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靜止無功補償器對電力系統性能改善的綜述
日期：2025-04-27 19:21
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摘要：
摘要：隨著電力電子技術、微處理技術和控制技術的發展，柔**流輸電系統FACTS(F1exible AC Transmi S Sion System)的出現，為電力系統急待解決問題提供了新的手段或策略。靜止無功補償器(SVC)作為FACTS家族的成員之一，對電力系統性能的改善也已取得了可喜的成績。因此，從靜止無功補償器提高穩態輸送容量、提高暫態穩定性、增強系統阻尼抑制低頻振蕩、緩解次同步諧振、預防電壓不穩定或控制電壓的波動、改善直流輸電系統的性能等六個方面進行綜述。
關鍵詞：靜止無功補償器 電力系統 性能
1引言
隨著電力電子技術、微處理技術和控制技術的發展，柔**流輸電系統FACTS(FlexibleACTransmissionSystem)的出現，為電力系統急待解決問題提供了新的手段或策略。靜止無功補償器(SVC)作為FACTS家族的成員之一，在提高電力系統傳輸容量和改善電力系統穩定性方面已在我國取得可喜的成績。2004年11月，我國**套用于電力系統中的國產化SVC (100kvar)在東北電網鞍山紅一變投運后，使鞍山受電斷面有功輸送能力提高4．4％。華中川渝系統正在設計和建設中的4臺SVC的總容量為570Mvar，建成后它們將使川渝斷面穩定極限提高180Mvar，鄂渝斷面穩定極限提高270Mvar。因此，較為詳細、深入地了解靜止無功補償器SVC(staticVatcompensator)變得更加必要，本文將靜止無功補償器從不同方面改善電力系統性能進行介紹，并就怎樣改善電力系統的問題進行較為深入、**的闡述。
2 靜止無功補償器對電力系統性能的改善
2．1提高穩態輸送容量
如圖l所示，從同步發電機到無窮大母線的輸送功率為
假設
=V，在無補償的輸電系統上，穩態*大輸送功率對應于δ=900，即
=V，在無補償的輸電系統上，穩態*大輸送功率對應于δ=900，即
設在輸電線路的中點安裝一個理想的SVC(即無功無限制)來補償，不管線路中的有功潮流有多大，都能維持中點電壓幅值恒定。因此，如圖l(b)流過發電機與SVC母線之間半條線路的功率為：
另一半條線路上的功率也可類似表示。假設
，因此輸電線路上的*大功率為:
，因此輸電線路上的*大功率為:
圖1 單機無窮大母線系統(s?B)
裝設理想SVC后，使*人傳輸功率增大為無SVC情況的2倍，并在δ/2=900時到達。也即是SVC可以使穩態功率極限加倍，并使同步電機與無窮人母線之間的穩定相角從900增大到1800，如圖2。
為了維持電壓恒定，中點SVC提供的無功功率：
從圖2可知，將輸送功率加倍到2倍，SVC提供的無功容量為無SVC情況下*大輸送功率的4倍。所以，SVC以用來提高輸電線路的輸送能力，實際中還要受輸電線路熱穩定性限制。
圖2 SMIB系統中線路有功和SVC無功的變化
2.2 提高暫態穩定性
當系統遭受突然的大擾動時，SVC也能夠大大提高系統保持同步的能力。以圖1的系統為例，設定兩系統傳輸功率相同，遭受同樣的故障，持續時間也相同，兩系統的轉子角曲線如圖3。
從圖3可知，兩系統在δ2，δC2切除故障時，P＞PM，發電機減速，但由于轉子儲能，轉子角繼續增大到δ3。若δ3，δC3分別小于δmax，δCmax,系統恢復穩定運行；若超出，則失穩。轉子角的擺幅離*大極限越遠(穩定裕度Amargin≤Acmargin)，系統的暫態穩定性越好，所以具有SVC的系統暫態穩定性得到很大提高。
另外，純電壓控制的SVC將提高同步轉矩的系數，同步轉矩的系數也提高即電力系統的暫態穩定裕度增大，暫態穩定性得到提高。
圖3SMIB中暫態穩定裕度的轉子角曲線
2．3增強系統的阻尼抑制低頻振蕩
發電機振蕩的特性是由同步轉矩和阻尼轉矩決定，其中同步轉矩是在系統遭受大的擾動時以保證各發電機轉子角不變即保證系統暫態穩定，其大小決定于振蕩的頻率。而阻尼轉矩影響振蕩衰減的時間，即使系統穩定，阻尼轉矩不足，振蕩衰減時間很長。因此，通過采用適當的控制方法對SVC進行控制，可以增大系統的阻尼轉矩。
以圖1的系統來說明原理，假設
，Vm為SVC所要調節到的電壓，流過發電機與SVC母線之間半條線路的功率為:
，Vm為SVC所要調節到的電壓，流過發電機與SVC母線之間半條線路的功率為:
（6）將式(6)線性化可得電功率的增量方程
又因系統的搖擺方程為：
對式(8)線性化后
當輸入機械功率恒定時
當送端電壓恒定時，△V=O，且將(7)代入(10)得，
式中：
表示SVC的作用，當SVC嚴格恒壓調節時，△Vm =0，對應式(11)的根落在虛軸上，導致轉子角以頻率
作不衰減的振蕩。
為同步轉矩系數。此時，SVC不向系統提供阻尼，如對SVC不采用恒壓控制，，而采用
的某個函數來調制，取
，代入式(11)，
表示SVC的作用，當SVC嚴格恒壓調節時，△Vm =0，對應式(11)的根落在虛軸上，導致轉子角以頻率作不衰減的振蕩。為同步轉矩系數。此時，SVC不向系統提供阻尼，如對SVC不采用恒壓控制，，而采用的某個函數來調制，取，代入式(11)，
對應的特征方程為：
式(13)的根在S平面的左半部分，轉子角的任何振蕩都會隨時間而衰減。從上面分析可知改善系統阻尼的一個有效信號是母線頻率的變化量，因為它與轉子角振蕩的關系為：
SVC增加阻尼作用機理：若
，轉子加速并積聚動能，可以通過SVC的控制提高SVC端口電壓來緩解動能的積聚；若
，轉子減速，發電機的輸出功率必須被減下來，這可以用阻尼控制作用減小SVC的端口電壓來實現。
，轉子加速并積聚動能，可以通過SVC的控制提高SVC端口電壓來緩解動能的積聚；若，轉子減速，發電機的輸出功率必須被減下來，這可以用阻尼控制作用減小SVC的端口電壓來實現。從上述分析可知，SVC的電壓控制對其阻尼控制能力影響是負的，即提高電壓控制力度將降低阻尼控制能力；又因電壓控制向系統提供同步轉矩，從而提高系統的穩定極限的能力并不隨電壓控制強度的增加而增加，所以在SVC中采用強的電壓控制是得不償失。
2．4緩解次同步諧振(SSR)
在IEEE Task ForceReport定義SSR為“串聯電容補償電輸電路自然頻率接近于汽輪發電機組扭轉
自然頻率的一個時，即引起電氣系統和機械系統間的強耦合現象就是SSR”。
在用SVC緩解SSR時(常常安裝在機端)，選擇發電機轉速作為控制信號，因為它包含了需要阻尼的所有原動機模式分量；在諧振時SVC具有電流放大功能，即如果SVC的無功電流被調制成與發電機轉子速度偏差錯相1800，就能保證產生正阻尼，也即是若轉子速度增加，SVC的無功電流就減小，反之亦然。這種控制與提高輸電能力而增強發電機阻尼控制是不同的。提高輸電能力而引入的阻尼控制在慣性頻率范圍0.1～2Hz；然而對抑制SSR的控制，產生的在較高的扭轉頻率范圍10～40Hz。
2．5預防電壓不穩定或控制電壓的波動
SVC的電壓調節作用如圖4所示。
圖4SVG的電壓控制描述圖
當SVC沒有被電壓調節時，SVC接入點的母線電壓為(如圖4(b))。
所以SVC電流產生一個與
反相的電壓降，
式(15)表示系統負荷曲線方程。從式(15)
反相的電壓降，式(15)表示系統負荷曲線方程。從式(15)也可知SVC在弱交流系統（
大)比在強（小)交流系統中的電壓控制效果好。
大)比在強（小)交流系統中的電壓控制效果好。如圖4(c)，SVC動態特性曲線與系統負荷曲線的交點為SVC的穩定工作點，所以區域內的電壓控制作用如下，
當切除一條線路或諸如電動機等設備需求無功增加等原因導致電壓波動或不穩定時，SVC都能成功地通過電壓調節來實現穩定電壓功能。
2．6改善直流輸電系統的性能
SVC應用到直流輸電系統時對其性能從三個方面進行改善：
調節電壓：為了保持HVDC終端的額定電壓，需要無功功率支持，此時使用SVC可以平滑、快速而沒有開關次數限制地達到目的。
抑制暫態過電壓：當HVDC系統由于甩負荷而引起暫態過電壓時，安裝有SVC的系統能很好地抑制過電壓。特別是使直流輸電系統在薄弱的網絡結構下具有更大的運行靈活性。
支持大擾動后的恢復：電力系統中的事故對直流輸電系統的輸送能力具有消弱作用，導致部分或全部甩負荷。SVC的主要作用是穩定電壓，從而能夠在故障切除以后極大地幫助直流輸電系統的快速恢復。
3 結束語
(1)隨著電力系統規模的不斷擴大， 電力系統結構也越來越復雜，其各項性能(如穩定性、輸送容量、電壓穩定性等)指標也變得尤為重要。因此，必須采取不同措施來改變這些性能。比如采用先進的控制方式、FACTS、和一些現場試驗等等。
(2)針對SVC改善系統性能之間的關系，以及相互影響等還待進一步研究。如，在提供電壓支持，加強系統穩定性的同時，是否也能抑制次同步振蕩或是象串聯補償裝置一樣，在某些同步頻率下誘發次同步振蕩的隱患，等等問題還待進一步探討。
(3)本文就SVC對電力系統性能改善的機理深入分析，給T程設計、T程管理、現場維修等人員提供一定的理論依據。