淺談無功補償中的電力電子技術
【摘要】本文簡要地闡述和分析了電力靜止無功補償器（SVC）和靜止無功發(fā)生器（SVG）的基本原理及其應用，它是實現(xiàn)動態(tài)、瞬時無功補償機理的先進的一種無功補償?shù)男录夹g。
【關鍵詞】電力電子，無功補償，靜止無功補償器，靜止無功發(fā)生器
一、前言
無功補償作為保持電力系統(tǒng)功率平衡、降低網(wǎng)損、提高供電質量的一種重要措施，已被廣泛應用于各電壓等級電網(wǎng)中。合理選擇無功補償，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平，提高電壓穩(wěn)定性，避免大量無功的遠距離傳輸，從而降低有功網(wǎng)損，提高設備利用率，無功補償?shù)暮侠響檬俏覀児╇娖髽I(yè)提高經濟和社會效益的一項重要課題。
在配電系統(tǒng)中，較多采用的是電容器組無功補償方式，由運行值班人員或VQC裝置根據(jù)功率因數(shù)及電壓情況決定并聯(lián)電容器的投退組數(shù)。這種并聯(lián)補償電容器由于只能進行分級階梯狀調節(jié)，并且受機械開關動作的限制，響應速度慢，不能滿足對波動頻繁的無功負荷進行補償?shù)囊�。隨著電力電子技術的發(fā)展，新型的電力電子補償技術得以應用，從而實現(xiàn)了功率的動態(tài)、瞬時補償。本文重點分析這種電力電子技術發(fā)展起來的靜止無功補償器和靜止無功發(fā)生器新的無功補償技術。
二、電力電子無功補償裝置
2.1靜止無功補償器（SVC）
靜止無功補償器由電力電子器件和儲能元件構成。所謂靜止是相對傳統(tǒng)的旋轉式調相機而言的。其顯著特點在于快速、平滑地調節(jié)容性和感性無功功率，實現(xiàn)動態(tài)補償。常用于防止配電網(wǎng)中部分沖擊性負荷引起的電壓波動干擾、重負荷突然投切造成的無功功率強烈變化，以及用于平衡三相之間的波動性不對稱負荷和控制用電線路的功率因數(shù)等，用以增強系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和輸電能力。
靜止無功補償器有兩種基本類型：晶閘管可控電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC），下面分別介紹這兩種裝置的原理。
�、倬чl管可控電抗器（TCR）。它是模擬無級調節(jié)電抗器的一種新型無功補償器。由于其工作方式的特殊與先進，因此它所吸取的感性無功功率可以快速、平滑調節(jié)。根據(jù)電力系統(tǒng)的運行的條件，系統(tǒng)可能需要感性無功功率也可能需要容性無功功率，為了實現(xiàn)這個運行特點有必要在TCR兩端并聯(lián)電容器組，以滿足系統(tǒng)運行要求。
晶閘管可控電抗器的基本原理圖如圖(a)所示，其中，電抗器通過反并聯(lián)晶閘管構成的雙向開關（或三端雙向晶閘管）與交流電源相連接�！ �
在晶閘管控制的電感電路中，由于電感的儲能作用，晶閘管一旦導通，只有回路電流過零時才能關斷。延遲關斷的時間不僅與觸發(fā)角有關，還與電源電壓和回路電流間的相位角有關[1]。因此，對于雙向開關來說，當其中一個晶閘管尚未關斷時，不可能觸發(fā)另一晶閘管導通。晶閘管可控電抗器通過改變其觸發(fā)延遲角（π/2＜α＜π）即可控制回路中的電流，起到可變電感的作用，使所吸取的感性無功功率在零（對應α＝π）到最大值（對應α＝π/2）間快速、平滑調節(jié)。
�、诰чl管投切電容器（TSC）。在目前廣泛應用的電力電子無功補償技術中，除了常見的晶閘管可控電抗器方式外，還有一種常見方式就是晶閘管投切電容器無功補償裝置。TSC的基本電路配置如圖（b）所示，可以看到它利用反并聯(lián)晶閘管構成的雙向開關分別將3～4組電容器投切到交流系統(tǒng)母線上的一種無功補償裝置。與利用相控方式改變電抗器的有效電感量不同，TSC采用整數(shù)半波控制（即過零觸發(fā)）方式來控制某組電容器全投入（或全切除）。這種補償方式實際上是用可快速通斷的晶閘管代替了金屬接觸器開關，以克服投切電容器時響應速度慢的缺點[2]。
顯然，若閉鎖雙向開關中兩個晶閘管的門控觸發(fā)脈沖，則電容器組被切除。在晶閘管控制的純電容器電路中，當回路的電流在過零的瞬間被阻斷時，對應電容兩端的電壓等于所連接交流母線上的電壓最大值，其極性由晶閘管門控觸發(fā)脈沖閉鎖的時刻來決定。當要投入電容器組時，為避免較大的合閘涌流，晶閘管必須恰好在交流電壓最大值的瞬間觸發(fā)導通。這種控制方式常稱為零電流開關觸發(fā)。為了限制投入電容器組時可能出現(xiàn)的過電流，我們采取在線路中加入串聯(lián)電抗器，用以限制操作過電流。
電力系統(tǒng)靜止無功補償（SVC）的結構形式，除以上兩種基本類型外，在實際應用中更多采用組合型的靜止補償電路。如用固定電容與可變電感并聯(lián)構成的FC-TCR型和FC-DCMSR（直流勵磁飽和電抗器）型靜補裝置，以及用兩種基本類型混合構成的TSC＋TCR型混合補償器等。它們的特點是可以實現(xiàn)無功功率的大小和方向全特性補償，補償精度高，穩(wěn)態(tài)空載下的輸出損耗小，但是存在著造價昂貴的缺點。
2.2靜止無功發(fā)生器(SVG)
上面介紹的靜止無功補償器電路都離不開大容量儲能元件，這是利用電感和電容能夠儲存和交換電能的特點向系統(tǒng)提供所需無功功率的補償原理所決定的。通常電感器和電容器的容量分別要按最大補償容量來選取，由于這些大容量儲能元件固有的時滯影響，使他們不可能作到瞬時無功控制。另一方面，晶閘管控制投切電容器組的補償容量受到安裝點電壓變化的制約（與安裝點電壓平方成正比）。當電網(wǎng)無功功率不足引起電壓下降時，由于電容器提供的無功功率反而減少，導致母線電壓進一步降低。另外，傳統(tǒng)的無功功率的定義和概念，只限于處理系統(tǒng)運行參數(shù)是正弦周期的情況，對功率急劇變化所出現(xiàn)的瞬變或隨機變化的非周期現(xiàn)象已不能適應。
但是新型電力電子技術，如開關型逆變器，以及瞬時無功功率的概念和補償原理，在儲能元件容量很小條件下（約為計算補償容量的10％左右）可解決以上各種問題，實現(xiàn)瞬時無功補償。這種新型補償器被稱為靜止無功功率發(fā)生器（SVG）。
SVG基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)卣{節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)補償?shù)哪康腫3]。SVG根據(jù)直流側采用電容和電感兩種不同的儲能元件，可以分為電壓型和電流型兩種。由于運行效率的原因，目前大都選用電壓型橋式結構，見圖（c）。電路的主要結構為三相PWM強迫換流的電壓型變流電路(VSI)；變流器通過三個進線電抗與電網(wǎng)連接，可以濾除電流中的較高次的諧波；直流側是儲能電容C，用以和交流側交換能量，并濾除VSI輸入電流紋波。
SVG工作時是通過開關的通斷將直流側的電壓轉換成與網(wǎng)側同頻率的電壓，故將其等效為一個交流電壓源，其幅值和相位都可以控制。以單相工作原理為例，將連接電抗和變流器本身的損耗視為連接電抗的總體電阻R考慮，等效電路如圖（d）所示。
以電網(wǎng)電壓相位為基準相位，由于不考慮SVG的阻抗，根據(jù)要吸收或發(fā)出無功的不同，電流的相位或超前或滯后電壓的相位90o;由于連接電抗的阻抗，電網(wǎng)電壓與電流的相差不再是90o的關系，而是比90o小了δ角，此時電網(wǎng)向系統(tǒng)提供了一定的有功能量，按一般理解我們把它認為是電路的損耗。從電壓的矢量三角形中可以看出(圖（e）所示)，控制SVG交流側的電壓及它相對于的相位，就可以控制電抗上的電壓，從而控制電流，進而控制SVG系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收無功的性質和大小[4]。
根據(jù)以上所述與SVC裝置相比較而言，SVG裝置不需要大容量的電容器等儲能元件，只需要維持直流側電壓的較小容量的電容器，大大減小了裝置的體積；而且調節(jié)速度更快，運行范圍更寬；在采用橋式多重化整流技術和PWM控制技術后，則可以大大減少補償電流中的諧波含量。所以，SVG具有優(yōu)越的性能，是新世紀的環(huán)保節(jié)能型產品，它代表動態(tài)無功補償裝置的發(fā)展方向。
三、結束語
總之，本文介紹的SVC和SVG二種無功補償技術都具有補償精度高和較優(yōu)越的性能，是環(huán)保節(jié)能產品，具有廣闊的應用前景。
【參考文獻】
[1]張一工、肖湘寧，現(xiàn)代電力電子技術原理及應用[M].科學出版社，2006.04；
[2]粟時平、劉桂英，靜止無功功率補償技術[M]，北京：中國電力出版社，2006，03；
[3]羅安編，電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術及裝備[M]，北京：中國電力出版社，2006.07；
[4]李景祿,實用配電網(wǎng)技術[M].河北：中國水利水電出版社，2003.06。
