SVC装置的电压控制和无功补偿外文翻译资料

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SVC装置的电压控制和无功补偿

Mateo BLASINA – Vitomir KOMEN – Renato ĆUĆIĆ

摘要：随着电力需求的每天增加，世界上最大的传输系统正面临着建立在现有系统的康复和新的建设的巨大投资的严酷现实，我们需要电力系统能够满足这些在不同的经营状态下的要求。电力传输的安全和电力系统稳定维护的关键参数是电压控制和无功补偿可以通过SVC（静止无功补偿器）实现，它自身就是通过电力电子器件控制其他设备的，是FACTS设备和技术的起源。

关键词：电压控制和无功补偿；并联型FACTS装置；SVC设备结构；SVC设备和传输网络；

1.介绍

对电力系统的电力传输和维护安全的责任（EPS）的稳定性取决于输电系统运营商（TSO）。为了实现这一目标，TSO利用系统的辅助服务如一级和二级控制的电压和无功功率，冷旋压，黑启动能力和电网用户提供充分的设备。虽然该系统的附加服务都是必需的，但他们有额外的开销，不能严格验证通过标准能源关税。TSO的基本目标是通过传输线实现最大传输的有功功率，包括最小可能的传输损耗，通过栅网电阻元件最大限度地减少无功功率流。一般情况下，无功功率消耗降低了电力系统节点的电压，而无功功率的产生增加了电压。无功功率流控制对电动助力转向系统节点电压的影响，取决于电力系统的要求。本文以SVC装置的操作区域的特性（静态无功补偿器）作为FACTS装置（灵活交流输电系统）及其在输电网中应用的根据。

2.对无功电压控制和补偿的并联型FACTS装置的应用

由于电厂通常位于远离电力消费区，产生的无功功率的传输在电网上会产生相当大的损失，并且进一步削弱了电网的传输能力。 因此，无功功率补偿需要尽可能接近消费区。并联型FACTS装置的基本目的是通过将无功功率注入节点（FACTS装置的连接节点）来控制电网节点的电压量。如果注入的电流是与FACTS装置连接点的电压相垂直的，该设备将产生或使用无功功率，这是这些设备的基本用途。如果有任何其他的相位位置，其结果将是有功功率的出现。根据FACTS装置的使用，以下的直接影响是可能发生的：

—传输线路的传输容量更高

— 低负载条件下的电压更低

— 高负载条件下的电压更高

— 暂态过程中系统的特性改善

— 暂态稳定性和阻尼系统的阻尼提高

— 不对称补偿

— 无功功率补偿和闪变补偿

一些最重要的并联型FACTS装置是：

—SVC—静止无功补偿器

—TCR—可控电抗器

—TSR–晶闸管开关器

—TSC–晶闸管开关电容器

—静止同步补偿器—STATCOM

—SSG–静态同步发电机

—TCBR–可控制动电阻

—SVG—静止无功发生器

—SVS–静止无功补偿系统

—BESS— 电池储能系统

3.SVC装置的结构

一般来说，静止无功补偿器是一种控制电力系统中无功功率的设备，它允许无功功率的大范围变化。它们是能够产生或消耗电容性和感性无功功率的设备。因此，可以保持在所需范围内的电压（在连接节点），不论运行状态。SVC采用了一系列不同的设备，主要是晶闸管控制的，其中最重要的是可控电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）；所有都旨在实现快速、连续调节。与传统的电容补偿器相比具有调控关系的明显差异 。由于这些设备以能量电子器件为基础，如

—MOSFET晶体管，IGBT晶体管

—SCT的晶闸管（常规），GTO晶闸管，MCT的晶闸管（现代设计）

这是一个相对敏感的半导体开关的问题，由于电压限制他们的连接系统是通过适当的变压器 （连接可以通过三绕组变压器第三绕组取得）。 近年来，SVC已成为一种常用的方法，几乎已经完全取代了补偿器的使用，其技术特点相似，但其运行可靠性更高。图1表明了TCR和TSC组合 的SVC结构。一个单独的变压器和额外的过滤器是用来使SVC装置的连接允许的无功功率注入基本（需要）的频率。一般情况下，几乎所有的FACTS 设备需要额外的过滤器，以防止的交流电流系统注入高次谐波。一般来说，SVC装置有过滤器用来消除第三，第五和第七次谐波 ，而较高的谐波因为对电压波形的影响被忽视，因此在SVC连接节点的电流很小。TCR和TSC的组合（SVC TSC–TCR）在运行控制时灵活性高，高次谐波电流注入更小，在发生故障时的设备性能更好。当然，安装在SVC中元件的个数越多，设备的性能越好和越广泛，也导致设备价格较高。控制信号发送到晶闸管直接从连接的母线通过电压互感器 。TSC是用双晶闸管阀来进行投切（通过将控制信号发送给晶闸管控制电极）。如果不再提供控制信号（通过一个控制器–逻辑控制元件）给晶闸管控制电极，它将会关闭，即使当通过晶闸管的电流下降到低于其维持所需的电流。

Slika 1. Struktura SVC uređaja

Figure 1. SVC device structure

反应器的电流和TCR控制时间由晶闸管开关控制。晶闸管控制触发角和控制方式取决于TCR型SVC的要求。这种控制是通过对晶闸管局部控制手段不断变化的。TCR电流可以不断变化从零（它对应控制角的零位值）到最大值（控制角度）。触发角的符号是alpha;，而对于晶闸管控制角的符号是sigma;。角度 alpha; 可以变化从到。电流在一个半周期的时间瞬时值可由以下方程表示：

 , （1）

其中是电压接地的有效值,是基本频率电抗（基波电抗）。 由于电流的非正弦形式的问题，有高次谐波存在，影响到SVC连接节点的波形。基本的电流分量可以表示如下：

（2）

在(sigma;)的TCR控制电纳和它在控制角sigma;下的函数 ，可由公式得出：

. （3）

控制角与发射角之间的关系可以由方程给出：

（4）

由于电流含有高次谐波，方程（1）也可以考虑到高次谐波（奇数），结果是TCR电流更复杂的表达式，它也包括了从n次谐波的关系出发：

（5）

高次谐波的影响，特别是在、、等，一般是被忽略的，因为他们实际上在SVC连接节点的电气量是没有影响的。发生在TCR型SVC的结构较低的谐波问题分别是通过不同的滤波器解决的（无功和有功）。由于SVC是通过变压器连接到系统 。由于SVC是通过变压器连接到系统中，SVC应该是三角形连接，也导致只有的谐波进入系统然后是其它（奇数）谐波。

晶闸管–开关电容器（TSC）也是SVC装置的基本组成部分（图1）。晶闸管投切电容器用于横向电容器的开/关切换，因此允许注入交流系统的无功功率的阶跃变化，当电容器的比容量被连接到交流正弦电压，当电容器的初始电压随电源电压的变化而变化的时候，在晶闸管闭合的瞬间会有大量的电流流过电容器。如果初始电压在电容器上的初始电压等于在晶闸管闭合时的电源电压，电流通过电容器的电流将维持不变（相对于稳定状态）。然而，电流晶闸管可以承受电流的变化幅度是非常高的。为了限制的变化，另一个电抗器应安装在一系列电容器和晶闸管上，这也将避免与交流–电流网的共振。TSC电源电压是由以下表达式定义：

(6)

是角频率。假定晶闸管在t = 0s关闭，即定义的初始条件为：

(7)

然后，以下公式适用于TSC电流：

另外：

（9）

以下公式是适用于方程（8）和（9）的参数：

(10)

选择电抗器电抗值需要大于3，而电容器的电压区域VCO范围从0到（11）。

（11）

所有被选用的电气设备应维持不涉及到正常工作状态的不同电气过载。他们可能是不同的短路，过电压，或不同的瞬时状态。当这些超常的状态到达极限时，这些设备应提供充分的保护。我们应重视对晶闸管开关，这是SVC装置使TSC和TCR关闭基本的要素。一些有关电力晶闸管可能存在的缺陷：

a）在错误时刻晶闸管触发，

b）一个或整段晶闸管的导通失败，

c）晶闸管的不同机械损坏，

d）电压和电流（温度）的过载。

为了找出每个晶闸管的情况，如果有必要的话，申请预防损伤是一种有效措施，所以晶闸管电路应进行检查TCSs系统可分为两段，用晶闸管开关连接在中间的部分。在这样一种方式，短路是不可能发生在整个TCR装置的，而且短路在两部分同时发生是非常不可能的。 晶闸管通过冷却来控制温度。最重要的冷却系统是一个水冷却系统，它取代了过时的空气冷却系统。

4.SVC装置和输电网

本文介绍了在电力系统的连接点出的SVC装置对电网情况的影响（在所有节点的电压）和电力线路v1_8流动，这是EPS试验模型图2中最长的线路。 网格由8节点13母线、16线、10格和10个单位的变压器，和6个发电厂。外出的16条线，其中4个是400千伏，9是200千伏，和3的110千伏。负载被连接到节点1，2，3，4，6，7，和8 。.负载和功率因素在表1中显示。

Slika 2. Test model elektroenergetskog sustava

Figure 2. Electric power system test model

所有示于图2的线路的测试模型的特征量是其长度，操作电阻、电抗、电纳，和允许的最大正常工作电流。

变压器已经定义为由视在功率，传输比，短路电压，磁化电流，短路和在空闲的运行的损失，可控性和连接组组成。

发电厂的同步发电机被定义为视在功率、功率因数，最大运行功率阈值，最大和最小的无功功率（同步发电机的运行图）和其电抗组成。

在每个节点的电压计算中给出的表1中所定义的电动助力转向试验模型的工作状态 ，对母线电压的1，2，3，4，5，6，7，8所示的所有涉及的电压等级（400 kV、220 kV和100 kV）（在绝对数量和每–单位值）以及在各电网节点通行的荷载。

Tablica 1. Iznosi napona u pojedinim čvoriscaron;tima mreže bez priključenog SVC uređaja

Table 1. Voltages in each power grid node without the SVC device connected

5.结论

电力电子装置的突然发展导致了柔性交流输电系统（FACT)和灵活、可靠、智能化的能源输送系统（FRIENDS)

的发展，FACTS的概念最早出现在上世纪80年代,它在电力科学研究院加利福尼亚帕洛阿尔托–电科院为了解决有关的新的传输线的限制问题而在技术上被阐述出来，以用来提高系统稳定参数，便于不同发电企业和大工业用户之间的能量交换。另一方面，FRIENDS的概念出现在1990，用来使分布式能源和电力存储系统更接近电力消费者（工业和其他大消费者）。这将是应用客户—分配部门传输问题中量身定制的解决方法。在DIgSILENT软件包显示的稳定性和电力系统的可控性可显著提高测试模型的仿真性能，特别是当它涉及到无功功率流时。当无功功率注入连接的SVC装置时，在连接节点的电压稳定，并且在其他邻近节点也是如此。仿真结果也表明使用SVC装置时，线路上的损失以及线路负载能力会降低，从而导致传输线路更高的传输容量。

在一个广泛的调节范围， 无论是电感或电容特性，SVC装置的特点是响应速度快，相对较低的损失，其电压和频率的变化，和连续调节，这是当今设计的FACTS和SVC装置相对于传统设备的基本优势。与传统的设备相比，FACTS设备的优点体现在使用它们与高压直流输电系统和在最近几年已经越来越多地构建的高压直流输电系统的使用率，在高压直流输电系统结构实现时，FACTS设备已表现出了特殊的特性。

在电力系统中安装SVC装置的成本–效率质疑（

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