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2、lexible AC Transmission Systems灵活交流输电系统或柔性交流输电系统)，就是在输电系统的重要部位，采用具有单独或综合功能的电力电子装置，对输电系统的主要参数(如电压、相位差、电抗等)进行调整控制，使输电系统更加可靠，具有更大的可控性和传输能力。,2. FACTS的发展目前在国内，中国电力科学研究院、部分高等院校、电力生产和设计部门及一些电气设备制造厂家已开始FACTS技术方面的规划和研究试制工作。对静止无功补偿器(SVC)已积累了较为丰富的制造和运行经验。灵活交流输电技术已在多个输电工程中得到应用，但其推广却不是很快。,7.1.2 静止无功补偿装置的发展,1.无功补

3、偿的作用(1)提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。(2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 (3)在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。,2. 静止无功补偿装置的发展早期无功补偿装置有同步调相机(Synchronous CondenserSC)和并联电容器。 20世纪70年代以来，同步调相机和并联电容器逐渐被静止型无功补偿装置所取代。,电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台，并逐渐占据了静止无功补偿的主导地位。随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，出现

4、了一种更为先进的静止型无功补偿装置，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置静止同步补偿器(Static Synchronous CompensatorSTATCOM)，也有人称之为新型静止无功发生器(Advanced Static Var GeneratorASVG)，或者轻型SVC(SVC-Light)。,第7章静止无功补偿装置,7.1 概述 7.2 晶闸管控制电抗器(TCR) 7.3 晶闸管投切电容器(TSC) 7.4 静止同步补偿器(STATCOM),7.2 晶闸管控制电抗器(TCR),7.2.1 TCR基本原理,TCR的基本原理 (a)单相等效电路；(b)电压电流特性,TCR的基

5、本原理如图所示。其单相基本结构是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联。由于目前晶闸管的关断能力通常在39kV、36kA左右，实际应用中，往往采用多个(1020)晶闸管串联使用，串联的晶闸管要求同时触发导通。,通过改变晶闸管的触发延迟角a，可以改变电抗器电流的大小，即可以达到连续调整电抗器的基波无功功率的目的。TCR型晶闸管阀的触发延迟角的有效范围在90180。 a=90时，晶闸管完全导通，其吸收的基波电流和无功功率最大。当触发延迟角在90180之间时，晶闸管为部分区间导通。减少了其吸收的无功功率。当触发延迟角为180时，TCR不吸收无功功率，其对电力系统不起任何作用。,对于TCR，电抗器电

6、流的表达式为,(当awta+d时),IL=0 (当a+dwta+p时),式中：u为电网电压有效值；XL为电抗器的电抗，XL=wL=2pfL；d为导通角，与a的关系为2a+d=2p。,iL的基波电流有效值为,TCR的基频伏安特性可表示为,式中：XS为系统等效阻抗；uref为电网电压参考值。,TCR的电压电流特性实际上是一种稳态特性，特性上的每一点都是TCR在导通角d为某一角度时的等效感抗的伏安特性上的一点。TCR之所以能从其电压电流特性上的某一稳态工作点转移到另一稳态工作点，都是控制系统不断调节触发延迟角a，从而不断调节导通角d的结果。,7.2.2 TCR的主要接线形式,TCR的三相接线形式大都

7、采用三角形联结，也就是所谓的支路控制三角形联结三相交流调压电路的形式。每相只有一个晶闸管对的接线形式被称为6脉波TCR。对其输出电流波形进行傅立叶分析可知，其线电流中所含谐波为6k1次(k为正整数)。,TCR的三相接线形式,12脉波TCR由供电电压相差30相角的两个6脉波TCR构成(如图所示)，它可以有效的减小线电流中的谐波。其一次侧线电流中将仅含12k1次(k为正整数)谐波。 12脉波TCR的一个很重要的优点是，当组成它的一个6脉波TCR出现故障时，另一个仍可正常工作。,12脉波TCR的接线形式,7.2.3 TCR的主要配置类型,单独的TCR由于只能吸收感性的无功功率，因此往往与并联电容

8、器配合使用，其单相连接图如图所示。并联上电容器后，总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率。并联电容器串联上小的调谐电抗器还可兼作滤波器，以吸收TCR产生的谐波电流。,与并联电容器配合使用的TCR,当TCR与固定电容器配合使用时，被称为TCR+FC型SVC，有时也简称为TCR，其电压电流特性如图所示。这种类型补偿器的缺陷是：当补偿器工作在吸收很小的容性或感性无功功率的状态时，其电抗器和电容器实际上都已吸收了很大的无功功率，因此都有很大的电流流过，只是相互对消而已，这显然降低了TCR的使用效率。,TCR+FC型SVC的电压电流特性,部分并联电容器可以分组投切的混合型静止补

9、偿器，它包括一组固定电容器和三组可投切电容器。当电容器的投切开关为机械断路器时，称为TCR+MSC型静止补偿器；当电容器的投切开关为晶闸管时，称为TCR+TSC型静止补偿器。,图中的特性0(1)(1)、0(2)(2)、0(3)(3)和0(4)(4)分别是图7-4中的TCR并联一组、两组、三组和四组电容器时的电压电流特性。故形成总的电压电流特性是0(4)(1)。混合型静止补偿器中TCR的容量只须在对消那组固定电容的容性无功后能满足对感性无功的要求即可。混合型补偿器TCR的容量还应略大于每次电容切换时容性无功的变化，否则也会造成电压电流特性在切换处断续。,混合型静止补偿器的电压电流特性,7.

10、2.4 TCR控制系统,1.基本控制类型TCR的基本控制型式有两大类，一种是开环控制，另一种是闭环控制。开环控制指的是无反馈的控制，特点是响应迅速。闭环控制是有反馈的控制，特点是精确。,(1)信号检测为了获得合适的控制特性，实现不同的补偿目的和指标，需要对系统不同的变量进行检测。 1)系统电压。 2)负载或传输线的无功功率及有功功率。 3)负载或传输线的无功功率及有功功率的变化率。 4)补偿装置的无功功率。 5)系统频率及其导数。,(2)控制方法开环控制的策略相对较简单，多用于负载补偿。这种控制方式已经成功地应用在减少电弧炉引起的电压闪烁方面。闭环控制的方法较为复杂，实际系统中应用也

11、较多，下面以改善电压质量调整的功能为例，介绍具体的闭环控制方法。,电压闭环的控制方法示意图,为了改善控制性能，可以在此基础上再引入补偿电流ISVC的反馈，如图所示。通过在电压反馈构成的外闭环之内再引入电流环的负反馈控制，以提高控制精度。这样，控制系统中就有两个调节器电压调节器和电流调节器。,带电流内环的电压反馈控制方法示意图,图给出了另一种引入补偿器电流反馈的方法。在这种情况下，调节器一般设计成积分调节器，可实现对电压的精确控制。而引入的补偿器电流反馈实际上相当于根据补偿器无功电流的大小对电压参考值的修正。,具有附加电流反馈的电压反馈控制示意图,补偿器电压电流特性斜率是由电流反馈通道的增益来的

12、。而整个补偿器的动态性能是由调节器的积分增益以及系统的时间常数决定的。,采用这种电流反馈形式的一个TCR控制系统原理框图。,在实际的控制中，可以将上述的电压反馈控制的方法稍加修改或补充，使静止补偿器的功能扩展到无功功率动态补偿所能实现的其它一些功能范围。,(3)脉冲的产生从控制器来的电纳参考量进入到脉冲发生控制环节后，触发电路根据其大小产生相应触发延迟角的晶闸管触发脉冲，使补偿器输出所需要的无功功率。 TCR的等效电纳为,为了实现系统的平稳运行，等效电纳的参考值Bref与实际值BL之间应为线性关系。由于d与TCR等效电纳之间的非线性的影响，通常在触发电路的输入端与触发脉冲形成环节之间插入一个非

13、线性环节，以补偿导通角与实际等效电纳之间的非线性。,触发电路前端的线性化环节及其功能,2. 并联TCR的“顺序”控制各相TCR由n(图中n=4)组参数一致的TCR电路并联构成“顺序”控制的原则是：根据需要投入的容量，使得n组TCR中n1组处于全导通状态(即d=180)，n2组处于全关断状态，且n1+n2= n-1，只有一组TCR的触发延迟角a在(90180)内连续控制。,并联TCR的“顺序”控制电路图,由于a=90时谐波成分最小(为零)，因此，采用“顺序”控制后，装置各相的谐波只是一组TCR输出的谐波，和同容量的TCR相比，谐波含量大大下降。同时，采取“顺序”控制将减少开关损耗，从而降低整个

14、装置的损耗。,7.2.5 动态性能和动态过程分析,补偿器功能不同，其动态性能所包含的具体内容也不尽相同，但这些内容大多是指补偿器针对某种参考量的突变、突加的小扰动、使补偿器超出正常运行范围的大扰动、故障的时域响应性能。补偿器动态性能的好坏，对补偿器能否真正实现其预定功能具有极其重要的意义。,以用于改善电压调整TCR+FC型补偿器(以下简称为TCR)为例，对其受到扰动时的动态过程进行分析。动态调节过程如图所示，TCR补偿器的电压电流特性为图中的0-A-B-D段。TCR的动态调节时间为毫秒级，一般在12个周波内完成，它取决于电力系统的阻抗和控制系统的增益。,TCR补偿器对扰动的动态调节过程,第7章

15、静止无功补偿装置,7.1 概述 7.2 晶闸管控制电抗器(TCR) 7.3 晶闸管投切电容器(TSC) 7.4 静止同步补偿器(STATCOM),7.3 晶闸管投切电容器(TSC),固定并联电容补偿方式的优点在于补偿设备建造费用低、运行和维护简单，但是，这种补偿方式无法解决无功功率的过补偿和欠补偿问题。与固定电容器相比，TSC具有无机械磨损、响应速度快、平滑投切以及良好的综合补偿效果等优点。,7.3.1 TSC的基本原理,TSC的基本原理 (a)单相结构简图；(b)分组投切的TSC单相简图；(c)电压电流特性,(a)是其单相电路图，其中的两个反并联晶闸管将电容器并入电网或从电网断开，串联的

16、小电感是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。对于TSC，晶闸管只作为投切电容器的开关，而不像TCR中的晶闸管起相控的作用，因此TSC不能连续调节无功功率，TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器。,当电容器投入时，TSC的电压电流特性就是该电容的伏安特性，如图 (c)中0A所示。按照投入电容器组数的不同，TSC的电压电流特性可以是图 (c)中的0A、0B或0C。当TSC用于三相电路时，可以是三角形联结，也可以是星形联结。,TSC系统应用形式非常灵活，可分别按电压等级和补偿对象进行划分。按电压等级划分为：低压补偿，即1kV及其以下的补偿；高压补偿，即635kV的

17、补偿。按补偿对象可划分为：面向系统的补偿，该补偿方式是维持系统电压在一定的范围内变化，一般为高压补偿方式；面向负荷补偿，该补偿方式直接针对某一负荷进行补偿，消除其对电网的无功冲击。,7.3.2 投入时刻的选取,选取投入时刻总的原则是，TSC投入电容的时刻，必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。,理想投切时刻原理说明,根据电容器的特性方程在投入电容时，由于在这一点电源电压的变化率(时间导数)为零，因此，电流iC即为零，随后电源电压(也即电容电压)的变化率按正弦规律上升，电流也按正弦规律上升。这样，整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。这就是所谓的理想投入时刻。,各

18、种情况下使暂态现象最小的导通时刻,图给出了各种情况下使暂态现象最小的投入时刻。图 (a)：当电容充电电压UCCh为零时(TSC装置起动时为此情况)，投入时刻应取电压零点，此时给正向晶闸管V1发出最初的触发脉冲；图 (b)和图 (c)是前述的理想工作状态；图 (d)：当电容充电电压UCCh比电源es的峰值电压Emax低时，应在es与UCCh相等的时刻投入，此时给正向晶闸管V1最初触发脉冲；图 (e)：当电容充电电压UCCh比电源es的峰值电压Emax高时，应在es达到峰值的时刻投入，此时给反向晶间管V2最初触发脉冲，这种情况下会有冲击电流产生，但由于在TSC中串联有小电感，冲击电流将受到

19、一定程度的抑制。,在实际的TSC设计中，可以采用晶闸管和二极管反并联的方式代替两个反并联的晶闸管，这样可以使导通前电容充电电压维持在电源电压的峰值。,晶闸管和二极管反并联方式的TSC,7.3.3 控制系统,TSC控制系统思路与TCR相似，只不过其中的控制电路部分是以决定哪组电容投入或切除的逻辑功能为中心的。,TSC用于负载补偿时控制系统的示意图,在TSC控制系统中，必须引入一定的滞环非线性环节，这可以避免在切换点处电容器组在短时间内反复地投入与切除。,7.3.4 动态过程分析,当TSC以改善电压调整为目的时，其受到扰动后动态调节过程如图所示。在系统受到扰动之前，系统的负荷线为l1 ;当系统受

20、到干扰，负载线突然由l1降低至l2 ;当这个电压下降被TSC控制系统检测到后，由其逻辑电路决定投入第二组电容，补偿器的电压电流特性因此变为0-B，系统工作点移至0-B与l2的交点c，从而将电压恢复到稍低于原来A点的水平。,TSC对扰动的动态调节过程,对于TSC与TCR配合使用的混合型补偿器作为改善电压调整使用时，其受到扰动后的动态调节过程如图所示。整个调节过程按照abcde完成，如果通过某种控制器手段调节使TCR与TSC在投切时间上配合，则整个调节过程可以简化为abe，这样可以使调节时间大大地缩短，补偿器的动态功能可以得到较大的提高。,TSC+TCR型补偿器的动态调节过程,第7章静止无功补偿

21、装置,7.1 概述 7.2 晶闸管控制电抗器(TCR) 7.3 晶闸管投切电容器(TSC) 7.4 静止同步补偿器(STATCOM),7.4 静止同步补偿器(STATCOM),7.4.1 静止同步补偿器简介,所谓静止同步补偿器(STATCOM)，一般专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，其工作建立在一个静止的同步电压源的基础上。在国内，STATCOM的研究也已经开展了多年。华北电力大学利用晶闸管研制了10kVA的STATCOM装置，并进行了动模实验。东北电力学院用GTO研制出了4桥12kVA的STATCOM装置。1999年3月，由河南省电力局和清华大学共同研制的一台20M

22、VA的STATCOM在河南省朝阳变电站并网成功。,目前STATCOM的研究重点有：(1)更大容量如100200MVA的STATCOM主电路的研究。 (2)电力电子新元件的特性以及驱动电路、触发电路的研究。 (3)STATCOM在异常状态下的行为以及新的保护和监测系统的研究。 (4)STATCOM布点优化规划、多个STATCOM的协调控制、与其他控制器的综合控制研究。 (5)STATCOM控制方法的研究。,7.4.2 基本原理,STATCOM的基本原理是将自换相桥式电路通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相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无

23、功电流，实现动态无功补偿。,STATCOM的主电路分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。其电路基本结构分别如图 (a)和图 (b)所示，直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件，触发元件采用GTO、IGBT、IGCT等全控型器件。,STATCOM的电路基本结构 (a)电压型桥式电路；(b)电流型桥式电路,STATCOM正常工作时是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成与交流侧电网同频率的输出电压。其中直流侧为储能电容，为STATCOM提供直流电压支撑；逆变器通常为GTO逆变器，由多个逆变器单元串联或并联而成，其主要功能是将直流电压转变为交流电压；连接变压器的漏抗可以用于限制

24、电流，防止逆变器故障或系统故障时产生过大的电流。,STATCOM工作原理图,当仅考虑基波频率时，STATCOM可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，通过交流电抗器连接到电网上。如图 (b)所示当UI大于Ua时，电流超前电压90，STATCOM吸收容性的无功功率；当UI小于Ua时，电流滞后电压90，STATCOM吸收感性的无功功率。,STATCOM等效电路及工作相量图(不考虑损耗) (a)单相等效电路；(b)相量图,当考虑连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗(如管压降、线路电阻等)时，把总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则STATCOM的实际等效电路如图 (a)

25、所示，其电流超前和滞后工作的相量图如图 (b)所示。,STATCOM等效电路及工作原理(计及损耗) (a)单相等效电路；(b)相量图,若以逆变器输出电压滞后于系统电压一个角度为正，则当d0时，STATCOM发出无功功率，起着电容器的作用；当d0时STATCOM吸收无功功率，起着电抗器的作用；当d=0时，STATCOM与系统之间没有无功交换。,STATCOM等效电路及工作原理(计及损耗) (a)单相等效电路；(b)相量图,STATCOM的电压电流特性如右图所示。改变电网电压的参考值Uref可以使电压电流特性上下移动。当电网电压下降，补偿器的电压电流特性向下调整时，STATCOM可以调整其变流器

26、交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流ILmax和ICmax维持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制。,STATCOM的电压电流特性,实际的STATCOM装置主要由以下几个部分构成：主电路、控制系统、保护系统、监测系统和冷却系统。目前世界上已运行的STATCOM装置均是基于全控器件，早期的STATCOM主要采用GTO，近年来随着大功率器件制造技术的发展和对STATCOM性能要求的提高，基于其他可关断器件(如IGCT、IGBT等)也开始得到迅速发展。,目前采用的主电路的基本单元结构为如图所示的单相桥三相桥和三单相桥电路。,基本逆变桥单相桥、三相桥和三单相桥示意图,7.4.3

27、控制方法,STATCOM的控制方法是STATCOM及其相关技术的重点研究课题之一。对STATCOM装置的控制系统要求如下：控制速度快，一般要求控制系统本身的反应时间在1ms以下；控制精度高，通常要求STATCOM装置的驱动脉冲误差小于0.1电角度；多功能、多目标控制，如调节无功功率、稳定电压、改善系统的动态特性、阻尼系统振荡、提高系统暂态水平等。,STATCOM控制策略的选择应根据其要实现的功能和应用的场合，以决定采用开环控制、闭环控制或者两者相结合的控制策略。 STATCOM外闭环反馈控制量和调节器的选取由其要实现的功能决定,对于STATCOM装置的控制算法，应根据不同的要求设计不同的控制算法。主要的控制算法有基于比例积分(PI)调节器的无功功率控制方法和基于比例(P)调节器的控制系统电压的方法等。,STATCOM的控制 (a)基于PI的无功功率控制方框图；(b)基于P的系统电压控制方框图,根据补偿要实现的功能和应用场合，目前STATCOM的控制主要从控制策略和外闭环的反馈控制量的选取两方面来考虑，可以分为电流间接控制和电流直接控制。电流间接控制多用于较大容量的STATCOM场合，电流直接控制多用于较小容量的STATCOM场合。,

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