SVC静止型无功补偿装置原理及应用

1.引言

随着国民经济的发展和现代化技术的进步，电力网负荷急剧增大，对电网感性无功要求也与日惧增。特别是如可逆式大型轧钢机、炼钢电弧炉等冲击负荷、非线性负荷容量的不断增加，加上普遍应用的电力电子和微电技术，使得电力网发生电压波形畸变，电压波动闪变和三相不平衡等，产生电能质量降低，电网功率因数降低，网络损耗增加等不良影响。近年发展起来的静止型无功补偿装置（STATICVARCOMPENSATOR，下简称SVC）是一种快速调节无功功率的装置，已成功的应于冶金、采矿和电气化铁路等冲击性负荷的补偿上。而晶闸管控制电抗器型（称TCR型）SVC用晶闸管控制线性电抗器实现较快、连续的无功功率调节，由于它具有反应时间快（5～20MS），运行可靠，无级补偿、分相调节，能平衡有功，适用范围广和价格便宜等优点。TCR装置还能实现分相控制，有较好的抑制不对称负荷的能力，因而其应用最广。尤其是在冶金行业中，使用例子也最多。

2.TCR＋FC型SVC系统的组成及控制原理

2.1系统组成

TCR＋FC型SVC系统的组成如图1所示，一般由TCR、滤波器（FC）及控制系统组成。通过控制与电抗器串联的两个反并联晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。该补偿器响应时间快（小于半周波），灵活性大，而且可以连续调节无功输出，缺点是产生谐波，但加上滤波装置则可以克服。

图1TCR＋FC型SVC系统的组成

2.2可调控电抗器相（TCR）产生连续变化感性无功的基本原理

如图2（A）所示，U为交流电压。TH1、TH2为两个反并联晶闸管，控制这两个晶闸管在一定范围内导通，则可控制电抗器流过的电流I，I和U的基本波形如图2（B）所示。

图2可调控电抗器相（TCR）产生连续变化感性无功的基本原理

α为TH1和TH2的触发角，则有

I＝（COSα－COSωT）

I的基波电流有效值为：

I＝（2π－2α＋SIN2α）

式中：V为相电压有效值；

ωL为电抗器的基波电抗（ω）。

因此，可以通过控制电抗器L上串联的两只反并联晶闸管的触发角α来控制电抗器吸收的无功功率的值。

2.3恒无功控制、保证功率因数及电压波动

控制系统的基本组成如图3所示。SVC连接到系统中，电容器提供固定容性无功功率QC，通过具有完好线性特征的补偿电抗器的电流决定了从补偿电抗器输出的感性无功值QTCR，感性无功与容性无功相抵消，只要QN（系统）＝QV（负载）－QC＋QTCR＝恒定值（或0），功率因数就能保持恒定，电压几乎不波动。

图3控制系统的基本组成

最重要的是精确控制晶闸管触发，获得所需的电抗器的电流。根据采集的进线电流及母线电压经乘法器后得出要补偿的无功功率，计算机发出触发脉冲，光纤传输到脉冲放大单元，经放大后触发晶闸管，得到所补偿的无功功率。

2.4无源滤波器（FC）

无源滤波器（FILTERCOMPENSATIOR，简称FC），是现阶段最常见、最实用、也是有效的抑制高次谐波的措施。由电容器、电抗器，有时还包括电阻等无源元件组成。其基本原理是利用电路谐振的特点，对某次谐波或以上谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波和无功补偿的作用。分为单调谐波滤波器，双调谐波滤波器和高通滤波器（减幅滤波器）等几种。

高通滤波器（减幅滤波器）又可分为一阶、二阶、三阶和C型。如图4所示：无源滤波器（FC）在设计时应注意的问题：

图4高通滤波器

（1）滤波器发出的无功应满足补偿功率因数，抑制电压波动及闪变的要求；

（2）选取的滤波电容器的额定电压应保证滤波器的安全可靠运行；

（3）滤波器的分组应满足滤除谐波电流的要求；

（4）滤波器设计时应进行充分的计算机仿真及数据库优选，经多个方案比较，选择最佳方案；

（5）对选定的滤波器应进行滤波器各种运行方式下的计算机仿真，避免与系统发生谐振；

（6）对滤波器的安全运行应进行仔细校验。

3.TCR＋FC型SVC的应用举例

2005年某钢厂新上了一套TCR和FC补偿容量分别18MVAR和17MVAR的TCR ＋FC型SVC。该工程负荷主要为两台粗轧机（2×4200KW同步电机）。经过晶闸管变流调速装置进行调速，过载倍数为2倍。这些设备挂接在6KV母线上，系统最小短路容量为238MVA。上辊定子整流变压器容量为3000KVA，连接组别为D／D03台，下辊定子整流变压器容量为3000KVA，连接组别为D／Y113台。由于整流变压器采用了D，Y接法，故可以消除3的整数倍次的高次谐波，从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11……等谐波。经计算粗轧机最大无功冲击为

15120KVAR，6KV母线最小短路容量为238MVA。电压波动国标允许值为2％。所以允许无功波动为：

△Q＝SDMIN×△U％＝238×2％＝4.76MVA

补偿容量为：

QMAX－△Q＝15.12－4.76＝10.36MVAR。

为留有余量，取11MVAR。

总计算负荷为19407KVA，平均功率因数从0.75提高到0.95所需要补偿的无功为6.45MVAR。总上所述，按电压波动选择容量，TCR及FC的容量均为11MVAR。经仿真计算，滤波器总容量：15MVAR，基波补偿容量为11MVAR，分为H3、H5、H7三个通道。H3次滤波器安装容量为4.2MVAR，补偿容量为3.21MVAR；H5次滤波器安装容量为6MVAR，补偿容量为4.25MVAR；H7次滤波器安装容量为5.4MVAR，补偿容量为3.54MVAR；主接线系统图如图5所示。

图5主接线系统图

4．结束语

目前，TCR＋FC型SVC已在冶金行业得到了广泛的应用。也取得了显著的效果。已经形成了成熟的技术方案。另外，SVC还有晶闸管投切电容器（TSC）型、饱和电抗器型（SR型）、晶闸管控制高阻抗变压器型（TCT）等形式。对SVC的发展研究主要集中在控制策略上，如模糊控制、人工神经网络和专家系统控制系统也被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提高。而且随着电力电子技术的飞速发展，出现了以大功率可关断晶闸管（GTO）器件代替普通的晶闸管构成的静止无功发生器（STATICVARGENERATOR，简称SVG）。由于其具有响应速度快，吸收无功连续、产生的高次谐波量小、调节范围广、损耗与噪声小等特点，使其成为未来无功补偿技术的发展方向。