動態無功補償裝置在特殊供電負荷中的應用研究

張朝山　曹亞棟　馬靈芝

摘? 要：相比于電網工程中的常規負荷，以冶金、電氣化鐵路、采礦、風光新能源為主的特殊負荷，具有非線性、波動性以及沖擊性等特點，極容易在公共電網中引發各種電能質量問題，并且在電網較為薄弱的區域中以上問題還會被放大?；诖耍瑥膭討B無功補償裝置在特殊供電負荷中的應用概述著手，通過分析動態無功補償裝置的主要型號及特點，研究動態無功補償裝置控制模型，旨在為特殊供電負荷下動態無功補償裝置的設計提供理論方面的參考。

關鍵詞：動態無功補償裝置;特殊供電負荷;應用

引言

特殊供電負荷在輸送過程中很可能對電網和設備造成不同程度的影響，而常規固定投切電容器在使用過程中無法滿足實際需要，尤其體現在響應速度慢、補償精度低以及使用壽命短等方面，但以SVC、SVG為典型的動態無功補償裝置則能有效解決各種電能質量問題。實際上在工程領域中，該類裝置的應用卻相對較少，相關工程設計人員對該裝置的基本原理、仿真應用以及設計的認知仍有所欠缺，也無法充分發揮動態無功補償裝置應有的效益。

1 動態無功補償裝置在特殊供電負荷中的應用概述

1.1冶金負荷

低電壓大電流中最具代表性的系統為爐變短網，其在投入使用時頻繁發生電極短路或斷路故障，造成電壓波動或閃變、諧波、功率因數、負序電流及三相不平衡等電能質量相關問題，尤其是在礦熱爐、電弧爐熔化期最為顯著。與此同時，冶金負荷本質上具有無功沖擊大、電壓波動劇烈、無明顯沖擊規律等特點，極容易導致電網電壓發生嚴重的閃變問題。而SVC、SVG等設備卻能在功能上有效控制電壓波動及閃變，并通過補償負序電流抑制三相電壓不平衡等問題，因此在實際應用過程中主要通過SVC來解決電壓波動及閃變問題。

1.2風電、光伏等新能源

若出力不穩，極易引起并網點電壓波動問題，但基于風電、光伏等新能源安裝動態無功補償裝置則能有效解決以上問題。早在初期階段我國就已安裝了MCR，后期階段則是TCR型的SVC設備。隨著現代化社會發展進程的不斷加快，社會各界對新能源裝機提出了更高的低電壓穿越要求，因此將所有設備換成了SVG。

1.3高壓電動機

在電網較為薄弱的采礦區域中，時常面臨高壓電動機啟動造成的電網電壓波動現象，究其根本原因在于電網短路的容量過小，而電動機啟動造成的無功沖擊卻相對較大。實際上大部分高壓電動機主要由傳統驅動模式下的供電交流電動機組成，其在直接啟動過程中產生的電流倍數控制在7～8倍以內。若選擇電阻分壓或Y - △變換等間接啟動方式，其啟動電流倍數將會變化為2～3倍。若采用交、直、交變頻控制方式的大型電動機，在可控的電動機電流下，可從源頭上避免電網沖擊問題的發生。在工程工業領域，SVC或SVG設備都得到了廣泛應用。

1.4電氣化鐵路

電氣化鐵路本質上屬于單相交流負荷。通常情況下，用電負荷相對接入點的短路容量普遍較小，且變化速率也較為緩慢，因而伴隨著一定的不平衡問題。針對于此，考慮使用斯考特變壓器、阻抗平衡變壓器等設備。由于機車主流驅動系統主要采用交-直-交的驅動方式，并且電氣化鐵路系統中的諧波、功率因數也具有一定的可控性，因此電氣化鐵路牽引電站在實際應用過程中通常不需要裝設動態無功補償裝置。對于地鐵供電負荷，由于大多牽引電站集中在城區，主要通過高壓電纜供電，在輕載模式下供電系統極易發生充電功率過剩等問題。與此同時，這種模式大多以直流制式為主，即三相交流-直流變換，避免了三相不平衡的問題。對于少部分采用交流制式的設備，其伴隨著一定的三相不平衡問題，但效果并不突出。此外，在天氣條件、場地布置等因素影響下，仍以SVG控制電壓為主。

2 動態無功補償裝置的主要型號及特點

在特殊負荷站中裝設無功補償配置時，通常在恒定負荷部分安裝常規電容器，而動態變化部分則可以配備適宜的動態無功補償裝置?，F階段較為常見的動態無功補償裝置型號主要包括SVC、SVC，其中SVC又可細分為TSC型、MCR型、TCR型及其組合型。以上裝置的工作原理、特性都存在明顯差別，在不同場合下的應用也各不相同。

以TSC型為主的SVC設備是由常規電容器組改造而來，其真空開關可通過兩個反并聯晶閘管進行替換，在正、負半波中還可以分別進行導通。該裝置具有響應速度快、可過零投切、可靠性強、使用壽命長等優點，但其階梯狀補償存在一定的過補或欠補問題，并且該裝置對晶閘管使用的需求過高，在一定程度上加劇了成本損耗，所需占地面積也相對較大。該型SVC設備目前應用并不廣泛，偶爾用于提高電網電壓穩定性等領域。

TCR型SVC設備可在短時間內實現連續無功輸出，其在實際應用過程中將會產生諧波，需配備濾波支路。該型號設備主要適用于容性出力大、變化快速的場所，如冶金行業。但需要注意的是，感性出力時裝置可能會消耗大量能源，致使部分大型試驗站出現無功過剩問題，因此應避免使用該種型式的SVC設備。

TCR、TSC組合型式的SVC設備是基于TCR型SVC設備改造而來的，其中TSC設備可結合實際需要選擇適合的投切電容器。將TCR設備最小容量的必要濾波支路進行保留，可以在較小容性出力或感性出力時降低TCR出力，適用于小時數不高、響應速度快的試驗性負荷。

MCR型SVC設備可通過改變鐵芯飽和程度對感性無功變化進行調節，所耗費的造價成本也相對較小，在110kV及以上的高電壓等級中具有良好的適用性。該裝置的響應速度較為緩慢，需要諧波支路支持，且存在一定的噪音問題。

SVG設備主要由全開斷器件ICBT串并聯而成，以PWM調制技術、雙閉環控制模式為核心。該設備的無功電流可快速變化，具有良好的恒流源特性。相比于SVC，該設備的運行范圍更廣。通常情況下，SVG的輸出無功電流并不受電壓影響，可充分滿足新能源并網下的低電壓穿越要求，在我國工程領域中已得到了廣泛運用。

3 動態無功補償裝置控制模型

3.1 SVC控制模型

以BPA仿真軟件中的SVC控制模型為例，該模型主要包括測量環節、電壓調節器、觸發環節等，由間接和連續控制兩種模式組成。若電壓偏差VrR高于門檻值DV，說明電壓跌落值較高，可通過SVC設備輸出的大容性無功支撐電壓恢復到原始狀態。在此過程中，間接控制可發揮一定的作用，期望的電納控制信號也可設定為最大導納值。若電壓逐漸降低至門檻值以下，SVC將會轉換為連續控制模式，在電壓調節器的作用下該設備可對電壓進行閉環控制。

3.2 SVG控制模型

BPA仿真軟件中的SVG控制模型主要包括測量環節、電壓調節器、延遲觸發環節等要素，由斜率控制、電壓閉環控制等模式組成。經PI調節器輸出后，電壓偏差信號可轉化為逆變器交流側電壓，該值與SVG并網點電壓的相對大小可直接決定該設備在電網中輸出的無功電流性質和大小，在直掛型SVG設備中具有較好的適用性。另外，BPA仿真軟件中還存在一種不涉及出口電抗器的控制模型，其主要適用于具備專用升壓變壓器的SVG裝置。

結語

對特殊供電負荷中動態無功補償裝置的應用進行研究具有積極意義，通過分析常見特殊供電負荷引起的電能質量問題，探討動態無功補償裝置的基本原理和特點，可以針對特殊負荷選擇適合的動態無功補償裝置型式。與此同時，基于PSD-BPA仿真軟件下SVC、SVG設備的仿真應用進行分析可知，若電壓性與動態功補具有一定的容量，可以通過優化控制參數的方式科學調節電壓波動。

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