摘要：合理的无功功率抵偿对于对输配电系统很是重要。无功抵偿装配已由同步伐相机、并联电容器成长到基于年夜功率电力电子器件的静止抵偿装配。文章在描写动态无功抵偿技术在国内外运用现状的同时，具体介绍了SVC及STATCOM的基来源根基理、功能和它们在输电网、配电网、年夜型工矿企的具体运用，并对两者的技术经济性能做了详实的比力。
关头词：动态无功抵偿；SVC；STATCOM；电压稳定；运用
中图分类号：TM
0概述
电能通常为指电压或电流的幅值、频率、波形等参距划定值的误差。历史上，电力系统中许多机电装备都能在上述参相对较年夜的变化范围内正常地工作。可是在近5～10年，随着高新技术尤其是信息技术的飞速成长，基于计较机、微处置器控制的用电装备和电力电子装备在系统中年夜投进使用，他们对系统干扰比机电装备加倍敏感，是以对供电的要求也更高。一旦泛起电能问题，轻则造成装备故障或停运，重则造成整个系统的损坏，由此带来的损失是难以估的。另外一方面，年夜为提高生产效率、勤俭能源和减小情况污染而采用的基于电力电子技术的现代化装备正成为发生电能问题的主要来历。以电气化铁路机车牵引式负荷为例，他属于整流负荷，是典型的谐波源；他采用工频单相式交流供电，又是典型的负序源；同时他又具有波动性和不肯定性，是典型的电压波动源和闪变源。普通用户中年夜使用的开关式电源，公共照明系统中荧光照明负荷正逐渐成为配电系统中主要的谐波源和波动源。可以说，在这些新技术成功解决现实生活情况中的污染问题的同时，如不加防范则会造成电力系统中新的污染问题。是以，现代社会的电能问题具有一系列新的特点。
1.1 负荷侧对电能的污染呈增加趋向
多年来电能问题主要来历于系统侧，包括系统正常运行状态改变，如电源投进、有计划的无功抵偿电容器组的投进/切除、年夜型电念头启动等；非正常的系统状态改变如系统元件故障，人员误操作等将给系统带来较年夜的冲击；自然情况中的雷击、年夜风和雨雪天气也会造成响应的电能问题。而近年来，用户端年夜非线性负荷的运用正成为电能恶化的重要身分。例如从低压小容家用电器到高压年夜容的工交直流变换装配中存在的各类静止变流器，它是以开关方式工作的，会引发电网电流、电压波形的畸变。年夜型电弧式装备，如电弧熔炉，弧焊装备等，同样成为重要的冲击源和谐波源。一个值得注重的问题是为了削减重要装备对电能问题的敏感度，装备制造商起劲进行装备的升级和改良，用户则采用各类庇护性装配，而这些改良措施和庇护装配经常顾此失彼，对公共供电的电能造成更年夜的风险。一些信息装备和公用装备的谐波含[1]见表1。
1.2 电能问题的内在发生了较年夜改变
交流输电功率包括有功功率和无功功率。在有功功率不变的情况下，无功功率越年夜就会使功率因数下降，视在功率增年夜，从而需要增年夜发、输、配电装备的容，增加投资和电力消耗费用；使输电线路电压降变年夜，晦气于有功电力的输送与合理运用。但若是无功储蓄不足将会致使电网电压水平下降，冲击性的无功功率负载还会使电压发生剧烈的波动，恶化电网的供电。对于给定的有功散布，要想使无功潮水小以削减系统的消耗，就要求对无功功率的流向与转移进行很好的控制。
随着电网的不竭成长，对无功功率进行控制与抵偿的重要性与日俱增：①输电网络对运行效率的要求日益提高，为了有用哄骗输变电容，应对无功进行就地抵偿；②电源（尤其水电）远离负荷中心，远距离的输电需要灵活调控无功以支持解决稳定性及电压控制问题；③配电网中存在年夜的电感性负载，在运行中消耗年夜无功，使得配电系统消耗年夜年夜增加；④直流输电系统要求在换流器的交流侧进行无功控制；⑤用户对于供电电能的要求日益提高。是以，对电网的无功进行就地抵偿，尤其是动态抵偿，在输配电系统中十分需要。
1无功抵偿装配的成长
电力系统中，常见的无功控制方式有同步发机电、同步电念头、同步伐相机、并联电容器和静止无功抵偿装配等，这里主要计议静止无功抵偿装配。
静止无功抵偿技术履历了3代：第1代为机械式投切的无源抵偿装配，属于慢速无功抵偿装配，在电力系统中运用较早，今朝也仍在运用；第2代为晶闸管投切的静止无功抵偿器（SVC），属无源、快速动态无功抵偿装配，泛起于20世纪70年月，国外运用普遍，我国今朝有一定运用，主要用于配电系统中，输电网中运用很少；第3代为基于电压源换流器的静止同步抵偿器（StaticsynchronousCompensator，STATCOM），亦称ASVG，属快速的动态无功抵偿装配，国外从20世纪80年月起头研究，90年月末获得较普遍的运用，我国的STATCOM示范运用工程在河南省。
早期的无功抵偿装配主要是无源装配，方式是在系统母线上并联或在线路中串联一定容的电容器或电抗器。这些抵偿措施改变了网络参数，出格是改变了波阻抗、电气距离和系统母线上的输进阻抗。无源装配使用机械开关，它不具有快速性、频频性、接连性的特点，因而不能实现短时纠正电压升高或降落的功能。
20世纪70年月以来，以晶闸管控制的电抗器（TCR）、晶闸管投切的电容器（TSC）和两者的夹杂装配（TCR TSC）等主要形式组成的静止无功抵偿器（SVC）获得快速成长。SVC可以看成是电纳值能调理的无功元件，它依靠电力电子器件开关来实现无功调理。SVC作为系统抵偿时可以接连调理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用的抵偿，可是由于换流元件关断不成控，因而容易发生较年夜的谐波电流，而且其对电网电压波动的调理能力不够理想。随着年夜功率全控型电力电子器件GTO、IGBT及IGCT的泛起，出格是相控技术、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获得快速成长，以此为根蒂根基的无功抵偿技术也得以迅速成长。静止同步抵偿器，作为FACTS家族重要的成员，在美国、德国、日本、中国相继获得成功运用。电压型的STATCOM直流侧采用直流电容为储能元件，经由过程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。当只斟酌基波频率时，STATCOM可以看成一个与电网同频率的交流电压源经由过程电抗器联到电网上。由于STATCOM直流侧电容仅起电压支持作用，所以相对SVC中的电容容要小得多。此外，STATCOM和SVC相比还拥有调理速度更快、调理范围更广、欠压条件下的无功调理能力更强的点，同时谐波含和占地面积都年夜年夜减小。 2国内外电网动态无功抵偿的现状
我国电网中今朝使用为普遍的抵偿装配是机械投切的并联电容器组。为知足调压要求，在低压供电网络中装设了年夜的并联电容器组，在中压配电网络中装设了少许的并联电容器组。20世纪70年月初，武汉钢铁公司在1.7cm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抵偿装配后，国内才对动态无功抵偿问题引发了重视。自20世纪80年月以来，我国对晶闸管控制的SVC投进了年夜研发气力，今朝已有了一定的技术根蒂根基，但高压年夜容产物仍主要依靠进口。
今朝，我国输电系统中一共有5地6套年夜容SVC投进使用，它们划分被装设在广东江门、湖南云田、湖北凤凰山（2套）、河南小刘和辽宁沙岭的500kV变电站中。此类SVC多为进口，其中有3套是ABB公司的产物。高电压品级下SVC面临的为严重的问题是电容器爆炸，如广东江门500kV变电站中SVC运行5年后并联电容器爆炸，湖南云田500kV变电站中SVC自1988年以来发生了4次电容器组爆炸事故。
在380V~10kV配电系统中，近年来主要采用无平滑调理功能的TSC实现分级无功抵偿。
SVC在年夜型工矿企中的运用较为普遍，在钢铁企中的运用尤其突出，武汉钢铁公司、包头钢铁公司、宝山钢铁公司、济南钢铁公司、张家港沙钢铁公司、天津钢管公司等均装有该抵偿装配。如济南钢铁公司中厚板厂二期工程在35kV母线上就安装了由西门子公司设计制造的一套容为25Mvar的SVC，2001年末带负荷一次投运成功。
1999年3月，我国台工化STATCOM在河南省洛阳市向阳变电站成功并网运行，标志着我国掌握了高压年夜容FACTS装备的设计制造技术。该STATCOM基于GTO器件，主电路焦点部门是电压型多重化逆变器，容为±20Mvar，由清华年夜学机电系柔性输配电系统研究所与河南省电力局联合研制。为了进行机理研究，事前还研制了1台300kvar中心工实验装配，于1995年8月并网闭环运行。今朝，清华年夜学机电系正和上海市电力局联合研制基于链式结构的±50MvarSTATCOM，它将运用于上海500kV电网中。
从范围来说，今朝SVC与STATCOM都已获得普遍的运用。SVC泛起早，运用时间长，仅ABB公司，其今朝在投运的SVC就已跨越370套，ABB与西门子两个公司已安装的SVC总容约为9万Mvar（包括已退役装配）。STATCOM装配在20世纪主要以示范工程为主，从上世纪90年月末到本世纪初，STATCOM在日本及欧美获得了普遍运用，尤其是在冶金、铁道等需要快速动态无功抵偿的场所。 2001~2003年，美国在输电网接连投运了百Mvar级的年夜容STATCOM，讲明STATCOM在输电网中已完全进进实用阶段。由于都是基于电压源换流器技术，这些STATCOM装配仅经由过程改变母线接线方式，就能够酿成背靠背的直流输电，能对电网的潮水进行更有用的控制。据ABB公司2001的统计，今朝SVC的投运容跨越32000Mvar，STATCOM的投运容已跨越1500Mvar。 3动态无功抵偿装配的工作原理及其在输电网中的运用
3.1SVC的工作原理及在电网中运用
TCR TSC型SVC的基本拓扑结构见图1。它由1台TCR、2台TSC和2个无源滤波器组成，在现实系统中，TSC及无源滤波的组数可凭据需要设置。 TCR的工作原理是经由过程控制与相控电抗器毗连的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效电纳的年夜小，从而输出接连可变的无功功率。图1中两个晶闸管划分依照单相半波交流开关运行，经由过程改变控制角α可以改变电感中经由过程的电流。α的计以电压过零点为基准，α在90o～180o之间可部门导通，导通角增年夜则电流基波份减小，等价于用增年夜电抗器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90o～180o之间接连调理时电流也从额定到0接连变化，TCR提供的抵偿电流中含有谐波份。
TSC的工作原理是凭据负载感性无功功率的变化经由过程反并联晶闸管对来切除或投进电容器。这里，晶闸管只是作为投切开关，而不像TCR中的晶闸管起相控作用。在现实系统中，每一个电容器组都要串联一个阻尼电抗器，以下降非正常运行状态下发生的对晶闸管的冲击电流值，同时避免与系统发生谐振。用晶闸管投切电容器组时，凡是拔取系统电压峰值时或过零点时作为投切动作的需要条件。由于TSC中的电容器只是在两个极真个电流值之间切换，是以它不会发生谐波，但它对无功功率的抵偿是阶跃的。
TCR和TSC组合后的运行原理为：当系统电压低于设定的运行电压时，凭据需要抵偿的无功投进适当组数的电容器组，并略有一点正误差（过抵偿），此时再哄骗TCR调理输出的感性无功功率来抵消这部门过抵偿容性无功；当系统电压高于设定电压时，则切除所有电容器组，只留有TCR运行。图2给出了该控制方式下稳定系统电压时采用的控制框图，控制器所需旌旗灯号为系统线电压和线电流。若是用于抵偿系统无功功率或校正系统功率因数，只需将电压设定值改成响应的无功设定值或功率因数设定值即可。控制纪律采用可变参数的PI调理器，其算法简单、靠得住，而且易实现。
SVC运用于电力系统中对系统发生的影响有：①增强系统的暂态稳定性。SVC安装于中长距离输电线路中点可以改善系统的暂态稳定性，其P—δ特征曲线给故障后机电提供的减速面积和暂态裕比没有抵偿的情况下要年夜。②有力的支持系统电压，避免电压解体。系统发生故障或负荷电流（尤其是无功电流）急剧增高的瞬间，SVC能够对系统进行瞬时无功抵偿来支持电压以抑制电压解体的趋向。③有用的阻尼系统振荡。TCR可以用极高的速度平滑地调理无功和电压，具有调制状态工作的可能。它可以在一个与工频50Hz分歧的频率下作适当浮动，若是浮动与系统摇摆或振荡频率不异而相位相反，就能够增年夜系统的阻尼而抑制振荡。④抵偿不服衡负荷。负荷不服衡时，SVC不服衡控制策略可以抵偿系统使供电电流酿成三相平衡，能够使单相负荷酿成三相平衡负荷而没有无功份。⑤抑制负荷侧电压波动和闪变，校正功率因数。SVC也有其自身的弱点，它是阻抗型抵偿，随着电压的下降其无功输出也会与电压成平方关系下降，若采用基于电压源逆变器的STATCOM将会取得更好的效果。
3.2STATCOM的工作原理及在电网中运用 我国研制成功的±20MvarSTATCOM的整体组成框图见图3。它主要由直流电压源（凡是以直流电容取代）、基于GTO的逆变器和毗连变压器3部门组成。以二极管组成的整流桥从交流系统吸收少许有功功率对直流电容C充电，连结其电压稳定。控制器凭据电网无功变化情况，经由过程6个全控型开关器件组成的三相逆变器向系统输进感性或容性无功。STATCOM向系统注进的无功Q为 式中，VS为系统电压；RS为逆变桥等效电阻；δ为SVG输出电压与VS的夹角。
由公式可知，经由过程调理δ的年夜小，就能够控制STATCOM注进系统的无功功率。由于RS很小，所以调理范围很是年夜。若是多台STATCOM并联移相输出，则既可提升抵偿容，又能抑制装配自己的谐波电流。
STATCOM在控制策略上与SVC的区分在于：在SVC装配中,由外闭环调理器输出的控制旌旗灯号用作SVC等效电纳的参考值，以此旌旗灯号来控制SVC调理到所需的等效电纳。而在STATCOM中,外闭环调理器输出的控制旌旗灯号则被视为抵偿器应发生的无功电流（或无功功率）的参考值，然后由参考值调理STATCOM来发生所需无功电流。其具体控制方式可分为间接控制和直接控制两年夜类，STATCOM采用电流直接控制方式的响应速度和控制精度比间接控制法有很年夜的提高。
STATCOM在输电系统中的作为无功抵偿装配用时，除具有SVC的所有秀性能外，运行范围更宽，且输出无功电流不受系统电压影响。采用多重化技术的STATCOM，谐波含少，不需要滤波器，能够有力的提高系统的暂态性能。
3.3STATCOM及SVC运用于输电网的仿真研究
STATCOM和SVC运用于年夜规模输电网中以增强动态无功抵偿、改善电网结尾或年夜负荷中心电压稳定性和作为直流输电无功控制装备，已做了年夜的研究工作。近年来，由于经济的快速成长，我国形成了京津唐、长三角和珠三角3年夜负荷中心。这3个地域都具有远离电源、缺少足够的无功备用和空调负荷比例高等特点，是以，均有分歧水平的电压稳定问题。
凭据已有的仿真分析，北京电网在负荷突增时会泛起暂态电压失稳现象，需要在安宁、老君堂、西年夜看等地安装STATCOM（或SVC）以避免电压解体。上海的黄渡分区内150Mvar调相机退出运行后，只有一个12MW的小火电接进，而且这里将是三峡直流的落点，若发生故障将会泛起严重的电压失稳，需要安装STATCOM提供快速的无功支持，今朝正在研制的50MvarSTATCOM将在这里投进使用。广东电网是拥有多直流的交直流混联系统，直漂泊点自己需要年夜的无功支持，STATCOM无疑是好的选择；同时在直流退出运行的情况下，需要在交流长输电线路中点贺州安装STATCOM以提升线路传输极限，维持电压稳定；此外，负荷突增情况下，弱受端系统会泛起延续的电压跌落，选择合适的地址安装STATCOM可以增强系统的电压维持能力。
4动态无功抵偿装配在配电网及年夜型工矿企的运用
4.1SVC在配电网和工矿企的运用
无功传输对配电网的影响，一是会致使电力用户电压水平的恶化，二是会造成线损的上升。为了下降无功传输带来的晦气影响，可以在配电网无功负荷集中处安装一定容的SVC，由SVC向负荷点就近提供无功功率，以削减系统流进的Q，这样不仅可以使网络发生的压降△U变小，同时也可以使网络的线损△A减小。当在配电网络中并进容为Qb的SVC以后，网络的压降和线损为
由以上两式可见，Qb增年夜，压降△U就会变小，即降损的效果就会增年夜；当Qb=Q时，由无功传输带来的压降损失和线损为0，其改善电压和降损的效果到达好；若是Qb>Q，则会泛起无功倒流进系统的情况，这时候压降损失反而会增年夜，降损的效果也会慢慢起头恶化。所以，配网侧SVC在一定条件下不仅可以改善配网用户的电压，同时还可以降损节电。
4.2DSTATCOM基来源根基理及运用
在配电网中，将中小容的STATCOM安装在某些特殊负荷（如电弧炉）四周，可以显著地改善负荷与公共电网毗连点处的电能，如提高功率因数、克服三相不服衡、消除电压闪变和电压波动、抑止谐波污染等。这类在配电网中用来提高电能的STATCOM一般称为（请给出DSTATCOM的中文名称）（DistributionSTATCOM，DSTATCOM）。
和高压年夜容STATCOM类似，DSTATCOM的基来源根基理是将自换相桥式电路经由过程电抗器并联在电网上或直接并联在电网上,适当地调理桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或直接控制其交流侧电流就能够使该电路吸收或发出知足要求的无功电流,实现动态无功抵偿的目的。
DSTATCOM主要运用在经济效益受电能影响较年夜的工矿企，如钢铁、冶金、矿山、电气化铁路、风电厂和其他具有或靠近冲击性负荷和年夜容电念头的工领域。DSTATCOM能够有用改善配电网的电能，可觉得配电网中的厂矿用户带来可观的经济效益。以瑞典UddeholmTooling钢铁公司的DSTATCOM项目为例，该钢厂有1台电弧炉和1台精炼炉，额定功率共37.5MVA，2座电炉均由132kV线路经由过程132/10.5kV变压器供电。在其10.5kV供电母线上安装了1套 22MVA的DSTATCOM装备后，钢厂的各项指标发生了下列变化：①功率因数高于0.95，避免了电力部门的罚款。②冶炼时间从124min/炉降至106min/炉，缩短了18min/炉，即14.5。③电极消耗从2.39kg/t降至2.12kg/t，削减了0.2kg/t，即8.4。④耗电从625kWh/t降至600kWh/t，削减了25kWh/t，即4。⑤电压闪变削减3~5倍。⑥融化期时，DSTATCOM投运前10kV母线电压在9.7~10.8kV之间波动，波动幅度为1.1kV,即10.5，而投运后，电压为10.4kV，波动幅度在0.1kV之内,即0.95。按今朝生产资料价格、电价和年产计较，安装DSTATCOM后，该钢厂每一年因节能降耗和增产所缔造经济效益的总和有逾万万元人平易近币。
5STATCOM与SVC的技术经济比力
STATCOM（包括DSTATCOM）和SVC都为动态无功抵偿装配，但它们的特征功能却存在着相当的差异。一般说来，STATCOM和SVC相比有下列越性：
（1）STATCOM输出电流不依赖于电压，浮现为恒流源特征，具有更宽的运行范围。而SVC本是阻抗型抵偿，输出电流和电压成线性关系。是以系统电压变低时，同容STATCOM可以比SVC提供更年夜的抵偿容。
（2）STATCOM比SVC具有更快的响应速度，因而更适合抑制电压闪变。STATCOM响应时间在10ms之内，而SVC响应时间一般在20~40ms。STATCOM从额定容性无功功率变为额定感性无功功率(或相反)可在1ms之内完成，这类响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的抵偿。
（3）STATCOM采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次谐波减小到可以接受的水平。而SVC自己要发生一定的谐波，如TCR型的5、7次特征次谐波比力年夜，占基波值的5~8；其他如SR，TCT等也发生3、5、7、11等次的高次谐波，这给SVC系统的滤波器设计带来许多坚苦 4）在故障条件下，STATCOM比SVC具有更好的控制稳定性。SVC使用了年夜电容器电抗器，当外部系统容与抵偿装配的容可比时，SVC会发生不稳定性。STATCOM对外部系统运行条件和结构变化不敏感。
（5）同容STATCOM占地面积小于SVC。由于STATCOM使用直流电容器储能，因而可以减小电容器体积，且不需要并联电抗器即可以控制无功功率平滑变化，是以安装尺寸年夜年夜减小。
（6）STATCOM能够在一定范围内提供有功功率，削减有功功率冲击。SVC只能提供无功功率，不具有提供有功功率的功能。
（7）STATCOM中电容、电感等元件采用了与SVC完全分歧的技术和建造工艺，运行进程中电磁噪声显著下降。
（8）STATCOM具有良的可扩大性。STATCOM技术为许多FACTS装备如UPFC、APF、BESS等提供了坚实的根蒂根基，是以拥有广漠的运用前景。
一般仿真研究讲明，暂态稳定问题中为使得电压恢复效果不异，安装STATCOM容要比SVC勤俭20左右。但SVC成长历史相对STATCOM来说要久远，是以其技术实现比力成熟，同时它还具有结构简单、控制算法容易实现、成本较低的势，在一些对无功抵偿性能要求不高的场所，SVC依然是一个合适的选择；此外，SVC具有多种拓扑组合，可以凭据用户需求选择响应的组合。运用 STATCOM取代SVC中的TCR，与TSC形成的组合也是一种可选的经济方案，该组合综合了STATCOM快速性、谐波含低、正负无功平滑调理和TSC的经济性、分级抵偿的特点。 6竣事语 动态无功抵偿装配SVC、STATCOM及DSTATCOM等在输电网、配电网、年夜型工矿企中运用普遍，起到了电压支持、无功抵偿、抑制闪变等关头作用。随着技术的成长和电网平安和电力用户的需要，动态无功抵偿装配将会获得更为普遍的运用，且运用的方式也将随着使用处合的分歧而灵活采用分歧的无功抵偿方式，或同时综合运用多种无功抵偿技术。
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