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靜止無功補償器在電力系統中的作用

知識百科

 靜止無功補償器（SVC ， static var compensator）是并聯靜止元件發生或吸收無功功率 ， 其輸出被控制變化以維持或控制電力系統規定的參數 。 靜止無功補償器包括功發生器和吸收器 ， 以及相應的控制器 ， 可以提供給電力系統容性或感性電流 ， 如圖1所示 。 靜止無功系統（SVS ， static var system）是包含靜態和機械投切 ， 且相互配合的無功補償器的聯合體 。 無功補償系統（VCS ， var compensator system）是指相互配合的靜態無功補償器和旋轉無功補償器的聯合體 。 SVC典型的電壓電流特性如圖2所示 ， 在它的容量范圍內SVC吸收或產生無功以維持電壓的恒定 ， 這個特性相當于理想電壓源Uref與系統電壓U在連結點處同相位 ， 或一個由電壓控制的電納在同一連結點上 ， 如圖2的（b）和（c） 。 這樣靜止無功補償器的作用就像一臺同步調相機 ， 但它沒有慣性 ， 并且它的響應速度要比調相機快的多 。
2〓靜止無功補償器在電力系統的作用
2.1〓電壓控制
如果電力系統的短路容量水平低或線路較長 ， 電壓將嚴重地受到負荷變化的影響 。 在重載下 ， 電壓將大幅度下降甚至系統垮臺 。 電壓下降如引起低電壓保護動作 ， 就會導致許多負荷停電 。 然而在輕載時 ， 系統電容過補償 ， 同步發電機短時間過激 ， 引起變壓器飽和 ， 它將產生過多的諧波 ， 如有可能會與電容器組、輸電線路等發生鐵磁諧振 ， 這可能使避雷器動作和損壞、電容器和電動機因諧波而過熱、用戶設備損壞 。 如果在系統上安裝靜止無功補償器 ， 在它的額定容量范圍內 ， 將維持負荷電壓在設計的限度內 ， 若SVC的容量無限大 ， 則在任何負荷下維持母線電壓為恒壓 ， 如圖3所示 。
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2.2〓負載平衡
不對稱或單相負荷將使電壓不對稱 ， 引起系統設備過載 ， 旋轉機產生附加損耗 ， 加上合適的靜止無功補償器可以達到以下目的：
（1）負載及電壓平衡；
（2）較正功率因數 。
對于不斷變化的負荷例如電弧爐、電氣化鐵路等 ， 采取各相獨立調整的SVC可以解決不對稱負載平衡化的問題 。 假定在某一時刻 ， 負載的導納（Gab+jBab）、（Gbc+jBbc）、（Gca+jBca） ， 按復功率關系p-jQ=U2（G+jB） ， 于是 ， 為了平衡 ， 各相所需無功并聯導納由下式確定：
B■■=-B■+（G■-G■）/■（1）           
B■■=-B■+（G■-G■）/■（2）           
B■■=B■+（G■-G■）/■（3）           
其中：-B■■、-B■■、-B■■項提供負荷的無功補償 ， 而（G■-G■）/■、（G■-G■）/■、（G■-G■）/■項則提供相—相間有功負荷的平衡 ， 最后計算得相—相間負荷等于：
G=（G■+G■+G■）/■（4）           
舉例說明：如在a、b相之間有一單相有功負荷 ， 即Gab≠0 ， Gbc=Gca=0 ， Bab=Bbc=Bca=0 ， 根據式（1）、式（2）、式（3）可得：
B■■=0
B■■=-B■■=G■■/■
這就是說 ， 要將單相負荷平衡到三相 ， 需要在b、c相間加電容器 ， a、c相間加電抗器 。
2.3〓增加系統阻尼
在電力系統中由于系統故障、負荷突降等所引起的大擾動相對較少 ， 而正常負荷變化和運行操作所引起的小擾動則要頻繁得多 。 此類擾動引電機機械振蕩 ， 它們通常由發電機轉子阻尼電路和與發電機勵磁系統在一起的電力系統穩定器所阻尼 。 此種振蕩的阻尼依賴于輸電系統設計、發電機勵磁控制、發電機設計和系統負荷特性 ， 但是阻尼如太小就會導致持續電壓和功率搖擺 ， 甚至發電機之間失去同步 。 如果在系統中安裝可以連續控制的快速反應靜止無功補償器SVC ， 以引入SVC中合適的電氣參數 ， 可以改變阻尼特性 ， 增加系統阻尼 ， 維持系統穩定 。
2.4〓增加功率傳輸能力
電力系統傳輸功率容量一般受到運行電壓和系統間轉移電抗的限制 ， 對單機無窮大系統模型 ， 功率表示為：
    ■=sinδ（5）           
    Pm=■（6）           
式中  P——傳輸的有功功率；
  Pm——傳輸的最大有功功率；
  δ——首端與尾端電機內部電壓之間的角度；
  E——首端電壓和尾端電壓的幅值；
  X——等值互聯電抗 ， 其中包括發電機和變壓器漏抗、輸電線的電抗 。
當δ=90°時 ， 最大有功功率Pm值達到最大 ， 即Pm=P 。
如在輸電線路上安裝SVC ， 由于SVC在連結點支撐電壓的能力而使輸電容量增加 ， 當一定容量的SVC應用到互連電抗的中點時 ， 則傳輸容量為：
    ■=2sin■（7）           
這就是說理論上穩態極限現在達到180° ， 即最大傳輸功率增加一倍 。
3〓工程應用
2004年11月 ， 由中國電力科學研究院開發制造的靜止無功補償器在鞍山紅一變投入運行 。 此項工程是國家“十五”重大技術裝備研制項目 ， 是我國自主研發的SVC第一次在電網上應用 。
鞍山紅一變為東北電網樞紐變電站 ， 原有一臺額定容量為60Mvar的調相機 ， 由于設備陳舊 ， 僅能發出20Mvar無功功率 ， 動態無功支撐能力低 ， 系統電壓水平低 ， 網損大；紅一變二次66kV系統帶鞍負和鞍山的主要負荷為沖擊性負荷 ， 對系統電壓造成影響 ， 使變電站主變過載 。 該工程以具有快速調節能力的靜止無功補償器SVC替代原有調相機 ， 實現了對電網的動態無功調節 ， 穩定了電網電壓 ， 并抑制沖擊負荷和諧波對電網的影響 。 整套SVC裝置和各濾波支路全部直接掛接在33kV母線 ， 其中SVC額客容量80MVA ， 濾波器總安徽容量12Mvar；濾波器共設置6個支路 ， 包括兩個3次、兩個5次、兩個7次單調諧濾波器 。 該工程投運后 ， 每年降低網損18000MW ， 計節約人民幣720萬元 ， 同時節省了100萬元設備維護費用 。 表1是在66kV母線上分別對SVC投入前后的相關電氣參數進行的測量結果對比 。
表1  SVC投入前后的結果對比
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從表1可明顯看出 ， 投入SVC后 ， 系統母線電壓得到有力提升 ， 三相電壓更加穩定 ， 功率因素也有了一定的提高 。
4  結論
【靜止無功補償器在電力系統中的作用】靜止無功補償器接入電網可完成不同的功能 ， 利用它提供的經濟、快速和連續的無功控制 ， 比傳統的系統方法更為有效 ， 可以維持系統電壓、平衡三相負荷、增加已有輸電系統的輸電容量、系統暫態穩定極限 。 此外 ， SVC在阻尼次同步諧振、降低暫態過電壓方面也有一定的作用 。