并联补偿对提高输电系统电压稳定性的研究

赵勇超，赵羡龙

（1.清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100083；2.国网电力科学研究院，北京 112200）

大电网中的各区域、各部分密切相关相互影响，一个局部的小扰动或异常运行就可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大面积的系统瓦解.其中，电力系统的电压稳定性是关键性问题之一.由于并联补偿可以向系统注入电流或改变系统导纳矩阵的对角元素，所以它可方便地向系统注入或吸收无功／有功功率.正是并联补偿具有的这种能力，使得它可以快速、方便的提高电力系统的电压稳定性，并在电力系统中得到广泛的应用.

1 研究概况

1.1 国外对并联补偿技术的研究

并联补偿技术在电力系统中的应用已有很长的历史［1］，最早的是各种机械投切式并联补偿装置，但由于投资大、维护难、响应速度慢、噪声大等问题，现在已很少使用.世界上最早取代机械投切式并联补偿装置的静止无功补偿设备是由德国的E.Friedlander博士发明的直流控制的自饱和电抗器，于1964年在一家钢厂投入商业运行［2］.20世纪70年代中期，出现了一系列晶闸管投切或控制的并联补偿设备，如TSC、TSR、TCR 及其综合体SVC，最早用于大型负荷的无功补偿，随后SVC也投入商业运行.1980年，日本三菱公司采用晶闸管和强迫换相技术成功研制了世界上第一台基于变换器的静止同步补偿器（STATCOM），并投入工业运行.1986年，美国西屋公司和EPRI合作，成功研制出首台基于可关断期间GTO的STATCOM，容量为±1Mvar［3］.1999年，ABB 公司采用IGBT 串联和NPC 主电路结构制造第一台容量为±22Mvar的SVC Light，并用于改善瑞典某工厂的电能质量.2001年，美国纽约电力局投运的CSC，第一阶段即为±200 Mvar的STATCOM，这也是迄今为止的容量最大的STATCOM 工程［4］.目前，全世界已有超过20项大容量（10Mvar及以上）并联补偿设备投运，总可控容量可达3 000Mvar［5］.

1.2 国内对并联补偿技术的研究

我国对并联补偿技术研究起步较晚.20世纪80年代，我国从ABB、Siemens等公司引进SVC装置，至今已有数十套进口SVC 设备安装于500 kV 变电站以及大型的冶金企业［6］.经过20多年的研发，我国已有独立生产成套SVC 装置的能力，1999年，清华大学与河南省电力局合作研制出我国首台大容量的STATCOM（±20Mvar），表明我国已具备自主研制工业化STATCOM的能力.BESS、SMES、APF等其他并联型补偿设备在我国同样得到了很大的发展［7］.

2 并联补偿提高系统电压稳定性

电压稳定性是指电力系统在正常运行条件下和遭受扰动之后，系统所有母线都持续保持可接受电压的能力.其核心问题是系统的无功功率特性，而并联补偿能提供稳态和动态的无功补偿，因此对改善系统的电压稳定性具有重要的作用［8-10］.

电网通过线路阻抗向一负载供电（见图1），电网为无穷大系统＝E∠0°，负载阻抗为L＝ZL∠θ，线路阻抗为Xj，负载电压为.

图1 电网供电系统等效图Fig.1 Equivalent diagram of the power supply system

经计算，负荷节点的电压为

负荷电压幅值为

负荷吸收的有功功率为

负载阻抗变化，负载有功功率也随之变化，当ZL＝X 时，负载有功功率达到最大值：

通过式（1）～式（3）可以得到如下公式：

分别取负载功率因数cosθ为0.8、0.95、1.0、0.8（容性），负载ZL由∞到0之间变化，画出UZL、PL-ZL、U-P 图，如图2～图4所示.

图2 UZL图Fig.2 UZLdiagram

图3 PLZL图Fig.3 PLZLdiagram

图4 UP 图Fig.4 UPdiagram

从图2与图3中可以看出，随着负荷的增大（ZL减小），电压开始缓慢下降，并在负荷增大到一定程度之后，电压开始迅速下降；负载的有功功率随着负荷的增大而增大，达到极值后（ZL＝X），开始迅速下降，可见电源向负荷传输的有功功率存在最大值，传输的有功功率最大值代表可接受运行的极限功率，对于不同的功率因数，极限功率点所形成的轨迹便是负载电压稳定临界线（如图4中虚线所示）.位于临界线上面的工作点是正常运行点，位于临界线下面的工作点是不正常运行点.不正常运行点虽然可以保证一定的有功功率，但是电压很低，如果负荷带有变压器分接头自动调节装置，那么分接头便会向变比减小的方向自动调节，根据公式Z＝n2ZL，归算到高压侧的阻抗将减小，从而导致负荷电压进一步降低，分接头再调节，电压再降低，形成恶性的正反馈，最终导致系统电压崩溃.

对于一定的负荷（功率因数与幅值为定值），电网向负载传输的有功功率便是一定的.从图4中可以看出，对应于同一有功功率有两个电压值，说明可以有两个电压电流的工作点.其中B 点位于临界线之下，是不正常工作点，当A 点受到电压扰动，有可能越过临界线而到达B 点，引起系统电压崩溃.所以正常工作点离临界点越远，电压稳定性就越高，但是系统所传输的功率就会变小，使电气设备不能经济运行.

如果在负荷母线处接入并联补偿装置（见图5），对负荷的无功功率进行补偿，提高负荷的功率因数（理想状态下提高到1.0），负荷工作点从A点变到A′点（见图6），就可以在保证有功功率不变的基础上，工作点远离临界点，从而有效的提高了系统电压稳定性.

图5 负荷侧加并联补偿装置图Fig.5 Diagram of load side with parallel compensation device

图6 负荷侧加入并联补偿装置的UP 图Fig.6 UPdiagram of load side with parallel compensation device

3 结 论

通过对并联补偿与未进行并联补偿系统的对比分析，结果表明：并联补偿具有提高系统电压稳定性的作用.并联补偿可以通过向系统注入或吸收无功功率，改善负载的功率因数，可以在保证有功功率不变的基础上，使U-P 曲线的工作点远离临界点，增强了电压抗扰动能力，从而有效地提高了系统电压稳定性.

［1］陈思范.基于TSC＋STATCOM的无功补偿装置主电路的研究［D］.长沙：中南大学，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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