趙勇超，趙羨龍

（1.清華大學(xué) 電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100083；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，北京 112200）

大電網(wǎng)中的各區(qū)域、各部分密切相關(guān)相互影響，一個局部的小擾動或異常運行就可能引起全系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)，甚至造成大面積的系統(tǒng)瓦解.其中，電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性是關(guān)鍵性問題之一.由于并聯(lián)補償可以向系統(tǒng)注入電流或改變系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣的對角元素，所以它可方便地向系統(tǒng)注入或吸收無功／有功功率.正是并聯(lián)補償具有的這種能力，使得它可以快速、方便的提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，并在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用.

1 研究概況

1.1 國外對并聯(lián)補償技術(shù)的研究

并聯(lián)補償技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已有很長的歷史［1］，最早的是各種機械投切式并聯(lián)補償裝置，但由于投資大、維護(hù)難、響應(yīng)速度慢、噪聲大等問題，現(xiàn)在已很少使用.世界上最早取代機械投切式并聯(lián)補償裝置的靜止無功補償設(shè)備是由德國的E.Friedlander博士發(fā)明的直流控制的自飽和電抗器，于1964年在一家鋼廠投入商業(yè)運行［2］.20世紀(jì)70年代中期，出現(xiàn)了一系列晶閘管投切或控制的并聯(lián)補償設(shè)備，如TSC、TSR、TCR 及其綜合體SVC，最早用于大型負(fù)荷的無功補償，隨后SVC也投入商業(yè)運行.1980年，日本三菱公司采用晶閘管和強迫換相技術(shù)成功研制了世界上第一臺基于變換器的靜止同步補償器（STATCOM），并投入工業(yè)運行.1986年，美國西屋公司和EPRI合作，成功研制出首臺基于可關(guān)斷期間GTO的STATCOM，容量為±1Mvar［3］.1999年，ABB 公司采用IGBT 串聯(lián)和NPC 主電路結(jié)構(gòu)制造第一臺容量為±22Mvar的SVC Light，并用于改善瑞典某工廠的電能質(zhì)量.2001年，美國紐約電力局投運的CSC，第一階段即為±200 Mvar的STATCOM，這也是迄今為止的容量最大的STATCOM 工程［4］.目前，全世界已有超過20項大容量（10Mvar及以上）并聯(lián)補償設(shè)備投運，總可控容量可達(dá)3 000Mvar［5］.

1.2 國內(nèi)對并聯(lián)補償技術(shù)的研究

我國對并聯(lián)補償技術(shù)研究起步較晚.20世紀(jì)80年代，我國從ABB、Siemens等公司引進(jìn)SVC裝置，至今已有數(shù)十套進(jìn)口SVC 設(shè)備安裝于500 kV 變電站以及大型的冶金企業(yè)［6］.經(jīng)過20多年的研發(fā)，我國已有獨立生產(chǎn)成套SVC 裝置的能力，1999年，清華大學(xué)與河南省電力局合作研制出我國首臺大容量的STATCOM（±20Mvar），表明我國已具備自主研制工業(yè)化STATCOM的能力.BESS、SMES、APF等其他并聯(lián)型補償設(shè)備在我國同樣得到了很大的發(fā)展［7］.

2 并聯(lián)補償提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在正常運行條件下和遭受擾動之后，系統(tǒng)所有母線都持續(xù)保持可接受電壓的能力.其核心問題是系統(tǒng)的無功功率特性，而并聯(lián)補償能提供穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的無功補償，因此對改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性具有重要的作用［8-10］.

電網(wǎng)通過線路阻抗向一負(fù)載供電（見圖1），電網(wǎng)為無窮大系統(tǒng)＝E∠0°，負(fù)載阻抗為L＝ZL∠θ，線路阻抗為Xj，負(fù)載電壓為.

圖1 電網(wǎng)供電系統(tǒng)等效圖Fig.1 Equivalent diagram of the power supply system

經(jīng)計算，負(fù)荷節(jié)點的電壓為

負(fù)荷電壓幅值為

負(fù)荷吸收的有功功率為

負(fù)載阻抗變化，負(fù)載有功功率也隨之變化，當(dāng)ZL＝X 時，負(fù)載有功功率達(dá)到最大值：

通過式（1）～式（3）可以得到如下公式：

分別取負(fù)載功率因數(shù)cosθ為0.8、0.95、1.0、0.8（容性），負(fù)載ZL由∞到0之間變化，畫出UZL、PL-ZL、U-P 圖，如圖2～圖4所示.

圖2 UZL圖Fig.2 UZLdiagram

圖3 PLZL圖Fig.3 PLZLdiagram

圖4 UP 圖Fig.4 UPdiagram

從圖2與圖3中可以看出，隨著負(fù)荷的增大（ZL減?。?，電壓開始緩慢下降，并在負(fù)荷增大到一定程度之后，電壓開始迅速下降；負(fù)載的有功功率隨著負(fù)荷的增大而增大，達(dá)到極值后（ZL＝X），開始迅速下降，可見電源向負(fù)荷傳輸?shù)挠泄β蚀嬖谧畲笾?，傳輸?shù)挠泄β首畲笾荡砜山邮苓\行的極限功率，對于不同的功率因數(shù)，極限功率點所形成的軌跡便是負(fù)載電壓穩(wěn)定臨界線（如圖4中虛線所示）.位于臨界線上面的工作點是正常運行點，位于臨界線下面的工作點是不正常運行點.不正常運行點雖然可以保證一定的有功功率，但是電壓很低，如果負(fù)荷帶有變壓器分接頭自動調(diào)節(jié)裝置，那么分接頭便會向變比減小的方向自動調(diào)節(jié)，根據(jù)公式Z＝n2ZL，歸算到高壓側(cè)的阻抗將減小，從而導(dǎo)致負(fù)荷電壓進(jìn)一步降低，分接頭再調(diào)節(jié)，電壓再降低，形成惡性的正反饋，最終導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰.

對于一定的負(fù)荷（功率因數(shù)與幅值為定值），電網(wǎng)向負(fù)載傳輸?shù)挠泄β时闶且欢ǖ?從圖4中可以看出，對應(yīng)于同一有功功率有兩個電壓值，說明可以有兩個電壓電流的工作點.其中B 點位于臨界線之下，是不正常工作點，當(dāng)A 點受到電壓擾動，有可能越過臨界線而到達(dá)B 點，引起系統(tǒng)電壓崩潰.所以正常工作點離臨界點越遠(yuǎn)，電壓穩(wěn)定性就越高，但是系統(tǒng)所傳輸?shù)墓β示蜁冃。闺姎庠O(shè)備不能經(jīng)濟(jì)運行.

如果在負(fù)荷母線處接入并聯(lián)補償裝置（見圖5），對負(fù)荷的無功功率進(jìn)行補償，提高負(fù)荷的功率因數(shù)（理想狀態(tài)下提高到1.0），負(fù)荷工作點從A點變到A′點（見圖6），就可以在保證有功功率不變的基礎(chǔ)上，工作點遠(yuǎn)離臨界點，從而有效的提高了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性.

圖5 負(fù)荷側(cè)加并聯(lián)補償裝置圖Fig.5 Diagram of load side with parallel compensation device

圖6 負(fù)荷側(cè)加入并聯(lián)補償裝置的UP 圖Fig.6 UPdiagram of load side with parallel compensation device

3 結(jié) 論

通過對并聯(lián)補償與未進(jìn)行并聯(lián)補償系統(tǒng)的對比分析，結(jié)果表明：并聯(lián)補償具有提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的作用.并聯(lián)補償可以通過向系統(tǒng)注入或吸收無功功率，改善負(fù)載的功率因數(shù)，可以在保證有功功率不變的基礎(chǔ)上，使U-P 曲線的工作點遠(yuǎn)離臨界點，增強了電壓抗擾動能力，從而有效地提高了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性.

［1］陳思范.基于TSC＋STATCOM的無功補償裝置主電路的研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2009.（Chen Sifan.The Main Circuit of the Reactive Power Compensation Device based on TSC＋STATCOM［D］.Changsha：Central South University，2009.）

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