SVC諧波抑制工程設計

丁錄軍

（中國二十二冶集團有限公司，河北 唐山 063020）

大型軋機、電弧爐、電石爐等負荷運行時不僅產生復雜的諧波電流，負荷和無功變化也大，使供電系統母線電壓產生波動，并帶來閃變，造成電能質量幾個指標同時超標，保證電力系統運行穩定和提高電壓質量已成當務之急。另外，大功率沖擊性負荷和負荷嚴重不平衡也會影響電力系統的穩定，甚至干擾其他電氣設備的正常運行。傳統的無源濾波方法已不能滿足電力系統負荷和無功快速變化的要求，必須采用動態補償濾波方法。

20世紀 70年代隨著電力電子發展出現的靜止無功補償器（static var compensator，SVC）［1］不僅能對電網無功功率進行實時監測和動態補償，也可濾除諧波。適用于電力、冶金、化工、交通等行業中的沖擊性負荷，在國內外輸配電系統中有著十分廣泛的應用，對電力系統電壓穩定和改善電能質量起到了十分重要的作用［2］。SVC裝置中，無源濾波器主要用于濾除高次諧波濾波和配合晶閘管控制電抗器共同完成無功補償任務；晶閘管控制電抗器還有一個重要作用，就是平衡不對稱負載。本文以榮信設計的靜止型高壓動態無功補償器為例，討論TCR+FC型SVC的設計問題，包括主電路和控制監測系統以及現場調試。

1 諧波的危害

諧波電流不僅增加了電網的損耗，也使電力系統中運行的設備產生附加損耗。例如，使電動機產生附加銅耗和附加雜散損耗，以及附加鐵耗等。致使電動機總損耗增加，效率及功率因數下降。也會危害運行的電力設備。例如，如果含有高次諧波的電壓加在電容器兩端，會使電容器電流激增，有時會發生高次諧波諧振，惡化電容器運行效率，甚至因過負荷造成損壞。諧波也能電力系統中的使控制系統產生誤差，甚至造成其控制失靈或誤動作，出現故障。諧波含量過高且持續時間較長時，會加速各種電力設備絕緣系統的老化，甚至引發諧振過電壓，擊穿絕緣。此外，諧波對通訊造成的干擾也引起了人們的重視。

2 SVC性能

以榮信設計的靜止型高壓動態無功補償器（SVC）為例。設計的SVC系統晶閘管閥采用光電觸發方式和BOD保護，具有很強的抗干擾能力。系統控制全部全數字化和智能化，控制、監視及故障診斷功能完善。能靜態自檢和動態檢測能發現系統各種隱患，準確進行預警和保護。系統對過流、電源異常、丟同步電源、丟脈沖、脈沖不平衡、晶閘管擊穿，和電容內外熔絲、及各種過流、過壓、欠壓、接地、不平衡等都具有保護功能；控制系統與功率單元之間采用光纖通訊，信號穩定，不受電磁場干擾，強弱電間隔離可靠。主回路設計解決了電容器組對諧波電流的放大問題。冷卻系統采用智能型密閉純水冷，具有水冷系統故障保護。

3 諧波抑制SVC系統設計

3.1 主回路電路

設計的TCR+FC型SVC主電路接線如圖1所示。

圖1 TCR+FC型SVC的主回路接線圖

SVC系統由FC、TCR和控制系統組成。FC主要提供容性無功功率和對諧波濾波；TCR用于平衡不對稱負載和系統波動。SVC根據檢測到的負荷無功功率變化和不對稱狀況，通過控制 TCR，保證電抗器、負載和電容器三者的不同性質的無功功率總和為0或最小，實現無功補償，同時，消除負載波動和不對稱運行產生的電壓波動和閃變及負序分量。

實現過程為：SVC調節器根據同步電壓和進線電流的采樣信號，跟蹤負荷變化和不對稱情況，經過計算后，發出相應的觸發脈沖，觸發晶閘管；觸發角不同，產生的TCR電抗電流也不同，即對應不同感性無功率量。因此，可使電抗器、負載和電容器的無功功率總體達到平衡，并平衡負荷的不對稱有功負荷[3-4]。

3.2 LC濾波器

無源濾波器可濾除不同的高次諧波，同時配合TCR進行無功補償。用于電力系統的SVC，需要濾除的諧波較少，變化也不大，但SVC自身產生的諧波需要考慮，設計時，可設置5，7次的單調諧濾波器并配以高通濾波器。用于補償沖擊性負荷的SVC，設計時，濾波器容量選擇要兼顧SVC自身產生的諧波和負荷產生的大量諧波。實際運行的濾波器并非真正處于諧振狀態，設計的諧振頻率略有偏離以兼顧就近的偶次諧波，同時，可防止諧波電流過大和避免與系統發生諧振。

圖2 高次諧波等效電路

單調諧LC濾波器的結構和阻抗特性如圖3所示。考慮系統頻率波動、電容器、電抗器制造產生的參數偏差和電抗器調節偏差，以及溫度和負荷變化，實際濾波器諧振頻率與其設計值存在偏離設計值問題，設計時應予以考慮。通常單調諧濾波器Qn=1/2δ時濾波效果最好。由圖3（b）可知，單調諧濾波器的濾波效果與δ和Qn有直接關系。Qn過大，容易失諧，銳，曲線越尖銳，但越容易失諧，濾波效果下降越快；Qn過小，濾波效果不好，損耗較大。Qn和δ選取兼顧各個指標取。

圖3 單調濾波器

圖4 高通濾波器

高通LC濾波器的結構和阻抗特性如圖4所示。高通濾波器與單調諧濾波器不同，其品質因數Qn=Rfn/XLn。通常Qn值取1～5。由圖4（b）可知，調諧頻率附近頻率偏差影響并不大。選擇高通濾波器截止頻率時，盡可能靠近要濾除的主要諧波。

在確定濾波方案時，對主要諧波可采用單調諧濾波器，以減小容量；對諧波電流不大的較高次諧波，可采用高通濾波器，以減少濾波支路。通常情況下，采用二者的合理組合。

3.3 TCR主電路

SVC中的 TCR通過反并聯晶閘管對與電抗器串連，在電壓正或負半周，在電壓峰值到零點的間隔內觸發晶閘管，使電抗器工作。改變相位可控制電抗器電流大小，從而改變電抗器無功功率。電抗器容量選擇應滿足系統對連續調節無功功率的要求。TCR引起諧波電流在設計濾波器時考慮。TCR工作電壓高，需要多個晶閘管串聯使用，晶閘管的技術性能參數應盡可能相同。為了保證TCR可靠工作，多串聯晶閘管應有冗余。同時導通是其正常工作的關鍵。

3.4 晶閘管的保護與觸發

SVC中采用反并聯晶閘管對串聯結構，配備RC緩沖吸收電路、BOD及均壓電阻保護。晶閘管閥運行狀態判斷可根據反并聯晶閘管對所對應的狀態信號，從而進行保護設計。

3.5 控制監測系統

控制制監系統是 SVC的核心，由硬件軟件組成。

1）硬件結構

控制系統硬件由相互獨立的模塊組成，包括，DSP控制板、脈沖移相電路、過零檢測電路、電光轉換裝置等。其結構如圖5所示。

SVC是一個復雜的系統，各子系統除自身正常運行，還需要相互協作共同實現整體功能。控制監測系統是及時獲取系統狀態信息的工具。圖5中可知，除采集數據外，控制監測系統還負責各子系統通信及遠程數據傳輸。

圖5 SVC控制器結構

2）軟件設計

SVC設計要保證無功補償時系統電壓變化不超過允許范圍。在三相對稱和無畸變情況下，計算較為簡便；負荷不對稱或有畸變情況，可利用不對稱分量解耦變換，計算出正序、負序、零序電壓和電流，得到所需的控制信號。

進行不對稱負荷補償時，采用前饋與反饋結合方法。由前饋根據負荷電流檢測結果計算出SVC輸出，由反饋根據實際與設定差值對SVC輸出進行調整。補償不對稱負荷時采用分相控制策略，根據每相負荷具體不平衡情況，利用不同電抗進行補償，消除負序電流和零序電流。利用DSP運算速度快，精度高的優勢，在DSP芯片中，用C語言和匯編語言混合編程控制算法，保證控制的實時性和準確性。

3.6 水冷系統

SVC高電壓大功率晶閘管采用高純水循環冷卻。系統體積小，效率更高，無污染。對水冷系統不同故障狀態，由PLC給出預警信號和停主機報警信號，并將相關數據傳遞給監測系統，提供水冷系統故障分析用信息。

3.7 保護系統

SVC過流和過載保護裝置能夠提供定時限與反時限過流保護，并對過負荷不平衡進行保護。測量值采集評估和操作顯示，信號和跳閘命令輸出，二進制信號的輸入與評估，RS485遠程數據傳輸和故障錄波，由控制制監系統統一處理。同時，重要軟硬件設有自檢功能。

4 現場調試

4.1 常規試驗

嚴格按照國家規范標準，對需要進行常規試驗的各種電力設備和配件進行試驗，不能漏檢和漏項，并全部記錄。

4.2 線路檢查

試驗前，對SVC系統所有的電力電纜做好相序標記和編號，便于檢查接線是否正確。根據原理圖，檢查控制、電流和同步電壓回路的控制接線是否正確，以方便SVC的調試。保證同步電壓的ABC與TCR閥臺的ABC相互對應，可用示波器把TCR閥臺上降壓后的電壓與同步電壓進行比較。電流互感器用大電流發生器在一次側加流來檢驗。

4.3 單體調試

單體調試目的是確認單項設備是否能正常工作。包括：控制系統對設備驅動性能，設備運行狀態信號、儀表檢測信號、觸發脈沖信號發送是否正常，及各種信號與到控制系統聯接情況。調試前要做的準備工作，包括現場電氣設備接地良好，儀表安裝與接線正常，接地手動或校驗工作完成，所有設備和儀表能正常工作。準備工作可在進行現場設備安裝與接線時進行。模擬各高壓柜的過電壓、欠電壓、過流、速斷等故障試驗時，保護應能可靠動作。試驗必須準備好各種安全措施，在確保安全情況下進行調試。

4.4 無負荷聯調

對單體調試出現的問題全部處理合格后，利用模擬聯動調試驗證SVC的各項控制和操作功能。根據工藝要求，SVC空負荷運行，檢驗各項流程的控制功能和信號系統的正確性、各節點的可靠性和穩定性和整機各項控制功能。同時，調試和檢驗SVC的報警、參數趨勢、記錄、權限、存儲和報表等管理功能。調試結果，系統應實現部設計功能。

4.5 帶負荷聯調

帶負荷聯動調試是 SVC安裝與調試的最后的環節。與無負荷聯動調試基本相同，只是加載了負荷。需要注意的是：①制定方案時，應考慮SVC投入運行后實際生產工藝和管理；②對生產工藝和管理的全部崗位，在調試工程師指導下，由實際生產操作人員參與調試；③注意SVC運行間隔時間、過程控制參數設定與調整、生產工藝極限設置等與無負荷聯調時區別；④調試應與正常生產接軌，要對形成的各類報表和報告與設計工藝要求進行對比分析，為日后生產提供參考；⑤按規程規范進行 72h或48h的試生產運行。

[1] 趙廣.靜止無功補償裝置的設計與實現[D].北京:清華大學電機工程與應用電子技術系,2001.

[2] 王立春、安萬洙、王曉艷、王飛義.SVC在國外冶金行業的應用[C].2010年西安第五屆電能質量研討會論文集：271-279.

[3] 逯帥,劉秀成,陳建業,等.SVC平衡控制方法及其所需信號的檢測[J].電工電能新技術,2002,21(2):17-20.

[4] 逯帥,張海波,劉秀成,陳建業,王贊基,趙廣.補償動態三相不平衡負荷的方法及補償裝置[P].中國專利:02103873,2002-04-05.