淺談SVC的原理及作用

1、淺談SVC的原理及作用超（特）高壓運行檢修公司 自貢中心 涂洪駿摘要：介紹了靜止補償器(SVC)的工作特性、基本原理、運行方式，重點針對SVC的作用進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：靜止補償器，靜止無功發(fā)生器和吸收器，無功補償，SVC1 引言現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，諸如交流電弧爐、電氣化鐵路、大型軋鋼機等均屬于動態(tài)變化的非線性負(fù)荷。這類負(fù)荷的特點是有功功率與無功功率隨時間作快速變化，由于其非線性和不平衡的用電特性，使供電電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，引起電壓的波動、閃變以及三相不平衡，甚至引起系統(tǒng)頻率的波動，而且向系統(tǒng)注入大量的諧波，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。近年發(fā)展起來的靜止型無功補償裝置(Static Var

2、 Compensation，以下簡稱SVC)1，是一種快速調(diào)節(jié)無功功率的裝置，已成功地應(yīng)用于冶金、采礦和電氣化鐵路等沖擊性負(fù)荷的補償上。這種裝置在調(diào)節(jié)快速性、功能多樣性、工作可靠性以及投資和運行費用的經(jīng)濟性等方面都比同步調(diào)相機有明顯的優(yōu)點，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效益，因而在國內(nèi)外得到較快的發(fā)展與實際應(yīng)用。2. 靜止無功補償裝置(SVC)的分類及原理SVC目前廣泛應(yīng)用于輸電系統(tǒng)和負(fù)載無功補償，根據(jù)國際大電網(wǎng)會議將SVC分為：1、機械投切電容器（MSC）型；2、機械投切電抗器（MSR）型；3、自飽和電抗器型（SR)型；4、晶閘管投切電容器型（TSC)型；5、晶閘管投切電抗器型（TSR)型；6、自換相

3、型（SCC)型；7、晶閘管控制電抗器型（TCR）型。其典型代表是晶閘管控制電抗器固定電容器（TCRFC）、晶閘管投切電容器（TSC）、以及磁控電抗器固定電容器（MCR+FC）等。2.1晶閘管控制電抗器TCRFC TCR通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)補償裝置的無功功率。利用TCR回路吸收的感性無功功率，可以對無功功率進(jìn)行動態(tài)補償，使得并聯(lián)濾波器中多余的無功功率得到平衡，確保補償點的電壓接近維持不變。其基本組成如下圖1所示。圖1 TCRFC基本組成2.2晶閘管投切電容器TSC一般情況下，按照一定的比例設(shè)計成多組支路的濾波器，在基波頻率下成容性，分級改變補償裝置的無功出力，濾波支路在某次諧波下

4、偏調(diào)諧，兼濾該次諧波。TSC只能分組投切，必須和TCR配合才能進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。TSC的基本電路有3種2，如圖2、圖3和圖4所示，圖2為星形有中線連接，圖3為三角形外部連接，簡稱角外接法，圖4為三角形內(nèi)部連接，簡稱角內(nèi)接法。在這3種電路的基礎(chǔ)上又衍生出很多其他的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如將每相的一個晶閘管換成二極管，或者為了節(jié)約成本去掉某相的晶閘管開關(guān)。選用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場負(fù)荷實際情況及技術(shù)經(jīng)濟等因素綜合考慮。 圖2 星形有中線連接 圖3 三角形外部連接 圖4 三角形內(nèi)部連接2.3磁控電抗器MCRFCMCR利用直流助磁原理，通過附加直流勵磁磁化電抗器鐵芯，通過調(diào)節(jié)磁控電抗器的飽和程度來改變鐵芯的磁導(dǎo)率，

5、實現(xiàn)電抗值的連續(xù)、快速調(diào)節(jié)。從而實現(xiàn)無功容量的連續(xù)可調(diào)。其基本組成如下圖5所示。圖5 MCRFC基本組成3 SVC的主要作用有下幾個方面3.1 對電力系統(tǒng)電壓進(jìn)行有效的控制如果電力系統(tǒng)的短路容量水平或者系統(tǒng)中有長線路（弱系統(tǒng)）,電壓將嚴(yán)重的受到負(fù)荷變化的影響，也受到投切系統(tǒng)元素的嚴(yán)重影響。負(fù)荷端如果加裝SVC ，在 SVC 額定容量范圍內(nèi)，可以維持負(fù)荷電壓在設(shè)計額定限度內(nèi)。3.2平衡電力系統(tǒng)的三相負(fù)荷不對稱或單相負(fù)荷將使電壓產(chǎn)生不對稱，引起系統(tǒng)設(shè)備的過載，使旋轉(zhuǎn)電機產(chǎn)生附加損耗。加裝 SVC 可以起到平衡負(fù)載、平衡電壓的作用，同時可以 校正系統(tǒng)的功率因素。3.3 增加已有和新建輸電系統(tǒng)的有功功

6、率傳輸能力電力系統(tǒng)有功功率傳送容量一般受到系統(tǒng)的運行電壓和系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)移電抗的限制。如果在輸電線路上面加裝 SVC，由于 SVC 在連接點支撐電壓的能力從而使輸電容量大大的增加。而對于電力系統(tǒng)傳輸容量的增加，將 SVC 加裝在某一合適的位置能夠起到最佳效果，應(yīng)該通過潮流計算得到。3.4 提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定極限為了使電力系統(tǒng)保持穩(wěn)定，即使是在保護(hù)切斷故障所引起大擾動之后，系統(tǒng)的功率傳輸仍要保持在穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定極限之內(nèi)，暫態(tài)穩(wěn)定的最大功率水平對某個 具體系統(tǒng)運行狀態(tài)是暫態(tài)穩(wěn)定極限。當(dāng)系統(tǒng)加裝 SVC 以后，對于同樣的傳輸 水平，有較大的減速能量用于恢復(fù)轉(zhuǎn)子到穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定 極限。3.5增

7、加功率振蕩的阻尼在電力系統(tǒng)中由系統(tǒng)故障、負(fù)荷突降、嚴(yán)重事故投切等所引起的大擾動相對較少，而正常負(fù)荷變化和運行操作所引起的小擾動要頻繁的多。此類擾動引 起電機械振蕩，它們通常由發(fā)電機轉(zhuǎn)子阻尼電路和與發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在一起的 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器所阻尼。但是無阻尼功率振蕩會導(dǎo)致持續(xù)電壓和功率搖擺，甚 至于發(fā)電機之間會失去同步。加裝 SVC 后，也就是設(shè)置了連續(xù)控制的快速反 應(yīng)無功補償，可以改進(jìn)系統(tǒng)的阻尼特性。3.6阻尼次同步諧振用串聯(lián)電容補償長線路的串聯(lián)電感時會產(chǎn)生次同步諧振現(xiàn)象，這個現(xiàn)象發(fā)生在串聯(lián)電容與線路和電機等值電感諧振頻率低于工頻時，在這種諧振的情 況，發(fā)電機軸系的機械阻尼可能顯現(xiàn)負(fù)阻尼于某個扭振

8、方式，結(jié)果是扭振蕩自 發(fā)的出現(xiàn)并增大振幅，直到發(fā)電機軸系系統(tǒng)損壞。加裝 SVC 后能夠改善系統(tǒng) 的阻尼特性，從而阻尼次同步振蕩。3.7對 AC-DC 換流器以及 HVDC 聯(lián)線進(jìn)行無功補償由于交直流換流器的固有特性，它要消耗有功負(fù)荷 60%的無功功率，而與他們的運行方式無關(guān)，當(dāng)交流或者直流發(fā)生大的擾動時，會出現(xiàn)無功需求的大 量暫態(tài)變化，這依賴于系統(tǒng)等值電抗和換流器的控制，這種大量的無功變化使 交流系統(tǒng)電壓動態(tài)或者瞬時的改變，特別是當(dāng)交直流系統(tǒng)換流母線的等值阻抗 比較大時。由于 SVC 自身的高速反應(yīng)及其無功產(chǎn)生和吸收能力，表現(xiàn)出一個 控制上述擾動的有效方法。SVC 能夠降低由于改變換流器需求或

9、者投切濾波器 組引起的無功變化，更好的控制交流電壓；能夠降低由于換流器閉鎖引起的動 態(tài)或者短時間過電壓；有助于事故后交流系統(tǒng)的快速恢復(fù)。如果 SVC 快速反 應(yīng)與同期調(diào)相機增加短路故障水平的能力互相配合，故障后直流輸電的功率可以更快的恢復(fù)。3.8改善工礦企業(yè)的電能質(zhì)量、提高功率因數(shù)可減少注入系統(tǒng)的諧波電流和母線電壓諧波電壓畸變率，改善電能質(zhì)量；提高用戶功率因數(shù)，減少無功損耗，增加變壓器帶負(fù)載能力，減少用戶低功率 因數(shù)罰款；抑制電壓波動和閃變，改善電能質(zhì)量；平衡三相負(fù)載，抑制負(fù)序， 使用戶和系統(tǒng)負(fù)序保護(hù)不誤動。4.實踐案例為了減少川渝電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波電流和母線電壓諧波、電壓畸變率，抑制電壓波動和閃

10、變，改善川渝電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量，在洪溝500kV變電站加裝了一套量120MWvar的SVC靜態(tài)無功補償裝置工程?，F(xiàn)對該SVC 裝置組成及運行方式進(jìn)行說明：4.1 SVC 裝置組成4.1.1洪溝 SVC 裝置包括 1 組容量為 120Mvar 相控電抗器、 1 組容量為 40Mvar 的 5 次諧波濾波器、5 組容量為 40Mvar 的并聯(lián)電容器組（利用原有設(shè)備）和 5 組容量為 45Mvar 的并聯(lián)電抗器（利用原有設(shè)備，最多只能投入 3 組并聯(lián)電抗器）。SVC 裝置接于#1 主變低 壓側(cè) 35kV 母線；#2 主變建設(shè)后，SVC 裝置改接于#2 主變低壓側(cè)。4.1.2TCR 支路主要由 SF6

11、 高壓斷路器、隔離開關(guān)、相控電抗器、晶閘管閥組、氧化鋅避 雷器、電流互感器等組成。4.1.3濾波支路主要由 SF6 高壓斷路器、隔離開關(guān)、濾波電容器、濾波電抗器、氧化鋅避 雷器、電流互感器等組成。4.1.4并聯(lián)電容器補償支路主要由 SF6 高壓斷路器、隔離開關(guān)、并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器、 氧化鋅避雷器、電流互感器等組成。4.1.5并聯(lián)電抗器支路主要由 SF6 高壓斷路器、隔離開關(guān)、并聯(lián)電抗器、電流互感器等組 成。4.2 SVC調(diào)節(jié)策略的基本原則SVC控制系統(tǒng)的控制策略包含兩部分：穩(wěn)態(tài)無功電壓控制、暫態(tài)穩(wěn)定和阻尼控制，即常規(guī)的無功電壓控制（VQC）和TCR控制兩部分。4.2.1 SVC穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律

12、洪溝500kV母線電壓V參考電壓Vref電壓控制死區(qū)比較V投切電容器或電抗器穩(wěn)定500kV電壓穩(wěn)態(tài)下500kV電壓控制環(huán)節(jié)由電壓采樣計算環(huán)節(jié)、電壓控制比較環(huán)節(jié)等構(gòu)成。濾波器自動調(diào)節(jié)控制框圖如下所示： 穩(wěn)態(tài)電壓控制框圖框圖上方輸入信號為500kV母線電壓有效值，與通過后臺整定的500kV參考電壓值相減，獲得電壓差值，通過對時間窗內(nèi)電壓差值的遞推計算，獲得500kV電壓差值平均值V，V與通過后臺整定的電壓死區(qū)進(jìn)行比較。自動調(diào)節(jié)投切35kV電容器組或電抗器組的判據(jù)：l 若大于電壓控制死區(qū)，即V > ，則投入一組電抗器或切除一組電容器；l 若小于電壓控制死區(qū)，即V < -，則投入一組電抗器

13、或切除一組電容器；l 若在電壓控制死區(qū)范圍內(nèi)，即 -V, 則不投切電抗器或電容器； 投入電容器或切除電抗器的判據(jù)為：l 若已投入一組以上的電抗器，則僅切除電抗器，不投入電容器；投入電抗器或切除電容器的判據(jù)為：1)、當(dāng)TCR支路運行時l 若已投入2組以上的電容器組，則僅切除電容器（應(yīng)保留1組12%串聯(lián)電抗器的電容器支路），不投入電抗器；l 若僅投入1組12%串聯(lián)電抗器的電容器支路，則僅投入電抗器，不切電容器；2）、當(dāng)TCR支路不運行時l 若已投入一組以上的電容器，則僅切除電容器，不投入電抗器；改變晶閘管控制電抗器TCR穩(wěn)定感性無功輸出的判據(jù)為：l 若需要投入電抗器或切除電容器，而電抗器支路已投入

14、3組，則增加12Mvar的TCR感性無功輸出，不再投入電抗器，但TCR感性無功輸出最大不能超過96Mvar；l 若需要切除電抗器或投入電容器，而TCR感性無功出力大于36Mvar，則減小12Mvar的TCR感性無功輸出，不再投入電容器, TCR感性無功出力降到36Mvar就不再調(diào)整，改為切電抗器或投入電容器；TCR、電容器、電抗器聯(lián)跳判據(jù)：l 若最后1組12%串聯(lián)電抗器的電容器故障跳閘，將聯(lián)跳TCR支路；電容器、電抗器投切延時為10-100分鐘，可后臺整定，該時間即為500kV電壓差值的平均值計算的時間窗長度。當(dāng)投切一組電容器或電抗器后（不管該次操作是否失敗），電壓差值的平均值V自動清零。4.

15、 2.2 SVC動態(tài)控制規(guī)律動態(tài)下SVC控制框圖如下所示洪陳1、2線路有功洪溝500kV母線電壓TCR感性無功輸出SVC動態(tài)控制規(guī)律框圖框圖1偏差計算環(huán)節(jié)；框圖2控制隔直環(huán)節(jié)； 框圖3、4控制相位環(huán)節(jié)；框圖5比例環(huán)節(jié)； 框圖10暫態(tài)強補環(huán)節(jié)； 其中，電壓的偏差量和線路輸送功率的偏差作為控制系統(tǒng)的輸入量。通過逐級調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角來得到相控電抗器0120Mvar 平滑感性無功輸出。4.3 SVC 運行方式4.2.1SVC 裝置調(diào)節(jié)及監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)電壓及無功的變化情況自動進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，也 可根據(jù)需要進(jìn)行手動控制。SVC 裝置可以適應(yīng)電網(wǎng)的各種運行方式。4.2.2SVC 裝置各支路正常情況下，SV

16、C 監(jiān)控及調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動投入和退出 SVC 各支路的 順序：¾SVC 投入順序：i) 先投入一組電抗率為 12的電容器組；j) 投入 TCR；k) 投新增 5 次濾波器；l) 投入其它電容器（包括遠(yuǎn)期新增的，順序不作要求）；¾SVC 退出順序：m) 切其它原有電容器（對應(yīng)上述最后一步投入的電容器，順序不作要求）；n) 切新增 5 次濾波器；o) TCR 退出；p) 切最后一組電抗率為 12的電容器組。¾并聯(lián)電抗器投退順序：洪溝站中 5 組并聯(lián)電抗器參數(shù)相同，按照循環(huán)投退的原則操作。4.2.3 SVC 裝置允許的運行方式及無功出力見附表 1 所示。附表 1：SVC 裝

17、置的運行方式序號TCR12%串抗的并聯(lián)電容器5 次濾波 器5%串抗的并聯(lián)電容 器并聯(lián)電抗器無功出力范圍正常運行方式1×××208.05Mvar88.05Mvar2××××172.46Mvar52.46Mvar3××××168.05Mvar48.05Mvar4×××××136.87Mvar16.87Mvar5×××××132.46Mvar12.46Mvar6××

18、5;×××96.87Mvar-23.13Mvar7×××××××64.58Mvar-55.42Mvar8××××××××32.29Mvar-87.71Mvar9×××××××-12.71Mvar-132.71Mvar10××××××-57.71Mvar-177.71Mvar11×

19、××××-102.71Mvar-222.71Mvar非正常運行方式12¤¤¤¤208.05Mvar13¤¤¤¤¤172.46Mvar14¤¤¤¤¤168.05Mvar15¤¤¤¤¤¤136.87Mvar16¤¤¤¤¤¤132.46Mvar17¤¤¤¤¤

20、;¤¤96.87Mvar18¤¤¤¤¤¤¤¤64.58Mvar19¤¤¤¤¤¤¤¤¤32.29Mvar20¤¤¤¤¤¤¤¤-12.71Mvar21¤¤¤¤¤¤¤-57.71Mvar22¤¤¤¤¤¤-1

21、02.71Mvar23¤¤¤¤¤¤¤-135Mvar注：（1）符號說明：“”表示該支路投入； “¤”表示該支路故障、檢修或退出； “×”表示該支路退出；（2）當(dāng)多個支路以上故障退出時，應(yīng)參照上表，同時滿足對各 SVC 支路投入退出的限制要求。4.3 人工單相瞬時接地短路試驗為驗證500 kV洪溝變電站12oM乏SVC 裝置在川渝電網(wǎng)出現(xiàn)大擾動狀況下的暫態(tài)調(diào)節(jié)性能， 2006 年11 月22日11:07:41，500 kV 輸電線路二普三線C 相進(jìn)行第1 次人工單相瞬時接地短路試驗，500 kV 母線電壓、TCR 支路無功出力以及川渝電網(wǎng)潮流斷面洪陳I、II 線路有功功率進(jìn)行了現(xiàn)場測試。35kV運行方式SVC 裝置投入3 組并聯(lián)電抗器