SVC動態無功補償系統的設計

陳 瑩 楊寧霞 公 政 冀 友 孫 皓

（1.國核電力規劃設計研究院，中國 北京 100095；2.山東科技大學，山東 青島 266590；3.國家電網濰坊供電公司，山東 濰坊 261000）

0 引言

因電力系統[1]的負荷端大量非線性負荷投入，引起電壓伏動、閃變與三相電壓不對稱結構，便給系統引入了各次的諧波[2]，嚴重影響其電能質量以及系統安全的運行，這會對用戶甚至是整個電力系統產生嚴重的損傷與災難。為能夠適應居民的生活以及其工企業生產，城市的送配電網正邁向自動智能化的道路。隨負荷端的非線性負荷大量投入，故而相應也需消耗大量無功功率[3]，若無功功率補償的不夠快速、不夠及時，那就會對整個電網系統平穩、安全的運行構成相當有害的影響。故而，對于此負荷端予以有效無功補償，來提高電能質量具有重大意義。

伴隨控制技術和柔性交流輸電技術的不斷更新，無功補償的技術也在不斷改進，無功補償的裝置發展從無源的至有源的，從分級調節至平滑調節，從單純的只對無功功率予以補償至將其和濾波器結合等。在對于國內外先進無功補償裝置研究基礎，本文設計了一種以TMS320F2812 型DSP 為運算控制核心，TCR-FC 為研究對象的SVC動態無功補償系統[4-5]，該設計具有調節范圍寬，動態響應的速度快，運行維護簡單，支持分相，可連續調節的特點與優勢。該設計還能有效提高用電負荷功率因數[6]，改善其電能質量，使電網可靠穩定運行。

1 結構及控制原理

TCR-FC 型SVC 的結構相對簡單，動態響應速度較快，調節范圍較寬，運行維護方便，適合在實際應用中對負荷端進行無功功率補償。該SVC 結構組成如圖1 所示。

圖1 TCR-FC 的電路圖

設QF是負荷所需的無功功率，QL是電抗器的感性無功功率，QC是固定電容器容性無功功率，QS是系統所提供的無功功率。SVC 的總無功功率為TCR 支路的無功功率和FC 支路的無功功率的代數和（Q=QL-QC）。此系統無功功率平衡方程表達式為

若當QF發生了變化，只需連續控制其SVC 總無功功率（Q=QLQC）朝著方向相反變化，即不管QF發生怎樣變化，QS＝QF＋QL－QC≈常數，便可限制該系統電壓閃變。如若把常數設定成較小值，便能使系統電壓值穩定，系統功率因數得到一定提高。

2 參數分析及計算

TCR+FC 型SVC 裝置響應時間以及動態補償的容量決定了提高電能質量的能力強弱以及其抑制電壓閃變與波動的效果。

SVC 補償率是：

式中，QSVC為其SVC 的動態補償額定容量，也稱為SVC 動態補償容量；Qmax 是波動性負荷最大無功功率的變化量。

SVC 對閃變抑制能力強弱，可通過閃變的改善率η 來做為檢驗，表達式為

式中：Pst/lt和P'st/lt分別為補償前后的短時/長時閃變值。

一般在理論上晶閘管閥組控制角的范圍是90°～180°，因此TCR額定容量即是SVC 動態補償的容量。但是此為理想狀態下的理論分析值，在實際中晶閘管閥組控制角還不能夠實現如此寬的調節范圍。為能提高SVC 動態補償容量QSVC，只有增加TCR 電抗器理論的額定容量值QL。

TCR 晶閘管閥組控制角α 與基波等值電納之間關系的表達式是

式中：表示的是晶閘管閥組中最小的控制角。

電抗器的額定電感是

式中，Ue表示電抗器額定的電壓值，為電源的角頻率。

TCR 額定電流表達式為

FC 作為SVC 無功補償裝置重要部分，其參數確定也十分重要。一般SVC 容性可調節的范圍是0～100%，濾波器組基波的無功容量表達式為

式中，αmax是晶閘管閥組中最大控制角。

3 控制器硬件設計

SVC 控制器的硬件設計，會對無功補償裝置功能實現有直接的影響。硬件設計是整體設計極為重要環節，該硬件設計電路主要包含信號采集及調理電路、晶閘管觸發及保護電路、鎖相倍頻電路、電源電路與其他輔助電路模塊構成，如圖2 所示。

圖2 硬件結構圖

采用TMS320F2812 型DSP 芯片以及相應外圍電路的硬件設計，能實現電流、電壓信號采集與調理，控制信號的產生，控制算法的實現、脈沖的放大輸出等功能。

4 技術方案

本文設計采用如圖3 所示方案。6 kV 母線分別接入H7 濾嵌器、H5 濾嵌器、H3 濾嵌器以及TCR 感性無功調節器。其中，H7、H5 以及H3 濾嵌器為系統提供容性無功，同時把系統中存在的3、5、7 次和更高次的諧波電流濾除。TCR 感性無功調節器，能夠及時檢測到系統中母線的功率因數，并且可以較為迅速的調節無功的輸出，從而使母線的無功功率以及電壓保持穩定。其一次系統圖與相關數據如圖3 和表1 所示。

表1 數據表

圖3 技術方案

該裝置工作流程為從母線PT 以及進線CT 分別取電流、電壓信號，并計算其夾角，從而得出實時的功率因數，然后將其功率因數與目標功率因數予以對比，從而進一步計算出需要補償的無功總量，然后折算成電抗器輸出的電感電流值，并且能得到可控硅確切的導通角，實現無功補償系統全自動的運行。該設計可連續自動跟蹤系統無功功率變化情況，還能根據其無功功率變化情況對無功輸出予以動態調節。除此之外，還可實現經通信接口與變電站的綜合自動化系統予以通信，達到遙控、遙信與遙測功能。在全功率調節的范圍之間沒有觸點開關動作，不會產生過電壓，安全系數高。該裝置全為靜止裝置，在壽命的周期之內幾乎不需維護，后期維護費用低且系統的可靠性高。

5 結語

該設計方案能較好地對無功功率進行補償，穩定系統的電壓。不僅能夠提高功率因數，而且能夠降低供電系統存在的諧波，從而保證電網電能質量，同時還可降低損耗，節省能源，顯著提高經濟效益。

［1］錢法憲，徐新法.MSCV 動態無功補償成套系統在煤礦供電系統的應用[J].水力采煤與管道運輸，2012(4)：53-55.

［2］石耀慧.礦井電力系統無功補償裝置的特征與實踐分析[J].科技與企業，2012(14)：152.

［3］劉玉濤.MSVC 無功補償裝置在煤礦高壓供電中的應用研究[J].煤礦機械，2009，30(9)：216-218.

［4］李家坤.柔性交流輸電技術在電力系統中的應用[J].電力學報，2007，22(3):328-330.

［5］G.Myoung Lee，Julki Seok.Control of series active power filters Compensating for source voltage unbalance and current harmonics [J].Transactions on Industrial Electronics，2004，51:132-139.

［6］于洪濤.TCR 型靜止無功補償器的研究[D].哈爾濱:東北農業大學，2013.