高壓靜止無功補(bǔ)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(bǔ)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(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，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(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。動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)是一種提高電壓穩(wěn)定性的經(jīng)濟(jì)、有效的措施。另外，動態(tài)無功補(bǔ)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(bǔ)償裝置（svc）對于消除軋機(jī)和其他大型電動機(jī)等對稱性負(fù)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(jì)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(bǔ)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(dá)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(bǔ)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(bǔ)償器" title="無功補(bǔ)償器">無功補(bǔ)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(bǔ)償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無功補(bǔ)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(jìn)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(fù)載進(jìn)行分相補(bǔ)償，操作中不產(chǎn)生有害過電壓，但是它對于由于負(fù)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(jìn)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(bǔ)償器，這種補(bǔ)償器以電容器作分級粗調(diào)，以電感作相控細(xì)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(jì)，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(dāng)于接入了電感性負(fù)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(dǎo)通角與tcr的等效電納間的關(guān)系可知，當(dāng)觸發(fā)角為90

　　°時，晶閘管全導(dǎo)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(dāng)觸發(fā)角在90°～180°之間時，晶閘管部分區(qū)間導(dǎo)通。增大觸發(fā)角即可減小補(bǔ)償器的等效電納，這樣就會減小補(bǔ)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(bǔ)償器所吸收的無功分量，達(dá)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。

　?。?） 微處理器方法（microprocessor based method），采用單片機(jī)或者計算機(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)時刻導(dǎo)通晶閘管，使tcr支路工作。

　　4 svc的組成部分

　　高壓靜止無功補(bǔ)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(dǎo)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(fù)半周交替導(dǎo)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(dá)到了預(yù)期的補(bǔ)償目標(biāo)，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(fù)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。