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无功补偿国内外研究现状及发展方向
发布时间:2010-05-08

①无功补偿装置发展过程

电力系统中,常见的无功控制方法有同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等。

早期的无功补偿装置主要是无源装置,方法是在系统母线上并联或者在线路中串联一定容量的电容器或者电抗器。这些补偿措施改变了网络参数,特别是改变了波阻抗、电气距离和系统母线上的输入阻抗。无源装置使用机械开关,它不具备快速性、反复性、连续性的特点,因而不能实现短时纠正电压升高或降落的功能。同步调相机和并联电容器。同步调相机可理解为专门用来产生无功功率的同步电机,可根据需要控制同步电机的励磁,使其工作在过励磁或欠励磁的状态下,从而发出大小不同的容性或感性无功功率,因此同步调相机可对系统无功进行动态补偿。但是它属于旋转设备,运行中的损耗和噪声都比较大,运行维护复杂,成本高,且响应速度慢,难以满足快速动态补偿的要求。并联电容器简单经济,灵活方便,但其阻抗固定,不能跟踪负荷无功需求的变化即不能实现对无功功率的动态补偿。

静止无功补偿技术经历了3代:

20世纪70年代以来,以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形式组成的静止无功补偿器(SVC)得到快速发展。SVC可以看成是电纳值能调节的无功元件,它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换,同时还具有较快的响应速度,它能够维持端电压恒定。

SVC虽然能对系统无功进行有效的补偿,但是由于换流元件关断不可控,因而容易产生较大的谐波电流,而且其对电网电压波动的调节能力不够理想。随着大功率全控型电力电子器件GTO(可关断晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)及IGCT(集成门极换流晶闸管)的出现,特别是相控技术、脉宽调制技术(PWM)、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展,以此为基础的无功补偿技术也得以迅速发展。静止同步补偿器,作为FACTS(柔性交流输电系统)家族最重要的成员,在美国、德国、日本、中国相继得到成功应用。电压型的STATCOM直流侧采用直流电容为储能元件,通过逆变器中电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压。当只考虑基波频率时,STATCOM可以看成一个与电网同频率的交流电压源通过电抗器联到电网上。由于STATCOM直流侧电容仅起电压支撑作用,所以相对于SVC 中的电容容量要小得多。此外,STATCOM和SVC相比还拥有调节速度更快、调节范围更广、欠压条件下的无功调节能力更强的优点,同时谐波含量和占地面积都大大减小。

②国内外电网动态无功补偿的现状

我国电网中目前使用最为广泛的补偿装置是机械投切的并联电容器组。为满足调压要求,在低压供电网络中装设了大量的并联电容器组,在中压配电网络中装设了少量的并联电容器组。20世纪70年代初,武汉钢铁公司在1.7 cm轧机工程中进口了由比利时直流励磁饱和电抗器与日本电容器组成的静止补偿装置后,国内才对动态无功补偿问题引起了重视。自20世纪80年代以来,我国对晶闸管控制的SVC投入了大量研发力量,目前已有了一定的技术基础,但高压大容量产品仍主要依靠进口。

随着电力电子技术的发展,近几年出现了多种电力系统无功补偿新技术。电力电子技术是无功补偿技术的基础,电力电子器件向快速、高电压、大功率发展,使采用电力电子器件的无功补偿从根本上改变了交流输电网过去基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制的局面,从而为交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力。随着电力电子器件的发展,无功补偿控制器在其性能和功能上也出现不同的发展阶段。

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