变流补偿器主电路结构简述

1.变流补偿器的分类

补偿器根据其与被补偿对象（即干扰源）、连接方式的不同而分为并联型、串联型和串并联混合型三种^[9-11]。而每种类型又可以根据直流侧是采用蓄电池﹑超导线圈或飞轮之类的储能装置，还是采用电容﹑电感等储能元件，即是否能与系统交换有功功率而分为两类。这里主要对不同结构的补偿器的工作原理和特性进行讨论。

并联型补偿器与系统并联，等效为一个受控电流源，如图5-25a所示。补偿器向系统注入与干扰源产生的有害电流大小相等、方向相反的电流，从而达到补偿的目的。并联型补偿器主要适用于电流源型感性负荷的干扰电流补偿，技术上已相当成熟，配电系统中多采用此结构对有害电流进行补偿。

串联型补偿器经耦合变压器串接入配电系统，如图5-25b所示，其功能等效于一个受控电压源，主要是消除电压型的干扰与电压波动对敏感负荷的影响。

与串联型补偿器相比，并联型补偿器通过耦合变压器并入系统，不会对系统运行造成影响，具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。但是当单独使用并联型补偿器来滤除有害电流时，往往需要很大的容量，导致工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高功率损耗等问题。

图5-25 补偿器拓扑结构

a）并联型 b）串联型 c）串-并联型

图5-25c所示为串-并联型补偿器，也称之为统一电能质量调节器（UPQC）。它综合了串联型和并联型两种结构共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合性问题。其中，直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型补偿器所公用的，串联型补偿器起到补偿电压型干扰、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变以及改善配电网的稳定性或阻尼振荡的作用；并联型补偿器起到补偿有害电流与不平衡、补偿负荷的无功功率、调节变流器直流侧电压的作用。因此，这种统一电能质量调节器可以实现短时间不间断供电、蓄能、无功功率补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能，被认为是最理想的补偿器的结构。这种结构既可用于三相系统，又可以用于单相系统。但是其主要缺点在于成本较高（需要较多的开关器件）和控制复杂。

下面以一个简单的例子对三种不同类型补偿器的作用加以说明^[12]。

以图5-26所示的放射式配电系统为例，母线3上接有一个非线性不平衡负荷，该负荷会向馈电线路注入谐波和负序电流，此外该负荷的功率因数也很差，将增加线损和线路上的电压损失。上述电能质量问题将严重影响到同一馈线上的用户，特别是其电气上邻近的母线2上的用户负荷。根据谁污染谁治理的原则，母线3上的非线性负荷业主应当承担治理的责任，即由该业主或由电力公司安装上述并联补偿装置而由非线性负荷业主承担所有的安装和运行费用，在C点接入并联补偿装置，包括无源（如并联电容器组、滤波器和平衡负荷等）和采用电压控制的有源FACTS控制器实现就地补偿，对保证上游用户得到的三相对称且电压的幅值和失真均符合要求的正弦供电电压，是最为有效的措施。如果多条母线上均连接有非线性负荷1、2，则对其分别在负荷接入点（如A、B、C…）安装并联补偿装置进行就地补偿，是最为有效的措施。实际上，假定母线1与馈电线路的接入点之间的电气距离很短，换句话说相对于非线性负荷1而言，其接入点短路容量大的多，则往往不需安装任何类型的补偿装置。

图5-26 放射式配电系统单线图

假定由电网到母线3的供电距离较长，此时母线3上电能质量敏感负荷可能会经受由于电网本身或其他母线上连接的冲击负荷所引起的停电、电压暂升或暂降的影响，而不能正常工作。此时在D点接入有源的串联补偿装置，以维持母线3上电压的稳定，就成为一个有效的措施。此外，该串联补偿装置还可以起到广义有源滤波器的作用，防止上游线路中的谐波电流对母线3电压的影响，从而保证母线3的供电质量。如果采用串并联混合补偿器，则可以同时起到控制电压和电流的波形、幅值和相位的目标，从而保证连接于母线3的负荷均可以得到高质量的电能。同时相对于电网而言，被控制的母线3相当于一个纯阻性负荷，从电网吸收正弦正序电流，而不引起任何畸变。所以根据被补偿对象的性质和在馈电线路的位置来确定补偿装置的类型和安装位置，是进行系统补偿设计的关键。

2.变流并联补偿器的原理和功能

并联型补偿器的电路如图5-25a所示，其补偿的对象为流入电力系统中的有害电流I_sh，这里可以将无功电流、负序电流和谐波电流等有害电流看作是广义的谐波电流。并联补偿的基本原理是通过向系统注入一个补偿电流I_ch来对消非线形负荷所生成的无功和（或）谐波电流，从而使作为一个整体的补偿器和负荷，从供电系统吸收的电流为正序基频正弦信号I_ps，从而消除负荷（包括线路阻抗）对电力系统的影响。为了便于讨论，则可将负荷等效为一个广义谐波电流源I_Lo，得到图5-27a所示的诺顿等效电路。

图5-27 并联补偿器的补偿原理

a）感性负荷补偿原理 b）容性负荷补偿原理

图5-27a所示的等效电路中，G是补偿器的传递函数，其中包括电流的测量和控制延时在内。对于基频正序信号而言，补偿器不起作用，即∣G_fp∣≈0；而对于需要补偿的有害电流而言，∣G_h∣≈1.0。由此可以在标幺值系统中得到电源电流为^[11]

当时，I_sh≈0，即电源电流为正弦。

因此，并联补偿器的补偿特性受到系统和负荷特性的影响，当∣Z_L∣＞＞∣Z_s∣时，I_s/I_Lo≈1.0-G。由于经滤波后谐波电流检测回路正序基波电流的放大系数∣G∣_fp≈0，而广义谐波电流的放大系数∣G∣_h≈1.0，故谐波电流的放大系数为I_sh/I_Loh≈1.0-G。实际中，∣1-G∣_h=0.1～0.3，即广义谐波电流的补偿率可达70%～90%。

当负荷为容性时，可以将负荷等效为一个广义的谐波电压源，故可以采用戴维南等效电路（见图5-27b），此时电源电流和负荷电流分别为

只有当补偿装置的工作条件满足：∣Z_s+Z_L/（1-G）∣_h＞＞1.0pu时，电源电流中谐波分量I_sh=0，即为正序正弦波，所需补偿电流为I_C≈（U_sh-U_Lh）Z_L。

但是，对于采用电容滤波的二极管整流电路作为前端变流器的电力电子装置而言，由于容性负荷的等效内阻Z_L通常非常小，而如果交流侧又没有串联大电抗器，线路阻抗Z_s的标幺值也仅为百分之几，所以上述条件难以满足，并且此时所需的补偿电流很大，所需的并联补偿器的容量和电容支路的阻抗成反比。换句话说，并联型补偿器适用于对感性负荷进行补偿。

由于并联补偿方式接入和切除都很方便，因此在电力系统中得到最为广泛的应用。图5-28所示为一个典型的、用于通过吸收或注入无功功率来调节配电线路电压的固态并联补偿器的结构图。这里所谓的固态指的是基于电力电子（固态）器件的装置。

为了将该设备嵌入配电系统，采用了包括作为检测单元的电压互感器（PT）、电流互感器（CT）、避雷器、隔离开关、断路器、和提供三相低压电源的辅助电源。

图5-28 固态并联补偿器原理图

电力系统并联补偿具有如下特点：

1）并联补偿装置与电力系统并联，通过供电点嵌入系统，不需改变电力系统的结构，所以可以容易地实现所谓的热插接，即可以在系统正常运行时无冲击地投入运行和退出运行。并联补偿的这个特点使其在电力系统中被认可与接受的程度最高。(www.xing528.com)

2）并联补偿可以改变系统的导纳矩阵的对角元素或向系统中注入电流，因此通过并联补偿可以方便地向系统注入或从系统吸收有功功率，或向系统中注入无功功率或从系统中吸收无功功率，因此并联补偿可以控制电力系统的有功功率或无功功率的平衡。正是并联补偿的上述两种能力，使得并联补偿对电力系统具有如下作用：

①维持或控制供电点电压；

②向电力系统提供或从系统中吸收无功功率；

③改变系统的阻抗特性；

④提高系统的电能质量。

并联补偿是一种对系统中无功功率的分布进行控制的技术，也是一种改善交流输电线电能质量的方法。该技术一般用于补偿独立和群体负荷，其目的有三：

1）功率因数校正；

2）电压调节；

3）负荷平衡。

值得注意的是，即便在供电电压恒定并与负荷独立的情况下，即系统强壮的条件下，也需要进行补偿。

3.变流串联型补偿器的原理与功能

串联型补偿器的结构如图5-25b所示，串联连接在电源和负荷之间。它借助一个耦合变压器接入电网，通过向线路注入一个和系统电压的有害分量大小相同、方向相反的补偿波电压，以在线性负荷两端施加一个纯正弦的高质量的正序电压，或者通过检测出负荷所产生的有害电流，控制补偿器输出的电压来维持接入点的电压为正序正弦电压，从而保证供电电源的电流为正弦。其补偿作用同样可以用类似并联补偿的方法进行分析。

感性负荷（见图5-29a）时可以近似看做是电流源，假定补偿器输出控制电压U_c=kGI_s，采用诺顿等效电路则电源电流为

图5-29 串联补偿器的补偿原理

a）感性负荷补偿原理 b）容性负荷补偿原理

由于∣G∣_h≈1.0，故当k＞＞∣Z_L+Z_s∣时，

I_sh≈0

U_c≈Z_LI_Lh+U_sh （5-60）

故理想补偿要求增益k尽可能大，而负荷并联阻抗∣Z_L∣_h尽可能小。但由于通常前端变流器中整流负荷为感性时Z_L非常大，所以上述条件难以满足。

对于负荷为容性时，采用戴维南等效电路，电源电流可以记为

如增益k＞＞1.0pu，则

I_sh≈0

U_c≈V_sh-V_Lh （5-62）

实际上，如取控制电压指令为U^*_c=G（kI_s-U_L），则电源电流表达式可以改写为

由于电源通常谐波电压分量很小，U_sh≈0，只要通过控制使∣1-G∣_h＜＜1.0，则可以实现将电源电流的有害分量减少的控制目的。通过上述讨论可知，串联型补偿器的补偿特性与系统和负荷参数无关，可以很容易地实现对容性负荷的补偿目的。所以和并联型相比，两者的补偿特性互补，可以通过两者的组合实现串-并联补偿，达到良好的补偿目的。串、并联型补偿器性能比较见表5-4。

表5-4 变流串、并联补偿器性能比较