電力電子技術(shù)在高壓領(lǐng)域應(yīng)用概況

電力電子技術(shù)在電力傳輸系統(tǒng)及在高壓電器中的應(yīng)用已十分廣泛，已經(jīng)顯示出它越來越重要的作用。這里所說的“高壓”應(yīng)在6KV以上。

主要應(yīng)用領(lǐng)域為：

1、高壓交、直流輸電;

2、靜止型動態(tài)無功補償裝置SVC;

3、高壓電機軟啟動;

4、高壓直流電源及高壓變頻;

一、高壓交、直流輸電

現(xiàn)代電子技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)等與傳統(tǒng)電力技術(shù)的融合產(chǎn)生了發(fā)展前景廣闊的電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)在高壓直流輸電(HVDC)、靜止無功補償器(SVC)等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用。八十年代后期，為了充分利用已有的輸電設(shè)備、有效地控制系統(tǒng)潮流分布、提高對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制能力，提出了‘靈活交流輸電技術(shù)(FACTS)’并得到了很快發(fā)展，F(xiàn)ACTS裝置的目的都是通過利用大功率電力電子器件的快速響應(yīng)能力，實現(xiàn)對電壓、有功潮流、無功潮流等的平滑控制，從而在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高系統(tǒng)傳輸功率能力，改善電壓質(zhì)量，達到最大可用性、最小損耗、最小環(huán)境壓力、最小投資和最短的建設(shè)周期的目標。可控串補(TCSC)、新型無功發(fā)生器(STATCOM)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)等工業(yè)樣機相繼投運。九十年代中期，為解決日益突出的電能質(zhì)量問題，國外又提出了‘定制電力(Custom Power)’技術(shù)，即把電力電子技術(shù)用在配電領(lǐng)域。屬于這類技術(shù)的新型電力設(shè)備，如配電用新型靜止無功補償器(DSTATCOM)、動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)、靜止開關(guān)(SSB)等也相繼投運。我國對電力電子技術(shù)的研究經(jīng)過40多年的努力，特別是近十多年的迅速發(fā)展，在部分領(lǐng)域已經(jīng)初步形成了分析研究、試驗仿真、設(shè)備制造、系統(tǒng)集成的能力，但整體技術(shù)與國際先進水平相比還有較大的差距。

我國電網(wǎng)現(xiàn)狀迫切需要上述各項技術(shù)，因為：

⑴ 我國電網(wǎng)面臨的主要問題應(yīng)該是大幅度提高電網(wǎng)的大容量、遠距離輸電能力。其次，要增強電網(wǎng)的安全可靠性以及改善電能質(zhì)量;再次，經(jīng)濟性和環(huán)境問題。然而，當前要實現(xiàn)大規(guī)模輸電面臨諸多技術(shù)困難;大區(qū)電網(wǎng)強互聯(lián)的格局尚未形成;電網(wǎng)建設(shè)滯后，瓶頸增多，威脅電網(wǎng)安全;取得線路走廊和變電站站址日益困難。這些已成為當前亟待解決的關(guān)鍵問題。

⑵ 電壓穩(wěn)定問題日益突出。以京滬穗電網(wǎng)為例，我國大型負荷中心存在的主要問題是：電廠少，使得動態(tài)無功支撐日益不足;恒定功率負荷遞增，不利于電壓的恢復(fù)，從而引起電壓穩(wěn)定問題。

⑶ 全國電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后，形成總裝機容量超過1.4億千瓦，南北距離超過4600公里的超大規(guī)模同步的交流系統(tǒng)。目前，整個互聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定問題比較突出。聯(lián)網(wǎng)后局部故障(事故)影響范圍擴大，將可能波及鄰近電網(wǎng)，在某些情況下可能誘發(fā)惡性連鎖反應(yīng)。可能造成整個電網(wǎng)動態(tài)品質(zhì)的惡化。增加了電網(wǎng)運行安全控制的復(fù)雜程度。

先進電力電子技術(shù)是將大功率電力電子開關(guān)器件的制造技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)和傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了有機的融合，已經(jīng)成為超高壓直流輸電、靈活交流輸電、大容量抽水蓄能電站、短路電流限制、節(jié)能降耗等現(xiàn)代電網(wǎng)技術(shù)和裝備的核心。它主要包括直流輸電(HVDC)技術(shù)、柔性(靈活)交流輸電(FACTS)和定制電力技術(shù)(Custom Power)?？梢灶A(yù)計，這幾項技術(shù)的發(fā)展將會導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生革命性的變化，大幅度提高輸電線路的輸送能力和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平，大大提高系統(tǒng)的可靠性、運行靈活性。

1、高壓直流輸電(HVDC)技術(shù)

高壓直流輸電的應(yīng)用場合歸納以下兩大類：

⑴ 在不同頻率的聯(lián)網(wǎng)、因穩(wěn)定問題而難以采用交流、遠距離電纜輸電等，這些技術(shù)上交流輸電難以實現(xiàn)而只能采用直流輸電的場合。

⑵ 在技術(shù)上兩種輸電方式均能實現(xiàn)，但直流比交流的技術(shù)經(jīng)濟性能好。

自1954 年瑞典哥特蘭的世界上第一項高壓直流輸電工程投運以來,高壓直流輸電技術(shù)已隨著電力電子技術(shù)的突飛猛進而飛速發(fā)展, 直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。已作為高壓交流輸電技術(shù)的有力補充而在全世界廣泛應(yīng)用。我國幅員遼闊,西電東送、南北互供的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略

目前全世界眾多直流輸電工程中具有代表性的工程有：

• 巴西伊泰普直流輸電工程( Itaipu HVDC transmission project)，世界上已建成投運的輸電電壓最高(±750kV)、輸送功率最大(6000MW)的直流輸電工程。

• 魁北克—新英格蘭直流輸電工程(Quebec—New England HVDC transmission project)，世界上最大的多端(5個換流站)直流輸電工程。

我國的直流輸電工程發(fā)展迅速，已投入運行的大型工程有：

• 葛洲壩—上海直流輸電工程(1990 年)±500kV，1200MW，1064km。它既是我國第1 條長距離大容量高壓直流輸電線路,又是區(qū)域電網(wǎng)直流互聯(lián)工程。中國電力從此進入交直流混合輸電的時代。

• 三峽—常州直流輸電工程第1 條從三峽左岸至江蘇常州, ±500kV，3000MW，890km，第2 條從三峽右岸至上海地區(qū),額定容量3 GW ,額定電壓±500 kV ,送電距離1 000 km。

• 三峽—廣州直流輸電工程(2004 年)±500kV，3000MW，962km

直流輸電已是成熟技術(shù)，造價較高是其與交流輸電競爭的不利因素。新一代的直流輸電是指進一步改善性能、大幅度簡化設(shè)備、減少換流站的占地、降低造價的技術(shù)。直流輸電性能創(chuàng)新的典型例子是輕型直流輸電系統(tǒng)(Light HVDC)，它采用GTO、IGBT等可關(guān)斷的器件組成換流器，省去了換流變壓器，整個換流站可以搬遷，可以使中型的直流輸電工程在較短的輸送距離也具有競爭力，從而使中等容量的輸電在較短的輸送距離也能與交流輸電競爭。此外，可關(guān)斷的器件組成換流器，由于采用可關(guān)斷的電力電子器件，可以免除換相失敗，對受端系統(tǒng)的容量沒有要求，故可用于向孤立小系統(tǒng)(海上石油平臺、海島)的供電。輕型直流輸電系統(tǒng)(Light HVDC)應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負荷點送電的問題。今后還可用于城市配電系統(tǒng)，并用于接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。

2 、柔性(靈活)交流輸電(FACTS)技術(shù)

隨著電力電子元件單件容量向大功率及高電壓的迅速發(fā)展,出現(xiàn)了一類為適應(yīng)電力系統(tǒng)向遠距離、大容量送電,需要對其參數(shù)實施快速控制的設(shè)備—柔性交流傳輸設(shè)備(Flexible ACT ran smission Systems , 簡稱為FACTS) , FACTS 技術(shù)的概念問世于20 世紀80 年代后期，是一項基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)，對交流輸電系統(tǒng)的實施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)。它是利用大功率電力電子器件的快速響應(yīng)能力，實現(xiàn)對電壓、阻抗、相位、有功潮流、無功潮流等的平滑控制。在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高系統(tǒng)傳輸功率能力、增大送電容量，改善電壓質(zhì)量，達到最大可用性、最小損耗的目標。FACTS提高了交流電網(wǎng)運行可控性，增強其抗御事故的能力。

FACTS技術(shù)經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，第一代FACTS技術(shù)，如可控串補(TCSC)、靜止無功補償器(SVC)等是基于自換相的半控器件(如晶閘管)的FACTS裝置，第二代、第三代FACTS裝置都是基于可關(guān)斷器件GTO、IGBT、IGCT等組成的變流器，包括靜止無功發(fā)生器(STATCOM)、靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)和相間功率控制器(IPFC)等。

據(jù)日本研究, 對于跨距150 km 的輸電系統(tǒng), 熱容量極限為6 600 MW , 常規(guī)送電額定容量為3 700MW , 裝設(shè)FACTS 設(shè)備后, 不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性, 而且可使送電容量增加到4 500MW。與新建線路相比, FACTS 設(shè)備投資及安裝費用少, 還有利于環(huán)境保護。

新研制成功并應(yīng)用于紐約電力系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換靜止補償器(CSC)，證明FACTS功能已從“單個輸電的控制器間接作用于全電網(wǎng)”的階段，進入了“直接控制多回輸電更有效地作用于全電網(wǎng)”階段。如果在三峽升壓變電站和出線上安裝大功率CSC，可瞬時控制向多個方向輸送的功率，從而快速控制大電網(wǎng)。FACTS裝置在未來輸配電系統(tǒng)中抗拒大事故發(fā)生及其連鎖發(fā)展中具有更有效的作用。

盡管柔性交流輸電技術(shù)已在多個輸電工程中得到應(yīng)用，并證明了它在提高線路輸送能力、阻尼系統(tǒng)振蕩、快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功、提高系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的優(yōu)越性能，但其推廣應(yīng)用的進展步伐比預(yù)期的要慢。主要原因之一是工程造價比常規(guī)的解決方案高，因此，只有在常規(guī)技術(shù)無法解決的情況下，用戶才會求助于FACTS技術(shù);另外，F(xiàn)ACTS技術(shù)還需要進一步完善。目前FACTS技術(shù)的應(yīng)用還局限于個別工程，如果大規(guī)模應(yīng)用FACTS裝置，還要解決一些全局性的技術(shù)問題，例如：多個FACTS裝置控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合問題，F(xiàn)ACTS裝置與已有的常規(guī)控制、繼電保護的銜接問題，F(xiàn)ACTS控制納入現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)問題等等。隨著電力電子器件的性能提高和造價降低，以電力電子器件為核心部件的FACTS裝置的造價會降低，在不久的將來會比常規(guī)的輸配電方案更具競爭力。

3、定制電力(Custom Power)技術(shù)

定制電力是指將電力電子裝置或稱靜態(tài)控制器，用于1kV到35kV的配電系統(tǒng)，以向?qū)﹄娔苜|(zhì)量敏感的用戶所提供的電力達到用戶所需可靠性水平和電能質(zhì)量水平。定制電力設(shè)備(或稱控制器)采用先進的大功率可關(guān)斷電力電子器件(如IGBT、IGCT、IEGT等)和數(shù)字信號處理器(DSP)測控技術(shù)，來實現(xiàn)對供電電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)和補償。定制電力技術(shù)(CP，Custom Power)主要用于配電系統(tǒng)故又稱為配電靈活交流輸電(DFACTS)技術(shù)。

定制電力技術(shù)所要解決的問題主要是電網(wǎng)中普遍存在的“電壓跌落”。電能質(zhì)量調(diào)查顯示：在所有配電系統(tǒng)事故中，電壓跌落占70%-80%;而在輸電系統(tǒng)事故中，電壓跌落所占的比例超過96%。定制電力技術(shù)所解決的電能質(zhì)量問題主要源于電力系統(tǒng)故障，其受影響的用戶往往對電能質(zhì)量和供電可靠性較一般用戶有更高的要求。一次電能質(zhì)量事故將導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失或重大的社會影響。目前在歐美各國對電壓跌落的關(guān)注程度比其它有關(guān)電能質(zhì)量問題的關(guān)注程度要大得多，在我國，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電壓跌落和短時斷電的影響也逐漸引起了供電公司、用戶及制造廠商的關(guān)注，特別是在一些高科技園區(qū)、大型醫(yī)院、電信、銀行、軍工和重要的政府部門等。

自二十世紀八十年代末，國外便開始了定制電力技術(shù)措施的專題研究，并陸續(xù)地推出了相應(yīng)的固態(tài)切換開關(guān)(STS)、靜態(tài)電壓調(diào)整器(SVR)、靜態(tài)串聯(lián)補償器(SSC)、配電無功發(fā)生器(DSTATCOM)等產(chǎn)品化裝置，并進行能量儲存技術(shù)、靜態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)、故障電流限制器、有源濾波及統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)等技術(shù)的研發(fā)和工程示范。這些技術(shù)的應(yīng)用電壓等級均為6&O1566;35kV。其中，STS的最大短路電流達25kA，響應(yīng)時間小于1個周波，最大容量達6.9MVA;SSC的響應(yīng)時間小于1/4周波，最大容量達10MVA，采用電容器或超導(dǎo)儲能;DSTATCOM的響應(yīng)時間小于1/4周波，最大容量達20MVA，采用電容儲能。

其中應(yīng)用晶閘管閥體為主要部件的串聯(lián)補償(SSC)主要針對源自配電系統(tǒng)的電壓驟降和突升。

二、靜止型動態(tài)無功補償裝置SVC

1，當前電網(wǎng)存在的問題

隨著現(xiàn)代電力電子設(shè)備和非線性負荷的大量應(yīng)用,使電網(wǎng)供電質(zhì)量受到嚴重影響,尤其是各種電力電子開關(guān)器件的大量應(yīng)用和負載的頻繁波動是最主要的干擾源,對電網(wǎng)的穩(wěn)定造成一系列不良影響:

⑴ 功率因數(shù)低，增加電網(wǎng)損耗，降低效率，降低輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

⑵ 產(chǎn)生的無功沖擊引起電網(wǎng)電壓降低，電壓波動及閃變，甚至電壓崩潰。嚴重時導(dǎo)致傳動

裝置及保護裝置無法正常工作甚至停產(chǎn);

⑶ 導(dǎo)致電網(wǎng)三相不平衡，產(chǎn)生負序電流使電機轉(zhuǎn)子發(fā)生振動;

⑷ 電容器組諧振及諧波電流放大，使電容過負荷或過電壓，甚至燒毀;

⑸ 增加變壓器損耗，引起變壓器發(fā)熱;

⑹ 導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)熱，電機力矩不穩(wěn)甚至損壞;

⑺ 加速電力設(shè)備絕緣老化，易擊穿;

2，靜止型動態(tài)無功補償裝置SVC結(jié)構(gòu)與功能

針對上述問題，世界各國目前普遍采用TCR型靜止型動態(tài)無功補償裝置SVC，用以消除無功沖擊，濾除高次諧波，平衡三相電網(wǎng)。

SVC(Static Var Compensator)由晶閘管控制電抗器(TCR)和無源濾波器(FC)構(gòu)成，是一種并聯(lián)連接于電網(wǎng)當中，根據(jù)負荷的工作狀態(tài)快速、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率的補償裝置。主要功能是提高輸電線路供電穩(wěn)定性，抑制電壓波動、閃變，濾除高次諧波，改善功率因數(shù)、改善三相不平衡。

如圖1所示，無源濾波器FC裝置和TCR裝置并聯(lián)接入電力系統(tǒng)中。FC濾波器組主要由電力電容器、串聯(lián)電抗器、放電線圈、避雷器、刀閘、電流互感器、斷路器等主要一次元件組成。根據(jù)不同的負載情況設(shè)計成若干條LC濾波器。其中串聯(lián)電抗器與電容器串聯(lián)諧振于特定諧波頻率，對特定諧波呈現(xiàn)低阻，實現(xiàn)諧波濾除功能。同時，對50Hz工頻呈現(xiàn)容性，在SVC系統(tǒng)中提供容性無功。TCR支路主要由相控電抗器、穿墻套管、避雷器、晶閘管閥組、刀閘、斷路器、線電流互感器、相電流互感器等主要一次元件組成。TCR采用三角形接線，其中每相電抗器分裂成兩個，分別位于閥組兩側(cè)，可減小相控電抗器短路時的短路電流。晶閘管閥組可受控改變流過相控電抗器的電流，實現(xiàn)調(diào)節(jié)TCR電流的作用。晶閘管閥組作為TCR的核心部件，其快速開斷能力是實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功的基礎(chǔ)。在所有一次設(shè)備中，其結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜，是TCR核心技術(shù)之一。晶閘管閥組由晶閘管元件、晶閘管電子板等組成。晶閘管電子板也被稱為TE板，實現(xiàn)電光電觸發(fā)方式。SVC控制系統(tǒng)與閥組的聯(lián)結(jié)采用光纖方式，可有效隔離高低電位，減少閥組對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)性干擾。

TCR裝置跟隨負載的變化快速調(diào)整與相控電抗器連接的晶閘管導(dǎo)通角，通過改變晶閘管導(dǎo)通角的大小使相控電抗器輸出大小可調(diào)的感性無功功率，來維持或控制功率因數(shù)為1或其它設(shè)定值。

控制原理公式表述如下：

負載所需的無功功率+TCR提供的無功功率—FC提供的無功功率=0(設(shè)定常數(shù))。

三、高壓大功率靜止無功發(fā)生器SVG

作為無功補償領(lǐng)域的另一重要分支，SVG是當前世界上最先進也是最復(fù)雜的補償技術(shù)產(chǎn)品，在響應(yīng)速度、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、降低系統(tǒng)損耗、增加傳輸能力、提高瞬變電壓極限、降低諧波和減少占地面積等多方面具有更加優(yōu)越的性能。由于區(qū)域電網(wǎng)的容量越來越大，這就要求補償裝置的容量也相應(yīng)增大。在幾百MVA級的無功補償系統(tǒng)中，常用的方案是將SVG與SVC相結(jié)合，充分發(fā)揮SVG的快速特性和SVC的穩(wěn)態(tài)性能，使系統(tǒng)在補償特性、造價、可靠性等方面達到最優(yōu)。

1，SVG (STATC OM)原理

SVG是當今無功補償領(lǐng)域最新技術(shù)的代表。SVG并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當于一個可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償系統(tǒng)所需無功功率。由于SVG的響應(yīng)速度極快，所以又稱為靜止同步補償器(Static Synonous Compensator, 簡稱STATCOM)。

SVG的基本原理(見圖2)是利用可關(guān)斷大功率電力電子器件(如IGBT)組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?/p>

2，SVG的功能

目前最理想的方案就是采用SVG，用以提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，增加輸電能力，消除無功沖擊，濾除諧波，平衡三相電網(wǎng)。

⑴ 提高線路輸電穩(wěn)定性

在長距離輸電線路上安裝SVG裝置，不但可以在正常運行狀態(tài)下補償線路的無功損耗，抬高線路電壓，提高有效輸電容量，而且可以在系統(tǒng)故障情況下提供及時的無功調(diào)節(jié)，阻尼系統(tǒng)振蕩，提高輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性。

⑵ 維持受電端電壓，加強系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

對于負荷中心而言，由于負載容量大，又沒有大型的無功電源支撐，因此容易造成電網(wǎng)電壓偏低甚至發(fā)生電壓崩潰的穩(wěn)定事故。而SVG具有快速的無功功率調(diào)節(jié)能力，可以維持負荷側(cè)電壓，提高負荷側(cè)供電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

⑶ 補償系統(tǒng)無功功率，提高功率因數(shù)，降低線損，節(jié)能降耗

電力系統(tǒng)中的大量負荷，如異步電動機、電弧爐、軋機以及大容量的整流設(shè)備等，在運行中需要大量的無功;同時，輸配電網(wǎng)絡(luò)中的變壓器、線路阻抗等也會產(chǎn)生一定的無功，導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)降低。

對電力系統(tǒng)而言，負荷的低功率因數(shù)會增加供電線路的能量損耗和電壓降落，降低了電壓質(zhì)量。同時，無功也會導(dǎo)致發(fā)電、輸電、供電設(shè)備的利用率降低;對于電力用戶而言，低功率因數(shù)會增加電費支出，加大生產(chǎn)成本。

⑷ 抑制電壓波動和閃變

電壓波動和閃變主要是負荷的急劇變化引起的。負荷的急劇變化會導(dǎo)致負荷電流產(chǎn)生對應(yīng)的劇烈波動，劇烈波動的電流使系統(tǒng)電壓損耗快速變化，從而引起受電端電網(wǎng)電壓閃變。引起電壓閃變的典型負荷有電弧爐、軋鋼機、電力機車等。

SVG能夠快速地提供變化的無功電流，以補償負荷變化引起的電壓波動和閃變現(xiàn)象。

目前，抑制電壓波動和閃變的最佳方案是采用SVG。

⑸ 抑制三相不平衡

配電網(wǎng)中存在著大量的三相不平衡負載，典型的如電力機車牽引負荷和交流電弧爐等。同時，線路、變壓器等輸配電設(shè)備三相阻抗的不平衡也會導(dǎo)致電壓不平衡問題的產(chǎn)生。

SVG能夠快速地補償由于負載不平衡所產(chǎn)生的負序電流，始終保證流入電網(wǎng)的三相電流平衡，大大提高供用電的電能質(zhì)量。

⑹ 面向電網(wǎng)應(yīng)用多種補償功能

抑制系統(tǒng)振蕩，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，為電網(wǎng)安全保駕護航。

由于區(qū)域電網(wǎng)的容量越來越大，這就要求補償裝置的容量也相應(yīng)增大。在幾百MVA級的無功補償系統(tǒng)中，常用的方案是將SVG與SVC相結(jié)合，充分發(fā)揮SVG的快速特性和SVC的穩(wěn)態(tài)性能，使系統(tǒng)在補償特性、造價、可靠性等方面達到最優(yōu)。

3，SVG-優(yōu)勢

SVG是目前最為先進的無功補償技術(shù)，基于電壓源型變流器的補償裝置實現(xiàn)了無功補償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量的變換。從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無功補償裝置有如下優(yōu)勢：

⑴ 響應(yīng)速度更快

SVG響應(yīng)時間：≤5ms。

傳統(tǒng)靜補裝置響應(yīng)時間： ≥10ms。

SVG可在極短的時間之內(nèi)完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的相互轉(zhuǎn)換，這種無可比擬的響應(yīng)速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償。

⑵ 電壓閃變抑制能力更強

SVC對電壓閃變的抑制最大可達2：1，SVG對電壓閃變的抑制可以達到5：1，甚至更高。SVC受到響應(yīng)速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會隨補償容量的增加而增加。而SVG由于響應(yīng)速度極快，增大裝置容量可以繼續(xù)提高抑制電壓閃變的能力。

⑶ 運行范圍更寬

SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內(nèi)工作，所以比SVC的運行范圍寬很多。更重要的是，在系統(tǒng)電壓變低時，SVG還能夠輸出與額定工況相近的無功電流。

⑷ 補償功能多樣化

SVG不僅具有快速補償系統(tǒng)無功功率的目的，還能夠根據(jù)用戶實際需要，對負荷諧波電流、負序電流等電能質(zhì)量問題進行綜合補償。

⑸ 諧波含量極低

SVG采用了PWM技術(shù)、三電平技術(shù)和多重化技術(shù)，不僅自身產(chǎn)生的諧波含量極低，還能夠?qū)ω撦d的諧波和無功進行補償，實現(xiàn)有源濾波的功能，真正做到多功能化。

⑹ 占地面積小

由于無需高壓大容量的電容器和電抗器做儲能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%。

四、高壓電機軟起動

1，中、高壓(6～10 kV)電機常用的起動方法

交流電動機是在各種領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的電動機，為解決交流電動機在起動過程中對電網(wǎng)、機械的沖擊，人們采取過很多辦法，傳統(tǒng)的有串電阻起動、串電抗器起動、星—角轉(zhuǎn)換起動、自耦降壓起動、變頻起動等。

用晶閘管控制的電機軟起動裝置是利用晶閘管反并聯(lián)、調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角達到交流調(diào)壓的目的，為解決在空載和輕載時交流異步電動機功率因數(shù)過低的問題，此技術(shù)得到了應(yīng)用。后來又引入電流反饋技術(shù)，使該項控制水平大幅度提高，得到廣泛的采用。

2，電機軟起動的好處

⑴ 可減小對電網(wǎng)的沖擊，可降低變壓器的容量

普通鼠籠式電動機在空載全壓直接起動時，起動電流會達到額定電流的5～7倍。當電動機容量相對較大時，該起動電流將引起電網(wǎng)電壓急劇下降。采用軟起動后起動電流可降為額定電流的1.5～3倍，可大大降低電網(wǎng)電壓的波動率。

⑵ 可減小對電機的傷害，延長電機壽命

電動機直接全壓起動時的大電流在電機定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，引起電機故障。軟起動時的電動力是其四分之一?？梢娦Ч欠浅Ｃ黠@的。

電動機直接全壓起動時的大電流會使定轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生大量的焦耳熱。燒損繞組絕緣，降低電機壽命。軟起動可以大大降低發(fā)熱量。提高電機壽命。

電機直接全壓起動時，會產(chǎn)生操作過電壓，在最不利的情況下過電壓會達到額定電壓的5倍，這對電機絕緣將造成極大的傷害。

⑶ 可減小對機械的傷害，延長機械壽命

軟起動時電機緩慢加速，力矩逐步加大，有利于潤滑油脂的充分到位，還免除了干磨現(xiàn)象。這些都極大程度地減小了對電機的傷害，有利于提高機械設(shè)備的壽命。

3，晶閘管的耐壓問題

在高壓電機軟啟動中使用的晶閘管也因單只晶閘管耐壓不夠要串聯(lián)運行，有如上述TCR中晶閘管閥組那樣。當晶閘管的額定電壓小于實際要求時，可以用兩個以上同型號器件相串聯(lián)。理想串聯(lián)希望各器件承受電壓相等，但實際上因器件特性之間的差異，一般都會存在電壓分配不均勻的問題。串聯(lián)的器件流過的漏電流總是相同的，但由于靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件所承受的電壓是不等的。承受的電壓高的器件將首先達到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個器件承擔全部電壓也導(dǎo)通，兩個器件都失去控制作用。同理，反向時，因伏安特性不同而不均壓，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿。這種由于器件靜態(tài)特性不同而造成的均壓問題稱為靜態(tài)不均壓問題。

為達到靜態(tài)均壓，首先應(yīng)選擇參數(shù)和特性盡量一致的器件，此外可以采用電阻均壓。

由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓稱為動態(tài)不均壓。為達到動態(tài)均壓，同樣首先應(yīng)選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件，另外，還可以用RC并聯(lián)支路做動態(tài)均壓。對于晶閘管來講，采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減少器件開通時間上的差異。

4，軟起動裝置性能的比較

目前國內(nèi)外的中高壓軟起動產(chǎn)品主要有兩種，一種為應(yīng)用高壓變頻器軟起動另一種應(yīng)用可控硅做軟起動，在此筆者簡要的介紹一下兩種裝置的性能。

⑴ 高壓變頻器軟起動

變頻器裝置主要是用在交流電機的調(diào)速上，具有明顯的節(jié)能效果。如果把變頻裝置用來做軟起動，在整個起動過程中電機不會有過流現(xiàn)象，對起動轉(zhuǎn)矩大的負載，具有很好的起動性能。但對于起動轉(zhuǎn)矩小的，這一優(yōu)點則表現(xiàn)不出來。

⑵ 晶閘管軟起動

此種方法有兩種結(jié)構(gòu)，一是將晶閘管直接串聯(lián)應(yīng)用(3a)、二是開關(guān)變壓器技術(shù)(3b)，此兩種方式主電路形式如下：

圖3a中電路清晰結(jié)構(gòu)簡單，但存在元件參數(shù)一致性要求及輸出諧波問題，雖有占地空間較小的優(yōu)勢但安全穩(wěn)定性堪憂。

圖3b中電路結(jié)構(gòu)很清晰，與a相比雖有占地空間稍大問題，但不存在參數(shù)一致性要求也不存在輸出諧波污染問題，安全穩(wěn)定。

就目前電力電子器件的情況來說b更有技術(shù)優(yōu)勢，但隨著電力電子技術(shù)不斷的升級改進，在軟起動領(lǐng)域中3b最終將被3a所取代。

五、晶閘管閥組

高壓晶閘管閥組是TCR中十分重要的部件。根據(jù)SVC的電壓要求，采用若干個晶閘管串聯(lián)而成，使其耐壓水平達到SVC要求。晶閘管閥組中還有散熱器、均壓/阻尼電容器和電阻器、高電位觸發(fā)板和支撐架等。要求散熱器和晶閘管一隔一的排列，以便每個晶閘管都能均勻地得到散熱。晶閘管閥組散熱采用水冷散熱器或熱管散熱器。

串聯(lián)后的晶閘管耐壓要留有足夠大的裕量。例如單相10kV晶閘管閥組單臂半波共串聯(lián)10個6500V晶閘管元件。單相6kV晶閘管閥組單臂半波共串聯(lián)6個6500V晶閘管元件。要求晶閘管，開通、觸發(fā)特性一致性好，高溫特性優(yōu)良，適合多只串聯(lián)使用。串聯(lián)后的晶閘管要有均壓措施、過壓保護，和丟脈沖保護等功能。晶閘管閥層采用擊穿二極管(BOD)進行快速保護。由于每個晶閘管處于不同的電位，為實現(xiàn)高低電位完全隔離，要求觸發(fā)板自取能，可控硅觸發(fā)電路采用光電轉(zhuǎn)換裝置，光信號觸發(fā)。觸發(fā)器的同步信號取自電網(wǎng)電壓，經(jīng)同步變壓器降壓，光耦后作為同步信號。觸發(fā)器接到觸發(fā)命令后,產(chǎn)生寬脈沖的觸發(fā)命令，再通過光纖傳遞給脈沖功放產(chǎn)生脈沖列信號，經(jīng)過磁隔離變壓器隔離，觸發(fā)晶閘管。磁隔離脈沖變壓器提供同一組晶閘管閥串相同的觸發(fā)脈沖信號,即觸發(fā)脈沖信號同時開始、同時停止,以保證閥串同時導(dǎo)通。并且磁隔離變壓器起到低壓控制回路與中壓主回路絕緣、隔離的作用。專門用于多個晶閘管串聯(lián)系統(tǒng)的特種脈沖變壓器,可滿足3-12個晶閘管串聯(lián)同時觸發(fā)的需要。其結(jié)構(gòu)和工藝上保證了多繞組輸出脈沖的上升沿時間誤差小于0.2μs，脈沖上升沿陡度可達2A/μs，適合觸發(fā)電流容量在50～4000A范圍內(nèi)的晶閘管。良好的性能，保證了觸發(fā)系統(tǒng)的安全性,可靠性和穩(wěn)定性。

晶閘管閥組就是晶閘管的串聯(lián)運行的組件。除了它在TCR中應(yīng)用外，在高壓領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，例如：高壓直流輸電、高壓電機軟起動、各種高壓直流電源等。

編后語

本文未就對“高壓直流電源及高壓變頻”進行討論。因高壓直流電源范圍很寬、原理各異，擬另文討論。高壓變頻器就目前來看屬低壓變頻器輸出串聯(lián)，為另一設(shè)計思路。

應(yīng)該說明本文是匯集了若干相關(guān)報道文章精華，重新編寫的摘要匯編，以便需要者能“一目了然”，了解概貌。在此順向原報道者致謝!

編者簡介：朱英文：(1939- )，高級工程師，現(xiàn)任北京京儀椿樹整流器有限責任公司技術(shù)顧問，中國電力電子產(chǎn)業(yè)網(wǎng)特約顧問，主要研究電力半導(dǎo)體器件的設(shè)計、制造、應(yīng)用中的熱設(shè)計和電力半導(dǎo)體器件主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計。曾參與專業(yè)詞典、書籍的編寫、翻譯等工作。主要成果有：“無刷勵磁發(fā)電機用旋轉(zhuǎn)整流管設(shè)計和制造”，“晶閘管芯片球面磨角工藝”“大功率半導(dǎo)體器件用散熱器風冷熱阻計算方法”等