電力前沿技術(shù)----電能質(zhì)量柔性控制裝置（STATCOM）

一、背景及發(fā)展過程
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一方面，造成電能質(zhì)量問題的因素不斷增長(zhǎng)，如以電力電子裝置為代表的非線性負(fù)荷的使用、各種大型用電設(shè)備的啟停等；另一方面，各種復(fù)雜的、精密的、對(duì)電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷普及，人們對(duì)電能質(zhì)量及可靠性的要求越來越高。上述問題的矛盾越來越突出，這使得電能質(zhì)量問題對(duì)電網(wǎng)和配電系統(tǒng)造成的直接危害和可能對(duì)人類生活和生產(chǎn)造成的損失也越來越大，電能質(zhì)量直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益。
對(duì)供電質(zhì)量及可靠性的要求日益提高是和用戶的工藝過程水平的發(fā)展相聯(lián)系的，近代科技進(jìn)步又促進(jìn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和智能化，對(duì)電能質(zhì)量提出了更高更新的要求。一個(gè)計(jì)算中心失去電源2s就可能破壞幾十小時(shí)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果而造成上百萬元的經(jīng)濟(jì)損失。在大型機(jī)器制造廠，0.1s的電壓突降就可能造成異常的生產(chǎn)狀況和質(zhì)量破壞。當(dāng)今自動(dòng)化設(shè)備控制的連續(xù)精加工生產(chǎn)線，它們對(duì)配電系統(tǒng)中的干擾異常敏感，幾分之一秒的不正常供電就可能在工廠內(nèi)部造成混亂，其損失是難以估量的。這些用戶對(duì)不合格電力的容許度可嚴(yán)格到只有1～2周波?，F(xiàn)代化的商貿(mào)中心、銀行、醫(yī)院也是如此。諧波的嚴(yán)重危害和所造成的損失經(jīng)常被人們所提及，而無人值守變電站中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)突然出現(xiàn)的死機(jī)現(xiàn)象，大多屬于電能質(zhì)量問題。
在我國(guó),雖然總體經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平還比較落后，但在部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)電能質(zhì)量問題的影響已比較突出。而且，由于各種原因，在供電可靠性和電網(wǎng)電壓幅度的穩(wěn)定水平等指標(biāo)上，我國(guó)的情況尤其落后。如何提高和保證電能質(zhì)量,已成為國(guó)內(nèi)外電工領(lǐng)域迫切需要解決的重要課題之一。
近段時(shí)間提出的系統(tǒng)化綜合補(bǔ)償技術(shù)是解決電能質(zhì)量問題的“治本”途徑。對(duì)于穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓質(zhì)量問題有許多成熟的措施加以解決;但對(duì)于動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題,依靠傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償和常規(guī)的濾波裝置則不能有效地解決,因?yàn)橹T如電壓跌落(sags)、浪涌(surge)、電壓脈沖(impulse)與瞬時(shí)供電中斷(outage)這類電能質(zhì)量問題持續(xù)的時(shí)間很短、變化很快,并且有的電能質(zhì)量問題還伴隨著部分甚至全部的有功損失等情形。
作為facts(基于電力電子技術(shù)的靈活交流輸電系統(tǒng))技術(shù)與配電系統(tǒng)應(yīng)用的延伸—dfacts技術(shù)已成為改善電能質(zhì)量的有力工具,該技術(shù)的核心器件igbt，它比gto具有更快的開關(guān)頻率，并且關(guān)斷容量已達(dá)到一定規(guī)模，因此dfacts裝置具有更快的響應(yīng)特性。目前dfacts裝置主要有：動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(dvr)、配電系統(tǒng)用靜止同步補(bǔ)償器(d-statcom)、固態(tài)切換開關(guān)(ssts)等。
statcom在svc裝置基礎(chǔ)上，克服了由于呈恒阻抗特性，使得在電壓低時(shí)，無法提供所需的無功支持，應(yīng)付突發(fā)事件的能力較弱；而且占地面積大，過多的svc易引發(fā)系統(tǒng)振蕩的弊端，statcom的無功電流輸出可在很大電壓變化范圍內(nèi)恒定,在電壓低時(shí)仍能提供較強(qiáng)的無功支撐，并且可從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，使得其無功輸出相當(dāng)于同容量svc的1.4～2倍；因statcom的靈活調(diào)壓，還可以大大減少變壓器分接頭的切換次數(shù)，從而減少分接頭故障次數(shù)。另外，statcom還可以抑制電壓閃變,提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平,結(jié)合我國(guó)的國(guó)情和已有的技術(shù),發(fā)展statcom應(yīng)是解決我國(guó)電壓穩(wěn)定問題的有效手段,并且也是dfacts技術(shù)發(fā)展的主要方向。
目前城市和農(nóng)村配網(wǎng)存在低功率因數(shù)和諧波污染問題。大量無功電流在電網(wǎng)中的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致線路損耗增大，變壓器利用率降低，用戶電壓跌落嚴(yán)重。諧波污染則會(huì)使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，也對(duì)周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害。諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致由以下幾個(gè)方面：
1．諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的三次諧波流過中性線時(shí)會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。
2．影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對(duì)電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。[!--empirenews.page--]
3．諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使諧波危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。
4．諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。
5．諧波對(duì)臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。
二、用戶電力技術(shù)
80年代以來，電力電子學(xué)已逐漸成為一門新興交叉邊緣學(xué)科，與此相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)代電力電子技術(shù)也得到迅速發(fā)展。以計(jì)算機(jī)技術(shù)和功率半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)和先導(dǎo)，開關(guān)器件功率處理能力和切換速度有了顯著提高。采用電力電子裝置等高新技術(shù),在高效使用電能上已越來越多地被人們所認(rèn)識(shí)。
用戶電力技術(shù)(custompower)是美國(guó)電力科學(xué)研究院（epri）的n.g.hingorani博士繼在1986年提出柔性交流輸電技術(shù)（flexibleactransmissionsystem，簡(jiǎn)稱facts）之后，于1988年針對(duì)配電網(wǎng)中供電質(zhì)量問題提出的新概念。其主要內(nèi)容是：對(duì)供電質(zhì)量的各種問題采用綜合的解決辦法，在配電網(wǎng)和大量商業(yè)用戶的供電端使用新型電力電子控制器。
facts技術(shù)和用戶電力技術(shù)都是以大功率可控硅為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)技術(shù)相比具有精確、快速、靈活等特點(diǎn)，是解決電能質(zhì)量問題的有效手段。根據(jù)解決問題的出發(fā)點(diǎn)不同，這兩種技術(shù)分屬于系統(tǒng)側(cè)技術(shù)與用戶側(cè)技術(shù)。柔性輸電裝置側(cè)重于輸電系統(tǒng)，具有工作電壓高，裝置容量大等特點(diǎn)，其功能常常是為滿足一個(gè)區(qū)域的多數(shù)用戶而設(shè)計(jì)的；用戶電力裝置側(cè)重于配電系統(tǒng)，具有工作電壓低，裝置容量小等特點(diǎn)，其功能往往是根據(jù)少數(shù)用戶的要求而設(shè)計(jì)的。盡管兩種技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)不同，使用目的和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同，但是在使電網(wǎng)高度柔性化，提高輸電能力的效果上是一樣的。有些裝置甚至既可以用于輸電網(wǎng)，又可以用于配電網(wǎng)，例如有源濾波裝置（activepowerfilter）和同步并聯(lián)補(bǔ)償器（statcom）等等。因此可以把柔性輸電技術(shù)與用戶電力技術(shù)看作同一種技術(shù)在電力系統(tǒng)不同方面的應(yīng)用。
根據(jù)工作原理，用戶電力技術(shù)可以分為基于半可控器件－晶閘管的，利用其開關(guān)特性調(diào)節(jié)無源器件如電容和/或電抗的等效阻抗，以達(dá)到改變系統(tǒng)參數(shù)的目的的第一代阻抗調(diào)節(jié)型控制器，如svc和tcsc等。以及以全可控器件如igbt，gto等所構(gòu)成的電壓和電流源變流器所產(chǎn)生的同步電壓（或電流）來對(duì)系統(tǒng)的電壓和電流進(jìn)行控制的第二代同步電源控制器，如同步并聯(lián)補(bǔ)償器statcom，同步串聯(lián)補(bǔ)償器和統(tǒng)一潮流控制器upfc等。上述在輸電系統(tǒng)中得到迅速發(fā)展和經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)的控制器實(shí)際上均可以有效地應(yīng)用于配電系統(tǒng)。
目前，facts已被國(guó)內(nèi)外一些權(quán)威的專家預(yù)測(cè)為電力系統(tǒng)“新時(shí)代的三項(xiàng)支撐技術(shù)（柔性交流輸電技術(shù)、先進(jìn)的能量管理系統(tǒng)技術(shù)和綜合自動(dòng)化技術(shù)）之一”，和“現(xiàn)代電力系統(tǒng)中三項(xiàng)具有變革性影響的前沿課題（柔性交流輸電技術(shù)，智能控制和基于gps的動(dòng)態(tài)安全分析與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）之一”。
facts采用電子式的開關(guān)操作，無機(jī)械磨損，速度快（毫秒級(jí)）；既可以斷續(xù)調(diào)節(jié)，也可以連續(xù)調(diào)節(jié)被控系統(tǒng)的參數(shù)。這些特點(diǎn)可大大提高控制的靈活性，對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)品質(zhì)的提高是有益的。
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題一般僅是關(guān)注系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)情況下是否供電可靠，事實(shí)上，對(duì)于大部分傳統(tǒng)設(shè)備來說，短時(shí)間的電壓電流變化對(duì)設(shè)備的影響不大，甚至當(dāng)供電在一定范圍內(nèi)變化的情況下也可以保證工作。但隨著電子和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)中自動(dòng)生產(chǎn)線、精密加工工業(yè)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)使用日益廣泛，家庭用戶和商業(yè)用戶中計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)等現(xiàn)代化辦公設(shè)備使用也越來越普遍，供電系統(tǒng)故障或電能質(zhì)量惡化很可能會(huì)帶來極為嚴(yán)重的影響，因此現(xiàn)在用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求要遠(yuǎn)比以前嚴(yán)格。對(duì)于敏感的電力電子設(shè)備或信息設(shè)備來說，即使幾個(gè)周期的供電中斷，或電壓跌落都將影響這些設(shè)備的正常工作，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于用戶要求的提高，保證用戶的供電質(zhì)量就成為一個(gè)非常重要而困難的課題，比如一次雷擊都會(huì)影響在方圓幾千平方公里內(nèi)任一敏感負(fù)荷的正常運(yùn)行，因此要保證用戶的電能質(zhì)量依靠傳統(tǒng)的設(shè)備和方法是不行的。
facts的提出在全世界引起很大反響，各國(guó)的電力研究機(jī)構(gòu)、高等院校和制造廠家都開展了這方面的研究工作。美國(guó)、日本及歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家已投入大量資金和人力進(jìn)行研究開發(fā)，包括對(duì)現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估、硬件設(shè)備的開發(fā)及facts裝置在電力系統(tǒng)中的配置應(yīng)用等。國(guó)際大網(wǎng)絡(luò)會(huì)議（cigre）也于1990年成立了相應(yīng)的專門研究小組，并多次召開專門的國(guó)際性學(xué)術(shù)會(huì)議。[!--empirenews.page--]
三、目前常用設(shè)備比較
低壓無功補(bǔ)償裝置通常用接觸器或者晶閘管控制電容器組投切來實(shí)現(xiàn)。由于電容器組投切裝置工作原理簡(jiǎn)單，投資少，效果好，因此它被電力部門廣泛采用。但是由于它是依靠并聯(lián)電容器組來提供無功功率，因而存在如下缺點(diǎn)：

1、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，通常要幾百個(gè)毫秒，不能補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無功。
2、補(bǔ)償容量受到電網(wǎng)電壓的限制，電網(wǎng)電壓越低，輸出無功越小，而此時(shí)恰恰需要向電網(wǎng)輸出無功，以期抬高電網(wǎng)電壓水平。
3、由于向電網(wǎng)并聯(lián)了電容，有可能因此引起諧波放大，甚至引起諧振短路支路。
4、因?yàn)榉旨?jí)投切電容，受電容器額定容量限制，補(bǔ)償無功容量和系統(tǒng)所需無功有一定的差別，功率因數(shù)不能提的很高。

無源濾波裝置是由電力電容器、電抗器和電阻器組合而成。由于無源濾波具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此無源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波的主要手段。由于無源濾波器是通過在系統(tǒng)中為諧波提供一并聯(lián)低阻通路，以起到濾波作用，其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，因而存在以下缺點(diǎn)：

1．諧波特性受系統(tǒng)參數(shù)的影響較大。
2．只能消除特定的幾次諧波，而對(duì)某些次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用。
3．濾波要求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)。
4．諧波電流增大時(shí)，濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，可能造成濾波器過載。
5．有效材料消耗多，體積大。
statcom與以往的無功補(bǔ)償裝置如自動(dòng)投切電容器組裝置和svc相比具有如下創(chuàng)新：
1、響應(yīng)時(shí)間快
自動(dòng)投切電容器組裝置的響應(yīng)時(shí)間需要幾秒鐘，這是受電容器放電時(shí)間所限制。國(guó)標(biāo)規(guī)定電力電容器放電時(shí)間為3秒鐘，如果放電時(shí)間太少，則電容器的剩余電荷不能放電干凈，如再次投入可能會(huì)導(dǎo)致電容器發(fā)生過壓擊穿現(xiàn)象。
2、不會(huì)引起諧振短路
雖然該裝置仍然采用并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，但是它與電網(wǎng)之間有連接電抗器，因此不會(huì)出現(xiàn)并聯(lián)諧振現(xiàn)象。
3、可以吸納無功
該裝置不僅可以應(yīng)用在感性負(fù)荷場(chǎng)合，還可以應(yīng)用在容性負(fù)荷的場(chǎng)合，可以提高補(bǔ)償效果，降低線路損耗。
4、精準(zhǔn)電壓控制
該裝置除了可以按照功率因數(shù)或者無功功率控制之外，還可以按照電壓幅值來控制，確保用戶獲得的電壓的平穩(wěn)性，降低電壓紋波。
5．具有自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)。
6．可同時(shí)對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件的容量不大，且補(bǔ)償無功功率的大小可以做到連續(xù)調(diào)節(jié)。
7．受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；且可以跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。
四、意義
發(fā)展statcom裝置具有巨大的社會(huì)效益，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有積極的意義。代表了現(xiàn)階段無功補(bǔ)償、電能質(zhì)量控制的發(fā)展方向。