 技术指标表1 TCR型SVC技术参

10、数项目指标额定电压635kV动态无功补偿容量2200Mvar晶闸管阀组结构卧式、多层晶闸管冷却方式水冷/热管控制系统全数字式控制系统调节方式三相平衡、分相调节控制方式无功/电压调节范围0100%响应时间10ms晶闸管触发角10501650触发角控制精度0.01电角度触发方式光电触发噪声水平水冷无噪声，热管风冷低于50dB平均功率因数0.95运行环境-25 60使用年限20年5) 应用案例以钢铁公司60吨超高功率竖式电弧炉设备工况举例说明，电弧炉变压器高压侧电压35kV，低压侧10kV，该电弧炉生产时影响电网质量：无功功率剧烈波动造成电网电压波动和闪变、向电网注入谐波电流、三相电压不平衡。为解决

11、上述问题，假设我们采用TCR型SVC静止型动态无功补偿装置在10kV侧进行改造，总补偿容量25Mvar，电容器安装容量为48Mvar，装置由2、3、4、5次滤波器(FC)加相控电抗器(TCR)组成，总造价375万元。l 功率因数罚款SVC投运前60吨超高功率电弧炉在熔化期功率因数低于0.7，为此，供电部门每月进行功率因数低罚款，2010年10月至2011年2月份平均每月罚款30.85万元。TCR型SVC投运后，功率因数达到0.92以上，避免了因功率因数过低造成的罚款电费，按投运前每个月罚款数据可得出一年节省罚款电费：30.85万元12=370.2万元并且由于提高了功率因数，减少了无功电流，也减

12、少了相应的电能损耗。l 稳定一次侧母线电压(35kV)，缩短冶炼时间高功率电弧炉的无功冲击大而且急剧波动，最大的无功波动值一般可达到电炉变的额定容量的1.5倍，无功急剧变化引起电网电压急剧变动。TCR型SVC装置投入前，35kV母线空载电压为35.8kV，当电弧炉投入运行在熔化期时，由于电弧炉是重负荷，导致母线电压下降到29kV，平均压降为6.8kV，未能维持电弧炉额度电压，使电弧炉实际功率比额定功率下降，冶炼时间延长。投入SVC装置后，35kV母线电压波动限制在1kV之间，无功冲击引起的电压波动被有效抑制，由于电压稳定，电弧炉工况好，使电弧炉每炉钢的冶炼时间缩短，冶炼效率提高。每年可降低成本

13、：产量增加可使炼钢工段固定费用降低0.25元/吨，按年产量生产40万吨钢计算，可以获得直接经济效益：40万吨0.25元/吨=10万元SVC投入前后测试对比电耗下降6kWh/t，1kWh按0.60元计算。全年电耗下降节约费用：40万t6kWh/t0.60/kWh=144万元l TCR型SVC投运后的社会效益1) 改善无功冲击引起的闪变指标无功冲击引起电压闪变，会使灯光、电视机闪烁，引起人们视觉疲劳，还影响自动控制系统失去控制，使产品质量下降。投入TCR型SVC后，上述现象得到抑制，其社会效益是无法估计的。2) 减少高次谐波的危害由于电炉电弧电流是在不断的不规则急剧变化，电压和电流波形是不对称的非

14、正弦波，可分解为2次以上的各次谐波电流，主要是27次谐波组成。谐波会引起电气设备发热、振动、增加损耗、电介质老化引起电气设备寿命缩短，干扰通讯，造成继电保护误动作引起供电中断。TCR型SVC投入运行后，谐波大大降低，带来明显社会效益。3) 降低负序电流的危害电弧炉在熔化期，三相电弧各自发生急剧且无规则的变化，电炉在正常工作情况下产生的负序电流约为电炉变压器额定电流的25%左右。负序电流会影响电网的发电机和电气设备出力，甚至会损坏电网中电气设备的绝缘。综上所述，TCR型SVC运行后除去无法估量的社会效益外，获得的年直接经济效益大约为：370.2+10+144=524.2（万元）可见，整个TCR型

15、SVC投资成本只需要0.7年即可收回成本，之后的收益便全部为企业所得。2.2、静止无功发生器（SVG）1) 产品原理静止无功发生器以三相大功率电压逆变器为核心，其输出电压通过连接电抗器或连接变压器接入系统，与系统侧电压保持同频、同相，通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质与容量，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于时输出感性无功。其原理如右图所示。表2给出了SVG三种运行模式的说明。表2 SVG运行模式运行模式波形和相量图说明空载运行模式此时UI=US，SVG不起补偿作用容性运行模式此时UIUS，IL为超前的电流，SVG等效为连续可调的电容，提供容性无功感性运

16、行模式此时UIUS，IL为滞后的电流，SVG等效为连续可调的电抗，提供感性无功2) 产品组成SVG主要由连接电抗器、启动装置、功率模块、控制系统等部分组成。如图所示：图6 系统组成示意图图7 SVG外形示意图l 数字控制与保护柜在无功功率控制调整目标下，使SVG各功率单元接触器、隔离开关、冷却系统、保护装置和有关的安全系统协调运行，逻辑正确；可配备各种综合保护，满足在电力系统中设备安全运行的各种要求；为了满足用户的特殊需求，SVG的控制器可以根据需要增加辅助控制方式，SVG控制程序可根据今后电力系统的发展，或技术的发展灵活更新。l 启动柜通过大功率电阻，实现装置投入过程能量的缓冲；旁路大功率电

17、阻，实现装置正常运行时的快速调节。l 功率柜SVG的核心是基于IGBT的链式逆变器。链式逆变器的每相由多个功率模块串联而成，采用N+2冗余运行。功率模块采用世界知名公司生产的IGBT器件制造，具有一致性好、电流密度高、性能稳定、开关速度快等特点。模块化设计，功率单元的结构和电气性能完全一致，可以互换。插排式设计，方便组装与更换。统一风道设计，装置散热更加可靠。l 连接电抗器用于连接SVG与电网，实现能量的缓冲；抑制逆变器连接到系统中引起的电流突变，起到平波的作用。3) 产品特点相对于传统的无功补偿设备，SVG具有以下优点：l 启动冲击小：SVG部分采用自励方式启动，启动快速且冲击电流限制在很小

18、的幅值；l 任意组合的连续补偿范围：SVG可以从额定感性工况到额定容性工况连续输出无功，和固定电容器组合可构成任意范围的连续补偿；l 占地面积小：SVG以半导体功率器件构成的逆变器为核心，使用直流电容器储能，无SVC中体积庞大的滤波支路和电抗器，特别适合于对占地面积要求较高的场合。l 优异的谐波输出特性：SVG既可以输出近似正弦波的无功电流，也可以滤除谐波电流；l 高效率：SVG采用新型低损耗IGBT功率器件，直接输出电压范围1kV35kV,省去了连接变压器，装置效率可达99以上；l 超强补偿能力：SVG输出电流不依赖于系统电压，表现为恒流源特性，在系统电压跌落到20时仍可以输出额定无功电流，

19、具有更宽的运行范围。4) 技术指标表3 SVG技术参数电气特征额定电压6kV/10kV/27.5kV/35kV工作频率50Hz响应时间5ms保护过流、短路、接地、过压、欠压、输入缺相、通讯故障等功率因数0.95（补偿容量范围内）谐波满足电能质量公共电网谐波标准 GB/T 14549-93控制特征控制方式瞬时电流检测技术、PWM电流跟踪控制技术直接电流闭环控制技术、直流侧电压平衡控制技术控制芯片数字信号处理器DSP，现场可编程门阵列FPGA控制功能无功功率补偿、谐波电流补偿、负序电流补偿、综合补偿控制电源AC220V或DC220V控制连接光纤或电气连接通讯modbus远程通讯协议，通讯接口RS4

20、85/232和CAN总线结构特征系统结构模块化，落地安装颜色客户选定冷却方式风冷防护等级IP21或客户要求安装方式户内安装5) 应用案例l 炼钢厂SVG应用案例某钢厂车间使用大功率电弧炉，造成功率因数波动大、谐波污染严重、电压闪变和三相不平衡等问题，从而使得设备工作效率低，电力设备老化使用寿命下降，也因为电能质量不达标缴纳大量的罚款，产生了大量的经济损失。针对此种情况使用了LGPE-SVG产品后：l 对供电系统，SVG响应速度快，可快速跟踪电弧炉的无功波动和谐波，从而稳定并提高系统平均电压，降低电压闪变和谐波电流，节能增效，功率因数保持在0.98以上，谐波电流大大减少；l 对电弧炉负荷，显著减

21、少断弧现象，提高了冶炼效率，1吨钢电耗量一般可减少10以上，单炉冶炼时间也可缩短8一15，也可大大降低谐波过电压带来的电缆绝缘损坏频度。l 对用户，电能质量达标不用缴纳罚款，节能增效，提高设备使用寿命，产生显著的经济效益。l 太阳能电池厂应用案例太阳能电池厂中可控硅整流的设备多，能耗大，不及时治理会造成严重的谐波污染。使电流产生畸变，炉管加热效率低下波动大，设备工作状况不稳定，对生产工艺的控制产生严重的影响。电池厂原来是采用投切式电容来进行无功补偿，这种无功补偿方式不能有效提高功率因数，也不能对谐波电流进行治理。安装LGPE-SVG来对系统谐波进行过滤，并且配合投切式电容器进行动态无功补偿：l

22、 谐波得到有效过滤，抑制电压波动和闪变；l 动态补偿无功功率，提高功率因数；l 免除电力罚款，节省了大量电费；l 提高设备运行的稳定性，也解决了电力设备老化、经常性损坏等问题。2.3、动态无功补偿装置的选择项目SVC(TCR型)SVG最大补偿容量240Mvar20Mvar调节机构晶闸管IGBT、IGCT响应速度10ms5-10ms暂态调节能力较好好补偿效果连续平滑调节连续平滑补偿占地面积大小损耗小，约0.2-1.5%小，约0.2-0.3%故障率低高电压特性过压抑制能力强低压特性好三、市场分析SVC与SVG产品，价格范围很宽，售价从百万到上亿，不同的客户、不同应用场合，价格差距极大。产品目前销售

23、面极广，按照国家规定，功率因数在0.90以下要处以功率因数罚款。在正常工作情况下，如不补偿无功，一般一座90 吨的交流电弧炉一年的功率因数罚款就在500-1,000万元之间，其他大功率用电负荷也都存在类似的情况。与此同时，一些大用电负荷如轧机、电弧炉、电力机车、提升机、电动机等设备，在启停时会产生巨大的无功冲击，现代电网中接入的大量非线性负荷会产生有害的谐波。无功冲击和谐波不仅会导致电网电压产生剧烈波动、闪变以及三相不平衡，严重影响供用电质量，而且会加大设备损耗，造成设备的频繁停机以至瘫痪。 采用无功补偿技术可以有效平衡电力传输系统中的无功功率水平，有效降低电网系统的线损和电力传输能耗。同时，

24、利用无功补偿技术可以对无功功率的流向与转移进行相应的控制，有效抑制非线性负荷设备对电网的无功功率冲击以及谐波效应的影响，节约电能，保证电网电压的稳定，提高供电质量，降低设备损耗。以下对重点行业和重点客户做分析。3.1、风电行业进入新世纪以来，特别是2005年以来，我国风电发展加速，连续四年翻番，风电装机发展速度之快令世人瞩目。截至2009年底，我国风电累计吊装容量达到2580万千瓦，仅次于美国居世界第二位，2009年新增装机容量达到1380万千瓦，居世界首位。 过去几年，我国风电行业经历了跨越式的发展，在20062009年连续四年翻番增长，成为全球风电发展最快的国家。然而由于新增装机速度和并网

25、条件的不匹配，2010和2011年增速下滑，2011年全国新增装机17.6 GW，多年来首次出现负增长。截止2011年，我国已累计风电装机62 GW，按可再生能源发展“十二五”规划内容，到2015年和2020年累计形成并网风电装机1亿千瓦（100 GW）和2亿千瓦（200 GW），按此规划目标，20122020年新增装机的复合增速将为-2.7%，与几年前形势已不可同日而语。 根据电监会的统计估算，2011年全国风电弃风比例达16.23%。弃风现象在风电大国普遍存在，从全球范围来看，共同的原因主要有三个。一是由于近年风电发展速度过快，许多地区电网投资建设跟不上风电发展的步伐。近十年，世界风电装机

26、年均增长31.8%，成为全球最具吸引力的新能源技术，电网作为传统产业，投资吸引力远不敌风电。 二是建设工期不匹配。风电项目建设周期短，通常首台机组建设周期仅为6个月，全部建成需要1年左右；电网工程建设周期长，输电线路需要跨地区，协调工作难度大。在我国220千伏输电工程合理工期需要1年左右，750千伏输电工程合理工期需要2年左右，在国外，由于管理体制的差异，建设周期更长。 三是风电出力特性不同于常规电源，一方面风电出力随机性、波动性的特点，造成风功率预测精度较低，风电达到一定规模后，如果不提高系统备用水平，调度运行很难做到不弃风；另一方面风电多具有反调峰特性，即夜晚用电负荷处于低谷时段风电发电出

27、力往往较大，即使常规电源降出力，当风电规模达到一定程度(大于低谷用电负荷)，也难免出现限电弃风。除了制度方面的障碍之外，由于风电自身的特点，风电在并网环节也存外一些技术问题需要解决，如：感应式发电机无功消耗高；风机出力波动大引起电压波动；电压调节能力弱，不能在规定的范围内调节；电网扰动造成的电压变化可能造成风机解列；风力发电的有效利用低，需要电网增加备用容量等。 无功补偿是解决风电并网问题的重要技术手段之一，对风电场进行无功补偿有助于提高功率因数、稳定输出电压、降低损耗。 根据风电场接入电力系统技术规定，当风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要时，应在风电场集中加装适当容量的无功补偿装置。

28、根据电网公司电力系统无功补偿配置技术原则要求，风电场的无功补偿装置总和不小于风电装机容量的3050%，风电场内集中无功补偿的容量不低于风电场无功补偿装置总和的4060%，或经计算分析得出。 早期风电场大多按照发电装机容量的10%配备无功补偿，随着并网要求的提高，近两年新建项目的配置比例已有许多达到30%左右或以上的案例。在设备选择上，SVG的应用比例在逐渐提高。据我们了解，在存量市场上，SVC和SVG的比例约为4：6，在新增需求方面，SVG可能占到八成以上。3.2、光伏行业根据可再生能源“十二五”发展规划，到2015年我国太阳能装机将达2100万千瓦（21 GW），其中光伏电站装机1000万千

29、瓦（10 GW），太阳能热发电装机100万千瓦（1GW），并网和离网的分布式发电系统安装容量达到1000万千瓦（10 GW）。到2020年，太阳能发电装机计划达到5000万千瓦。光伏电站无功与电压调节的目的是为了保证光伏电站并网点的电压水平和电网的电压质量。因此无功补偿容量的计算以及设备选型对光伏电站的建设和运行都尤为重要。在国家电网公司2011年正式颁布的光伏电站接入电网技术规定中对于专线接入公用电网的光伏电站，要求其配置的容性无功容量能够补偿光伏电站满发时站内汇集系统、主变压器的全部感性无功及光伏电站送出线路的一半感性无功之和；其配置的感性无功容量能够补偿光伏电站送出线路的一半充电无功功率

30、。 适用于光伏电站的无功补偿设备目前主要有可投切的并联电容、电抗器、SVC（静止无功补偿装置）和SVG（静止无功发生器）等。并联电容、电抗器是电网中应用最多的一种专用无功补偿装置，它价格不高，易于安装维护。但是由于容量固定，不能实现系统无功的连续调节，一般适用于接入电压等级较低的中小型光伏电站。SVC、SVG均属于动态无功补偿装置。其中，SVC含有较多的无源器件，体积和占地面积都比较大，可进行无功的动态补偿，响应时间约为2040 ms。SVG是目前最为先进的无功补偿装置，它不仅能动态补偿无功，也可动态补偿瞬时有功或者进行相间功率交换，SVG的响应时间一般不大于5 ms，并可以从0.1 kF开始实现快速连续的精确调节，在调节速度、调节范围和谐波含量等方面比SVC都有明显的优势。SVC、SVG目前在接入电压等级较高的大中型光伏电站中应用广泛。3.3、电网发电厂机组产生电力，为减少电力传输过程中的电能损耗，需要进行升压处理后以特高压或者超高压进行远距离传输，到达城市或者用户侧时，通过变电站进行多级降压，最终降至日常使用的220V电