SVC靜止型無功補償裝置原理及應用

1.引言

隨著國民經濟的發展和現代化技術的進步，電力網負荷急劇增大，對電網感性無功要求也與日懼增。特彆是如可逆式大型軋鋼機、煉鋼電弧爐等衝擊負荷、非線性負荷容量的不斷增加，加上普遍應用的電力電子和微電技術，使得電力網發生電壓波形畸變，電壓波動閃變和三相不平衡等，產生電能質量降低，電網功率因數降低，網絡損耗增加等**影響。近年發展起來的靜止型無功補償裝置（STATICVARCOMPENSATOR，下簡稱SVC）是一種快速調節無功功率的裝置，已成功的應於冶金、采礦和電氣化鐵路等衝擊性負荷的補償上。而晶閘管控製電抗器型（稱TCR型）SVC用晶閘管控製線性電抗器實現較快、連續的無功功率調節，由於它具有反應時間快（5～20MS），運行可靠，無級補償、分相調節，能平衡有功，適用範圍廣和價格便宜等優點。TCR裝置還能實現分相控製，有較好的抑製不對稱負荷的能力，因而其應用*廣。尤其是在冶金行業中，使用例子也*多。

2.TCR＋FC型SVC係統的組成及控製原理

2.1係統組成

TCR＋FC型SVC係統的組成如圖1所示，一般由TCR、濾波器（FC）及控製係統組成。通過控製與電抗器串聯的兩個反並聯晶閘管的導通角，既可以向係統輸送感性無功電流，又可以向係統輸送容性無功電流。該補償器響應時間快（小於半周波），靈活性大，而且可以連續調節無功輸出，缺點是產生諧波，但加上濾波裝置則可以克服。

圖1TCR＋FC型SVC係統的組成

2.2可調控電抗器相（TCR）產生連續變化感性無功的基本原理

如圖2（A）所示，U為交流電壓。TH1、TH2為兩個反並聯晶閘管，控製這兩個晶閘管在一定範圍內導通，則可控製電抗器流過的電流I，I和U的基本波形如圖2（B）所示。

圖2可調控電抗器相（TCR）產生連續變化感性無功的基本原理

α為TH1和TH2的觸發角，則有

I＝（COSα－COSωT）

I的基波電流有效值為：

I＝（2π－2α＋SIN2α）

式中：V為相電壓有效值；

ωL為電抗器的基波電抗（ω）。

因此，可以通過控製電抗器L上串聯的兩隻反並聯晶閘管的觸發角α來控製電抗器吸收的無功功率的值。

2.3恒無功控製、保證功率因數及電壓波動

控製係統的基本組成如圖3所示。SVC連接到係統中，電容器提供固定容性無功功率QC，通過具有完好線性特征的補償電抗器的電流決定了從補償電抗器輸出的感性無功值QTCR，感性無功與容性無功相抵消，隻要QN（係統）＝QV（負載）－QC＋QTCR＝恒定值（或0），功率因數就能保持恒定，電壓幾乎不波動。

圖3控製係統的基本組成

*重要的是**控製晶閘管觸發，獲得所需的電抗器的電流。根據采集的進線電流及母線電壓經乘法器後得出要補償的無功功率，計算機發出觸發脈衝，光纖傳輸到脈衝放大單元，經放大後觸發晶閘管，得到所補償的無功功率。

2.4無源濾波器（FC）

無源濾波器（FILTERCOMPENSATIOR，簡稱FC），是現階段*常見、*實用、也是有效的抑製高次諧波的措施。由電容器、電抗器，有時還包括電阻等無源元件組成。其基本原理是利用電路諧振的特點，對某次諧波或以上諧波形成低阻抗通路，以達到抑製高次諧波和無功補償的作用。分為單調諧波濾波器，雙調諧波濾波器和高通濾波器（減幅濾波器）等幾種。

高通濾波器（減幅濾波器）又可分為一階、二階、三階和C型。如圖4所示：無源濾波器（FC）在設計時應注意的問題：

圖4高通濾波器

（1）濾波器發出的無功應滿足補償功率因數，抑製電壓波動及閃變的要求；

（2）選取的濾波電容器的額定電壓應保證濾波器的**可靠運行；

（3）濾波器的分組應滿足濾除諧波電流的要求；

（4）濾波器設計時應進行充分的計算機仿真及數據庫優選，經多個方案比較，選擇*佳方案；

（5）對選定的濾波器應進行濾波器各種運行方式下的計算機仿真，避免與係統發生諧振；

（6）對濾波器的**運行應進行仔細校驗。

3.TCR＋FC型SVC的應用舉例

2005年某鋼廠新上了一套TCR和FC補償容量分彆18MVAR和17MVAR的TCR＋FC型SVC。該工程負荷主要為兩台粗軋機（2×4200KW同步電機）。經過晶閘管變流調速裝置進行調速，過載倍數為2倍。這些設備掛接在6KV母線上，係統*小短路容量為238MVA。上輥定子整流變壓器容量為3000KVA，連接組彆為D／D03台，下輥定子整流變壓器容量為3000KVA，連接組彆為D／Y113台。由於整流變壓器采用了D，Y接法，故可以消除3的整數倍次的高次諧波，從而使注入電網的諧波電流隻有5、7、11……等諧波。經計算粗軋機*大無功衝擊為15120KVAR，6KV母線*小短路容量為238MVA。電壓波動國標允許值為2％。所以允許無功波動為：

△Q＝SDMIN×△U％＝238×2％＝4.76MVA

補償容量為：

QMAX－△Q＝15.12－4.76＝10.36MVAR。

為留有餘量，取11MVAR。

總計算負荷為19407KVA，平均功率因數從0.75提高到0.95所需要補償的無功為6.45MVAR。總上所述，按電壓波動選擇容量，TCR及FC的容量均為11MVAR。經仿真計算，濾波器總容量：15MVAR，基波補償容量為11MVAR，分為H3、H5、H7三個通道。H3次濾波器安裝容量為4.2MVAR，補償容量為3.21MVAR；H5次濾波器安裝容量為6MVAR，補償容量為4.25MVAR；H7次濾波器安裝容量為5.4MVAR，補償容量為3.54MVAR；主接線係統圖如圖5所示。

圖5主接線係統圖

4．結束語

目前，TCR＋FC型SVC已在冶金行業得到了廣泛的應用。也取得了顯著的效果。已經形成了成熟的技術方案。另外，SVC還有晶閘管投切電容器（TSC）型、飽和電抗器型（SR型）、晶閘管控製高阻抗變壓器型（TCT）等形式。對SVC的發展研究主要集中在控製策略上，如模糊控製、人工神經網絡和專家係統控製係統也被引入SVC控製係統，使SVC係統的性能更加提高。而且隨著電力電子技術的飛速發展，出現了以大功率可關斷晶閘管（GTO）器件代替普通的晶閘管構成的靜止無功發生器（STATICVARGENERATOR，簡稱SVG）。由於其具有響應速度快，吸收無功連續、產生的高次諧波量小、調節範圍廣、損耗與噪聲小等特點，使其成為未來無功補償技術的發展方向。