SVC静止型动态无功补偿装置的应用
张海燕
摘要：本文通过对轧钢厂生产线正常生产时，其设备的无功损耗以及对电网的高次谐波影响进行分析，并叙述了10KV-34MVar-SVC静止型动态无功补偿装置的应用及实现过程。
关键词：无功功率补偿；谐波抑制；SVC静止型动态无功补偿装置；TCR相控电抗器；FC滤波器
一、前言
无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。而无功功率指的是交流电路中，电压U与电流I存在相位差时，所形成的功率分量，根据负载特性的不同，又有感性无功与容性无功之分。而大型轧钢厂矿是以感性负载为主，生产时感性无功冲击较大。
现在以某生产线为例，其用电设备总装机容量约为54.4MW；其中大型传动为交—交变频系统，装机容量约为17.5MW；部分辅传动为交—直—交变频系统，装机容量约为19.7MW；其余的设备为恒速传动设备，装机容量约为17.2MW。现代电力电子设备等非线性负荷大量的使用，产生的无功冲击将引起电网电压闪变、波动以及产生大量高次谐波电流，严重污染电网环境。该生产线平均有功功率为30.39MW、平均无功功率为33.84MVAR，平均功率因数仅为0.67；而且这套设备所供电力电子元器件，其无功冲击较大；同时，注入电网的谐波电流超标。高次谐波电流将对各种电气设备，继电保护、自动控制装置、计算机、测量和计量仪器以及通讯系统均有不利的影响；它将恶化电能质量，降低电网可靠性，增加电网损失，缩短电气设备的使用寿命。因此，对这条生产线进行无功补偿和谐波治理具有深远意义。
二、无功损耗及谐波分析
1、无功损耗分析
该轧钢厂生产线建设的10KV开关站，系统采用单母线分段接线，分段开关正常时断开运行，以10KV 电压等级向轧线的主、辅传动及功辅设施的用电设备供电；其中变频传动设备全部由10KVⅠ段母线供电；其余的负荷由10KVⅠ、Ⅱ段母线分别供电。其主、辅传动的负荷与电压波动值见下表：
表1：负荷和电压波动值
上表中的计算为平均功率，而大型传动为冲击性负荷，根据其轧制品种、钢质、道次及轧制温度的不同，有功和无功功率也不同；并且最大无功应在咬钢加速段，随着轧制速度升高，有功增大，无功减小。
因此，最大无功应为上述无功的 1.3倍，即Qmax=26226Kvar。
2、高次谐波分析
根据生产线主辅传动设备的情况分析，其谐波电流的产生主要来自以下几个方面：
2.1、大型传动交—交变频产生的谐波电流
以轧机最大的情况为依据，取其最大道次谐波电流叠加计算得主传动谐波电流如下表：
表2：大型传动产生的最大谐波电流值
2.2、辅传动交—直—交变频产生的谐波电流综合计算辅传动产生的谐波电流如下表：
表3：辅传动产生的谐波电流值
2.3、背景谐波电流
因背景谐波比较复杂，主要是在滤波器设计中考虑一定的余量。综合以上各谐波电流源的计算，可得10KV母线谐波电流最大发生量如下表：
表4：10KV母线谐波电流最大值
通过以上对生产线无功损耗以及谐波电流的分析，确定其无功补偿容量为34Mvar，并设置3、5、7、11、13次五个滤波通道，设置3次滤波器是考虑整流设备触发的不均匀及不对称会产生较大的3次谐波。
三、无功补偿方式的确定
随着电力电子控制技术和晶闸管控制技术的逐步成熟，用于无功功率补偿的方法也日益增多，且补偿效果也越来越明显，带来的经济效益和社会效益也是巨大的。当然，不同的补偿方式有其不同的特点，适用范围也不同。选择无功补偿方式要针对补偿对象的负荷特性及补偿要求综合考虑，不仅要考虑补偿后的效果，而且还要兼顾无功补偿装置的经济性。下面介绍几种常用的无功补偿方式。
1、并联电容器
在各种无功功率补偿方法中，并联电容器由于其简单的结构，方便、灵活的安装方法，较低的运行费用和低廉的产品价格等方面的特点，以使其成为当今无功功率补偿技术中使用的主导产品。尤其是随着电容器制造技术的日益成熟，其质量水平、寿命等级、安全运行可靠性等指标得以大大提高；品种、规格也越来越齐全，为补偿装置的设计和制作带来了极大的便利。
但是并联电容器也有其不足之处。它只能分级补偿固定的无功功率，而不能实现连续、线性的补偿；分级控制的补偿精度受电容器组中单台电容器容量的限制，而且需通过开关切投，切投次数和间隔均受限制；并且不能实现分相控制。
2、同步调相机
同步调相机是早期的无功功率补偿方法，已实际应用数十年，在电压和无功功率控制中发挥了非常重要的作用，同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态的连续的补偿，而且对于容性、感性无功功率均能起到补偿的作用。
通过上述分析，似乎可以选择同步调相机作为补偿方式。但是，同步调相机的动态响应速度较慢，约为100—400毫秒之间；并且它属于旋转型补偿装置，附属控制系统复杂，运行及维护工作量大，前期投入及后期维护费用高，能耗高；不具有谐波抑制能力，不能实现分相控制。所以，同步调相机不是最佳方案。
3、静止型无功补偿器
静止型无功补偿器是由晶闸管所控制切投电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止型补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性。
静止型无功补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。静止型无功补偿器(SVC)按其组成结构及控制方式可分为以下两种：固定连接电容器加可控硅控制的电抗器(fixed capacitor＆thyristor controlled reactor，FC－TCR)；可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器(thyristor switched capacitor＆thyristor controlled reactor，TSC－TCR)。
选择固定连接电容器加可控硅控制的电抗器(FC －TCR)型无功补偿器较为合适，其连续可调的无功补偿特性及小于10毫秒的快速响应时间完全可以满足轧钢厂矿冲击性要求；并且通过合理选择配置FC滤波通道，可以有效的抑制其自身和现场主辅传动变频器产生的谐波干扰。
四、SVC系统的组成及控制原理
1、SVC系统的组成
按照设计及选型要求， SVC静止型动态无功补偿系统由H3、H5、H7、H11、H13五个滤波通道、TCR 相控电抗器、晶闸管阀组和脉冲控制系统组成。以下是SVC系统组成简图：
2、恒无功控制原理
当SVC接入系统中时，滤波器FC提供固定的容性无功功率QC，通过具有完好线性特征的补偿电抗器的电流决定了补偿电抗器输出的感性无功值QTCR，感性无功与容性无功相抵消，只要能做到QN （系统）=QV（负荷）-QC+QTCR=常数（或0），就能实现电网功率因数=常数，电网电压几乎不波动。式中：QN为系统无功，QV为负荷无功。补偿效果好坏的关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流。可控硅阀和控制系统能够实现这个功能。根据采集的进线电流和母线电压，经乘法器后求得补偿无功值，计算得触发角大小，发出触发脉冲、光纤传输至脉冲放大单元，经放大后触发晶闸管，使晶闸管流过所需电流。
3、TCR相控电抗器工作原理及分相控制
TCR相控电抗器电纳值与晶闸管阀组的导通角有关。当电抗器额定电感值确定后，控制电抗器的导通角可以改变电抗器在工作电路中的等效电纳值。相控电抗器电纳值与导通角的关系式如下：
Br=
其中：
α为电抗器触发角
L为电抗器额定电感值
改变电抗器的导通角是用晶闸管实现的。如图2所示，控制晶闸管的触发角来改变电抗器的导通角。当触发角增大时，电抗器的电纳值增大，补偿功率减小。图 2 中 I 为电抗器电流，它随触发角α的增大
而减小。
TCR 控制系统完成如下功能：通过检测系统电压、电流和TCR的电流，计算出晶闸管的触发角，控制电抗器电纳值，达到无功补偿的目的。
对于不对称负荷，应用分相调节。TCR分相调节的理论基础为STEINMETZ理论，此理论的前提是系统电压为平衡对称的。从这个前提出发，补偿后理论上负荷是纯有功、平衡的。
STEINMETZ理论给出多种补偿表达形式，本系统采用无功功率平均值表示的补偿电纳公式：
Br ab =
×（V bc×ia（l）+V ca×ib（l）
-V ab×ic（l））dt
Br bc =
×（V ca×ib（l）+V ab×ic（l）
-V bc×ia（l））dt
Br ca =
×（V ab×ic（l）+V bc×ia（l）
-V ca×ib（l））dt
其中：
Br ab，Br bc，Br ca分别为△形连接的补偿电抗器电纳值
V为系统电压有效值
Vab，Vbc，Vca为系统线电压瞬时值
ia(l)， ib(l)，ic(l)为负荷电流瞬时值
T为采样周期10ms
TCR的分相调节控制系统能做到补偿后各项指标均达到国家标准，并满足用户要求。
4、信号采样计算与脉冲控制
通过对TCR相控电抗器的工作原理及分相控制原理的分析，可知在SVC静止型动态无功补偿系统中，对电压及电流信号的采样计算和脉冲控制显得十分重要，没有精确的信号采样过程和合理的计算过程，就无法实现对晶闸管的导通角的有效控制。下图为信号采样控制和脉冲控制系统简图：
为了能更有效的实现信号采样及脉冲控制，系统中采用了信号采样计算部分用模拟电路控制，而触发脉冲控制部分用数字电路控制；通过A/D转换器和数字滤波器来实现两部分的连接。下面分别介绍这两部分：
4.1模拟信号的采样计算
模拟信号的采样计算功能由电流采样和无功采样两部分完成。电流采样的输入信号为系统电流Ia、Ib、Ic和相控电抗器电流Iab、Ibc、Ica，经以下计算：
IA=Ia-(Iab-Ica）
IB=Ib-(Ibc-Iab)
IC=Ic-(Ica-Ibc)
电流信号输出为综合负载电流IA、IB、IC。功率采样的输入为处理后的综合负载电流、系统电压Uab、Ubc、Uca ，经以下计算：
Qab=Ubc×IA+Uca×IB-Uab×IC
Qbc=Uca×IB+Uab×IC-Ubc×IA
Qca=Uab×IC+Ubc×IA-Uca×IB
输出Qab、Qbc、Qca，另外还输出电压同步信号Uab、Ubc、Uca。采样后经过对采样信号的滤波放大，将信号调整为0～5V电压信号送入CPU中央控制单元。
4.2触发脉冲控制
要实现分相补偿控制，就必须对A、B、C三相阀组分别进行脉冲控制。每一相的结构及控制是完全相同的，每相的脉冲控制板也完全一样，可以互换。通过对输入信号Qab、Qbc、Qca进行积分采样，由控制程序完成以下计算：
Br ab =Qab/3 V2
Br bc=Qbc/3 V2
Br ca=Qca/3 V2
求出每相补偿电抗器的电纳值。然后计算每相的触发角α，分别发出相应的触发脉冲。触发角α由下面公式计算：
Br=
控制过程需要具有丢脉冲保护功能：在发触发脉冲的同时接收反馈脉冲，用来判断是否丢失了触发脉冲。
实现了信号采样计算及脉冲控制后，SVC系统还不算是一个完整的系统，还需加入综合保护控制系统、报警检测系统和后台监控系统，这样SVC系统就完善了。
五、结束语
无功功率补偿及谐波治理技术是当今乃至今后相当长的时期内，缓解电力供需矛盾，改善供电质量的一种行之有效的手段。安装10KV-34MVar-SVC静止型动态无功补偿装置，有效的抑制了轧钢时产生的高次谐波，同时将功率因数稳定在了0.95左右，极大的提高了电网运行效率，也带来了极大的经济效益。参考文献：
[1]《谐波抑制和无功功率补偿》王兆安 .