靜止無(wú)功補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)與研制

1、10 kV靜止無(wú)功補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)與研制收藏此信息 打印該信息 添加：用戶(hù)發(fā)布 來(lái)源：未知 摘要： 隨著電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展和負(fù)荷密度的增加，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和電壓質(zhì)量的要求日益迫切。電力電子技術(shù)的發(fā)展使得靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）在該領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。文中對(duì)TCR+TSC型SVC樣機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，分別討論了主電路、控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等部分的原理與設(shè)計(jì)。運(yùn)行試驗(yàn)的結(jié)果表明，樣機(jī)設(shè)計(jì)效果良好。 0前言 電力系統(tǒng)的互聯(lián)和遠(yuǎn)距離、大容量輸電已成為電力工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。隨著負(fù)荷用電密度的增加和區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展，最大限度地發(fā)揮輸電線(xiàn)路的設(shè)計(jì)容量和提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的

2、問(wèn)題日益突出；在配電系統(tǒng)中，大功率沖擊性負(fù)荷和不平衡負(fù)荷的影響也日益嚴(yán)重，造成了系統(tǒng)電壓波動(dòng)，影響了其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行和用電的經(jīng)濟(jì)性。靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）作為70年代發(fā)展起來(lái)的一種并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，在國(guó)內(nèi)外的輸配電系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用，目前在世界范圍內(nèi)已有超過(guò)500套裝置投入運(yùn)行，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。 1SVC的用途 SVC是一種由電容器和各種類(lèi)型的電抗器組成的無(wú)功補(bǔ)償裝置，用電子開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的快速平滑控制。SVC的應(yīng)用可以分為2個(gè)方面：系統(tǒng)補(bǔ)償和負(fù)荷補(bǔ)償。 當(dāng)作為系統(tǒng)補(bǔ)償時(shí)，他的作用主要有：維持輸電線(xiàn)路上節(jié)點(diǎn)的電壓，減小線(xiàn)路上因?yàn)楣β柿鲃?dòng)變化造

3、成的電壓波動(dòng)，并提高輸電線(xiàn)路有功功率的傳輸容量和電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性；在網(wǎng)絡(luò)故障情況下，快速穩(wěn)定電壓，維持線(xiàn)路輸電能力，提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；增加系統(tǒng)的阻尼，抑制電網(wǎng)的功率振蕩；在輸電線(xiàn)路末端進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償和電壓支持，提高電壓穩(wěn)定性等等。 當(dāng)作為負(fù)荷補(bǔ)償時(shí)，SVC的作用有：抑制負(fù)荷變化造成的電壓波動(dòng)和閃變；補(bǔ)償負(fù)荷所需要的無(wú)功電流，改善功率因數(shù)，優(yōu)化電網(wǎng)的能量流動(dòng)；補(bǔ)償有功和無(wú)功負(fù)荷的不平衡。 基于以上作用，SVC除了應(yīng)用于互聯(lián)電網(wǎng)的高壓輸電線(xiàn)路外，還廣泛地應(yīng)用于高壓直流輸電（ HVDC）換流站的無(wú)功補(bǔ)償和抑制電弧爐等大型沖擊負(fù)荷造成的閃變和電壓波動(dòng)。因此，研制和開(kāi)發(fā)容量大、響應(yīng)速度快

4、、調(diào)節(jié)靈活、經(jīng)濟(jì)性好、維護(hù)方便的SVC對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。本文對(duì)最近由清華大學(xué)與廣東順德特種變壓器廠(chǎng)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的SVC樣機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行比較全面的介紹，主要包括主電路、控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等部分的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，最后給出了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果。 2SVC原理及樣機(jī)開(kāi)發(fā) 2.1SVC的運(yùn)行原理 本文所討論的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置是由晶閘管控制的電抗器（TCR）和晶閘管投切的電容器（TSC）所構(gòu)成的混合型SVC，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。 圖 1TCR+TSC型SVC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)TCRTSC型SVC主要由TCR、TSC、降壓變壓器、濾波器組和控制系統(tǒng)組成。其基本功能是控制系統(tǒng)根據(jù)指定

5、的控制策略,通過(guò)觸發(fā)晶閘管閥適當(dāng)?shù)赝肚须娙萜鹘M，并控制電抗器的電流，調(diào)節(jié)補(bǔ)償器輸出的無(wú)功功率，來(lái)控制補(bǔ)償器與電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓。其電壓電流特性見(jiàn)圖2。 圖2SVC的電壓電流特性在實(shí)際的應(yīng)用中，SVC的電壓電流特性并不設(shè)計(jì)成理想的水平線(xiàn)，而是有一定的傾斜。這樣做，一方面可以增大補(bǔ)償器的運(yùn)行范圍，因?yàn)樵谘a(bǔ)償器輸出容性無(wú)功時(shí)，連接點(diǎn)電壓可以比無(wú)載（輸出的無(wú)功功率為零，常將這一點(diǎn)的電壓設(shè)為參考電壓即圖2中的U0）時(shí)低，而在補(bǔ)償器輸出感性無(wú)功時(shí)，連接點(diǎn)電壓可以高一些，對(duì)SVC的容量要求可以小一些，兼顧了補(bǔ)償器的容量和電壓水平恒定的要求；另一方面，由于呈現(xiàn)正電阻特性，改善了并聯(lián)的靜止補(bǔ)償器之間或與其他發(fā)電機(jī)

6、等電壓控制設(shè)備之間的電流分配。 作為一個(gè)完整的設(shè)備，除了主電路和控制系統(tǒng)以外，SVC還要具有監(jiān)測(cè)、水冷、保護(hù)等子系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。這些都是樣機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中不可或缺的有機(jī)組成部分。 2.2主電路 晶閘管的保護(hù)與觸發(fā) 晶閘管閥是主電路中最重要的部分，在SVC中采用的是反并聯(lián)晶閘管對(duì)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。由于電力電子器件的價(jià)格昂貴，而且工作時(shí)頻繁地承受著高電壓、大電流的沖擊，所以很容易損壞。因此，對(duì)晶閘管的保護(hù)十分重要。在樣機(jī)所使用的晶閘管串上，配備了RC緩沖吸收電路、BOD（轉(zhuǎn)折二極管）以及均壓電阻對(duì)其加以保護(hù)。 由于電壓等級(jí)較高，需要多個(gè)晶閘管串聯(lián)使用，因此采取必要的措施保證器件同時(shí)導(dǎo)通是正常工作的關(guān)鍵。

7、圖3表示的是晶閘管的觸發(fā)電路，給出了晶閘管末級(jí)觸發(fā)和信號(hào)反饋的原理。事實(shí)上，該觸發(fā)電路分為2個(gè)部分，首先是將觸發(fā)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為大電流信號(hào)，送到脈沖變壓器的初級(jí)側(cè)，同時(shí)，脈沖變壓器次級(jí)輸出去觸發(fā)每個(gè)晶閘管。由于同串同向閥體中的所有脈沖變壓器采用一個(gè)公共的初級(jí)，這樣就確保了導(dǎo)通時(shí)刻的一致。順便指出，每個(gè)反并聯(lián)的晶閘管對(duì)都有一個(gè)狀態(tài)信號(hào)的光反饋，可以據(jù)此來(lái)判斷晶閘管閥的運(yùn)行狀態(tài)。 圖3晶閘管觸發(fā)電路及信號(hào)反饋  TCR與TSC TSC由多個(gè)電容器組并聯(lián)組成，用反并聯(lián)的晶閘管閥作為投切開(kāi)關(guān)，響應(yīng)迅速，可靠性高。在實(shí)際系統(tǒng)中，每個(gè)電容器組要串聯(lián)一個(gè)限流電抗器，以降低晶閘管導(dǎo)通使電容器接入系統(tǒng)時(shí)可

8、能產(chǎn)生的電流沖擊，以及避免與系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。由于TSC只有投入和切除2種狀態(tài)，所以不會(huì)產(chǎn)生諧波，但是無(wú)功功率的補(bǔ)償是以單組電容器的容量為單位跳躍的，此時(shí)就需要通過(guò)調(diào)節(jié)TCR的輸出來(lái)平滑無(wú)功功率的改變。TCR是通過(guò)反并聯(lián)的晶閘管對(duì)和電抗器串連，在電壓的每個(gè)正的或負(fù)的半周中，從電壓峰值到電壓過(guò)零點(diǎn)的間隔內(nèi)觸發(fā)晶閘管，承受正向電壓的晶閘管導(dǎo)通，電抗器進(jìn)入工作狀態(tài)。通過(guò)改變投入時(shí)刻的相位來(lái)控制電抗器電流有效值的大小，從而改變吸收的無(wú)功功率，一般容量的選擇要比TSC中的單組電容器的容量稍大方能滿(mǎn)足連續(xù)改變無(wú)功功率的要求。TCR的工作是會(huì)引起諧波電流的，因此需要安裝濾波器來(lái)盡量減少SVC對(duì)系統(tǒng)的諧波

9、電流注入。 濾波器設(shè)計(jì) 通常的濾波方法是配置無(wú)源濾波器，既可以濾除諧波，又可以補(bǔ)償一定容量的無(wú)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(lái)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?xún)r(jià)比最高。順便說(shuō)明，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(guò)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

10、也避免了與系統(tǒng)發(fā)生諧振的可能1。 2.3控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)是整個(gè)SVC的核心部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，主要由DSP控制板、脈沖移相電路、過(guò)零檢測(cè)電路、電光轉(zhuǎn)換裝置等相互獨(dú)立的硬件模塊組成2。 圖4SVC控制器的結(jié)構(gòu) 在軟件方面，有面向系統(tǒng)補(bǔ)償和面向負(fù)荷補(bǔ)償2種方式，對(duì)他們的信號(hào)采集和算法實(shí)現(xiàn)都有所不同，下面分別加以討論。 SVC控制算法的實(shí)現(xiàn) 作系統(tǒng)補(bǔ)償時(shí)，主要是維持系統(tǒng)電壓在一定的范圍內(nèi)變化。在三相電壓對(duì)稱(chēng)和無(wú)畸變的情況下，利用對(duì)稱(chēng)平衡系統(tǒng)三相電壓、電流幅值相等、相位互差120°的關(guān)系，可以由三相的電壓、電流瞬時(shí)值得到電壓有效值，計(jì)算簡(jiǎn)單快速；在三相電壓不對(duì)稱(chēng)或有畸變的

11、情況下，利用正序、負(fù)序和零序電壓、電流都是正弦函數(shù)以及三角函數(shù)運(yùn)算的特點(diǎn)，將由正弦量瞬時(shí)值計(jì)算出的特征量經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的濾波處理，仍可以得到所需要的控制信號(hào)，結(jié)果也是準(zhǔn)確的3。 作負(fù)荷補(bǔ)償時(shí)，除了抑制電壓波動(dòng)和閃變以及校正功率因數(shù)外，還要求SVC具有不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償?shù)哪芰?，亦即能補(bǔ)償負(fù)荷的不平衡。我們采用了前饋與反饋相結(jié)合的控制方式。前饋部分直接由檢測(cè)出的負(fù)荷電流計(jì)算出SVC應(yīng)輸出的各相電抗，響應(yīng)迅速；反饋部分根據(jù)控制目標(biāo)的實(shí)際值和設(shè)定值之間的誤差對(duì)SVC的輸出進(jìn)行調(diào)整，以提高控制精度。SVC提供的同樣是三相不對(duì)稱(chēng)的電抗，以抵償三相不平衡負(fù)荷在線(xiàn)路中產(chǎn)生的負(fù)序電流分量，使得補(bǔ)償后的負(fù)序電流只在負(fù)荷與補(bǔ)償電

12、抗之間流通，從而改善負(fù)荷不平衡運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)的影響4。 SVC控制算法的實(shí)現(xiàn)是在以DSP芯片為核心的控制板上用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程實(shí)現(xiàn)的，以兼顧開(kāi)發(fā)工作的簡(jiǎn)化和程序的運(yùn)行高效。由于DSP的運(yùn)算速度快，精度高，可以保證控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。試驗(yàn)證明，該控制算法可以圓滿(mǎn)完成控制任務(wù)。 各功能電路介紹 TCR脈沖發(fā)生板的作用是根據(jù)DSP板輸出的控制角信號(hào)及同步電壓的輸入發(fā)出經(jīng)過(guò)移相的高頻脈沖，以控制TCR主電路里晶閘管的導(dǎo)通角度來(lái)改變接入系統(tǒng)的等效電抗。同步信號(hào)是由電源兼同步變壓器輸出的交流信號(hào)，經(jīng)雙半波整流，再經(jīng)同步整形環(huán)節(jié)變成方波，然后經(jīng)鋸齒波發(fā)生器變成與電源同頻的同步鋸齒波信號(hào)。該信號(hào)與控制角

13、信號(hào)相比較，并將比較結(jié)果輸出至脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)（高頻調(diào)制電路），即得到移相之后的脈沖序列。 TSC過(guò)零投切電路通過(guò)檢測(cè)晶閘管兩端電壓過(guò)零點(diǎn)來(lái)決定投入電容器組的時(shí)刻。晶閘管兩端的電壓是系統(tǒng)電壓和電容器上電壓之差，當(dāng)這個(gè)電壓等于零時(shí)投入電容器，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，而且可以將電容器盡快地投入到系統(tǒng)中，不受電源電壓值的限制，對(duì)提高TSC響應(yīng)的速度也很有利5。 此外，由于晶閘管的觸發(fā)需要提供光信號(hào)，所以產(chǎn)生的脈沖序列要經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，然后通過(guò)光纖傳送到主電路一端，在此不再贅述。 2.4監(jiān)測(cè)系統(tǒng) SVC是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)裝置，所有的子系統(tǒng)都必須各自正常運(yùn)行并且相互協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)裝置的整體功能。作

14、為操作人員，及時(shí)有效地獲知系統(tǒng)狀態(tài)信息是至關(guān)重要的，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是完成此項(xiàng)任務(wù)的有力工具。近來(lái)隨著IT技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的性能飛速提高而價(jià)格卻日益低廉。因此，SVC樣機(jī)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)，圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW為工具開(kāi)發(fā)完成的。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。 圖5SVC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 從圖5中可以看出，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。 為了縮短開(kāi)發(fā)周期，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用了圖形化的編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW。他引入了虛擬儀器的概念，把底層與硬件交互的部分封裝起來(lái)，使得應(yīng)用

15、程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程十分簡(jiǎn)單。SVC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要完成以下功能：監(jiān)視裝置的啟動(dòng)過(guò)程；實(shí)時(shí)采集并顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；在線(xiàn)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。 2.5水冷系統(tǒng) 高電壓大功率晶閘管高純水循環(huán)冷卻系統(tǒng)對(duì)SVC的正常運(yùn)行有著不可替代的作用。他比風(fēng)冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)的油冷系統(tǒng)體積更小，效率更高，無(wú)污染，無(wú)燃燒危險(xiǎn)。在運(yùn)行中高純水不導(dǎo)電，封閉循環(huán)冷卻幾乎不消耗水，并可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。該套水冷系統(tǒng)采用PLC控制，對(duì)水冷的故障狀態(tài)給出分

16、級(jí)的預(yù)警和停主機(jī)報(bào)警信號(hào)，同時(shí)通過(guò)RS485協(xié)議與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信，可以快速準(zhǔn)確地將水冷系統(tǒng)的狀態(tài)信息，比如水溫、水壓、電導(dǎo)率等傳遞給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，供操作人員分析水冷系統(tǒng)的故障信息。 2.6保護(hù)系統(tǒng) SVC樣機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)采用的是微機(jī)過(guò)流和過(guò)載保護(hù)繼電裝置。這是一個(gè)綜合的繼電保護(hù)裝置，提供定時(shí)限與反時(shí)限過(guò)流保護(hù)以及過(guò)負(fù)荷不平衡保護(hù)。他提供的功能包括：測(cè)量值的采集、評(píng)估、操作與顯示；信號(hào)和跳閘命令的輸出；二進(jìn)制信號(hào)的輸入與評(píng)估；通過(guò)RS485遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。由于全部微機(jī)操作，具有強(qiáng)勁有效的算法，可以大大抑制高頻暫態(tài)分量和直流暫態(tài)分量的影響。而且可編程能力很強(qiáng)，二進(jìn)制的輸入輸出都可重新定位。能夠選擇跳閘啟動(dòng)或

17、二進(jìn)制輸入觸發(fā)多達(dá)8個(gè)通道的故障錄波。裝置中的硬件和軟件都被連續(xù)地自監(jiān)視，可靠性極高，可以減小對(duì)常規(guī)檢驗(yàn)的需要。 3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 為了驗(yàn)證SVC系統(tǒng)的功能，該樣機(jī)在2 kV的電壓等級(jí)下進(jìn)行了試驗(yàn)。圖6是在切除了無(wú)功負(fù)荷造成系統(tǒng)電壓躍升時(shí)，SVC的補(bǔ)償作用對(duì)系統(tǒng)電壓影響的過(guò)程，可以看出SVC對(duì)這種擾動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間約為25ms。 圖6切除無(wú)功負(fù)荷時(shí)在SVC補(bǔ)償作用下系統(tǒng)電壓變化 為檢驗(yàn)SVC對(duì)負(fù)荷補(bǔ)償時(shí)抵消負(fù)荷不平衡的能力，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)中接入單相有功負(fù)荷，造成系統(tǒng)線(xiàn)電壓產(chǎn)生大約3%的不平衡度，試驗(yàn)顯示，SVC投入運(yùn)行后，能夠快速補(bǔ)償負(fù)荷線(xiàn)電流的負(fù)序分量，使系統(tǒng)的三個(gè)線(xiàn)電流得以平衡

18、從而減小了系統(tǒng)線(xiàn)電壓的不平衡度，試驗(yàn)波形見(jiàn)圖7，投入前后的線(xiàn)電壓記錄于表1中。 圖 7不平衡負(fù)荷下SVC投入前后系統(tǒng)線(xiàn)電流波形 表 1不平衡負(fù)荷下SVC投入前、后系統(tǒng)線(xiàn)電壓的對(duì)比 系統(tǒng)線(xiàn)電壓/V Uab Ubc Uca SVC投入前 1 610 1 560 1 570 SVC投入后 1 500 1 510 1 500 由以上試驗(yàn)可以看出，SVC在對(duì)電壓控制和補(bǔ)償不平衡方面都取得了滿(mǎn)意的效果。穩(wěn)態(tài)下電壓控制精度較高，偏差小于1%，對(duì)負(fù)荷投切擾動(dòng)的響應(yīng)速度為2040 ms，但是該參數(shù)會(huì)受到多方面因素的影響，比如系統(tǒng)短路容量，SVC特性斜率的變化等等。因此，要在不同的系統(tǒng)或負(fù)荷情況下對(duì)SVC系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)來(lái)對(duì)控制器的特