SVG动态无功补偿装置原理1

SVG动态无功补偿装置原理1 许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的,如配电变压器、电动机等,它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率,因此,所谓的"无功"并不是"无用"的电功率,只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已,因此在供用电系统中除了需要有功电源外,还需要无功电源,两者缺一不可。无功功率单位为乏(var)。 SVG的工作原理与同类产品比较 一、SVG的工作原理 SVG的基本原理是，将电压源型逆变器，经过电抗器并联在电网上。电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分，其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成。 工作中，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，因此，整个装置相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实事高高率因数运行。 上图为SVG原理图，将系统看作一个电压源，SVG可以看作一个可控电压源，连接电抗器或者可以等效成一个线形阻抗元件。表1给出了SVG三种运行模式的原理说明。表 SVG的三种运行模式运行模式波形和相量图 说 明 空载运行模式 UI = Us，IL = 0，SVG不吸发无功。 UI > Us，IL为超前的电流，其 容性运行模式 幅值可以通过调节UI来连续控制，从而连续调节SVG发出的无功。 UI < Us，IL为滞后的电流。此时SVG吸收的无功可以连续控制。 感性运行模式 SVG可以补偿基波无功电流，也可同时对谐波电流进行补偿，在中低压动态无功补偿与谐波治理领域得到广泛应用。 二、SVG与TCR/MCR的优势 SVG的核心技术是基于可关断电力电子器件IGBT(绝缘栅型双极晶体管，可实现快速的导通/关断控制，开关频率可达到3500Hz以上)的电压源型逆变技术。SVG也被称为“静止调相机”，它可以快速、连续、平滑地调节输出无功，且可实现无功的感性与容性双相调节。在构成上，TCR是通过斩波控制，实现电抗器的等值阻抗调节;MCR是通过可控硅励磁装置控制铁心饱和度，从而改变等效电抗的装置，两者都属于阻 抗型补偿装置;SVG是通过逆变器的控制实现无功的快速调节，不再需要大容量的交流电容/电抗器件，是属于电源型的主动式补偿装置。与相控电抗器TCR和磁阀控制电抗器MCR相比，SVG的具有明显性能优势: (1) SVG能耗小，相同调节范围下，SVG的损耗只有MCR的1/4，TCR的1/2，运行费用低，更节能环保; (2) SVG是电流源型装置，主动式跟踪补偿系统所需无功;从机理上避免了大容量电容/电抗元器件并联在电网中可能发生的谐振现象;在电网薄弱的末端使用，其安全性比阻抗型装置更高; (3) SVG的响应速度更快，整体装置的动态无功响应速度小于10ms，而TCR型SVC的响应时间约为20-40ms， MCR型无功补偿装置响应时间在200ms以上。相比之下，SVG实现了质的飞跃，首次将动态无功补偿的响应时间缩短到一个工频周期之内; (4) SVG中的谐波特性更好。TCR/MCR运行过程中都产生较大的谐波，尤其是TCR，最大谐波电流含量达到20%以上。而SVG自身不产生谐波，同时还能滤除系统谐波，保证运行安全性; (5) SVG采用模块化设计和户柜式安装，设计和安装工作量小; (6) TCR/MCR是阻抗型特性，输出无功容量和母线电压的平方成正比;SVG具有电流源的特性，输出容量和母线电压成线形关系。在母线电压偏低的情况下，SVG出力大，不产效果更好; 系统电压 图 MCR和SVG(STATCOM)补偿的电压电流特性 (7) SVG的噪音很小(45dB) ，更符合节能环保的设计理念。 与同类产品的比较分析汇总表 一(工作原理 STATCOM-的基本原理是利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT)组成自换相桥式，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 品采用基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方式，逆变主电路采用IGBT组成的H桥功率单元级联拓扑结构，并辅助以小容量储能元件。它由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压，这种逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，并且每个开关器件所承受的电压应力较小，不需要均压电路，可避免大dv/dt所导致的各种问。因此这种逆变器可称为“完美无谐波”变流器。 二(主要功能 ? 提高线路输电稳定性 在长距离输电线路上安装SVG装置，不但可以在正常运行状态下补偿线路的无功损耗，抬高线路电压，提高有效输电容量，而且可以在系统故障情况下提供及时的无功调节，阻尼系统振荡，提高输电系统稳定性。 ? 维持受电端电压，加强系统电压稳定性 对于负荷中心而言，由于负载容量大，又没有大型的无功电源 支撑，因此容易造成电网电压偏低甚至发生电压崩溃的稳定事故。而SVG具有快速的无功功率调节能力，可以维持负荷侧电压，提高负荷侧供电系统的电压稳定性。 ? 补偿系统无功功率，提高功率因数，降低线损，节能降耗 电力系统中的大量负荷，如异步电动机、电弧炉、轧机以及大容量的整流设备等，在运行中需要大量的无功;同时，输配电网络中的变压器、线路阻抗等也会产生一定的无功，导致系统功率因数降低。 对电力系统而言，负荷的低功率因数会增加供电线路的能量损耗和电压降落，降低了电压质量。同时，无功也会导致发电、输电、供电设备的利用率降低;对于电力用户而言，低功率因数会增加电费支出，加大生产成本。 ? 抑制电压波动和闪变 电压波动和闪变主要是负荷的急剧变化引起的。负荷的急剧变化会导致负荷电流产生对应的剧烈波动，剧烈波动的电流使系统电压损耗快速变化，从而引起受电端电网电压闪变。引起电压闪变的典型负荷有电弧炉、轧钢机、电力机车等。 SVG能够快速地提供变化的无功电流，以补偿负荷变化引起的电压波动和闪变现象。 目前，抑制电压波动和闪变的最佳是采用SVG。 ? 抑制三相不平衡 配电网中存在着大量的三相不平衡负载，典型的如电力机车牵 引负荷和交流电弧炉等。同时，线路、变压器等输配电设备三相阻抗的不平衡也会导致电压不平衡问题的产生。 SVG能够快速地补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供用电的电能质量。 三(应用领域 本公司研制的STATCOM广泛应用于石油化工、冶金、电力、煤炭、电气化铁路、风电厂以及其他具有或者靠近冲击性负荷和大容量电动机的工业领域，可以在节能降耗、提高电网安全性和稳定性、提高电网功率因数、改善电能质量等方面，发挥重要作用。 1(远距离输电 ? 稳定弱系统电压 ? 减少传输损耗 ? 增加传输能力，使现有电网发挥最大效率 ? 提高瞬变稳态极限 ? 增加小干扰下的阻尼 ? 增强电压控制及稳定性 ? 缓冲功率振荡 安装SVG系统也成为我国目前正在进行的并网运行提供了坚实的技术保障。 2(城市二级变电站 在区域电网中，一般采用分级投切电容器组的方式来补偿系统 无功，改善功率因数，这种方式只能向系统提供容性无功，并且不能随负载的变化而实现快速精确调节，在保证母线功率因数的同时，容易造成向系统倒送无功，抬高母线电压，危害用电设备及系统稳定性。SVG系统可以快速精确地进行容性及感性无功补偿，使SVG在稳定母线电压，提高功率因数的同时，彻底、方便地解决了无功倒送问题。并且，安装新的SVG系统时， 可以充分利用原有的固定电容器组和晶闸管相控电抗器(TCR)部分，用最少的投资取得最佳的效果，成为改善区域电网供电质量的最有效的方法。 3(电弧炉 电弧炉做为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网产生一系列不良影响，其中主要是: ? 导致电网严重三相不平衡，产生负序电流 ? 产生高次谐波，其中普遍存在如2、4次偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波共存 的状况，使电压畸变更趋复杂化 ? 存在严重能够的电压闪变 ? 功率因数低 4(轧机 轧机及其他工业对称负载在工作中所产生的无功冲击会对电网造成如下影响 ? 引起电网电压降及电压波动，严重时使电气设备不能正常 工作，降低了生产效率。 ? 使功率因数降低 ? 负载的传动装置中会产生有害高次谐波，主要是以5、7、11、13次为代表的奇次谐波及旁频，会使电网电压产生严重畸变。 安装SVG系统可以完美地解决上述问题，保持母线电压平稳，无谐波干扰。 5(电力机车供电 电力机车运输方式在保护环境的同时也对电网造成了严重“污染”，因电力机车为单相供电，这种单相负荷就造成了供电网的严重三相不平衡及较低的功率因数，并产生负序电流。 目前世界各国解决这一问题的唯一途径就是在铁路沿线适当位置安装SVG系统，通过SVG的分相快速补偿功能来平衡三相电网，并提高功率因数。SVG以其优异的性能价格比不仅从技术上而且从经济上完美地解决了这一问题。 6(提升机等重工业负荷 提升机等其他重工业负载在工作中会对电网产生如下影响; ? 引起电网电压降及电压波动 ? 功率因数低 ? 传动装置会产生有害高次谐波 安装SVG可以完美地解决上述问题 四(技术优势 STATCOM是目前最为先进的无功补偿装置，基于电压源型逆变器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。从技术上讲，STATCOM较传统的无功补偿装置有如下优势: (1)响应速度更快 STATCOM响应时间:?10ms。 传统静补装置响应时间: ?20ms。 STATCOM可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。 2)电压闪变抑制能力更强 SVC对电压闪变的抑制最大可达2:1，STATCOM对电压闪变的抑制可以达到5:1，甚至更高。SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。而STATCOM由于响应速度极快，****装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。 (3)运行范围更宽 STATCOM能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽很多。更重要的是，在系统电压变低时，STATCOM还能够输出与额定工况相近的无功电流。 (4)补偿功能多样化 本公司STATCOM不仅具有快速补偿系统无功功率的目的，还能够根据用户实际需要，对负荷谐波电流、负序电流等电能质量问题进行综合补偿。 (5)谐波含量低 本公司STATCOM采用了载波移相PWM技术和功率单元级联多电平技术，自身产生的谐波含量极低，装置输出侧无需滤波器。 (6)占地面积小 由于无需高压大容量的电容器和电抗器做储能元件，STATCOM的占地面积通常只有相同容量SVC的50%。 五(结构特点 STATCOM-主要由输入开关柜、变压器框、功率柜、、控制框等组成。 (1)输入变压器 ? 将电网电压变为适合功率单元工作的电压。 ? 实现高压与低压的电气隔离，各功率单元之间相对独立，所以可以较容易地引入软开关控制，直流侧的均压比较容易实现，增加系统可靠性。 (2)功率单元 ? STATCOM-的核心主电路，用以实现功率变换，其所示。 ? 模块化设计，功率单元的结构和电气性能完全一致，单元可以互换。 (3)输出电抗器 ? 用于将STATCOM-与电网连接起来，实现能量的缓冲。 ? 减少STATCOM-输出电流中的开关纹波，降低共模干扰。 (4)控制柜 ? 柜式结构，用于对STATCOM-及其辅助设备的实时控制。 ? 实现STATCOM-与上位机及控制中心的通讯。 (5) 全数字化控制系统 ? 实时计算电网所需的无功功率，实现动态跟踪与补偿。 ? 控制系统采用模块化设计。 (6)一体化工作站 ?提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面。 ? 实现远程监控和网络化控制。 ? 内置PLC，可以和用户现场灵活接口，满足用户特殊需求 六(产品特点 STATCOM以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，满足用户对提高配电电网的功率因数的迫切需要。STATCOM采用新型IGBT功率器件，全数字化微机控制，具有以下特点: 1、安装、设定、调试简便; 2、实时跟踪负荷变化，动态补偿无功功率，提高系统功率因数; 3、采用光纤触发技术，实现一次系统与二次系统的电气隔离，解决干扰问题，做到了高可靠性和控制性; 4、 主电路采用IGBT组成的H桥功率单元级联作逆变主电路 的结构形式，输出由阶梯正弦PWM波形叠加而成，波形正弦度好; 5、功率电路模块化设计，维护简单，互换性好; 6、动态响应时间快; 7、实时跟踪电网电流的变化，对电网无功功率实现动态无级补偿; 8、投切时无暂态冲击，无合闸涌流，无电弧重燃，无需放电即可再投; 9、保护功能齐全，具有过压、欠压、过流、过热等保护，运行可靠性高; 10、维护量小，运行成本低; 11、控制器实现全数字化，人机界面友好显示，并且具有联网通讯功能; 12、控制器具有高可靠性，而且操作简单，与系统连接时，不需要考虑交流系统相序，补偿装置保护措施齐全; 13、装置电路参数精心设计，发热量小，设备结构紧凑，占地面积小; 14、控制电源采用AC220V经过UPS后单独给装置供电方式，控制电源掉电，可保持正常运行; 15、改善电压质量，稳定系统电压，抑制电压闪变; 16、可并联安装，极易扩展容量。 七(执行标准 GB/T 3797-2005 电控设备第二部分，装有电子器件的电控设备; GB/T 3859.1-1993 半导体变流器 基本要求的; GB/T 3859.2-1993 半导体变流器 应用条列; GB/T 3859.3-1993 半导体变流器 变压器和电抗器; GB 4208-1993 外壳防护等级 (IP代码); GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波; GB 3906-2006 3.6kV,40.5kV交流金属封闭式开关设备和控制设备; GB/T 12668.2-2002 调速电气传动系统; GB 1985-89 交流高压隔离开关和接地开关; DL/T 404-1997 户内交流高压开关柜订货技术条件; GB/T 14808-2001 交流高压接触器和基于接触器的电动机起动器; GB/T 11022-1999 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求。 八(接线图 STATCOM与6KV-10KV电网的连接如图所示。 STATCOM装置与6KV-10KV电网的连接图 你问的问题很有代表性，非常好～这是好多人迷惑的问题。 先说“损耗”一词，我认为是大多数文献，把“需要”和“损耗”用混了。这都是以前的翻译惹的祸，要么是他们不熟悉术语，要么就是没有学好中文。 实际上，用电设备是“需要”无功功率，并没有消耗无功功率，所以，说无功功率损耗，是不严密的。 其次，说无功功率的实质:无功功率，是用电设备建立电场、磁场的那部分功率，是发电设备给出的实实在在发出的能量。它在用电设备建立电场或磁场以后，就一直以电场磁场型式存在，储存在用电设备和电网中的。所以无功功率的做功,0，也就是没有做功，没有损耗。这里要明晰一个概念:无功功率做功,0，不是无功功率,0。做功，是功率与时间的积分(乘积)。 无功功率是怎么求出来的,可以用Q,dw/dt，这得到瞬时无功功率。也可以用电压乘无功电流得到，得到的是有效值的无功功率。无功功率本身就是一个瞬时功率。不过我们在工程中，需要平均的无功功率，或者有效值的无功功率。瞬时无功功率是一个时间的函数，工程上使用不方便。 第三，所有的无功补偿装置，既发出无功功率，也吸收无功功率。你说的没有返回，应该是一个误解。这个问题，简单的可以从电容补偿来理解。有源补偿，也是一样的。 最后，说说无功功率造成的线路损耗。理论上无功功率是不会损耗的，但是电网和设备之间交换无功功率，必定有电流流来流去，会导致线路发热，这是实实在在的线路损耗，只是损耗较少，工程上通常忽略不计了。不过大范围的计算，这个损耗还是不少的，所以国家要求尽量就地补偿，就是为了减少线路损耗。深圳奥特的就地补偿装置，也是为了减少线路损耗而涉及生产的。