SVC及mSVC技术在唐山电网中的应用

时间：2024-06-19

王伟，冬大龙，王云龙

(1.唐山供电公司，河北唐山 063000；2.河北工程技术高等专科学校后勤处，河北沧州 061001)

随着工业技术的不断发展和自动化水平的不断提高，大功率电弧炉、大功率电机以及大功率可控硅等半导体器件构成的非线性负荷的广泛采用，使电网电能质量下降，出现电压波动、电压闪变、功率因数低、电网线损增大、负荷端电压过低等现象，同时产生大量的高次电力谐波，影响通信、广播及电网继电保护的正确动作，甚至不能满足正常工业及生活要求。

1 谐波的危害

①污染公用电网。如果公用电网的谐波特别严重，则不但使接入该电网的设备(电视机、计算机等)无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。②增加输电线路功耗。如果电网中含有高次谐波电流，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。③影响变压器工作。谐波电流，特别是3次(及其倍数)谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。④影响继电保护的可靠性。如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。⑤影响或干扰测量控制系统、通讯系统工作。

2 提高电能质量和抑制电网高次谐波对电网和自身影响的途径

抑制超高功率电弧炉干扰的途径：一是提高供电电源的电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使其对电网和自身的影响在允许范围内；二是采用SVC装置，使其多项指标限制在允许范围内。

2.1 SVC装置

图1 SVC原理构成图

SVC装置是一种快速调节无功功率的装置，它可使所需无功功率作随机调整，从而保持在电弧炉等冲击性负荷连接点的系统水平的恒定，以及电气化铁道用于牵引电力产生严重的负序分量时起到有效的滤除作用，同时SVC具有响应快的特点，它能快速向节点提供容性无功，使稳态方式下节点的无功功率平衡状态维持在较高电压水平，以提高电压储备能力、输电线路的输送能力；故障时能使节点，尤其是关键节点获得强有力的电压支撑，防止电压稳定破坏。它的原理结构如图1所示。

SVC[1]主要有4种型式：①可控硅阀控制空芯电抗器型(TCR型)；②可控硅阀控制高阻抗变压器型(TCT型)；③可控硅开关控制电容器型(TSC型)；④自饱和电抗器型(SSR型)。其中以TCR型应用较广，且技术较为成熟。

TCR相控电抗器用于平衡系统中由于负载的波动所产生的感性无功功率，是FC+TCR型SVC装置的一部分，由晶闸管组成的阀串与电抗器串联，采用三角形连接。本系统TCR相控电抗器提供系统所需要的感性无功功率、稳定负载冲击所产生的电压波动。

2.2 磁控式电抗器式动态无功补偿装置mSVC

mSVC由补偿(滤波)支路和磁控电抗器(MCR)并联支路组成，其中补偿(滤波)支路经隔离开关固定接于母线，补偿(滤波)支路由电抗器、滤波电容器和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。磁控式电抗器(MCR)是电力系统中电压控制和无功补偿的重要装置，它是在磁放大器的基础上发展起来的，借助控制回路直流控制电流的激磁改变铁心饱和度，通过改变可控晶闸管的导通角，从而改变控制电流的大小，使电抗器铁心饱和程度改变，进而改变电抗器的输出阻抗，达到平滑调节无功输出的目的。

与现有无源及有源静止型无功补偿装置相比，磁控电抗器具有适用电压范围宽广、可靠性高、谐波小、维护简单等显著优点，是一种经济、高性能的静止型动态无功补偿装置。通过调节磁控电抗器的输出容量(感性无功)，实现无功的柔性补偿。

2.3 有源滤波器

有源滤波器APF利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点：①不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；②滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；③具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。

APF作为改善供电质量的一项关键技术，随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，APF必然会得到更广泛应用。

2.4 新型SVG装置(静止无功电源)

国外近年来被采用的可关断可控硅管(GTO)静止电源，又称为新型静止无功电源(SVG)[1]。和TCR相比它可省去大容量的电容和电抗，元件简单，体积小，同时所发容性和感性无功大范围连续可调。SVG以电压逆变器为基础，通过控制GTO 的触发相位，可改变电容器C的电压，从而改变SVG的输出电压UA的幅值，达到调节SVG吸收或发出无功的目的。有文献介绍SVG中的电容器比同样容量SVC中并联的电容器容量要小。但SVG只能在三相平衡的电力系统中运行，同时GTO元件在SVG发出无功时关断较困难。

3 SVC(静止无功补偿装置)在唐山侉子庄变电站的应用

3.1 侉子庄变电站10 kV 的5号母线存在的主要电能质量问题

1)功率因数(最低为0.76)低。

2)电压总谐波畸变率超标(依照《电能质量公用电网谐波》(GB/T 14549-93))，如表1所示。

表1 10 kV 5母线相电压总谐波畸变率统计结果

通过对上述问题的分析，得出以下解决方案。

在10 kV的5母线设计安装一套FC+TCR型动态无功补偿及谐波滤波装置(SVC)，其FC分为4组，兼做滤波器使用，用于滤除3，5，7次等谐波。由此可以快速、连续地对冲击性负载进行动态无功功率补偿和谐波滤波。唐山侉子庄变电站静止无功补偿SVC装置是在机械投切式并联电容和电感的基础上，采用大容量晶闸管替代断路器等触点式开关的一种较先进实用的无功补偿装置。补偿容量的选择主要是根据10 kV 的5母线负荷的实测数据情况和主变的功率损耗，按照负荷在主变容量的40%～85%范围内变化时，功率因数在0.97～0.99的设计目标进行计算的。

实测数据汇总如表2所示。

表2 10 kV 5母线总的实测数据统计结果

电容器实际补偿容量18.5 MVar，电容器的安装容量为23.4 MVar。根据公式当负荷在主变压器额定容量的40%～85%范围内变化时，考虑适当的裕度，TCR的容量确定为11 M Var。经过核算与仿真，在该容量下，当负荷达到85%，可以保持系统功率在0.97～0.99，电压稳定在10～10.7 kV 之间，无须进行电容器的投切和变压器分接头的调节。

对于电容器投切，当负荷仅为主变容量的40%时，通过控制TCR，仍可使母线电压稳定在10.7 kV，而无需切除电容器组。对于调节变压器分接头，当负荷达到主变容量的95%时，通过控制TCR，仍可使母线电压稳定在10 kV，而无需调节变压器分接头。

考虑利用原有的一组电容器，配合加装的固定补偿电容器，将电容器分为4组，分别配置为3，5，7次滤波器。

3.2 控制系统

1)控制器。采用西门子SIMADYN-D数控系统。

2)控制策略。以稳定10 kV 母线电压为主要目的，采用闭环控制，可以实现快速响应和精确调节，使SVC达到最优的补偿效果。控制策略框图[5]如图2所示。

图2 SVC系统控制流程图

3)继电保护系统。继电保护系统分为TCR系统保护和FC系统保护两部分。

TCR系统的保护由SIMADYN-D数控系统来完成，主要包括阀串状态的监测、过电流保护、过电压保护、欠电压保护、三相不平衡保护、电流速断保护等。

FC系统的继电保护由保护柜来完成，该保护系统以PLC为中心控制器，其特点为速度快、安全可靠，减少了机械式继电保护装置的维护量。FC系统的保护有过电流、过电压、欠电压、电容器三相不平衡保护和接地保护。

试验过程中发现的问题：TCR不动作，5，7次滤波器组从切除状态投入系统时，10 kV 母线电压会有波动，最大峰值在16 kV 附近，5次滤波器的电容器将承受20～25 kV 电压。TCR不动作，5，7次滤波器组从系统中切除后重合时，10 kV 母线电压会出现最大峰值为21 kV 的过电压，5次滤波器的电容器将承受最大峰值40 kV 的过电压。有可能是系统阻抗与5次滤波器电容器耦合，产生一定的并联谐振。

4 mSVC在唐山稻地变电站35 kV 系统的应用

这是mSVC装置应用于唐山电网的首次尝试，由于它有适应电压范围宽，动态补偿速度快且较平滑的补偿特性，以及便于维护的优点，因此在低电压等级系统(6～35 kV)得到较广泛的应用[3]。

通过对稻地变电站35 kV 系统的谐波监测，其35 kV 3号、5号母线由于带有大量冲击性负荷，致使3、5号母线有较大的电压波动及闪变，且功率因数有时降至0.8以下，电压及电流波形畸变严重，3次谐波占基波分量的3.65%，为提高电能质量，保证电压稳定，减小谐波对主网的污染，因此考虑加装动态无功补偿及滤波设备。

对稻地35 kV 3、5号母线各加装2路开关，一路为FC滤波装置，一路为MCR，控制主系统设在保护小室内，通过光纤联系MCR，MCR中的晶闸管对称开放导通周期为180°，开放角相位由控制回路电流决定，当3号或5号母线上无功瞬时增大时，即装置所采集35 kV TV 电压及主变302或303开关侧电流发生变化，经过计算与记忆0时刻值比对差值为ΔQ，当ΔQ＞0时，CPU通过计算程序得到控制电流大小，在计算得到导通角相位，通过光纤送到MCR的光电转换器中，实现晶闸管的关断与开放，从而控制电抗器铁心的磁饱和程度，达到调节无功输出的目的。由于是实时调节，因此要求采样与运算延迟尽量小，否则调节将失去意义。

另外装置时钟须使采样与触发晶闸管、调节阻抗同步，所以时序控制至关重要。

FC系统保护为许继的W DR-822微机型电容器保护；MCR除具备应有的阀串监视，导通角控制，设备过热保护以外，还加装了许继的W CB-820型微机型厂用变保护，具有常规三段式复压过流保护，非电量保护，过负荷保护，差流速断，反时限过流保护，零序电流三段式保护。可以有选择的采用其中的差动保护、复压过流保护、非电量保护和过负荷保护。由于MCR采用油冷方式，非电量保护应采用瓦斯保护、压力释放和油温监测，并且这些信号要远传至调度及监控后台，以便及时发现异常。

mSVC技术虽然具有维护量小、补偿容量大、产生谐波量低、适用范围广等优点，但相对成熟的TCR型SVC技术，MCR响应速度较慢约为200 ms，而TCR则响应速度约为10 ms等级。且MCR有功无功损耗相比较大，约为2%～4%，而TCR损耗＜2%，MCR对消除电压闪变的能力较差。但由于TCR型SVC难以做到大容量，等容量的TCR造价要远高于MCR，另外MCR中的阀串在电气性能要求上也低于TCR上的要求，MCR使用寿命超过20年。

稻地变电站35 kV 系统的mSVC从2009年1月投入以来，一直运行稳定，未出现特殊异常。起到了稳定电压，提高功率因数，抑制谐波的作用。为唐山电网采用静止无功补偿新技术做出了有益的尝试