摘要：詳細(xì)綜述了電力系統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了各種靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及現(xiàn)今在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，并提出今后靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：靜止無(wú)功補(bǔ)償（SVC ASVG）發(fā)展趨勢(shì)電力系統(tǒng)

　　1 引言

　　電力系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率平衡決定了該節(jié)點(diǎn)的電壓水平，由于當(dāng)今電力系統(tǒng)的用戶中存在著大量無(wú)功功率頻繁變化的設(shè)備；如軋鋼機(jī)、電弧爐、電氣化鐵道等。同時(shí)用戶中又有大量的對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有較高要求的精密設(shè)備：如計(jì)算機(jī)，醫(yī)用設(shè)備等。因此迫切需要對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

　　傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等，由于并聯(lián)電容器阻抗固定不能動(dòng)態(tài)的跟蹤負(fù)荷無(wú)功功率的變化；而調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等補(bǔ)償設(shè)備又屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用于太大或太小的無(wú)功補(bǔ)償。所以這些設(shè)備已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。

　　20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著研究的進(jìn)一步加深出現(xiàn)了一種靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。這種技術(shù)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新、發(fā)展完善的過(guò)程。所謂靜止無(wú)功補(bǔ)償是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無(wú)功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等功能。目前這種靜止開關(guān)主要分為兩種，即斷路器和電力電子開關(guān)。由于用斷路器作為接觸器，其開關(guān)速度較慢，約為10～30s，不可能快速跟蹤負(fù)載無(wú)功功率的變化，而且投切電容器時(shí)常會(huì)引起較為嚴(yán)重的沖擊涌流和操作過(guò)電壓，這樣不但易造成接觸點(diǎn)燒焊，而且使補(bǔ)償電容器內(nèi)部擊穿，所受的應(yīng)力大，維修量大。

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)SCR、GTR、GTO等的出現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)，速度可以提高500倍（約為10μs），對(duì)任何系統(tǒng)參數(shù)，無(wú)功補(bǔ)償都可以在一個(gè)周波內(nèi)完成，而且可以進(jìn)行單相調(diào)節(jié)。現(xiàn)今所指的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置一般專指使用晶閘管的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，主要有以下三大類型，一類是具有飽和電抗器的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SR：SaturatedReactor）；第二類是晶閘管控制電抗器（TCR：Thyristor ControlReactor）、晶閘管投切電容器（TSC：Thyristor SwitchCapacitor），這兩種裝置統(tǒng)稱為SVC（StaticVar Compensator）；第三類是采用自換相變流技術(shù)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置——高級(jí)靜止無(wú)功發(fā)生器（ASVG：Advanced Static VarGenerator）。

　　以下對(duì)此三類靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)逐一介紹，主要對(duì)SVC和ASVG這兩類補(bǔ)償技術(shù)作詳細(xì)介紹，并指出今后靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　2 具有飽和電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置（SR）

　　飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來(lái)穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來(lái)控制發(fā)出或吸收無(wú)功功率的大小。可控飽和電抗器通過(guò)改變控制繞組中的工作電流來(lái)控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進(jìn)一步控制無(wú)功電流的大小。這類裝置組成的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置屬于第一批靜止補(bǔ)償器。早在1967年，這種裝置就在英國(guó)制成，后來(lái)美國(guó)通用電氣公司（GE）也制成了這樣的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置［1］，但是由于這種裝置中的飽和電抗器造價(jià)高，約為一般電抗器的4倍，并且電抗器的硅鋼片長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，鐵心損耗大，比并聯(lián)電抗器大2～3倍，另外這種裝置還有振動(dòng)和噪聲，而且調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償速度慢，由于具有這些缺點(diǎn)，所有飽和電抗器的靜止無(wú)功補(bǔ)償器目前應(yīng)用的比較少，一般只在超高壓輸電線路才有使用。

　　3 晶閘管控制電抗器（TCR）

　　兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖1所示。其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當(dāng)于交流調(diào)壓器電路接電感性負(fù)載，此電路的有效移相范圍為90°～180°。當(dāng)觸發(fā)角α＝90°時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，導(dǎo)通角δ＝180°，此時(shí)電抗器吸收的無(wú)功電流最大。根據(jù)觸發(fā)角與補(bǔ)償器等效導(dǎo)納之間的關(guān)系式：

　　BL＝BLmax（δ－sinδ）／π和BLmax＝1／XL可知。增大觸發(fā)角即可增大補(bǔ)償器的等效導(dǎo)納，這樣就會(huì)減小補(bǔ)償電流中的基波分量，所以通過(guò)調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變補(bǔ)償器所吸收的無(wú)功分量，達(dá)到調(diào)整無(wú)功功率的效果。

　　在工程實(shí)際中，可以將降壓變壓器設(shè)計(jì)成具有很大漏抗的電抗變壓器，用可控硅控制電抗變壓器，這樣就不需要單獨(dú)接入一個(gè)變壓器，也可以不裝設(shè)斷路器。電抗變壓器的一次繞組直接與高壓線路連接，二次繞組經(jīng)過(guò)較小的電抗器與可控硅閥連接。如果在電抗變壓器的第三繞組選擇適當(dāng)?shù)难b置回路，例如加裝濾波器，可以進(jìn)一步降低無(wú)功補(bǔ)償產(chǎn)生的諧波。瑞士勃郎·鮑威利公司已經(jīng)制造出此種補(bǔ)償器用于高壓輸電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償［2］。

　　由于單獨(dú)的TCR只能吸收無(wú)功功率，而不能發(fā)出無(wú)功功率，為了解決此問題，可以將并聯(lián)電容器與TCR配合使用構(gòu)成無(wú)功補(bǔ)償器。根據(jù)投切電容器的元件不同，又可分為TCR與固定電容器配合使用的靜止無(wú)功補(bǔ)償器（TCR＋FC）和TCR與斷路器投切電容器配合使用的靜止無(wú)功補(bǔ)償器（TCR＋MSC）。這種具有TCR型的補(bǔ)償器反應(yīng)速度快，靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。我國(guó)江門變電站采用的靜止無(wú)功補(bǔ)償器是端士BBC公司生產(chǎn)的TCR＋FC＋MSC型的SVC，其控制范圍為±120Mvar［3］。由于固定電容器的TCR＋FC型補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償范圍從感性范圍延伸到容性范圍時(shí)要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收較小的無(wú)功電流時(shí)，其電抗器和電容器都已吸收了很大的無(wú)功電流，只是相互抵消而已。TSC＋MSC型補(bǔ)償器通過(guò)采用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點(diǎn)，但應(yīng)盡量避免斷路器頻繁的投入與切除，減小斷路器的工況。

　　4 晶閘管投切電容器（TSC）

　　為了解決電容器組頻繁投切的問題，TSC裝置應(yīng)運(yùn)而生。其單相原理圖如圖2所示。兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流。TSC用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)采用星形連接，負(fù)荷不對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)采用三角形連接。不論是星形還是三角形連接都采用電容器分組投切。為了對(duì)無(wú)功電流能盡量做到無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，總是希望電容器級(jí)數(shù)越多越好，但考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，一般用K－1個(gè)電容值為C的電容和電容值為C／2的電容組成

　　2K級(jí)的電容組數(shù)［4］。

　　TSC的關(guān)鍵技術(shù)問題是投切電容器時(shí)刻的選取。經(jīng)過(guò)多年的分析與實(shí)驗(yàn)研究，其最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時(shí)刻［5］。此時(shí)投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補(bǔ)償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對(duì)電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。

　　TSC補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無(wú)功功率，如果級(jí)數(shù)分得足夠細(xì)化，基本上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。瑞典某鋼廠兩臺(tái)100t電弧爐，裝有60Mvar的TSC后，有效的使130kV電網(wǎng)的電壓保持在1．5％的波動(dòng)范圍。運(yùn)行實(shí)踐證明此裝置具有較快的反映速度（約為5～10ms），體積小，重量輕，對(duì)三相不平衡負(fù)荷可以分相補(bǔ)償，操作過(guò)程不產(chǎn)生有害的過(guò)電壓、過(guò)電流，但TSC對(duì)于抑制沖擊負(fù)荷引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網(wǎng)的電容量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)是不夠的，所以TSC裝置一般與電感相并聯(lián)，其典型設(shè)備是TSC＋TCR補(bǔ)償器。這種補(bǔ)償器均采用三角形連接，以電容器作分級(jí)粗調(diào)，以電感作相控細(xì)調(diào)，三次諧波不能流入電網(wǎng)，同時(shí)又設(shè)有5次諧波濾波器，大大減小了諧波。我國(guó)平頂山至武漢鳳凰山500kV變電站引用進(jìn)口的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備就是TSC＋TCR型［6］。

　　5 新型靜止無(wú)功發(fā)生器（ASVG）

　　隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是L．Gyugyi提出利用變流器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)睦碚撘詠?lái)，逐步出現(xiàn)了應(yīng)用變流技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)撵o止補(bǔ)償器。它是通過(guò)將自換相橋式電路直接并聯(lián)到電網(wǎng)上或者通過(guò)電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)上。ASVG根據(jù)直流側(cè)采用電容和電感兩種不同的儲(chǔ)能元件，可以分為電壓型和電流型兩種，如圖3所示。圖3所示的原理圖為電壓型補(bǔ)償器，如果將直流側(cè)的電容器用電抗器代替，交流側(cè)的串聯(lián)電感用并聯(lián)電容代替，則為電流型的ASVG。交流側(cè)所接的電感L和電容C的作用分別為阻止高次諧波進(jìn)入電網(wǎng)和吸收換相時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓。無(wú)論是電壓型，還是電流型的ASVG其動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理是相同的。當(dāng)逆變器脈寬恒定時(shí)，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓及系統(tǒng)電壓之間的夾角δ，就可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率及逆變器直流側(cè)電容電壓UC，同時(shí)調(diào)節(jié)夾角δ和逆變器脈寬，既可以保持UC恒定的情況下，發(fā)出或吸收所需的無(wú)功功率［7］。

　　根據(jù)這一原理從1980年日本研制出第一臺(tái)20Mvar的強(qiáng)迫自換相的橋式ASVG之后，經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，ASVG的容量不斷增大，1991年和1994年日本和美國(guó)又相繼研制出80Mvar和100Mvar的ASVG，在1995年，清華大學(xué)和河南省電力局共同研制了我國(guó)第一臺(tái)ASVG，其容量為300kvar，開辟了我國(guó)研制ASVG補(bǔ)償設(shè)備的先河［8］。

　　ASVG通過(guò)采用橋式電路的多重化技術(shù)，多電平技術(shù)或PWM技術(shù)進(jìn)行處理，以消除較低次的諧波，并使較高的諧波限制在一定范圍內(nèi)；由于ASVG不需儲(chǔ)能元件來(lái)達(dá)到與系統(tǒng)交換無(wú)功的目的，實(shí)際上它使用直流電容來(lái)維持穩(wěn)定的直流電源電壓，和SVC使用的交流電容相比，直流電容量相對(duì)較小，成本較低；另外，在系統(tǒng)電壓很低的情況下，仍能輸出額定無(wú)功電流，而SVC補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流隨系統(tǒng)電壓的降低而降低。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，ASVG在改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量，提高穩(wěn)定性方面具有SVC無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，這也顯示出ASVG是今后靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展的方向。另外隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電子有源濾波器也日益得到完善，由于電力有源濾波器在濾除諧波的時(shí)候與電力系統(tǒng)不發(fā)生諧振，因此目前不少電力系統(tǒng)工作者致力于將電力有源濾波與ASVG相結(jié)合的研究，以消除傳統(tǒng)的ASVG設(shè)備中并聯(lián)無(wú)源濾波器的所產(chǎn)生的諧振問題。

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