摘要:基于35KV變電站SVC供電系統(tǒng)，首先介紹了九州電氣試驗(yàn)站的設(shè)備負(fù)荷情況，然后介紹了TCR+FC型靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)的基本原理和組成。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，對(duì)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，電壓波動(dòng)及閃變等引起供電電能質(zhì)量的問題起到了很好的治理效果。

　　關(guān)鍵詞:SVC；TCR；FC；諧波

　　1引言

　　近年來，隨著大功率非線性負(fù)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(shì)，無功調(diào)節(jié)手段的缺乏使得母線電壓隨運(yùn)行方式的改變而變化很大，導(dǎo)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。

　　靜止型無功補(bǔ)償裝置是一種快速調(diào)節(jié)無功功率的裝置，已成功應(yīng)用于冶金、采礦和電氣化鐵路等沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償上。其特點(diǎn)是：調(diào)節(jié)速度快，并可連續(xù)、分相的進(jìn)行無功功率調(diào)節(jié)、運(yùn)行可靠、適用范圍廣等，因此對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和改善電能質(zhì)量起到了明顯的作用。

　　此外，采用TCR靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)對(duì)于消除軋機(jī)和其他大型電動(dòng)機(jī)等對(duì)稱性負(fù)載所產(chǎn)生的無功沖擊也是很有效的，電網(wǎng)電壓波動(dòng)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(jì)效益顯著的新型節(jié)能裝置。

　　2 九州電氣試驗(yàn)站概況

　　九州電氣試驗(yàn)站建筑面積約為3000平方米，是目前國內(nèi)領(lǐng)先的可帶載5MW、35KV的中高壓變流實(shí)驗(yàn)站，其中包括10kv、5MW以下高壓變頻器滿載測(cè)試平臺(tái)、35KV、5Mvar以下高壓電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置滿載測(cè)試平臺(tái)和1.5MW全功率風(fēng)力發(fā)電變流器及1.5MW雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器滿載測(cè)試平臺(tái)，可集中針對(duì)中、高電壓等級(jí)的變頻器、軟起動(dòng)器、SVC無功補(bǔ)償、風(fēng)力發(fā)電逆變器等產(chǎn)品進(jìn)行智能化帶載性能測(cè)試。這些裝置的運(yùn)行，不僅產(chǎn)生工頻整數(shù)倍的高次諧波；而且產(chǎn)生隨輸出頻率變化的旁頻諧波，所造成的電壓畸變比較嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重污染。嚴(yán)重的電壓波動(dòng)、高次諧波和過低的功率因數(shù)，惡化了試驗(yàn)站供電環(huán)境，縮短了設(shè)備的工作壽命，不但影響到產(chǎn)品的調(diào)試效率而且還增加了主變損耗和線路損耗。基于上述原因，必須對(duì)供電線路進(jìn)行無功補(bǔ)償。

　　3 TCR+FC型SVC的基本原理

　　TCR+FC型SVC的單線簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中TCR（ThyristorControlledReactor）是晶閘管控制電抗器，F(xiàn)C（FixedCapacitor）是幾組固定電容器。每個(gè)單相支路中，補(bǔ)償電抗器和晶閘管閥配合使用。

　　TCR+FC型SVC是通過晶閘管閥控制流過電抗器的電流，來達(dá)到控制無功功率的目的。根據(jù)負(fù)荷無功功率QV的變化情況，來實(shí)施改變電抗器的無功功率QTCR(感性無功功率)，當(dāng)負(fù)荷無功QV增大時(shí)，TCR產(chǎn)生的無功QTCR減少；當(dāng)負(fù)荷無功QV減小時(shí)，TCR產(chǎn)生的無功QTCR增加。即不管負(fù)載的無功功率如何變化，總要使二者之和為常數(shù)，即QV+QTCR»常數(shù)，這個(gè)常數(shù)等于諧波濾波器組發(fā)出的容性無功功率QC的數(shù)值，使取自電網(wǎng)的無功功率QN為常數(shù)或?yàn)?，即：QN=QC-(QV+QTCR)=常數(shù)（或0），則能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)=常數(shù)，電壓幾乎不波動(dòng)，從而達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康?，以抑制?fù)載波動(dòng)所造成的系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變。關(guān)鍵是準(zhǔn)確控制晶閘管的觸發(fā)角，得到所需的流過補(bǔ)償電抗器的電流，晶閘管變流裝置和控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，通過采集母線的無功電流值和電壓值，合成無功值，和所設(shè)定的恒無功值進(jìn)行比較，計(jì)算得到觸發(fā)角大小，通過晶閘管觸發(fā)裝置，使晶閘管流過所需電流。

圖1TCR+FC型SVC接線圖

　　4 35KVSVC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1晶閘管控制電抗器支路的設(shè)計(jì)

　　晶閘管控制電抗器的原理和電流波形如圖2，Th1、Th2為兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管組，分別在電源電壓波的兩個(gè)半周內(nèi)導(dǎo)通，控制觸發(fā)角a在90°～180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。90°時(shí)產(chǎn)生的感性無功最大（即晶閘管短路），180°時(shí)產(chǎn)生的感性無功為零（即晶閘管斷開）。由于電抗器是純感性負(fù)荷，因此電流滯后電壓90°，吸收感性無功。TCR相控電抗器由晶閘管的閥串和電抗器串聯(lián)構(gòu)成，接線形式大都采用三角形連接，用以消除3次諧波對(duì)系統(tǒng)的影響。另外，工程實(shí)際中當(dāng)容量較大時(shí)將電抗器分為等容量的兩部分，串接在晶閘管閥串的兩端，這樣可以使得晶閘管在電抗器損壞時(shí)得到保護(hù)。晶閘管閥則由多個(gè)晶閘管對(duì)串聯(lián)以獲得35KV額定電壓和承受正常運(yùn)行的過電壓情況，這里的高壓晶閘管閥采用ABB公司生產(chǎn)的晶閘管，能承受SVC裝置的最大過流/過壓水平和較高的dv/dt，di/dt水平，并配合電抗器實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)微機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控TCR晶閘管運(yùn)行狀況，能在低壓側(cè)直接運(yùn)算顯示、報(bào)警、跳閘。

圖2 TCR接線原理和電流波形圖

　　4.2FC濾波支路的設(shè)計(jì)

　　通常的濾波方法是配置無源濾波器，既可以濾除諧波，又可以補(bǔ)償一定容量的無功。對(duì)裝設(shè)于電力系統(tǒng)中的SVC裝置而言，系統(tǒng)諧波含量相對(duì)較少而且比較穩(wěn)定，主要諧波源就是SVC裝置本身，因此設(shè)計(jì)起來相對(duì)簡(jiǎn)單，一般只需要裝設(shè)5次以上的單調(diào)諧濾波器即可，必要時(shí)裝設(shè)高通濾波器。但對(duì)于補(bǔ)償沖擊性負(fù)荷的SVC裝置，在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，不僅要考慮裝置本身產(chǎn)生的諧波，還需要考慮負(fù)荷側(cè)產(chǎn)生的大量非特征諧波和偶次諧波，關(guān)鍵是要具有充足的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，才能使得濾波器設(shè)計(jì)的性價(jià)比最高。另外，濾波器在實(shí)際工作中并不是處于真正的諧振狀態(tài)。為防止諧波電流過大，考慮到系統(tǒng)一般呈感性，通常將濾波器設(shè)計(jì)成感性偏調(diào)諧，這樣也避免了與系統(tǒng)發(fā)生諧振的可能。

　　4.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)是整個(gè)SVC裝置的核心部分，主要由A/D采集系統(tǒng)、DSP運(yùn)算單元、脈沖移相電路、電光轉(zhuǎn)換裝置等相互獨(dú)立的硬件模塊組成，另外還包含監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)。其中，以DSP為核心的全數(shù)字化控制器，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高；控制算法采用瞬時(shí)無功理論，即利用瞬時(shí)值代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有效值分析三相電力系統(tǒng)，再經(jīng)過矢量變換，計(jì)算出每一相的補(bǔ)償導(dǎo)納和觸發(fā)角度，使得高壓無功補(bǔ)償裝置能夠快速發(fā)出或吸收的無功電流，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到無功平衡，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、提高系統(tǒng)功率因數(shù)，減少系統(tǒng)損耗。控制器還具有靈活的控制方式，可實(shí)現(xiàn)三相同時(shí)控制、分相控制和三相平衡化等多種控制方式；多功能自動(dòng)化接口則具備遠(yuǎn)方操作和自動(dòng)化系統(tǒng)接口功能，可以實(shí)現(xiàn)無人值守。

　　晶閘管的觸發(fā)方式采用高位取能的光電觸發(fā)技術(shù)，該技術(shù)包括晶閘管觸發(fā)板電源取能技術(shù)，用于給觸發(fā)板提供工作電源，其能量取自高壓主回路晶閘管側(cè)，與二次控制回路電源無關(guān)，保證了主回路與控制回路嚴(yán)格隔離，工作時(shí)不受控制回路電源影響；晶閘管觸發(fā)技術(shù)則用于將控制系統(tǒng)發(fā)來的光觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送給高壓主回路晶閘管，控制其導(dǎo)通，工作時(shí)與控制回路沒有直接電的關(guān)聯(lián)；同時(shí)還具備靜態(tài)均壓、動(dòng)態(tài)均壓、BOD等保護(hù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶閘管的有效保護(hù)。

　　4.3.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　SVC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以完成以下功能：監(jiān)視裝置的啟動(dòng)過程；實(shí)時(shí)采集并顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；在線判斷系統(tǒng)故障狀態(tài)；記錄重要系統(tǒng)運(yùn)行信息；為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)傳遞數(shù)據(jù)；系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)分析，生成電壓質(zhì)量、諧波含量分析報(bào)告；系統(tǒng)調(diào)試期間錄波回顯，協(xié)助安裝人員快速查看系統(tǒng)狀態(tài)等。這些功能為SVC正常工作提供強(qiáng)有力的保障，因此，SVC的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)為基礎(chǔ)，虛擬儀器LabVIEW為工具進(jìn)行開發(fā)的。除了數(shù)據(jù)采集之外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還要負(fù)責(zé)和其他設(shè)備的通信以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸工作，采用高性能的工控機(jī)使得同時(shí)完成如此復(fù)雜的任務(wù)變得更加容易。

　　在本系統(tǒng)中采用PCI-6220數(shù)據(jù)采集卡對(duì)三相電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣處理，采樣頻率設(shè)定為10K，其它參數(shù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行相應(yīng)改變，一般采取默認(rèn)設(shè)置即可。在軟件處理過程中應(yīng)用快速傅里葉變換（FFT）、諧波失真分析等，獲取電網(wǎng)的電能質(zhì)量參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)計(jì)算。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面如圖3所示，顯示項(xiàng)包括A、B、C三相有功功率、無功功率、功率因數(shù)，電壓與電流的基波幅值、頻率、有效值，直流分量等監(jiān)測(cè)參數(shù)，單擊諧波監(jiān)測(cè)和功率因數(shù)曲線的下拉菜單還可選擇所要監(jiān)測(cè)的相應(yīng)波形。

圖3電網(wǎng)監(jiān)測(cè)主界面

　　4.3.2保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　SVC保護(hù)系統(tǒng)可以接收閥組側(cè)全部故障信號(hào)和閥組側(cè)較為重要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)數(shù)據(jù)信息和報(bào)警限值進(jìn)行故障解析，解析出具體的故障類型和故障支路，然后將這些報(bào)警信息及閥組側(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過定制的通信協(xié)議傳送到DSP運(yùn)算單元中，由DSP運(yùn)算單元進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)若系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)可以發(fā)出閉鎖信號(hào)封鎖觸發(fā)脈沖，還可發(fā)出開關(guān)量信號(hào)控制I/O單元切除主回路高壓設(shè)備，從而很大程度的提高了SVC系統(tǒng)的安全運(yùn)行系數(shù)。

　　5結(jié)束語

　　該套35KVSVC裝置投入運(yùn)行后，實(shí)測(cè)表明試驗(yàn)站各測(cè)試設(shè)備對(duì)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量干擾已被抑制到了一個(gè)較低的水平：

　?。?）對(duì)諧波吸收效果顯著，注人系統(tǒng)35KV側(cè)考核點(diǎn)的各次諧波電流都符合諧波國標(biāo)要求，各測(cè)試設(shè)備引起35KV母線電壓總諧波畸變率降為2.5%，低于國標(biāo)限值（3%）的要求。

　　（2）各種實(shí)驗(yàn)裝置引起35KV母線電壓波動(dòng)為1.6%，低于國家標(biāo)準(zhǔn)允許值(2%)的要求。

　?。?）35KV高壓無功補(bǔ)償裝置能將整個(gè)試驗(yàn)站系統(tǒng)平均功率因數(shù)提高到0.96以上，不但不再受到電業(yè)部門的罰款，反而每月都有一定金額的獎(jiǎng)勵(lì)。

　　達(dá)到了預(yù)期的補(bǔ)償目標(biāo)，同時(shí)也解決了三相非對(duì)稱性及非線性負(fù)荷給電網(wǎng)帶來的公害。

　　35KV高壓無功補(bǔ)償裝置從設(shè)計(jì)、制作到調(diào)試，再到投運(yùn)后達(dá)到并超過性能指標(biāo)，系統(tǒng)安全可靠、整體合理，這些都標(biāo)志了九州電氣無功補(bǔ)償裝置在高電壓技術(shù)領(lǐng)域的又一重大突破，對(duì)其拓展35KVSVC市場(chǎng)更是具有非常重要的意義。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　王國強(qiáng)黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)哈平路162號(hào)哈爾濱九州電氣股份有限公司電網(wǎng)事業(yè)部

　　郵編150081電話:13936307357guoqiang881_95@163.com