高壓靜止無功補償器的研究

　　1 引言

　　目前，我國電網(wǎng)的建設(shè)和運行中長期存在的一個問題是無功補償容量不足和配備不合理，特別是可調(diào)節(jié)的無功容量不足，快速響應(yīng)的無功調(diào)節(jié)設(shè)備更少。近年來，隨著大功率非線性負荷的不斷增加，電網(wǎng)的無功沖擊和諧波污染呈不斷上升的趨勢，無功調(diào)節(jié)手段的缺乏使得母線電壓隨運行方式的改變而變化很大，導致電網(wǎng)的線損增加，電壓合格率降低。此外，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題也愈加重要。動態(tài)無功補償技術(shù)是一種提高電壓穩(wěn)定性的經(jīng)濟、有效的措施。另外，動態(tài)無功補償技術(shù)在冶金、電氣化鐵路、煤炭等工業(yè)領(lǐng)域的客觀需求也很大。在目前情況下，采用tcr靜止型動態(tài)無功補償裝置（svc）對于消除軋機和其他大型電動機等對稱性負載所產(chǎn)生的無功沖擊是很有效的，電網(wǎng)電壓波動明顯改善，功率因數(shù)明顯提高，是一種技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益顯著的新型節(jié)能裝置。

　　2 svc的基本類型和結(jié)構(gòu)

　　svc的補償原理是通過控制晶閘管觸發(fā)角，改變接入系統(tǒng)中的svc等效電納的大小，從而使svc達到調(diào)節(jié)無功功率的目的。靜止電抗器" title="電抗器">電抗器的靜止無功補償裝置（saturatedreactor- sr）；第二類是晶閘管控制電抗器（thyristor control reactor—tcr），晶閘管投切電容器（thyristor switch capacitor- tsc），這兩類裝置通稱為svc （staticvar compensator）。

　　2.1 具有飽和電抗器的補償器" title="無功補償器">無功補償器（sr）

　　飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應(yīng)的無功補償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無功補償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來控制發(fā)出或吸收無功功率的大小?？煽仫柡碗娍蛊魍ㄟ^改變控制繞組中的工作電流來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進一步控制無功電流的大小。sr的缺點是：造價高、損耗大、有振動和噪聲、調(diào)整時間長、動態(tài)補償速度慢。由于具有這些缺點，所以飽和電抗器的靜止無功補償器應(yīng)用的比較少。

　　2.2 晶閘管投切電容器（tsc）

　　單相tsc的原理，是采用兩個反并聯(lián)的晶閘管起到將電容接入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開的作用，而串聯(lián)小電感可以抑制電容器投入電網(wǎng)時可能產(chǎn)生的沖擊電流。tsc的關(guān)鍵技術(shù)是投切電容器時刻的選取。經(jīng)過多年的分析與實驗研究，其最佳投切時間是晶閘管兩端的電壓為零的時刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時刻，此時投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。tsc的優(yōu)點在于它能對三相不平衡負載進行分相補償，操作中不產(chǎn)生有害過電壓，但是它對于由于負載的突變引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網(wǎng)的電容量的變化進行調(diào)節(jié)是不夠的，因此tsc裝置一般與電感相并聯(lián)，采用tcr與tsc配合使用構(gòu)成混合型補償器，這種補償器以電容器作分級粗調(diào)，以電感作相控細調(diào)。但是，svc裝置在動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率時不可避免的會產(chǎn)生大量諧波，需要將固定電容器和電感串聯(lián)構(gòu)成諧波濾波器來濾除諧波。而且svc運行時電容和電感的一部分容量相互抵消，不經(jīng)濟，且電容分組不連續(xù)投切會影響調(diào)節(jié)質(zhì)量。

　　2.3 晶閘管控制電抗器（tcr）

　　單相tcr原理如圖1所示，由兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器串聯(lián)組成。其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當于接入了電感性負載的交流調(diào)壓電路。此電路的有效移相范圍為90°～180°。根據(jù)晶閘管的導通角與tcr的等效電納間的關(guān)系可知，當觸發(fā)角為90

　　°時，晶閘管全導通，晶閘管串聯(lián)的電抗全部接入電網(wǎng)上，此時電抗器吸收的無功電流最大。當觸發(fā)角在90°～180°之間時，晶閘管部分區(qū)間導通。增大觸發(fā)角即可減小補償器的等效電納，這樣就會減小補償電流中的基波分量，即減少了吸收的無功功率。所以通過調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變補償器所吸收的無功分量，達到調(diào)整無功功率的效果。

　　3 svc的基本控制原理

　　svc控制系統(tǒng)包括四個部分。

　　第一部分為“tcr基波電流（或電抗）參考值計算”，即根據(jù)裝置的無功電流（或功率）需求，計算其中的tcr基波電流（或功率，或電抗）參考值；如果裝置的參考輸入為無功電流需求，實時測得fc支路的電流有效值，則tcr支路電流的參考值即為前者減去后者。

　　第二部分為“觸發(fā)延遲角計算”，即根據(jù)tcr的無功電流或電抗的參考值變換得到晶閘管的觸發(fā)延遲角，有以下幾種方法可以實現(xiàn)：

　　（1） 模擬電路法，通過模擬電路構(gòu)造模擬函數(shù)發(fā)生器（analog functiongenerator），將輸入信號（如tcr支路的電流參考值）變換成一個與觸發(fā)延遲角成正比的輸出信號。

　?。?） 數(shù)字查表法（digital lookuptable），將輸入?yún)⒖贾蹬c觸發(fā)角的函數(shù)關(guān)系用一個數(shù)字表存儲起來，“觸發(fā)延遲角產(chǎn)生”模塊每隔一定的時間，根據(jù)輸入查表獲得對應(yīng)的觸發(fā)延遲角。

　　（3） 微處理器方法（microprocessor based method），采用單片機或者計算機構(gòu)成信號處理系統(tǒng)，它根據(jù)參考輸入，實時計算觸發(fā)延遲角。

　　第三部分為“同步定時”，即向脈沖控制提供同步用的基準信號，它與輸入交流電壓頻率相同、有固定的相位關(guān)系，控制器根據(jù)該基準信號產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖。

　　第四部分為晶閘管“觸發(fā)脈沖產(chǎn)生”，即根據(jù)“觸發(fā)延遲角計算”模塊產(chǎn)生的觸發(fā)延遲角，形成晶閘管門極觸發(fā)脈沖，在適當時刻導通晶閘管，使tcr支路工作。

　　4 svc的組成部分

　　高壓靜止無功補償裝置一次部分主要由電容器、電抗器、晶閘管、空開、接觸器等組成；二次部分主要由數(shù)據(jù)采集板（das），數(shù)據(jù)處理板（dsp），電源模塊、驅(qū)動模塊等組成。晶閘管的作用主要是控制電抗器的輸出電流。

　　裝置啟動后，先采集系統(tǒng)的電壓量、電流量、接觸器位置，計算出系統(tǒng)的功率因數(shù)。根據(jù)實際功率因數(shù)給出控制信號，由驅(qū)動模塊驅(qū)動晶閘管，使晶閘管保持相應(yīng)的導通角，從而控制整套裝置的無功輸出，使系統(tǒng)的功率因數(shù)滿足要求。

　　5 svc主回路接線方案

　　圖2是svc裝置的一次主接線圖。svc裝置接在單母線上，其中3次、5次濾波器分別為等容量的兩組支路，與tcr支路共同接在該10kv母線上。

　　六脈沖tcr由三角形連接的三個單相單元構(gòu)成，其中，每個單元由一個晶閘管閥和兩個分裂電抗器相串聯(lián)。晶閘管閥由多個晶閘管對串聯(lián)以獲得10kv額定電壓和承受正常運行的過電壓情況，兩組晶閘管在正負半周交替導通，實現(xiàn)對交流電流的開關(guān)與控制。

　　6 結(jié)束語

　　該svc裝置已在現(xiàn)場投入運行，并達到了預(yù)期的補償目標，為解決大型沖擊性、三相非對稱性、低功率因數(shù)及非線性負荷給電網(wǎng)帶來的公害提供了可行的方案和重要技術(shù)手段。