静止无功补偿器SVG发展及应用Word文档下载推荐.docx
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切除滤波支路时,触头上恢复电压较高,有开关重燃的可能,多次重复击穿时,电容器上产生很高的过电压,致使设备损坏。
对电容器的投切冲击,IEC规定不超过1000次/年,加之开关寿命的限制,不能频繁投切,从而影响动态补偿效果。
(2)固定滤波器+晶闸管调节电抗器(TCR)。
固定滤波器按谐波要求设计,反并联晶闸管与电抗器串联,通过改变晶闸管触发角来调节流过电抗器的感性电流,使其与并联滤波器中多余的容性无功补偿电流平衡,满足功率因数要求。
优点是固定滤波器长期投入,需要的晶闸管数量少,响应速度快,调节性能好,缺点是TCR也产生谐波。
(3)固定滤波器+晶闸管调节变压器(TCT)。
用高漏抗变压器代替方案
(2)中的电抗器即得到这种补偿方案。
由于高漏抗变压器制造麻烦,有功损耗大,这种补偿方案并没有得到广泛应用。
(4)固定滤波器+可控饱和电抗器。
调节饱和电抗器的饱和程度来改变流入回路的感性电流,使其与并联滤波器中多余的容性无功功率得以平衡,优点是固定并联滤波支路长期投入,不需投切,实现光滑可调,但同TCR一样要产生谐波,有损耗,噪声大。
(5)晶闸管投切电容器(TSC)。
按照一定的寻优模式,设计多组某次或某几次滤波器,基波下各支路呈容性,分级改变补偿装置的无功出力;
滤波器某次谐波下偏调谐,兼滤该次谐波。
优点是损耗小,结构简单,速度响应快,不产生谐波,可以实现过零投切,不会产生像真空形状那样严重的过电压,缺点是每级都配相应的晶闸管,滤波效果受系统特性和投入组数的影响,一次性投资大。
(6)固定滤波器(FC)+调压电容器(TC)+调压电抗器(TL)。
通过调节降压变压器低压侧的母线电压来调节连接在低压母线上的滤波器或电抗器的电压,从而改变其无功出力。
调节时,用晶闸管通断,分接开关无载调节,可充分利用分接开关的机械寿命(达50-100万次)和晶闸管的电气寿命(理论上不受限制)。
在实际应用中,也可加装FC来提供稳定的无功功率和实现滤波。
(7)有源补偿器。
使用电力电子装置产生与负荷中谐波电流、负序电流相位相反的电流,使其相互抵消来满足电源的总谐波、无功电流的要求。
这种方案补偿灵活,调节速度快,不会与系统发生谐振,但因电力电子设备价格昂贵,尚未得到广泛应用。
(8)无源补偿器+有源补偿器。
采用有源滤波器产生与负荷中谐波电流相位相反的谐波电流,使其相互抵消来满足电源的总谐波电流的要求。
比较成功的是无源、有源混合滤波器,它能扬长避短,充分利用无源补偿的大容量和有源补偿的灵活性、可控性,但其结构复杂、造价高、运行费用高。
这一技术正在研究阶段。
1.2.有源滤波与静止无功补偿技术
近年来国内外有关单位对装设补偿装置综合治理电能质量的问题进行了广泛的研究和试验,提出了许多方案,其中有的方案已在现场实施投运。
其中研究比较多的是有源滤波和静止无功补偿技术。
所谓静止无功补偿,是指不用旋转元件而用不同的开关投切电容器或电抗器,使其具有吸收和发出无功电流的能力,用于提高电力系统的功率因数,稳定系统电压,抵制系统振荡等功能。
静止无功补偿装置主要有晶闸管控制电抗器(TCR;
ThyristorControlledReactor)、晶闸管投切电容器(TSC:
ThyristorSwitchedCapacitor),这两种装置统称为SVC(StaticVarCompensator),还有基于可关断器件的静止无功发生器(SVG:
StaticVarGenerator)
(1)晶闸管控制电抗器(TCR)
两个反并联的晶闸管与一个线性电抗器相串联,其单相原理图如图2.2所示,其三相多接成三角形。
当触发角α=90°
时,晶闸管全导通,此时电抗器吸收的无功电流最大;
当触发角α=180°
时,导通角σ=0°
,此时电抗器无功电流为零。
图2.2TCR补偿原理
导通角与补偿器等效导纳之间的关系为:
(2.2)
触发角与导通角的关系为:
(2.2)
根据式(2.1)、(2.2)可知增大触发角α即可减小导通角σ,从而减小补偿器的等效导纳,这样就会减小补偿电流中的基波分量,所以通过触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量,达到调整无功功率的效果。
由于单独的TCR只能吸收无功功率,而不能发出无功功率,为了解决此问题,可以将并联电容器与TCR配合使用,构成静止无功补偿器SVC(FC+TCR)。
(2)晶闸管投切电容器(TSC)
为了解决电容器组频繁投切的问题,TSC装置应运而生。
两个反并联的晶闸管将电容器并入电网或从电网中断开,串联小电抗器用于抑制电容器投入电网时可能产生的冲击电流。
一般在补偿母线上设置几组合适的电容器支路(实际应用中一般设置成单调谐滤波器),TSC控制器根据牵引网电压与电流来计算需投入的电容器支路数量,按一定的寻优模式,通过晶闸管电子开关控制电容器支路的投入与切除,实现有级调节无功功率的目的,最终使得系统的功率因数保持在较高的水平。
为节约投资,实际应用中是将牵引母线电压通过协调变压器降到一定的电压水平。
TSC型静止无功补偿装置响应速度快,对无功电流有很好的补偿效果。
TSC装置一般与电抗器相并联,构成SVC(TSC+TCR),以电容器作分级粗调,以电感作相控细调。
(3)有源滤波器(APF)
SVC抑制谐波所采取的措施主要是将固定电容器支路设置为滤波器,滤除牵引负荷产生的3、5、7次谐波电流。
应该看到,此措施对抑制谐波有一定的效果,但为了防止系统产生谐振,在实际应用中滤波器不能完全调谐,因此效果有限,不能很好地滤除注入系统的谐波。
抑制谐波的一种趋势是使用APF。
根据与系统连接方式的不同,APF分为串联型和并联型两种形式,在实际应用中主要采用并联型APF。
并联型APF可单独使用,也可与无功补偿装置结合使用,其结合方式可与无功补偿装置并联,也可与无功补偿装置串联。
这种滤波器采用全控型器件,工作在电压源变流器模式,通过实时控制,对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,补偿特性不受电网阻抗的影响,因而受到广泛的重视,已在日本、欧美等国家获准广泛应用,并取得良好的效果。
(4)静止无功发生器SVG
SVG采用全控型器件。
由于工作在电压源变流器模式,它不需要大容量的电抗器和电容器等储能元件。
改变控制方法可使其发出的无功功率呈电容性,也可使其吸收的无功功率呈电感性,且可实现连续调节。
采用PWM控制或多重化的结构,使其输出电流接近正弦波,不需附加额外的滤波器具体结构。
从理论上讲,使用SVG补偿装置可使功率因数、谐波及负序均能达到满意的结果。
此类装置自上个世纪90年代中期以来,已在日本新干线上使用。
在我国,在国家重点项目京沪线电气化改造工程中南翔牵引站采用了SVG方案,这也是国内首例电气化铁路主动在牵引站内加装SVG装置。
1.SVG介绍
1.
2.
3.
3.1.静止无功发生器主电路的拓扑结构
SVG的主电路有电压型桥式和电流型桥式两种类型。
直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。
对电压型桥式电路,还需要串联连接电抗器才能并入电网,电抗器能滤除装置投入时产生的谐波;
对电流型桥式电路,还需要在交流侧并联上吸收换相产生的过电压电容器。
其电路基本结构分别如图3.1所示。
图3.1SVG的电路基本结构图
a)采用电压型桥式电路b)采用电流型桥式电路
在单相电路中,在负载和电源之间来回往返的是与基波无功功率有关的能量。
但在三相平衡的系统中,不论负载功率因数是多少,三相瞬时功率的和是一定的,在任何时刻都等于三相总的有功功率。
总的来看三相电路中电源和负载之间没有无功能量的传递,各相的无功能量是在三相之间来回往返的,在总的负载侧也就无需设置无功储能元件。
因此,需要将三相各部分统一处理,而SVG正是将三相的无功功率统一处理的装置。
理论上来说,SVG直流侧无需储能元件,但由于实际电路中存在谐波,能量会在SVG与电源之间交换。
因此,通常会在SVG的直流侧接上一定容量的储能元件(电容或电感),但这种储能元件的容量远比SVG所能提供的无功容量小的多。
SVC所需储能元件的容量要大于等于其能提供的无功功率的容量。
因此,同容量条件下,就储能元件的体积大小而言SVG要比SVC要小的多。
电流型桥式电路发生短路故障时危害比较大,且效率低。
所以在实际工程应用中大都采用电压型桥式电路。
本文也将只对采用自换相的电压型桥式电路的SVG进行研究。
3.2.静止无功发生器的基本工作原理
SVG的工作原理就是将自换相逆变器主电路通过电抗器并联在电网上,适当地调节逆变器主电路交流侧输出电压的幅值和相位,或者通过对其交流侧电流直接控制,近而可以使该SVG发出或吸收目标无功电流,实现动态无功补偿。
SVG通过控制电力半导体开关器件的通断完成将直流侧电压转换成交流侧输出电压(频率同电网相同)。
因此,正常工作时SVG就像一个交流侧输出接电网的电压型逆变器。
当仅考虑基波频率时,SVG可以等效为一个与电网电压同频率的交流电压源,且这个电压源的幅值和相位是可控制的。
图3.2为SVG的工作原理图(忽略其损耗时)。
其中,:
电网电压;
:
SVG输出的交流电压;
电抗器L上的电压(和的相量差)。
由基尔霍夫电压定律可得,为接电抗器上通过的电流,也是SVG从电网侧吸收的电流,控制近而可以控制。
如图3.2所示在不考虑逆变器的损耗和SVG本身损耗,并将连接电抗器视为纯电感时,SVG不从电网吸收能量。
在上述情况下,只需使和同相位,仅改变的幅值大小即可实现SVG从网侧吸收的电流的大小和方向的控制。
具体控制相量原理如图3.2(b)所示。
当<
时,电流滞后电压90°
,工作在感性工况下,吸收感性无功;
当>
时,电流超前电压90°
,工作在容性工况下,吸收容性无功;
当=时,电流电压同相,不吸收无功。
图3.2SVG等效电路及工作原理图(不计损耗)
a)单相等效电路b)向量图
在考虑损耗情况下,(如连接电抗器的损耗、逆变器本身的损耗),并将总的损耗等价为连接电抗器的电阻,在如此情况下SVG的等效电路如图3.3(a)所示,其工作原理如图3.3(b)所示。
图3.3SVG等效电路及工作原理图(计及损耗)
由图3.3可知,此时与相差90°
,与相差比90°
略小δ角,因此,必须有有功功率交换来供给整个装置的器件及开关损耗。
也就是说,电流既有
无功分量也有一定量的有功分量。
与的相位差也是δ角。
由图3.3(b)所示其工作原理经计算可得SVG从电网吸收无功公式:
。
调节δ即可调节SVG从电网吞吐无功功率,如图3.3(b)所示。
当δ<
0时,Q<
0,即当>
时。
SVG工作于容性工况,i超前,吸收容性无功;
当δ>
0时,Q>
0,即当<
SVG工作于感性工况,i滞后,吸收感性无功;
当δ=0时,SVG不吸收无功。
在图3.4中
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