SVG有源动态无功和谐波补偿装置原理.ppt

1、2020/10/12,XDVAR系列有源动态无功和谐波补偿装置（Static Var Generator）,天津市先导倍尔电气有限公司 清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,2,主要内容,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,3,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,4,无功的定义,电源能量与感性负载线圈中磁场能量或容性负载电容中的电场能量之间进行着可逆的能量交换而占有的电网容量叫无功，Q表示这种能量交换的幅度。无功功率的表达式： 式中无功的单位为Var（乏），线电压的单位为V（伏），视在电流I单位为A（安）。 功率因数：在正弦电路中，功率因数是由

2、电压和电流之间的相角差决定的，这种情况下，功率因数常用COS表示。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,5,无功的分类,1、感性无功：电流矢量滞后电压矢量90度， 如：电动机、变压器线圈、晶闸管变流设备等； 2、容性无功：电流矢量超前电压矢量90度， 如：电容器、电缆输配电线路、电力电子超前控制设备等； 3、基波无功：与电源频率相等的无功； 4、谐波无功：与电源频率不相等的无功。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,6,无功功率的影响,增加设备的容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器及其它电气设备的容量和导线容量增加。 设备及线路损耗增加。 使线路及

3、变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,7,谐波基本概念,谐波的基本概念 频率为1/T的分量为基波，频率为大于1的整数倍基波（50Hz中国）频率的分量称为谐波。谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。 电压HRUn和电流HRIn 电压和电流总谐波畸变率,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,8,谐波的危害,谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波电流流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。 谐波影响各种电气设备正常工作。 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振

4、和串联谐振，从而使谐波放大。 谐波会导致继电保护和自动装置误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。 谐波对通讯线路的干扰。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,9,高次谐波,三相六脉波整流电路有哪些谐波 三相整流设备含有5、7、11、13等次（6n1） 的高次谐波，含量为基波的 1/5，1/7，1/11，1/131/（6n1）高次谐波含量为： 即,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,10,高次谐波,六相十二脉波整流电路有哪些谐波 六相十二脉波整流电路含有： 11、13、23、25（12n1）次高次谐波， 高次谐波电流含量是： 即,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,11,各类多相整流

5、器产生的谐波次数,由右表可见，增加变流器的相数可有效地消除低次谐波，整流相数越多，所产生的谐波分量越少。目前在轧钢机和电冶金、电解整流电源工程中多数采用12相、24相整流技术，对特大容量的也采用36相、48相整流。 交流电弧炉非对称产生偶次谐波。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,12,电力系统的无功功率平衡,电压是衡量电能质量的重要指标。 电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。 系统中各种无功电源的无功出力应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。 电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功电源可以发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的

6、无功功率和网络中的无功损耗。 Qres0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用； Qres0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,13,电力系统的无功平衡和电压崩溃,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,14,暂态电压稳定的主要诱因,严重故障 潮流大量转移 故障冲击造成低压 HVDC双极闭锁及相关事故 受端主力机组失磁 负荷突增 特别是空调负荷的迅速大量增加 功角稳定问题与电压稳定问题常常互为诱因,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,15,京沪穗等大负荷中心电网特点,抗暂态电压稳定的条件不断恶化 1)由于资源与环境等因素的限制，远方区

7、外供电比例加大，负荷区内缺乏足够的动态电压支撑和动态无功储备。葛沪直流1200MW，长期预测3000-3500万千瓦 ，装机限制1500万千瓦-2000万千瓦 。 2)空调比例增加，负荷变化随机性加大，负荷事故时的调节特性变坏。 3)手动投切的补偿电容比例过大，恶化严重故障时的电压支撑能力。 4)电力电子技术的广泛应用，很多负荷对电压的灵敏度降低，不利于电压的恢复。 220kV电网分区运行，加剧了区间动态无功储备不平衡 由于环保等因素的制约，有动态电压调节能力的发电厂和调相机不允许建在城区。 广东：接收西电约10000MW，其中3/4以上通过HVDC输送，而目前HVDC双级闭锁机率远大于交流线

8、的三相短路！ 动态无功补偿是解决暂态电压失稳的有效措施。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,16,用户侧供电可靠性与电能质量,问题的提出 现代社会用电设备对供电的靠性、电能质量的要求越来越高 ； 供电质量恶化造成产品质量的下降，带来重大经济损失； 供电可靠性和电能质量问题包括 供电中断(outage)、电压降落(voltage sag); 闪变（flicker）、脉冲（impulse）、暂态升高（swell）、谐波（harmonic）、不平衡（unbalance）。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,17,1无功功率负荷,异步电动机,图5-2 异步电动机的简化等值电路,jX,电压下

9、降,转差增大,定子电流增大.,无功功率负荷和无功功率损耗,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,18,异步电动机的无功功率与端电压的关系,受载系数:实际负载和额定负载之比.,在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而增减,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,19,变压器的无功损耗,假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压VS%=10.5，在额定满载下运行时，无功功率的消耗将达额定容量的13%。如果从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中无功功率损耗的数值是相当可观的。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,20,输电线路的无功损耗,输电线路的型等值电路,线路的无功总损耗为

10、,一般情况下，35kV及以下系统消耗无功功率；110kV及以上系统，轻载或空载时，成为无功电源，传输功率较大时，消耗无功功率。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,21,什么叫无功补偿,无功补偿： 指根据电网中的无功类型，人为地补偿容 性无功或感性无功来抵消线路中的无功功率。是为 了减小供配电线路中往复交换的无功功率，提高供 配电线路的利用率。 无功功率有那些影响： 无功功率不做功，但占用电网容量和导线截 面积，造成线路压降增大，使供配电设备过载， 谐波无功使电网受到污染，甚至会引起电网振荡 颠覆。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,22,无功补偿的主要作用,提高供用电系统及负载的功

11、率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 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。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,23,无功补偿的方法,同步发电机：调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的同时输出无功功率。 同步电动机：与前者的区别主要在于发电机位于发电厂，而电动机位于用户处。 同步调相机：当同步电动机不带负载而空载运行，专门向电网输送无功功率时，称为同步调相机。主要装于枢纽变电所。 并联电容器：可提供超前的（容性）无功功率，多装于降压变电所，亦可就地补偿。 静止无功补偿装置：具有调相机的功

12、能，如SVG、SVC。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,24,什么是动态无功补偿,动态无功补偿 根据电网中动态变化的无功量实时快速地 进行补偿，如调相机、SVG、SVC等。 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功能： 1）对动态无功负载的功率因数教正。 2）改善电压调整率。 3）提高电力系统的静态和动态稳定性,阻尼功率振荡。 4）降低过电压。 5）减少电压闪烁。 6）阻尼次同步振荡。 7）减少电压和电流的不平衡。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,25,动态无功补偿的作用,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,26,动补与静补的主要区别及优点,静补投切速度慢，不适

13、合负载变化频繁的场合，容易产生欠补或者过补偿，造成电网电压波动，损坏用电设备；并且有触点投切设备寿命短，噪声大，维护量大，影响电容器使用寿命。 动补可对任何负载情况进行实时快速补偿，并有稳定电网电压功能，提高电网质量，同时具备治理谐波的功能。（1）对动态无功负载的功率因数校正。（2）改善电压调整率。（3）提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。（4）降低过电压。（5）减少电压闪烁。（6）阻尼次同步振荡。（7）减少电压和电流的不平衡。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,27,无功补偿的三种主要形式,MSC / MSR,52 kV 800 50 Mvar 500,机械投切式 电容/电抗

14、,交流电抗器,机械式开关,交流电容器组,SVC,52 kV 800 50 Mvar 800,Static Var Compensator,交流电抗器,晶闸管阀,控制和保护,变压器,交流电容器组,SVG,52 kV 800 50 Mvar 800,Static Synchronous Var Compensator,GTO/IGBT/IGCT阀,控制与保护,变压器,直流电容,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,28,同步发电机,发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：,发电机在非额定功率因数下运行时可能发出的无功功率,发电机的P-Q极限,1）当发电机低于额定功率因数运行时，能增加输出的无功

15、功率，但发电机的视在功率因取决于励磁电流不超过额定值的条件，将低于其额定（2）当发电机高于额定功率因数运行时，励磁电流不再是限制条件，原动机的机械功率又成了限制条件。（3）发电机只有在额定电压、额定电流和额定功率因数（即运行点C）下运行时视在功率才能达到额定值，使其容量得到最充分的利用。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,29,同步调相机,同步调相机相当于空载运行的同步电动机。 在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率而起无功电源的作用，能提高系统电压； 在欠励磁运行时（欠励磁最大容量只有过励磁容量的（50% 65%）)，它从系统吸取感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。 它能根

16、据装设地点电压的数值平滑改变输出（或吸取）的无功功率，进行电压调节。因而调节性能较好。 缺点： 同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂； 有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的(1.55)%，容量越小，百分值越大； 小容量的调相机每kVA容量的投资费用也较大。故同步调相机宜大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不装设。同步调相机常安装在枢纽变电所,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,30,并联电容器,并联电容器可按三角形和星形接法连接在母线上。它供给的无功功率QC值与所在节点电压的平方成正比，即 QC=V 2/XC 。按安装位置不同通常分为三种，集中补偿、分组补偿、就地补偿。 缺点：电

17、容器的无功功率调节性能比较差（自动投切）。 优点：并联电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,31,静止无功补偿装置（动补）,传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机（Synchronous CondenserSC） 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（Saturated ReactorSR）。 静止型无功补偿装置（Static Var CompensatorSVC）。 新型静止无功补偿装置：静止无功发生器（Static Var GenertorSVG）或静止补偿器（S

18、tatic CompensatorSTATCOM）,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,32,静止无功补偿器（SVC）,静止补偿器由静电电容器与电抗器并联组成。 电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。,(a)可控饱和电抗器型（SR）；(b)自饱和电抗器型；(c)可控硅控制电抗器型（SVC-TCR）；(d) 可控硅控制电抗器（TCR）和可控硅投切电容器组合型（TSC）。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,33,SVC原理（TCR）,其单相基本结构是两个并联的晶闸管与一个电抗器串联，而三相多采用三角形联结

19、。相当于电感负载的交流调压电路。触发角有效移相范围90-180度，基波电流都是无功电流。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,34,SVC（TCR+FC）静态特性,系统电压 (p.u.),SVG,TCR,TSC,0.4,容性电流,感性电流,0,1.0,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,35,SVC的技术特点（TCR+FC）,自身产生较大谐波，需与无源滤波器配合使用； 装置占地面积大； 效率低； 响应速度慢（40ms-60ms） 易产生谐振过电压、损坏电容器； 低压时补偿效果下降迅速，,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,36,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,37,SVG的

20、构成,XDVAR系列是由链式静止同步补偿器（STATCOM/DSTATCOM，又称为SVG）和固定电容器共同构成的，按各自容量的不同可组合成各种补偿范围的有源动态无功和谐波补偿装置。其中的SVG不同于传统SVC的阻抗补偿（靠电容器和电抗器发出和吸收无功）原理，而是基于电压源自换相换流器，原理上等效于静止的同步调相机，但性能上又远优于调相机和SVC。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,38,SVG工作原理（感性）,将自换相桥式电路通过电抗并联在电网上，适当的调节桥式电路交流输出电压的相位和幅值，或控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出无功电流，实现动态无功补偿。,清华大学电机系柔性交流

21、输配电系统研究所,39,静止“调相机”(STATCOM),Line,Load,Electronic,Generator,for Reactive,Power,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,40,SVG主电路方案,三电平变流器,器件直接串联 谐波较大 dv/dt大 绝缘要求高,多重化变流器,变压器占地大，成本高 无冗余运行能力 磁非线性导致过电压和过电流 绝缘由变压器承担,变压器隔离链式逆变器,具有冗余运行能力 各逆变单元可共用直流电容 变压器较复杂 绝缘由变压器承担,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,41,XDVAR SVG基于链式换流器,无连接变压器，减小了占地面积，降低了装

22、置成本，提高了装置效率 在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用 采用冗余功率模块，提高了装置可靠性 避免了多重化逆变变压器激磁回路中剩磁和饱和非线性导致的装置过电压和过电流 可 做成移动式装置，便于灵活配置，提高装置使用率,输出电压,+U,-U,0,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,42,叠加波形情况,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,43,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,44,SVG电压-电流特性,系统电压 (p.u.),SVG,TCR,TSC,0.4,容性电流,感性电流,0,1.0,当电网电压下降，补偿器的电压-电流特性向下调整时，SVG可以调整其

23、变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流维持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制。其运行范围是上下等宽的近似矩形的区域。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,45,谐波电流补偿,当需要补偿负载所产生的谐波电流时，SVG检测出补偿对象负载电流的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流只含基波，不含谐波。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,46,谐波电流补偿调节框图,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,47,谐波电流补偿原理框,清华大学电机系柔性交流输配

24、电系统研究所,48,SVG的链式模块串联的均压问题,链节模块的串联是多个逆变电源的串联，而不是IGBT的直接串联，所以并不需要模块的一致性，而且每个模块的脉冲是错一定的角度，即IGBT并非同时导通，所以产生过电压的机会并不多。采用脉冲循环控制机制，直流侧电压波动在5%范围之内。 链节模块运行有两种状态：启动过程及无功补偿过程。 （1） 启动过程为静态均压，由模块所并联的电阻完成，合理配置电阻保证模块不过压，从而保护了IGBT。 （2） 无功补偿过程为动态均压，通过IGBT的驱动脉冲的控制，维持直流电容的电压，保证IGBT不承受过电压。检测直流电压超过允许值立即封锁脉冲。,清华大学电机系柔性交流

25、输配电系统研究所,49,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,50,瞬时无功控制策略,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,51,SVG的占地面积,SVG,SVC,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,52,占地面积,SVG占地是SVC的1/51/3,资料来源：SIEMENS,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,53,动态响应,资料来源：ABB,SVC：23周波，速度过快产生谐振。 STATCOM：12周波，小于5毫秒,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,54,SVG响应速度,SVG的快速动态响应 (小于10ms),响应速度越快 对闪变抑制效果越好,SVC的响应速度大于10毫秒

26、，如果再快，有可能与系统 产生谐振。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,55,典型SVC与典型SVG损耗的比较,典型0100Mvar SSVC,典型0 100Mvar SVC,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,56,典型SVC与典型SVG运行损耗的比较,100M SVC如果需要保持额定动态无功输出量，正常时100M 的可控电抗器（TCR）需运行在满载状态（装置整体输出为空载，固定电容器的容性无功被TCR的感性无功全部抵消），按1损耗计算，每天需2.4万度电，按0.5元/度计算，每年耗电约400万元，是同容量SVG的2-3倍。 如果TCR平时运行在空载/轻载状态，则系统电压跌落时无法

27、提供足够的动态无功支撑，作用只相当于一台小容量SVG。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,57,典型SVC与典型SVG运行损耗的比较,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,58,典型SVC与典型SVG运行损耗的比较,为什么SVG比SVC节能? 串联电抗器容量不同,SVC串联100%电抗，而SVG只串联6%的电抗，而电抗器损耗大约为0.8%的损耗，占主导地位。 FC部分，SVC的电容容量是SVG电容容量的一倍，所以，电容损耗比SVC的损耗小，电容损耗较小。 SVC的可控硅的损耗与SVG的IGBT的损耗相当，可控硅的损耗比IGBT损耗小，但SVC部分的可控硅部分的容量是IGBT容量的一倍。

28、 而且在SVC的0无功时损耗最大，100%无功时损耗最小，SVG在50%无功时损耗最小，在100%无功时损耗最大，一般动态无功绝大部分时间工作在50%无功状态。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,59,SVG的价格,以输出0100Mvar动态无功为例 SSVC：50Mvar固定电容器50MVA 链式STATCOM：200/kvar左右;0100Mvar SVC：200元/kvar 随功率半导体器件价格的下降，SVG价格下降空间大。 考虑其与SVC同容量补偿效果的差别及性能、运行损耗的差别，SVG性价比更高。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,60,-50M+150M SVG与SVC

29、性能比较,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,61,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,62,用于输电系统的SSVC部分统计,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,63,在负荷补偿中的应用,三菱公司从1986年至2003年期间，安装了近200台SVG，容量在0.1到60Mvar之间 ； 东芝公司投运多台10M/20M SVG用于电弧炉的动态补偿； ABB公司已推出系列的SVC-LIGHT（即SVG），用于系统及用户补偿； 西屋公司为加拿大BC省阿达姆湖伐木场提供了一台2MVAR的SVG，保证了该伐木场的正常工作； 西门子公司为丹麦某风力发电场提供的两台4MVAR对于其风力发电设备的稳

30、定运行起了重要作用； 美国S&CS公司的系列PUREWAVE SVG，用于补偿冲击负载引起的电压跌落和闪变。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,64,美国100MvarSTATCOM（1996）,背景：Sullivan变电站，田纳西州东北部，属于TVA（Tennessee Valley Authority）管辖 由500kV输电网和4条160kV线路供电，冬季负荷高峰期，该地区负荷可达900MW，其中55由Sullivan变电站提供。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,65,美国100MvarSTATCOM（1996）,1,500kV母线轻载时电压过高 装有80Mvar可投切电抗器

31、，存在发热问题，利用率不高,2,160kV母线重载时电压过低 变压器抽头动作频繁，降低变压器寿命,故障率1，一半由抽头引起,一次损失$1M,3,变电站与500kV网联系较弱 单台1200MW变压器 冬季大负荷时，失去变压器后160kV母线电压跌落1015,4,与邻近的AEP系统间存在功率振荡 一条160kV线路与AEP系统相连 AEP内的PMU测量到了功率振荡现象,轻载时STATCOM帮助调节500kV母线电压，电抗器可完全切除。,正常情况下160kV母线电压由STATCOM调节，变压器抽头动作次数大大降低。 250次/月减少为25次/月,大负荷方式下，失去500kV/160kV变压器后，ST

32、ATCOM可快速动作，维持160kV母线电压在合理范围，等待附近变电站的固定电容全部投入。,有助于研究STATCOM在抑制功率振荡的能力。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,66,美国100MvarSTATCOM（1996）,27m15m,新增变压器：$20M STATCOM：TVA $6M + EPRI $6M,节省$14M,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,67,丹麦8MvarSTATCOM（1997）,背景：Rejsby Hede风电厂，40台600kW风机，24MW 1.异步发电机消耗的无功随输出有功的变化而变化，受风力影响较大，固定电容器很难胜任。 2.与电网失去联系形成

33、孤岛后，异步发电机处于自励磁状态，若并联电容容量高于发电机电抗，引起机端过电压。 解决方案： 8MvarSTATCOM6MvarFC,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,68,英国75MvarSTATCOM（1999）,背景：90年代中期，英国国家电网计划在北方地区新建一座低成本燃气电厂，分析表明这将增加流向南方的潮流，使得南方地区无功不足的问题凸现。 在增加南方地区无功补偿的整体计划中，位于伦敦北部的East Claydon变电站加装225Mvar的无功是重要内容。 英国已有12套移动式SVC投入运行，这次，出于节省用地和新技术应用的角度，国家电网选择了基于STATCOM的动态无功系统。

34、,输出 连续可调 容量 0+225Mvar 接入电压等级 400kV (275kV) 可移动性 6 个月内 可用率 98%,英国国家电网对于动态无功系统的要求：,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,69,英国75MvarSTATCOM（1999）,STATCOM 75Mvar,Harmonic Filter 23Mvar,TSC 127Mvar,237MVA,400kV,15.1kV,GTO CONVERTER,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,70,英国75MvarSTATCOM（1999）,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,71,英国75MvarSTATCOM（1999）,

35、清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,72,英国75MvarSTATCOM（1999）,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,73,美国150MvarSTATCOM（2003）,地理位置：康涅狄格州西南部，诺沃克斯坦福地区电网，东北电力公司（Northeast Utility），格林布鲁克变电站,电网特点：人口密集区，以居民用电和商业用电为主，最高负荷可达1200MW,起因：2000年夏天，发生一起双回输电线路倒塔故障（DoubleCircuit Tower），致使该地区电压跌落致3040（故障中），故障后经历810秒才恢复至90（大量空调负荷停转或闭锁 ）。,双回线路倒塔故障属于东北电力

36、协调委员会（NPCC）和新英格兰电力区（NEPOOL）N2导则之内的扰动。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,74,美国150MvarSTATCOM（2003）,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,75,美国150MvarSTATCOM（2003）,无STATCOM，线路故障导致电压低于0.6,有STATCOM，故障后电压在2秒内恢复,仿真结果,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,76,美国100MvarSTATCOM（2004）,Holly电厂：美国德克萨斯州，奥斯汀电力公司，德州电力可靠性委员会（EROCT）,容量：590MW，348Mvar。分4台机组（以天然气或石油为燃料

37、），19581974陆续投运。设计寿命 3040年。,扰民：电厂位于居民区附近 90年代中期，电力公司花费$5M用于建造隔音及绝热设施。 1993、1994年发生两起火灾，火灾引起附近居民的抗议。,取缔： 德州地区电力过剩，不远处正在新建一座低成本电厂。 1、2机组在2004年之前，3、4机组在2007年之前退役。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,77,美国100MvarSTATCOM（2004）,RMR电厂：（Reliability Must Run） 稳定校核：静态电压稳定影响不大。 暂态仿真：故障切除后，电压最低母线恢复至0.95所需时间大大增加，Holly 138kV母线情况最

38、严重。,否决SVC： 受占地面积限制。 地下有储油罐，SVC的大电抗器产生的感应电流可能危害储油罐安全。,在Holly138安装100MvarSTATCOM331.2Mvar固定电容器,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,78,美国100MvarSTATCOM（2004）,占地：30m20m,2004年11月记录到的一次单相扰动,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,79,American Superconductor,自2000年以来已投运43台电压源逆变器的STATCOM，风力发电和冶金是主要应用方向。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,80,S&Cs PureWave DST

39、ATCOM,2MVA 2/4/6/8MVA 5MVA 5/10/15/20MVA,Lumber Mill - A 2MVAr DSTATCOM reduced the voltage variation from 7 to 8% to well within acceptable levels, and saved $400,000 to $1,200,000 compared to traditional solutions. Mining/Rock Crushing - A 2MVAr DSTATCOM with a parallel 2MVAr capacitor bank (-2 to

40、 +4 MVAr). Offered a first-year savings of over $600,000 compared to a new distribution substation, and allowed the facility to operate at full capacity.,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,81,炼钢厂电弧炉引起电能质量分析,炼钢厂供电系统及交流、直流电弧炉设备构成,负荷冲击：炉料熔化期间电弧的不稳定，给系统带来有功、无功冲击。无功功率的冲击带来了母线电压的持续波动，造成了闪变现象的产生。 不平衡：交流电弧炉三相放电电弧的差异造成负荷电流

41、不平衡。 谐波：直流电弧炉5次谐波电压及总谐波畸变率超过国标规定。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,82,电弧炉补偿方法SVC,效果：补偿了三相不平衡，对闪变有一定的抑制作用。,SVC响应时间40ms,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,83,DSTATCOM补偿电弧炉的配置及仿真,效果：补偿了三相不平衡，抑制闪变效果突出。,补偿容量与瞬时闪变强度抑制关系,负荷为直流电弧炉，补偿容量比为0.6时可获得较好的闪变抑制效果,响应时间10ms,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,84,SVC和DSTATCOM补偿方案成本、运行损耗比较,负荷无功需求 补偿设备损耗,DSTATCOM方案

42、：月节约电费5.4万，年节约电费64.8万。,工程造价两者具有可比性，DSTATCOM高315万，约15.2%,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,85,1.6M DSTATCOM实际运行情况,隔天生产，19小时，6炉钢，6吨/炉,母线电压有效值曲线,母线电压瞬时闪变强度曲线,DSTATCOM稳定了母线电压，有效抑制瞬时闪变强度,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,86,1.6M DSTATCOM给炼钢企业带来的经济效益,稳定电压 提高功率输入效率,1.8万/月,22万/年,生产能力 提高,20,540万/年,有功输入增加情况,有无补偿吨钢电耗/炉钢时耗变化,以500元/kVA算，2M

43、投资为100万，则以节省电费算4.5年可收回投资。 生产能力的提高带来更多的经济效益。,电费节省,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,87,在钢厂应用的效益,瑞典的Uddeholm Tooling 钢铁公司在1999年为其66 吨电弧炉配置了22MVar的SVG 装置。安装SVG后钢厂的各项指标变化如下表。该钢厂每年节能降耗和增产的经济效益总和可达千万元人民币.,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,88,我国 STATCOM的研制,94年电力部重点科技攻关项目20Mvar STATCOM，清华与河南省电力局合作，99年投运，00年通过部级鉴定；当选00年全国高校十大科技成就之一，02年

44、获国家奖； 2002年11月国家电网公司重点科技攻关项目：“上海电网黄渡分区50Mvar STATCOM示范工程”通过立项评审。 项目分为两部分： 1）电力系统暂态电压稳定的控制-50Mvar STATCOM关 键技术问题的研究2004年1月通过评审 2）西郊变电站50Mvar STATCOM装置的研制2004.32006.3 50Mvar STATCOM装置2006年2月28日并网运行，3月7日完成全部现场试验，4月10日通过国家电网公司组织的验收，认为核心技术达到国际领先水平。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,89,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,90,SVG主电路方案,三

45、电平变流器,器件直接串联 谐波较大 dv/dt大 绝缘要求高,多重化变流器,变压器占地大，成本高 无冗余运行能力 磁非线性导致过电压和过电流 绝缘由变压器承担,变压器隔离链式逆变器,具有冗余运行能力 各逆变单元可共用直流电容 变压器较复杂 绝缘由变压器承担,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,91,XDVAR SVG基于链式换流器器,无连接变压器，减小了占地面积，降低了装置成本，提高了装置效率 在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用 采用冗余功率模块，提高了装置可靠性 避免了多重化逆变变压器激磁回路中剩磁和饱和非线性导致的装置过电压和过电流 可 做成移动式装置，便于灵

46、活配置，提高装置使用率,输出电压,+U,-U,0,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,92,50M SVG构成,占地：20m18m,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,93,基于IGCT的50M 链式换流器主电路,50M SSVC是国际上首台采用IGCT器件的MVA级链式SVG装置,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,94,外观,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,95,一相逆变器阀,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,96,控制室屏柜,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,97,验收意见,50Mvar STATCOM装置研制过程中，创新性地解决了如下关键技术问题： （1

47、）建立了链式STATCOM的标么值数学模型，提出了基于IGCT的链式STATCOM主电路及参数设计方法； （2）提出并实现了多目标150Hz优化PWM控制策略； （3）提出并实现了循环交换链节间PWM脉冲结合直流PWM制动的直流电压平衡控制方法； （4）提出并实现了分布式链节冗余控制与保护策略； （5）提出并实现了自平衡精确反馈线性化动态无功控制方法，使装置能在各种系统电压工况下稳定运行； （6）提出并实现了链式STATCOM的基于DSP和FPGA的全数字化高速高精度控制系统； （7）提出并实现了大容量链节等价运行与保护试验系统。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,98,XDVAR装置构

48、成,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,99,典型安装示意图,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,100,8Mvar/10kV SVG外观图,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,101,XDVAR SVG性能特点,启动冲击小：SVG部分采用自励方式起动，启动快速且冲击电流限制在很小的幅值； 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； 动态响应速度快 SVG具有10ms以内的快速输出无功特性，因而对快速的冲击负荷具有更好的补偿效果；而传统的SVC响应时间一般在40ms-60ms（太快可能引起电抗和电容器产生振

49、荡）。 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（不含谐波，用于电网补偿），也可以输出设定次数的谐波电流（用于负荷谐波滤波），即SVG输出电流是完全有源可控的，完全满足用户的需要；而SVC产生大量不可控的谐波电流，又附带大量不可控的无源滤波支路来实现自身产生的谐波电流的滤波。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,102,XDVAR SVG性能特点,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，安装尺寸一般只有SVC的1/5-1/3，特别适合于对占地面积要求较高的场合。XDVAR系列SVG可做成移动式装置。 高

50、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；而由于损耗曲线特性优于SVC（SVC空载时损耗达到最大），SVG的等效运行损耗一般只有SVC的1/3-1/2，等效运行耗电量大大低于SVC。,清华大学电机系柔性交流输配电系统研究所,103,XDVAR SVG性能特点,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，具有更宽的运行范围；而SVC输出电流与系统电压成正比下降，使得达到同等补偿效果SVG容量可以比SVC容量小2030。 通过对固定电容器组的综合控制，可以更好的满足系统和负荷的补偿范围要求。,高可靠性 SVG采用N+1或N+2冗余主电路拓扑结构，一个（或两个）链节单元损坏后仍可继续满负荷运行；SVC使用了大量电容器电抗器，当外部系统容量与补偿装置的容量可比时，SVC会产生不稳定性而发生振荡，而SVG对外部系统运行条件和结构变化不敏感。SVG还避免了功率器件的直接串联,清华大学电机