串聯補償

串聯補償是一種將無功補償裝置通過串聯的方式接入線路進行無功補償的技術。串聯補償分為固定式和可控式兩類，前者的有效容抗值是不能變化的，只能工作在補償和不補償兩種狀態，暫態穩定性相對較差；後者較前者增加了旁路晶閘管和電感，通過對晶閘管觸發角的控制，可以實現四種工作模式：閉鎖模式；容抗調節模式；旁路模式；感抗調節模式，進而增加了系統穩定性，但其也有不足的方面：技術要求高，成本高，同時，串補裝置對保護也有一定的影響。在實際工程中，往往是兩者相互配合，共同構建一套串聯補償系統。

基本介紹

• 中文名：串聯補償
• 外文名：Series compensation
• 內容：無功補償
• 解決辦法：串聯電容器來抵消線路電感的影響
• 主要套用：農網配電
• 屬性：新興技術
• 優點：加長送電距離和增大輸送能力
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

我國發電資源與用電負荷分布不均衡，加之對電力的需求越來越大，直接導致了對我國電力超高壓、大規模、遠距離輸電發展的需求。為提高線路輸送能力，增進系統穩定性，串聯補償技術得到了越來越廣泛的套用。但與此同時，固定串聯補償可能會在電力系統中造成次同步諧振，進而引發一系列問題，如損壞發電機軸系，顯著消耗發電機軸的機械壽命等。

在1970年與1971年美國Mohave電廠出現次同步諧振之後，國際上進行了大量的研究，先後提出一些有關次同步諧振的抑制、保護和實時監測措施。同步諧振的抑制是指防止、阻尼或削弱次同步諧振的措施；次同步諧振的保護措施主要是指一旦出現次同步諧振時，對高到一定強度的扭應力做出反應，使電力系統免受傷害的措施。可控串聯電容補償正是在此基礎上發展起來的。

串聯補償分為固定式和可控式兩類，前者的有效容抗值是不能變化的，只能工作在補償和不補償兩種狀態，暫態穩定性相對較差；後者較前者增加了旁路晶閘管和電感，通過對晶閘管觸發角的控制，可以實現四種工作模式：閉鎖模式；容抗調節模式；旁路模式；感抗調節模式，進而增加了系統穩定性，但其也有不足的方面：技術要求高，成本高，同時，串補裝置對保護也有一定的影響。在實際工程中，往往是兩者相互配合，共同構建一套串聯補償系統。

固定串聯補償

基本原理

線路的輸送能力主要取決於線路的熱容量極限和輸電系統的穩定極限，線路的極限輸送容量為兩者取小。一般而言，對短線路往往取決於線路的熱容量極限；對於遠距離輸電的長線路取決於輸電系統的穩定極限，減小線路的電壓損耗和兩端的功角差通常有利於提高線路的輸電能力。

輸電線路的電抗是由於線路有交流電流通過時，在導線周圍產生磁場，使得交流輸電線呈現為感性元件，線路越長，則其輸電能力越低。串聯電容器補償技術的基本原理是：利用串聯電容器的容性阻抗補償掉輸電線的部分感性阻抗，使得發電機組間電氣距離縮短，同步力矩增加，從而達到改善系統的穩定性，提高輸電系統輸送能力的目的。如：500kV超高壓輸電線路工程中，當兩端電源相角差相同，且電源內電抗相比線路電抗可以忽略的時候，假如通過安裝補償度為40%的串聯電容器，結果將會使安裝後輸電功率達到安裝前輸電功率的1.67倍，即如果安裝兩套這樣的補償裝置，就相當於增加一條輸電線路。

不足

1、對線路運行的影響

由於固定串聯補償的有效容抗值是不能變化的，即只能在補償和不補償這兩種狀態下選擇。雖然可以選擇分段補償的方式，即每段可以根據各自的情況決定是否補償，但也不能隨時按照要求進行補償。這樣一來，在系統發生事故的瞬間，固定串聯補償不能夠迅速提高補償度，也就不能進一步提高系統的暫態穩定性。

與此同時，固定串聯補償還會引起發電機軸系扭振，即次同步諧振。串聯電容電壓和線路電感電流之間存在著電氣振盪模式，該振盪頻率為次同步頻率。在一定條件下，當次同步電氣諧振頻率與發電機組軸系的某個機械扭轉振盪頻率互增，將導致軸系受疲勞，更嚴重的將導致其損壞。

2、對線路保護的影響

固定串聯補償電容的引入使得輸電線路的阻抗具有不確定性，對於距離保護帶來的問題主要表現在：電壓反向、電流反向、LC諧振、電容的過電壓保護性能及電壓電流變換器安裝位置的選擇，對於採用MOV保護的固定串聯補償線路，電壓反向和電壓電流變換器的位置是影響繼電器性能的關鍵因素。對於方向保護的影響為：當保護間隙在短路初瞬間被擊穿時，保護裝置的動作將不受串補電容影響；當串補電容不對稱短接，無論是負序還是零序保護，都可能發生拒動或誤動現象。對於縱聯保護的影響：縱聯保護主要有縱聯距離保護、縱聯方向保護、縱聯相差保護及全電流差動保護，通常情況下縱聯相差保護和全電流差動保護不受串補電容的影響，但縱聯距離和縱聯方向保護會受影響。

解決方案

用縱聯距離保護作為主保護，對於可能誤動、拒動的情況，可以採用帶記憶的極化電壓得到比較好的解決；採用縱聯方向保護作為主保護，因為負（零）序功率方向元件或故障分量方向元件都不受串補電容的影響；採用縱聯分相差動或相差保護作為主保護；用工頻故障分量保護原理研製出的故障分量方向繼電器，當補償度不很大時，它適用於串補線路。

可控串聯補償

基本原理及結構

可控串聯補償通過自適應的改變自身電容值，實現快速適應系統變化、提高輸電容量、抑制次同步諧振，進而提高系統穩定的目的，它與固定串聯補償的差別在於用旁路晶閘管加電感代替旁路電感。

目前用可控串聯補償裝置抑制次同步諧振有兩種方法：一種是主動抑制。設計一個控制器,通過遠端測量或者局部估計監視次同步諧振,結合控制命令改變可控串聯補償裝置的電容電壓；另一種方法是設計適當的可控串聯補償裝置觸發控制算法,使裝置在次同步頻率下呈現感性,進而破壞汽輪發電機軸系與線路中串聯電容器之間的相互作用。其中,第二種方法只與裝裝置本身參數有關,不受系統運行條件的影響。目前,國際上由siements、GE、ABB
公司設計的幾套可控串聯補償裝置均採用這種方法。

不足

1、對電力運行的影響

穩態情況下，可控串聯補償裝置運行於微調控制模式，一個周期內電感電流波形相對於電容電壓過零點對稱，電容電壓自身也對稱。從理論上分析，可控串聯補償裝置產生的諧波電流主要在由串聯電容與電感支路所構成的LC迴路中形成環流，對系統波形的畸變影響很小，儘管電容上的電壓畸變率比較大，但在一般電力系統正常穩態下，占測量電壓的百分比比較小，引起的各節點電壓畸變率也很小。
穩態情況下，繼電保護裝置不受諧波影響；動態情況下，儘管可控串聯補償的各次諧波受故障點、故障時刻及觸發角等多種因素的影響，振盪劇烈，振幅比較大，頻率振盪規律也不明顯，連波形包絡線也不一定單調下降，有可能時大時小，各次諧波的變化規律也有很大差別但這些因素引起的諧波的變化相對於基波而言仍然是很小的，不會影響保護裝置。

2、對線路保護的影響
可控串聯補償裝置對線路距離保護的影響：可控串聯補償的反向不會總發生，即使發生，也是在3～4個周期以後。如果採用帶記憶的極化電壓，配合適當的閉鎖措施，這一特性對於防止拒動或誤動極為有利；對於受諧波影響，當保護與短路點之間沒有可控串補時，不受諧波影響，否則會受其影響，且當可控串補附近發生故障時，影響很大。可控串聯補償裝置對線路方向元件的影響：正常情況下負（零）序方向元件不會誤動、拒動，但當三相控制不一致，同樣會引起三相不對稱，使短路條件下負序或零序功率方向保護誤動作。可控串聯補償裝置對縱聯保護的影響：縱聯方向保護的性能取決於方向元件的性能，所以，可控串補與固定串補對方向阻抗元件和方向元件的影響的區別就構成了對相應高頻保護的區別；一般情況下縱聯相差保護不會誤動作，但當被保護線路內部短路且有串補電容的綜合阻抗成容性時，則縱聯相差保護會拒動，但在一般情況下，補償電容的阻抗一般小於保護反方向等效系統阻抗，線上路中內部故障一般會旁路，這種情況在可控串補線路的運行中是不容易發生的。

解決方案

採用全電流差動保護，由於其從原理上將不受串補電容的影響；採用方向阻抗元件構成的縱聯保護，採用帶記憶極化電壓的方向阻抗元件可以解決串補電容帶來的失去方向性的問題，當進行超範圍整定並配合縱聯措施時，可以解決方向阻抗元件的超越或保護範圍不足的問題。以方向阻抗元件構成的縱聯保護只要保護位置選的合適，故障條件下保護安裝處的電流不發生電流反向，就可以在可控串補輸電線路上使用。使用該方案時，應注意PT、CT安裝位置的選擇。

串聯補償的套用

串聯補償技術是隨著高電壓、長距離輸電技術的發展而發展的一種新興技術。交流輸電線路串聯補償是現代電力電子技術在高電壓、大功率領域套用的典範，其中可控串補技術使整個輸電線路的參數變成可以動態調節。串補和可控串補技術可以補償線路的分布電感，提高系統的靜、動態穩定性，改善線路的電壓質量、加長送電距離和增大輸送能力。目前，串聯補償的主要套用領域是農網配電、高電壓長距離輸電和電氣化鐵路供電。

串聯補償分為固定式和可控式兩類，前者的有效容抗值是不能變化的，只能工作在補償和不補償兩種狀態，暫態穩定性相對較差；後者較前者增加了旁路晶閘管和電感，通過對晶閘管觸發角的控制，可以實現四種工作模式：閉鎖模式；容抗調節模式；旁路模式；感抗調節模式，進而增加了系統穩定性，但其也有不足的方面：技術要求高，成本高，同時，串補裝置對保護也有一定的影響。在實際工程中，往往是兩者相互配合，共同構建一套串聯補償系統。
根據以上分析可知，固定串聯補償和可控串聯補償各有優缺點：前者結構比較簡單，成本也較低，但其靈活性較差；後者可以根據線路運行情況自動調整工作方式，靈活性高，但伴隨而來的是結構更加複雜，對技術和成本要求更高。因此，在實際工程中，往往是兩者相互配合，共同構建一整套串聯補償系統。

至1991年，世界上首個晶閘管投切的可控串聯電容補償裝置在美國KanawhaRiver變電站的345kV線路上安裝，並成功用於潮流控制與提高線路輸送能力以來，到目前為止，全世界已有10個可控串聯補償工程投入運行。

展望

隨著電力工業的發展,我國電網將成為世界上最龐大、資源最佳化配置能力最強和技術最先進的電網。“西電東送、全國聯網”是我國電網發展的必然趨勢,大規模、遠距離輸電是我國電網的發展特點。我國電力需求持續、快速增長,土地資源緊張，電網穩定問題突出、電網建設投資巨大,急需有利於保護環境,適合我國大容量、遠距離輸電特點,經濟高效、建設周期短的先進交流輸電技術。串聯補償技術正是解決電網發展上述問題的重要關鍵技術之一。