基于電力電子技術(shù)的連續(xù)無功補(bǔ)償控制分析

1　引 言

　　電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量是評價(jià)電力系統(tǒng)運(yùn)行性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而電壓又是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，電壓的穩(wěn)定性對電力系統(tǒng)運(yùn)行性能來說顯得尤為重要。電壓穩(wěn)定與否主要取決于系統(tǒng)中無功功率的平衡，如果用電負(fù)荷的無功需求波動(dòng)較大，而電網(wǎng)的無功功率來源及其分布不能及時(shí)調(diào)控，就會(huì)導(dǎo)致線路電壓超出允許極限；另外，對于負(fù)荷一側(cè)，電力系統(tǒng)多由輸配電線、變壓器、發(fā)電機(jī)等構(gòu)成，其內(nèi)阻抗主要呈感性，使得負(fù)載無功功率的變化對電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性帶來極為不利的影響。

　　無功功率補(bǔ)償是涉及電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動(dòng)化技術(shù)、理論電工等領(lǐng)域的重大課題。由于電力電子技術(shù)裝置的應(yīng)用日益普及生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域，無功補(bǔ)償問題引起人們越來越多的關(guān)注。據(jù)有關(guān)科學(xué)統(tǒng)計(jì)，如果全國都通過優(yōu)化配置計(jì)算來安裝無功補(bǔ)償裝置，在總投資不變的條件下，估計(jì)每年可以節(jié)省電量大約3億千瓦時(shí)。因此，電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償和電壓調(diào)整是保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施。目前，由于電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，無功功率補(bǔ)償方面也取得了突破性的進(jìn)展。

2　連續(xù)無功補(bǔ)償裝置發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展前景

　　工程上應(yīng)用的無功補(bǔ)償器主要包括旋轉(zhuǎn)無功補(bǔ)償器和靜止無功補(bǔ)償器，其具體分類見圖1。

2.1　連續(xù)無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展歷史

　　旋轉(zhuǎn)無功補(bǔ)償器以同步調(diào)相機(jī)為代表，同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上就是在過勵(lì)或欠勵(lì)狀態(tài)下運(yùn)行的同步電機(jī)，它既能發(fā)出容性無功，也能發(fā)出感性無功，因而同步調(diào)相機(jī)能對變化的無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。由于其存在諸多缺點(diǎn)（見表1），70年代以來逐漸被靜止無功補(bǔ)償器取代。

　　靜止無功補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)歷了圖1所示的3代發(fā)展：

　　第Ⅰ代屬于慢速無功補(bǔ)償裝置，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較早，目前也仍在應(yīng)用；

　　第Ⅱ代屬無源、快速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 70 年代，國外應(yīng)用普遍，我國目前有一定應(yīng)用，主要用于配電系統(tǒng)中，輸電網(wǎng)中應(yīng)用很少，SVC 可以看成是電納值能調(diào)節(jié)的無功元件，它依靠電力電子器件開關(guān)來實(shí)現(xiàn)無功調(diào)節(jié)。 SVC 作為系統(tǒng)補(bǔ)償時(shí)可以連續(xù)調(diào)節(jié)并與系統(tǒng)進(jìn)行無功功率交換；

　　第Ⅲ代屬快速的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，國外從20世紀(jì)80年代開始研究，90年代末得到較廣泛的應(yīng)用。隨著大功率全控型電力電子器件GTO、IGBT、及IGCT的出現(xiàn)，特別是相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）、四象限變流技術(shù)的提出，使得電力電子逆變技術(shù)得到快速發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的無功補(bǔ)償技術(shù)也得以迅速發(fā)展。靜止同步補(bǔ)償器，作為FACTS家族最重要的成員，在美國、德國、日本、中國相繼得到成功應(yīng)用。此外，SVG和SVC相比還擁有調(diào)節(jié)速度更快、調(diào)節(jié)范圍更廣、欠壓條件下的無功調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)諧波含量和占用空間都大大減少。3代無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

2.2　國內(nèi)外電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)狀

　　我國電網(wǎng)中目前使用最為廣泛的補(bǔ)償裝置是機(jī)械投切的并聯(lián)電容器組。為滿足調(diào)壓要求，在低壓供電網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)了大量的并聯(lián)電容器組，在中壓配電網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)了少量的并聯(lián)電容器組。牡丹江科海電氣設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的G(X)JF1型電容器跟蹤投切柜（箱）采用了KH－ZK電容器智能投切開關(guān)；G（X）JK1型接觸器式電容器跟蹤投切柜（箱）投切電容過程涌流小，整機(jī)使用壽命長, 維修量小,無功補(bǔ)償響應(yīng)快，可頻繁投切，多級補(bǔ)償一次到位。包括G（X）D1型電容投切產(chǎn)品都是該補(bǔ)償裝置的進(jìn)步發(fā)展。

　　目前，我國輸電系統(tǒng)中一共有5地 6套大容量SVC投入使用，它們分別被裝設(shè)在廣東江門、湖南云田、湖北鳳凰山（2套）、河南小劉以及遼寧沙嶺的500kV變電站中。此類SVC多為進(jìn)口，其中有3套是ABB公司的產(chǎn)品。

　　SVC在大型工礦企業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛，在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用尤為突出，武漢鋼鐵公、包頭鋼鐵公司、寶山鋼鐵公司、濟(jì)南鋼鐵公司、張家港沙鋼鐵公司、天津鋼管公司等均裝有該補(bǔ)償裝置，如濟(jì)南鋼鐵公司中厚板廠二期工程在35kV母線上安裝了由西門子公司設(shè)計(jì)制造的一套容量為25Mvar的SVC，2001年底帶負(fù)荷一次投運(yùn)成功。

　　從國際范圍來講，目前SVC與SVG都已得到普遍的應(yīng)用。SVC出現(xiàn)早，應(yīng)用時(shí)間長，僅ABB公司，其目前在全世界投運(yùn)的SVC就已超過370套，ABB 與西門子兩個(gè)公司已安裝的SVC總?cè)萘考s為9萬Mvar（包括已退役裝置）。SVG裝置在20世紀(jì)主要以示范工程為主，從上世紀(jì)90年代末到本世紀(jì)初，SVG在日本及歐美得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在冶金、鐵道等需要快速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膱龊稀?999 年3月，我國第一臺(tái)工業(yè)化STATCON在河南省洛陽市朝陽變電站成功并網(wǎng)運(yùn)行，標(biāo)志著我國掌握了高壓大容量FACTS 設(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。

2.3　靜止無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展前景

　　隨著電力電子技術(shù)的日新月異以及各門學(xué)科的交叉影響，靜止無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢主要有以下幾點(diǎn)：

　?。?）在城網(wǎng)改造中，運(yùn)行單位往往需要在配電變壓器的低壓側(cè)同時(shí)加裝無功補(bǔ)償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補(bǔ)償控制器和配電綜合一體化的問題。

　?。?）快速準(zhǔn)確地檢測系統(tǒng)的無功參數(shù)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況(如大的沖擊負(fù)荷或負(fù)荷波動(dòng)較頻繁的場合)。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無功補(bǔ)償中引入一些先進(jìn)的控制方法，如模糊控制、微機(jī)控制等。

　?。?）目前無功補(bǔ)償技術(shù)還主要用于低壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)由于受到晶閘管水平的限制，是通過變壓器降壓接入的，如用于電氣化鐵道牽引變電所等。研制高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置具有十分重要的意義，關(guān)鍵是要解決補(bǔ)償裝置晶閘管和二極管的耐壓，即多個(gè)晶閘管元件串聯(lián)及均壓、觸發(fā)控制的同步性等問題。