靜止式無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及其應(yīng)用

官正強(qiáng)，彭軍

GUAN Zheng-qiang, PENG Jun

（重慶科技學(xué)院 教務(wù)處，重慶 401331）

0 引言

電網(wǎng)電壓質(zhì)量通常用穩(wěn)定性、對(duì)稱性及正弦性等指標(biāo)衡量，為了提高供電能力和電壓質(zhì)量在配網(wǎng)中傳統(tǒng)的方法常常采用電力電容器補(bǔ)償無(wú)功功率和過(guò)濾高次諧波，這種方法有集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償和就地補(bǔ)償三種方式。用并聯(lián)電力電容器補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功的方法，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、靈活方便，缺點(diǎn)是只能固定有級(jí)補(bǔ)償，還可能與系統(tǒng)發(fā)生諧波放大，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成并聯(lián)諧振。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電需求不斷擴(kuò)大，在電力系統(tǒng)中大功率沖擊性負(fù)荷、諧波源和不平衡負(fù)荷也日益嚴(yán)重，如何最大限度地發(fā)揮輸電線路的設(shè)計(jì)能力和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量問(wèn)題已日益突出。傳統(tǒng)的方式已不能適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求，隨著超大功率半導(dǎo)體器件、電力電子應(yīng)用技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，無(wú)功補(bǔ)償和電網(wǎng)諧波治理新技術(shù)有了較大的發(fā)展。其中，靜止無(wú)功補(bǔ)償器得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。

1 SVC技術(shù)

1.1 SVC技術(shù)定義及其分類

靜止式無(wú)功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensater,簡(jiǎn)稱SVC），靜止兩個(gè)字是與傳統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的。SVC是一種快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率的裝置，它可使所需無(wú)功功率作隨機(jī)調(diào)整，從而保持在沖擊性負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)電壓水平恒定，它可有效地抑制沖擊性負(fù)荷所引起的電壓波動(dòng)和閃變、高次諧波，提高功率因素，還可實(shí)現(xiàn)按各相的無(wú)功功率快速補(bǔ)償調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)三相無(wú)功功率的平衡，使系統(tǒng)的負(fù)荷處于穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行狀態(tài)。

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議將SVC定義為7個(gè)子類：1）機(jī)械投切電容器（MSC）；2）機(jī)械投切電抗器（MSR）；3）自飽和電抗器（SR）；4）晶閘管控制電抗器（TCR）；5）晶閘管投切電容器（TSC）；6）晶閘管投切電抗器（TSR）；7）自換向或電網(wǎng)換向轉(zhuǎn)換器（SCC/LCC）。

1.2 SVC典型電路結(jié)構(gòu)

SVC典型結(jié)構(gòu)主要有以下三種常見類型：晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor,TCR）+固定電容器（Fixed Capacitor,FC）或機(jī)械投切電容器（Mechanically Switched Capacitor,MSC）的混合裝置，如圖1-a所示; 晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor, TSC），如圖1-b所示; TCR+TSC的混合裝置，如圖1-c所示[1]。其中，使用最多的是晶閘管控制電抗器（Thyristor Contralled Reactor, TCR）與固定電容器的組合結(jié)構(gòu)，從基本結(jié)構(gòu)來(lái)講屬于并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的組合。它的綜合性價(jià)比較好，響應(yīng)速度快（可達(dá)20ms）,是目前SVC技術(shù)的主流。

圖1 SVC典型電路結(jié)構(gòu)

1.3 TCR型SVC裝置工作原理

圖2 SVC系統(tǒng)組成及工作原理

SVC如圖2所示接入系統(tǒng)中，該系統(tǒng)中存在如下3個(gè)無(wú)功變量，負(fù)載正常工作（或停歇）向系統(tǒng)輸出的變化無(wú)功QL，電容器提供的相對(duì)固定的容性無(wú)功QC，通過(guò)控制反并聯(lián)晶閘管可使電感L中輸出可變可控的感性無(wú)功QTCR，使QTCR按照?qǐng)D3的規(guī)律跟隨QL的波動(dòng)而變化，上述3個(gè)無(wú)功變量合成為電力系統(tǒng)應(yīng)提供的無(wú)功QN，它們之間存在如下平衡關(guān)系： QN=QL-QC+QTCR只要能做到系統(tǒng)無(wú)功QN為較小的常數(shù)或0，則能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)指標(biāo)較好或?yàn)?，同時(shí)系統(tǒng)的電壓也幾乎不波動(dòng)，因此，只要能準(zhǔn)確控制晶閘管的觸發(fā)角，得到所需的流過(guò)補(bǔ)償電抗器的電流，從而改變接入電網(wǎng)中的等效電納，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出無(wú)功目的。TCR的電流波形如圖4所示[2]。

圖3 SVC補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率時(shí)序圖

圖4 TCR電流波形圖

u為交流電源電壓，兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管分別在電源電壓波的兩個(gè)半周內(nèi)導(dǎo)通, 晶閘管的觸發(fā)延遲角的有效移相范圍為90o～180o，觸發(fā)延遲角在90o～180o之間時(shí)，晶閘管部分導(dǎo)通，可控制電抗器中流過(guò)的電流 I，I 和 u 的基本波形如圖 4所示。在最小角度觸發(fā)時(shí)，I到達(dá)最大值，TCR 輸出無(wú)功功率達(dá)到額定值，增大觸發(fā)延遲角的效果相當(dāng)于減小電流中的基波分量、增大補(bǔ)償器的等效感抗，因而減小了其吸收的無(wú)功功率。

由波形圖可知，電抗器中流過(guò)的電流為：

式中：U—電源相電壓的有效值；α—晶閘管觸發(fā)延遲角；L —電抗器電感；ω—系統(tǒng)基波角頻率。

TCR電抗器基波電流的有效值為：

從式(3)可以看出，SVC的等效電納也是晶閘管觸發(fā)延遲角α的連續(xù)函數(shù)，通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)延遲角，就可以連續(xù)改變SVC的等效電納，TCR響應(yīng)時(shí)間小于一個(gè)周波。

單獨(dú)的 TCR由于只吸收感性無(wú)功功率，因此往往與電容器并聯(lián)使用，當(dāng)與固定電容器并聯(lián)時(shí)配合使用，稱為TCR + FC ,其不足是必須按比例吸收附加在系統(tǒng)設(shè)備上的電容所產(chǎn)生的無(wú)功功率。除全輸出情況外,TCR工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生諧波電流，因而常需濾波器。當(dāng)電容器的投切開關(guān)為晶閘管時(shí)，又稱為TCR + TSC型靜止補(bǔ)償器。對(duì)于不對(duì)稱負(fù)荷，利用steinmets理論實(shí)現(xiàn)分相調(diào)節(jié)，消除負(fù)序電流，平衡三相電網(wǎng)[3]。

1.4 SVC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖5 SVC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

SVC主電路對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性和快速性要求極高，目前SVC控制系統(tǒng)基本上都是采用的基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊、DSP和工控機(jī)所構(gòu)成的全數(shù)字控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。SVC控制系統(tǒng)使SVC從原來(lái)的TCR模擬量控制、繼電保護(hù)的邏輯程序控制、開關(guān)量控制及SVC中的所有電量和非電量的控制系統(tǒng)納入到SVC的全數(shù)字化微機(jī)控制中，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)、遙信、遙控、遙傳及無(wú)人值守的全自動(dòng)化水平。控制方式有開環(huán)、閉環(huán)反饋，能滿足系統(tǒng)對(duì)力率、電壓波動(dòng)和閃變的要求。

它可以使SVC系統(tǒng)有良好的性能：SVC的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間＜20mS；能實(shí)現(xiàn)恒無(wú)功控制；可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分相控制，調(diào)節(jié)范圍0-100%，調(diào)節(jié)精度＜1%；可較好的削弱系統(tǒng)諧波；完善的各種保護(hù)。

2 SVC的應(yīng)用

2.1 SVC裝置的實(shí)用功能

TSC與TCR型式的靜止補(bǔ)償器具有很多實(shí)用功能。一般說(shuō)，需要對(duì)無(wú)功進(jìn)行連續(xù)和快速控制的地方，都可以裝設(shè)靜止補(bǔ)償器，以滿足以下一個(gè)或多個(gè)要求：1）改善電壓調(diào)整；2）提高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定；3）降低過(guò)電壓；4）減少電壓閃爍；5）阻尼次同步振蕩；6）減少電壓和電流的不平衡。

2.2 SVC的應(yīng)用

SVC的推廣應(yīng)用是從20世紀(jì)90年代末、21世紀(jì)初期，隨著鋼鐵企業(yè)的復(fù)蘇和電網(wǎng)的發(fā)展成長(zhǎng)起來(lái)的，近幾年每年的需求都在遞增，現(xiàn)在不僅配電網(wǎng)的需求在增長(zhǎng)，輸電網(wǎng)的需求也在不斷增長(zhǎng)。

1）在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

在冶金領(lǐng)域，大功率電弧爐為非線性及無(wú)規(guī)律負(fù)荷接入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一系列不利影響：導(dǎo)致電網(wǎng)三相嚴(yán)重不平衡，產(chǎn)生負(fù)序電流，產(chǎn)生高次諧波，普遍存在較嚴(yán)重的2、3、4、5、7次諧波，使電壓畸變復(fù)雜化，存在嚴(yán)重的電壓閃變，功率因素低。大型軋鋼機(jī)及其他工業(yè)對(duì)稱負(fù)載在工作和停歇中產(chǎn)生的無(wú)功沖擊會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一系列不利影響：引起電網(wǎng)電壓降和電壓波動(dòng)，功率因素降低，會(huì)產(chǎn)生3、5、7等高次諧波。徹底解決上述問(wèn)題，有效的方法是安裝具有快速響應(yīng)速度的SVC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器，使公共連接點(diǎn)、電網(wǎng)連接處的電能質(zhì)量達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

SVC用于電氣化鐵路中，因牽引機(jī)車為單相供電，會(huì)造成供電網(wǎng)的嚴(yán)重三相不平衡及功率因素低下，并產(chǎn)生負(fù)序電流，用SVC可以有效解決列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的負(fù)序電流、諧波污染、低功率因素、三相負(fù)載不平衡等問(wèn)題。SVC用于風(fēng)力發(fā)電，能夠解決風(fēng)力發(fā)電特有的隨機(jī)性和間歇性并網(wǎng)不穩(wěn)定問(wèn)題。SVC用于煤礦中，可極大改善礦區(qū)供電網(wǎng)電能質(zhì)量，節(jié)約大量電能。

（2）在輸電網(wǎng)中的應(yīng)用

在輸電網(wǎng)中，目前正在向大功率、長(zhǎng)距離、高能量消耗方面發(fā)展，因此要求輸電網(wǎng)更安全、有效。在穩(wěn)態(tài)情況下，SVC可以穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、有效降低線損、增加有功輸送能力。和發(fā)達(dá)國(guó)家相比我國(guó)電網(wǎng)的線損要高得多，除管理上的原因外，主要就是無(wú)功功率沒(méi)有得到有效的控制，尤其在低壓側(cè)；在擾動(dòng)狀態(tài)下，SVC能及時(shí)地穩(wěn)定電壓，避免電網(wǎng)因此出現(xiàn)故障甚至發(fā)生崩潰。

2.3 SVC的生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前國(guó)際上SVC的主要生產(chǎn)企業(yè)是ABB和西門子，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)SVC裝置的單位主要有鞍山榮信，中國(guó)西電集團(tuán)和電科院中電普瑞科技有限公司等十余家單位，鞍山榮信近幾年發(fā)展較迅猛，裝機(jī)量居于世界前列。2009年鞍山榮信股份公司制造安裝在梧州變的500千伏210Mvar的SVC裝置是目前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)并運(yùn)行的最大容量SVC裝置，在國(guó)內(nèi)首次采用了LTT( 光控晶閘管閥組 )技術(shù)，抗干擾性和運(yùn)行可靠性大大提高，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。能夠有效增強(qiáng)“西電東送”交流通道的輸送能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平。2009年11月，聯(lián)眾（廣州）不銹鋼有限公司二期35kV/200Mvar SVC工程成功投運(yùn)，該工程由中電普瑞科技有限公司所承擔(dān)，是迄今為止國(guó)內(nèi)工業(yè)用戶SVC中容量最大的SVC工程。

3 結(jié)束語(yǔ)

盡管SVC有著如此多的好處，但SVC剛剛開始在國(guó)內(nèi)推廣的時(shí)候并不為國(guó)內(nèi)用戶所認(rèn)可。國(guó)產(chǎn)SVC經(jīng)歷了從配電網(wǎng)（10-35KV）到輸電網(wǎng)的應(yīng)用過(guò)程。現(xiàn)在SVC主要應(yīng)用在用戶端，并不是所有的工業(yè)用戶都會(huì)使用SVC。現(xiàn)在使用SVC較多的一種是不符合電網(wǎng)供電要求的高耗能企業(yè)，如果這些企業(yè)功率因數(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，供電局就不予供電；一種是對(duì)電能質(zhì)量要求很高的高精企業(yè)，兩種需求支撐了目前SVC的大部分市場(chǎng)。國(guó)產(chǎn)SVC在我國(guó)輸電網(wǎng)的應(yīng)用直到2004年才得以實(shí)現(xiàn)，它就是紅旗堡220 kV變電站第一套國(guó)產(chǎn)化SVC示范工程。而此前，我國(guó)輸電網(wǎng)中SVC都是20世紀(jì)80年代到90年代初上馬的進(jìn)口產(chǎn)品，當(dāng)時(shí)國(guó)家在輸電網(wǎng)中應(yīng)用了6套引進(jìn)的SVC。在國(guó)產(chǎn)第一套SVC示范工程后，國(guó)家電網(wǎng)公司開始在電網(wǎng)中使用國(guó)產(chǎn)化SVC。2005年國(guó)家電網(wǎng)公司為川渝電網(wǎng)4個(gè)500 kV變電站（陳家橋、洪溝、萬(wàn)縣、永川）招標(biāo)SVC，中國(guó)電力科學(xué)研究院電力電子公司中標(biāo)，這是國(guó)產(chǎn)化SVC首次通過(guò)公開招標(biāo)的方式在輸電網(wǎng)中應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司又在鄭州小流500 kV變電站SVC改造工程、上海干練220 kV變電站SVC工程、福建晉江新塘220 kV變電站SVC工程中應(yīng)用，SVC在輸電網(wǎng)中的應(yīng)用正加速推廣之中，預(yù)計(jì)將會(huì)有好的前景。

[1]蘇玲,宋珊,陳建業(yè).靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)應(yīng)用的最新進(jìn)展[J].電網(wǎng)技術(shù),2004(8)：44-49.

[2]朱金奇.TCR+FC型SVC原理及應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2007(3)：57-58.

[3]ABB SVC stabilizes Namibian grid vdtagge [R].http：//www.ABB.com