SVC动态无功补偿系统的设计

陈 莹 杨宁霞 公 政 冀 友 孙 皓

（1.国核电力规划设计研究院，中国 北京 100095；2.山东科技大学，山东 青岛 266590；3.国家电网潍坊供电公司，山东 潍坊 261000）

0 引言

因电力系统[1]的负荷端大量非线性负荷投入，引起电压伏动、闪变与三相电压不对称结构，便给系统引入了各次的谐波[2]，严重影响其电能质量以及系统安全的运行，这会对用户甚至是整个电力系统产生严重的损伤与灾难。为能够适应居民的生活以及其工企业生产，城市的送配电网正迈向自动智能化的道路。随负荷端的非线性负荷大量投入，故而相应也需消耗大量无功功率[3]，若无功功率补偿的不够快速、不够及时，那就会对整个电网系统平稳、安全的运行构成相当有害的影响。故而，对于此负荷端予以有效无功补偿，来提高电能质量具有重大意义。

伴随控制技术和柔性交流输电技术的不断更新，无功补偿的技术也在不断改进，无功补偿的装置发展从无源的至有源的，从分级调节至平滑调节，从单纯的只对无功功率予以补偿至将其和滤波器结合等。在对于国内外先进无功补偿装置研究基础，本文设计了一种以TMS320F2812 型DSP 为运算控制核心，TCR-FC 为研究对象的SVC动态无功补偿系统[4-5]，该设计具有调节范围宽，动态响应的速度快，运行维护简单，支持分相，可连续调节的特点与优势。该设计还能有效提高用电负荷功率因数[6]，改善其电能质量，使电网可靠稳定运行。

1 结构及控制原理

TCR-FC 型SVC 的结构相对简单，动态响应速度较快，调节范围较宽，运行维护方便，适合在实际应用中对负荷端进行无功功率补偿。该SVC 结构组成如图1 所示。

图1 TCR-FC 的电路图

设QF是负荷所需的无功功率，QL是电抗器的感性无功功率，QC是固定电容器容性无功功率，QS是系统所提供的无功功率。SVC 的总无功功率为TCR 支路的无功功率和FC 支路的无功功率的代数和（Q=QL-QC）。此系统无功功率平衡方程表达式为

若当QF发生了变化，只需连续控制其SVC 总无功功率（Q=QLQC）朝着方向相反变化，即不管QF发生怎样变化，QS＝QF＋QL－QC≈常数，便可限制该系统电压闪变。如若把常数设定成较小值，便能使系统电压值稳定，系统功率因数得到一定提高。

2 参数分析及计算

TCR+FC 型SVC 装置响应时间以及动态补偿的容量决定了提高电能质量的能力强弱以及其抑制电压闪变与波动的效果。

SVC 补偿率是：

式中，QSVC为其SVC 的动态补偿额定容量，也称为SVC 动态补偿容量；Qmax 是波动性负荷最大无功功率的变化量。

SVC 对闪变抑制能力强弱，可通过闪变的改善率η 来做为检验，表达式为

式中：Pst/lt和P'st/lt分别为补偿前后的短时/长时闪变值。

一般在理论上晶闸管阀组控制角的范围是90°～180°，因此TCR额定容量即是SVC 动态补偿的容量。但是此为理想状态下的理论分析值，在实际中晶闸管阀组控制角还不能够实现如此宽的调节范围。为能提高SVC 动态补偿容量QSVC，只有增加TCR 电抗器理论的额定容量值QL。

TCR 晶闸管阀组控制角α 与基波等值电纳之间关系的表达式是

式中：表示的是晶闸管阀组中最小的控制角。

电抗器的额定电感是

式中，Ue表示电抗器额定的电压值，为电源的角频率。

TCR 额定电流表达式为

FC 作为SVC 无功补偿装置重要部分，其参数确定也十分重要。一般SVC 容性可调节的范围是0～100%，滤波器组基波的无功容量表达式为

式中，αmax是晶闸管阀组中最大控制角。

3 控制器硬件设计

SVC 控制器的硬件设计，会对无功补偿装置功能实现有直接的影响。硬件设计是整体设计极为重要环节，该硬件设计电路主要包含信号采集及调理电路、晶闸管触发及保护电路、锁相倍频电路、电源电路与其他辅助电路模块构成，如图2 所示。

图2 硬件结构图

采用TMS320F2812 型DSP 芯片以及相应外围电路的硬件设计，能实现电流、电压信号采集与调理，控制信号的产生，控制算法的实现、脉冲的放大输出等功能。

4 技术方案

本文设计采用如图3 所示方案。6 kV 母线分别接入H7 滤嵌器、H5 滤嵌器、H3 滤嵌器以及TCR 感性无功调节器。其中，H7、H5 以及H3 滤嵌器为系统提供容性无功，同时把系统中存在的3、5、7 次和更高次的谐波电流滤除。TCR 感性无功调节器，能够及时检测到系统中母线的功率因数，并且可以较为迅速的调节无功的输出，从而使母线的无功功率以及电压保持稳定。其一次系统图与相关数据如图3 和表1 所示。

表1 数据表

图3 技术方案

该装置工作流程为从母线PT 以及进线CT 分别取电流、电压信号，并计算其夹角，从而得出实时的功率因数，然后将其功率因数与目标功率因数予以对比，从而进一步计算出需要补偿的无功总量，然后折算成电抗器输出的电感电流值，并且能得到可控硅确切的导通角，实现无功补偿系统全自动的运行。该设计可连续自动跟踪系统无功功率变化情况，还能根据其无功功率变化情况对无功输出予以动态调节。除此之外，还可实现经通信接口与变电站的综合自动化系统予以通信，达到遥控、遥信与遥测功能。在全功率调节的范围之间没有触点开关动作，不会产生过电压，安全系数高。该装置全为静止装置，在寿命的周期之内几乎不需维护，后期维护费用低且系统的可靠性高。

5 结语

该设计方案能较好地对无功功率进行补偿，稳定系统的电压。不仅能够提高功率因数，而且能够降低供电系统存在的谐波，从而保证电网电能质量，同时还可降低损耗，节省能源，显著提高经济效益。

［1］钱法宪，徐新法.MSCV 动态无功补偿成套系统在煤矿供电系统的应用[J].水力采煤与管道运输，2012(4)：53-55.

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