靜止式無功補償技術及其應用

官正強，彭軍

GUAN Zheng-qiang, PENG Jun

（重慶科技學院 教務處，重慶 401331）

0 引言

電網電壓質量通常用穩定性、對稱性及正弦性等指標衡量，為了提高供電能力和電壓質量在配網中傳統的方法常常采用電力電容器補償無功功率和過濾高次諧波，這種方法有集中補償、分組補償和就地補償三種方式。用并聯電力電容器補償電網無功的方法，優點是簡單經濟、靈活方便，缺點是只能固定有級補償，還可能與系統發生諧波放大，嚴重時還會造成并聯諧振。隨著國民經濟的發展，用電需求不斷擴大，在電力系統中大功率沖擊性負荷、諧波源和不平衡負荷也日益嚴重，如何最大限度地發揮輸電線路的設計能力和提高電力系統運行的質量問題已日益突出。傳統的方式已不能適應電力系統的要求，隨著超大功率半導體器件、電力電子應用技術和控制技術的發展，無功補償和電網諧波治理新技術有了較大的發展。其中，靜止無功補償器得到了快速的發展和應用。

1 SVC技術

1.1 SVC技術定義及其分類

靜止式無功補償裝置（Static Var Compensater,簡稱SVC），靜止兩個字是與傳統的同步調相機的旋轉相對應的。SVC是一種快速調節無功功率的裝置，它可使所需無功功率作隨機調整，從而保持在沖擊性負荷節點的系統電壓水平恒定，它可有效地抑制沖擊性負荷所引起的電壓波動和閃變、高次諧波，提高功率因素，還可實現按各相的無功功率快速補償調節實現三相無功功率的平衡，使系統的負荷處于穩定、安全、可靠的運行狀態。

國際大電網會議將SVC定義為7個子類：1）機械投切電容器（MSC）；2）機械投切電抗器（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）自換向或電網換向轉換器（SCC/LCC）。

1.2 SVC典型電路結構

SVC典型結構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構，從基本結構來講屬于并聯電抗器和并聯電容器的組合。它的綜合性價比較好，響應速度快（可達20ms）,是目前SVC技術的主流。

圖1 SVC典型電路結構

1.3 TCR型SVC裝置工作原理

圖2 SVC系統組成及工作原理

SVC如圖2所示接入系統中，該系統中存在如下3個無功變量，負載正常工作（或停歇）向系統輸出的變化無功QL，電容器提供的相對固定的容性無功QC，通過控制反并聯晶閘管可使電感L中輸出可變可控的感性無功QTCR，使QTCR按照圖3的規律跟隨QL的波動而變化，上述3個無功變量合成為電力系統應提供的無功QN，它們之間存在如下平衡關系： QN=QL-QC+QTCR只要能做到系統無功QN為較小的常數或0，則能實現電網功率因數指標較好或為1，同時系統的電壓也幾乎不波動，因此，只要能準確控制晶閘管的觸發角，得到所需的流過補償電抗器的電流，從而改變接入電網中的等效電納，達到調節輸出無功目的。TCR的電流波形如圖4所示[2]。

圖3 SVC補償系統無功功率時序圖

圖4 TCR電流波形圖

u為交流電源電壓，兩個反并聯晶閘管分別在電源電壓波的兩個半周內導通, 晶閘管的觸發延遲角的有效移相范圍為90o～180o，觸發延遲角在90o～180o之間時，晶閘管部分導通，可控制電抗器中流過的電流 I，I 和 u 的基本波形如圖 4所示。在最小角度觸發時，I到達最大值，TCR 輸出無功功率達到額定值，增大觸發延遲角的效果相當于減小電流中的基波分量、增大補償器的等效感抗，因而減小了其吸收的無功功率。

由波形圖可知，電抗器中流過的電流為：

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

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延遲角α的連續函數，通過改變晶閘管的觸發延遲角，就可以連續改變SVC的等效電納，TCR響應時間小于一個周波。

單獨的 TCR由于只吸收感性無功功率，因此往往與電容器并聯使用，當與固定電容器并聯時配合使用，稱為TCR + FC ,其不足是必須按比例吸收附加在系統設備上的電容所產生的無功功率。除全輸出情況外,TCR工作時都會產生諧波電流，因而常需濾波器。當電容器的投切開關為晶閘管時，又稱為TCR + TSC型靜止補償器。對于不對稱負荷，利用steinmets理論實現分相調節，消除負序電流，平衡三相電網[3]。

1.4 SVC控制系統簡介

圖5 SVC控制系統簡圖

SVC主電路對控制系統的可靠性和快速性要求極高，目前SVC控制系統基本上都是采用的基于計算機網絡通訊、DSP和工控機所構成的全數字控制系統，控制系統簡圖如圖5所示。SVC控制系統使SVC從原來的TCR模擬量控制、繼電保護的邏輯程序控制、開關量控制及SVC中的所有電量和非電量的控制系統納入到SVC的全數字化微機控制中，實現了遙測、遙信、遙控、遙傳及無人值守的全自動化水平。控制方式有開環、閉環反饋，能滿足系統對力率、電壓波動和閃變的要求。

它可以使SVC系統有良好的性能：SVC的動態調節響應時間＜20mS；能實現恒無功控制；可自動實現分相控制，調節范圍0-100%，調節精度＜1%；可較好的削弱系統諧波；完善的各種保護。

2 SVC的應用

2.1 SVC裝置的實用功能

TSC與TCR型式的靜止補償器具有很多實用功能。一般說，需要對無功進行連續和快速控制的地方，都可以裝設靜止補償器，以滿足以下一個或多個要求：1）改善電壓調整；2）提高靜態和動態穩定；3）降低過電壓；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的應用

SVC的推廣應用是從20世紀90年代末、21世紀初期，隨著鋼鐵企業的復蘇和電網的發展成長起來的，近幾年每年的需求都在遞增，現在不僅配電網的需求在增長，輸電網的需求也在不斷增長。

1）在配電網中的應用

在冶金領域，大功率電弧爐為非線性及無規律負荷接入電網，將會對電網產生一系列不利影響：導致電網三相嚴重不平衡，產生負序電流，產生高次諧波，普遍存在較嚴重的2、3、4、5、7次諧波，使電壓畸變復雜化，存在嚴重的電壓閃變，功率因素低。大型軋鋼機及其他工業對稱負載在工作和停歇中產生的無功沖擊會對電網產生一系列不利影響：引起電網電壓降和電壓波動，功率因素降低，會產生3、5、7等高次諧波。徹底解決上述問題，有效的方法是安裝具有快速響應速度的SVC動態無功補償器，使公共連接點、電網連接處的電能質量達到國際標準要求，保證設備運行的可靠性。

SVC用于電氣化鐵路中，因牽引機車為單相供電，會造成供電網的嚴重三相不平衡及功率因素低下，并產生負序電流，用SVC可以有效解決列車運行時產生的負序電流、諧波污染、低功率因素、三相負載不平衡等問題。SVC用于風力發電，能夠解決風力發電特有的隨機性和間歇性并網不穩定問題。SVC用于煤礦中，可極大改善礦區供電網電能質量，節約大量電能。

（2）在輸電網中的應用

在輸電網中，目前正在向大功率、長距離、高能量消耗方面發展，因此要求輸電網更安全、有效。在穩態情況下，SVC可以穩定系統電壓、有效降低線損、增加有功輸送能力。和發達國家相比我國電網的線損要高得多，除管理上的原因外，主要就是無功功率沒有得到有效的控制，尤其在低壓側；在擾動狀態下，SVC能及時地穩定電壓，避免電網因此出現故障甚至發生崩潰。

2.3 SVC的生產現狀

目前國際上SVC的主要生產企業是ABB和西門子，國內生產SVC裝置的單位主要有鞍山榮信，中國西電集團和電科院中電普瑞科技有限公司等十余家單位，鞍山榮信近幾年發展較迅猛，裝機量居于世界前列。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裝置是目前國內自主研發并運行的最大容量SVC裝置，在國內首次采用了LTT( 光控晶閘管閥組 )技術，抗干擾性和運行可靠性大大提高，填補了國內空白。能夠有效增強“西電東送”交流通道的輸送能力，提高系統穩定水平。2009年11月，聯眾（廣州）不銹鋼有限公司二期35kV/200Mvar SVC工程成功投運，該工程由中電普瑞科技有限公司所承擔，是迄今為止國內工業用戶SVC中容量最大的SVC工程。

3 結束語

盡管SVC有著如此多的好處，但SVC剛剛開始在國內推廣的時候并不為國內用戶所認可。國產SVC經歷了從配電網（10-35KV）到輸電網的應用過程。現在SVC主要應用在用戶端，并不是所有的工業用戶都會使用SVC。現在使用SVC較多的一種是不符合電網供電要求的高耗能企業，如果這些企業功率因數達不到標準，供電局就不予供電；一種是對電能質量要求很高的高精企業，兩種需求支撐了目前SVC的大部分市場。國產SVC在我國輸電網的應用直到2004年才得以實現，它就是紅旗堡220 kV變電站第一套國產化SVC示范工程。而此前，我國輸電網中SVC都是20世紀80年代到90年代初上馬的進口產品，當時國家在輸電網中應用了6套引進的SVC。在國產第一套SVC示范工程后，國家電網公司開始在電網中使用國產化SVC。2005年國家電網公司為川渝電網4個500 kV變電站（陳家橋、洪溝、萬縣、永川）招標SVC，中國電力科學研究院電力電子公司中標，這是國產化SVC首次通過公開招標的方式在輸電網中應用。近年來，國家電網公司又在鄭州小流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工程中應用，SVC在輸電網中的應用正加速推廣之中，預計將會有好的前景。

[1]蘇玲,宋珊,陳建業.靜止無功補償器(SVC)應用的最新進展[J].電網技術,2004(8)：44-49.

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

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