静止式无功补偿技术及其应用

官正强，彭军

GUAN Zheng-qiang, PENG Jun

（重庆科技学院 教务处，重庆 401331）

0 引言

电网电压质量通常用稳定性、对称性及正弦性等指标衡量，为了提高供电能力和电压质量在配网中传统的方法常常采用电力电容器补偿无功功率和过滤高次谐波，这种方法有集中补偿、分组补偿和就地补偿三种方式。用并联电力电容器补偿电网无功的方法，优点是简单经济、灵活方便，缺点是只能固定有级补偿，还可能与系统发生谐波放大，严重时还会造成并联谐振。随着国民经济的发展，用电需求不断扩大，在电力系统中大功率冲击性负荷、谐波源和不平衡负荷也日益严重，如何最大限度地发挥输电线路的设计能力和提高电力系统运行的质量问题已日益突出。传统的方式已不能适应电力系统的要求，随着超大功率半导体器件、电力电子应用技术和控制技术的发展，无功补偿和电网谐波治理新技术有了较大的发展。其中，静止无功补偿器得到了快速的发展和应用。

1 SVC技术

1.1 SVC技术定义及其分类

静止式无功补偿装置（Static Var Compensater,简称SVC），静止两个字是与传统的同步调相机的旋转相对应的。SVC是一种快速调节无功功率的装置，它可使所需无功功率作随机调整，从而保持在冲击性负荷节点的系统电压水平恒定，它可有效地抑制冲击性负荷所引起的电压波动和闪变、高次谐波，提高功率因素，还可实现按各相的无功功率快速补偿调节实现三相无功功率的平衡，使系统的负荷处于稳定、安全、可靠的运行状态。

国际大电网会议将SVC定义为7个子类：1）机械投切电容器（MSC）；2）机械投切电抗器（MSR）；3）自饱和电抗器（SR）；4）晶闸管控制电抗器（TCR）；5）晶闸管投切电容器（TSC）；6）晶闸管投切电抗器（TSR）；7）自换向或电网换向转换器（SCC/LCC）。

1.2 SVC典型电路结构

SVC典型结构主要有以下三种常见类型：晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor,TCR）+固定电容器（Fixed Capacitor,FC）或机械投切电容器（Mechanically Switched Capacitor,MSC）的混合装置，如图1-a所示; 晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor, TSC），如图1-b所示; TCR+TSC的混合装置，如图1-c所示[1]。其中，使用最多的是晶闸管控制电抗器（Thyristor Contralled Reactor, TCR）与固定电容器的组合结构，从基本结构来讲属于并联电抗器和并联电容器的组合。它的综合性价比较好，响应速度快（可达20ms）,是目前SVC技术的主流。

图1 SVC典型电路结构

1.3 TCR型SVC装置工作原理

图2 SVC系统组成及工作原理

SVC如图2所示接入系统中，该系统中存在如下3个无功变量，负载正常工作（或停歇）向系统输出的变化无功QL，电容器提供的相对固定的容性无功QC，通过控制反并联晶闸管可使电感L中输出可变可控的感性无功QTCR，使QTCR按照图3的规律跟随QL的波动而变化，上述3个无功变量合成为电力系统应提供的无功QN，它们之间存在如下平衡关系： QN=QL-QC+QTCR只要能做到系统无功QN为较小的常数或0，则能实现电网功率因数指标较好或为1，同时系统的电压也几乎不波动，因此，只要能准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流，从而改变接入电网中的等效电纳，达到调节输出无功目的。TCR的电流波形如图4所示[2]。

图3 SVC补偿系统无功功率时序图

图4 TCR电流波形图

u为交流电源电压，两个反并联晶闸管分别在电源电压波的两个半周内导通, 晶闸管的触发延迟角的有效移相范围为90º～180º，触发延迟角在90º～180º之间时，晶闸管部分导通，可控制电抗器中流过的电流 I，I 和 u 的基本波形如图 4所示。在最小角度触发时，I到达最大值，TCR 输出无功功率达到额定值，增大触发延迟角的效果相当于减小电流中的基波分量、增大补偿器的等效感抗，因而减小了其吸收的无功功率。

由波形图可知，电抗器中流过的电流为：

式中：U—电源相电压的有效值；α—晶闸管触发延迟角；L —电抗器电感；ω—系统基波角频率。

TCR电抗器基波电流的有效值为：

从式(3)可以看出，SVC的等效电纳也是晶闸管触发延迟角α的连续函数，通过改变晶闸管的触发延迟角，就可以连续改变SVC的等效电纳，TCR响应时间小于一个周波。

单独的 TCR由于只吸收感性无功功率，因此往往与电容器并联使用，当与固定电容器并联时配合使用，称为TCR + FC ,其不足是必须按比例吸收附加在系统设备上的电容所产生的无功功率。除全输出情况外,TCR工作时都会产生谐波电流，因而常需滤波器。当电容器的投切开关为晶闸管时，又称为TCR + TSC型静止补偿器。对于不对称负荷，利用steinmets理论实现分相调节，消除负序电流，平衡三相电网[3]。

1.4 SVC控制系统简介

图5 SVC控制系统简图

SVC主电路对控制系统的可靠性和快速性要求极高，目前SVC控制系统基本上都是采用的基于计算机网络通讯、DSP和工控机所构成的全数字控制系统，控制系统简图如图5所示。SVC控制系统使SVC从原来的TCR模拟量控制、继电保护的逻辑程序控制、开关量控制及SVC中的所有电量和非电量的控制系统纳入到SVC的全数字化微机控制中，实现了遥测、遥信、遥控、遥传及无人值守的全自动化水平。控制方式有开环、闭环反馈，能满足系统对力率、电压波动和闪变的要求。

它可以使SVC系统有良好的性能：SVC的动态调节响应时间＜20mS；能实现恒无功控制；可自动实现分相控制，调节范围0-100%，调节精度＜1%；可较好的削弱系统谐波；完善的各种保护。

2 SVC的应用

2.1 SVC装置的实用功能

TSC与TCR型式的静止补偿器具有很多实用功能。一般说，需要对无功进行连续和快速控制的地方，都可以装设静止补偿器，以满足以下一个或多个要求：1）改善电压调整；2）提高静态和动态稳定；3）降低过电压；4）减少电压闪烁；5）阻尼次同步振荡；6）减少电压和电流的不平衡。

2.2 SVC的应用

SVC的推广应用是从20世纪90年代末、21世纪初期，随着钢铁企业的复苏和电网的发展成长起来的，近几年每年的需求都在递增，现在不仅配电网的需求在增长，输电网的需求也在不断增长。

1）在配电网中的应用

在冶金领域，大功率电弧炉为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网产生一系列不利影响：导致电网三相严重不平衡，产生负序电流，产生高次谐波，普遍存在较严重的2、3、4、5、7次谐波，使电压畸变复杂化，存在严重的电压闪变，功率因素低。大型轧钢机及其他工业对称负载在工作和停歇中产生的无功冲击会对电网产生一系列不利影响：引起电网电压降和电压波动，功率因素降低，会产生3、5、7等高次谐波。彻底解决上述问题，有效的方法是安装具有快速响应速度的SVC动态无功补偿器，使公共连接点、电网连接处的电能质量达到国际标准要求，保证设备运行的可靠性。

SVC用于电气化铁路中，因牵引机车为单相供电，会造成供电网的严重三相不平衡及功率因素低下，并产生负序电流，用SVC可以有效解决列车运行时产生的负序电流、谐波污染、低功率因素、三相负载不平衡等问题。SVC用于风力发电，能够解决风力发电特有的随机性和间歇性并网不稳定问题。SVC用于煤矿中，可极大改善矿区供电网电能质量，节约大量电能。

（2）在输电网中的应用

在输电网中，目前正在向大功率、长距离、高能量消耗方面发展，因此要求输电网更安全、有效。在稳态情况下，SVC可以稳定系统电压、有效降低线损、增加有功输送能力。和发达国家相比我国电网的线损要高得多，除管理上的原因外，主要就是无功功率没有得到有效的控制，尤其在低压侧；在扰动状态下，SVC能及时地稳定电压，避免电网因此出现故障甚至发生崩溃。

2.3 SVC的生产现状

目前国际上SVC的主要生产企业是ABB和西门子，国内生产SVC装置的单位主要有鞍山荣信，中国西电集团和电科院中电普瑞科技有限公司等十余家单位，鞍山荣信近几年发展较迅猛，装机量居于世界前列。2009年鞍山荣信股份公司制造安装在梧州变的500千伏210Mvar的SVC装置是目前国内自主研发并运行的最大容量SVC装置，在国内首次采用了LTT( 光控晶闸管阀组 )技术，抗干扰性和运行可靠性大大提高，填补了国内空白。能够有效增强“西电东送”交流通道的输送能力，提高系统稳定水平。2009年11月，联众（广州）不锈钢有限公司二期35kV/200Mvar SVC工程成功投运，该工程由中电普瑞科技有限公司所承担，是迄今为止国内工业用户SVC中容量最大的SVC工程。

3 结束语

尽管SVC有着如此多的好处，但SVC刚刚开始在国内推广的时候并不为国内用户所认可。国产SVC经历了从配电网（10-35KV）到输电网的应用过程。现在SVC主要应用在用户端，并不是所有的工业用户都会使用SVC。现在使用SVC较多的一种是不符合电网供电要求的高耗能企业，如果这些企业功率因数达不到标准，供电局就不予供电；一种是对电能质量要求很高的高精企业，两种需求支撑了目前SVC的大部分市场。国产SVC在我国输电网的应用直到2004年才得以实现，它就是红旗堡220 kV变电站第一套国产化SVC示范工程。而此前，我国输电网中SVC都是20世纪80年代到90年代初上马的进口产品，当时国家在输电网中应用了6套引进的SVC。在国产第一套SVC示范工程后，国家电网公司开始在电网中使用国产化SVC。2005年国家电网公司为川渝电网4个500 kV变电站（陈家桥、洪沟、万县、永川）招标SVC，中国电力科学研究院电力电子公司中标，这是国产化SVC首次通过公开招标的方式在输电网中应用。近年来，国家电网公司又在郑州小流500 kV变电站SVC改造工程、上海干练220 kV变电站SVC工程、福建晋江新塘220 kV变电站SVC工程中应用，SVC在输电网中的应用正加速推广之中，预计将会有好的前景。

[1]苏玲,宋珊,陈建业.静止无功补偿器(SVC)应用的最新进展[J].电网技术,2004(8)：44-49.

[2]朱金奇.TCR+FC型SVC原理及应用[J].电气传动自动化,2007(3)：57-58.

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