摘要： 隨著電網互聯的發展和負荷密度的增加，提高電力系統運行穩定性和電壓質量的要求日益迫切。電力電子技術的發展使得靜止無功補償裝置（SVC）在該領域發揮了巨大的作用。文中對TCR+TSC型SVC樣機的設計進行了詳細的介紹，分別討論了主電路、控制系統、監測系統等部分的原理與設計。運行試驗的結果表明，樣機設計效果良好。
0 前言
電力系統的互聯和遠距離、大容量輸電已成為電力工業發展的一個重要趨勢。隨著負荷用電密度的增加和區域電網互聯的發展，最大限度地發揮輸電線路的設計容量和提高系統運行穩定性的問題日益突出；在配電系統中，大功率沖擊性負荷和不平衡負荷的影響也日益嚴重，造成了系統電壓波動，影響了其他電氣設備的正常運行和用電的經濟性。靜止無功補償器（SVC）作為70年代發展起來的一種并聯無功補償裝置，在國內外的輸配電系統中有著十分廣泛的應用，目前在世界范圍內已有超過500套裝置投入運行，對電力系統電壓穩定和改善電能質量起到了明顯的作用。
1 SVC的用途
SVC是一種由電容器和各種類型的電抗器組成的無功補償裝置，用電子開關來實現無功功率的快速平滑控制。SVC的應用可以分為2個方面：系統補償和負荷補償。
當作為系統補償時，他的作用主要有：維持輸電線路上節點的電壓，減小線路上因為功率流動變化造成的電壓波動，并提高輸電線路有功功率的傳輸容量和電網的靜態穩定性；在網絡故障情況下，快速穩定電壓，維持線路輸電能力，提高電網的暫態穩定性；增加系統的阻尼，抑制電網的功率振蕩；在輸電線路末端進行無功功率補償和電壓支持，提高電壓穩定性等等。
當作為負荷補償時，SVC的作用有：抑制負荷變化造成的電壓波動和閃變；補償負荷所需要的無功電流，改善功率因數，優化電網的能量流動；補償有功和無功負荷的不平衡。
基于以上作用，SVC除了應用于互聯電網的高壓輸電線路外，還廣泛地應用于高壓直流輸電（ HVDC）換流站的無功補償和抑制電弧爐等大型沖擊負荷造成的閃變和電壓波動。因此，研制和開發容量大、響應速度快、調節靈活、經濟性好、維護方便的SVC對電力系統的發展具有重要意義。本文對最近由清華大學與廣東順德特種變壓器廠聯合開發的SVC樣機的結構和設計原理進行比較全面的介紹，主要包括主電路、控制系統、監測系統、水冷系統、保護系統等部分的設計開發，最后給出了現場試驗的結果。
2 SVC原理及樣機開發
2.1 SVC的運行原理
本文所討論的靜止無功補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）所構成的混合型SVC，其拓撲結構見圖1。
圖 1 TCR+TSC型SVC的拓撲結構
TCR＋TSC型SVC主要由TCR、TSC、降壓變壓器、濾波器組和控制系統組成。其基本功能是控制系統根據指定的控制策略,通過觸發晶閘管閥適當地投切電容器組，并控制電抗器的電流，調節補償器輸出的無功功率，來控制補償器與電網連接點的電壓。其電壓電流特性見圖2。
圖2 SVC的電壓電流特性
在實際的應用中，SVC的電壓電流特性并不設計成理想的水平線，而是有一定的傾斜。這樣做，一方面可以增大補償器的運行范圍，因為在補償器輸出容性無功時，連接點電壓可以比無載（輸出的無功功率為零，常將這一點的電壓設為參考電壓即圖2中的U0）時低，而在補償器輸出感性無功時，連接點電壓可以高一些，對SVC的容量要求可以小一些，兼顧了補償器的容量和電壓水平恒定的要求；另一方面，由于呈現正電阻特性，改善了并聯的靜止補償器之間或與其他發電機等電壓控制設備之間的電流分配。
作為一個完整的設備，除了主電路和控制系統以外，SVC還要具有監測、水冷、保護等子系統才能正常運行。這些都是樣機的設計開發中不可或缺的有機組成部分。
2.2 主電路
2.2.1 晶閘管的保護與觸發
晶閘管閥是主電路中最重要的部分，在SVC中采用的是反并聯晶閘管對串聯的結構。由于電力電子器件的價格昂貴，而且工作時頻繁地承受著高電壓、大電流的沖擊，所以很容易損壞。因此，對晶閘管的保護十分重要。在樣機所使用的晶閘管串上，配備了RC緩沖吸收電路、BOD（轉折二極管）以及均壓電阻對其加以保護。
由于電壓等級較高，需要多個晶閘管串聯使用，因此采取必要的措施保證器件同時導通是正常工作的關鍵。圖3表示的是晶閘管的觸發電路，給出了晶閘管末級觸發和信號反饋的原理。事實上，該觸發電路分為2個部分，首先是將觸發光信號轉化為大電流信號，送到脈沖變壓器的初級側，同時，脈沖變壓器次級輸出去觸發每個晶閘管。由于同串同向閥體中的所有脈沖變壓器采用一個公共的初級，這樣就確保了導通時刻的一致。順便指出，每個反并聯的晶閘管對都有一個狀態信號的光反饋，可以據此來判斷晶閘管閥的運行狀態。
圖3 晶閘管觸發電路及信號反饋
2.2.2 TCR與TSC
TSC由多個電容器組并聯組成，用反并聯的晶閘管閥作為投切開關，響應迅速，可靠性高。在實際系統中，每個電容器組要串聯一個限流電抗器，以降低晶閘管導通使電容器接入系統時可能產生的電流沖擊，以及避免與系統阻抗產生諧振現象。由于TSC只有投入和切除2種狀態，所以不會產生諧波，但是無功功率的補償是以單組電容器的容量為單位跳躍的，此時就需要通過調節TCR的輸出來平滑無功功率的改變。TCR是通過反并聯的晶閘管對和電抗器串連，在電壓的每個正的或負的半周中，從電壓峰值到電壓過零點的間隔內觸發晶閘管，承受正向電壓的晶閘管導通，電抗器進入工作狀態。通過改變投入時刻的相位來控制電抗器電流有效值的大小，從而改變吸收的無功功率，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足連續改變無功功率的要求。TCR的工作是會引起諧波電流的，因此需要安裝濾波器來盡量減少SVC對系統的諧波電流注入。
2.2.3 濾波器設計
通常的濾波方法是配置無源濾波器，既可以濾除諧波，又可以補償一定容量的無功。對裝設于電力系統中的SVC裝置而言，系統諧波含量相對較少而且比較穩定，主要諧波源就是SVC裝置本身，因此設計起來相對簡單，一般只需要裝設5次以上的單調諧濾波器即可，必要時裝設高通濾波器。但對于補償沖擊性負荷的SVC裝置，在設計濾波器時，不僅要考慮裝置本身產生的諧波，還需考慮負荷側產生的大量非特征諧波和偶次諧波，關鍵是要具有充足的設計經驗，才能使得濾波器設計的性價比最高。順便說明，濾波器在實際工作中并不是處于真正的諧振狀態。為防止諧波電流過大，考慮到系統一般呈感性，通常將濾波器設計成感性偏調諧，這樣也避免了與系統發生諧振的可能［1］。
2.3 控制系統
2.3.1 控制系統結構
控制系統是整個SVC的核心部分，其系統結構見圖4，主要由DSP控制板、脈沖移相電路、過零檢測電路、電光轉換裝置等相互獨立的硬件模塊組成［2］。
圖4 SVC控制器的結構
在軟件方面，有面向系統補償和面向負荷補償2種方式，對他們的信號采集和算法實現都有所不同，下面分別加以討論。
2.3.2 SVC控制算法的實現
作系統補償時，主要是維持系統電壓在一定的范圍內變化。在三相電壓對稱和無畸變的情況下，利用對稱平衡系統三相電壓、電流幅值相等、相位互差120°的關系，可以由三相的電壓、電流瞬時值得到電壓有效值，計算簡單快速；在三相電壓不對稱或有畸變的情況下，利用正序、負序和零序電壓、電流都是正弦函數以及三角函數運算的特點，將由正弦量瞬時值計算出的特征量經過簡單的濾波處理，仍可以得到所需要的控制信號，結果也是準確的［3］。
作負荷補償時，除了抑制電壓波動和閃變以及校正功率因數外，還要求SVC具有不對稱補償的能力，亦即能補償負荷的不平衡。我們采用了前饋與反饋相結合的控制方式。前饋部分直接由檢測出的負荷電流計算出SVC應輸出的各相電抗，響應迅速；反饋部分根據控制目標的實際值和設定值之間的誤差對SVC的輸出進行調整，以提高控制精度。SVC提供的同樣是三相不對稱的電抗，以抵償三相不平衡負荷在線路中產生的負序電流分量，使得補償后的負序電流只在負荷與補償電抗之間流通，從而改善負荷不平衡運行對系統的影響［4］。
SVC控制算法的實現是在以DSP芯片為核心的控制板上用C語言和匯編語言混合編程實現的，以兼顧開發工作的簡化和程序的運行高效。由于DSP的運算速度快，精度高，可以保證控制的實時性和準確性。試驗證明，該控制算法可以圓滿完成控制任務。
2.3.3 各功能電路介紹
TCR脈沖發生板的作用是根據DSP板輸出的控制角信號及同步電壓的輸入發出經過移相的高頻脈沖，以控制TCR主電路里晶閘管的導通角度來改變接入系統的等效電抗。同步信號是由電源兼同步變壓器輸出的交流信號，經雙半波整流，再經同步整形環節變成方波，然后經鋸齒波發生器變成與電源同頻的同步鋸齒波信號。該信號與控制角信號相比較，并將比較結果輸出至脈沖發生環節（高頻調制電路），即得到移相之后的脈沖序列。
TSC過零投切電路通過檢測晶閘管兩端電壓過零點來決定投入電容器組的時刻。晶閘管兩端的電壓是系統電壓和電容器上電壓之差，當這個電壓等于零時投入電容器，不會對系統造成沖擊，而且可以將電容器盡快地投入到系統中，不受電源電壓值的限制，對提高TSC響應的速度也很有利［5］。
此外，由于晶閘管的觸發需要提供光信號，所以產生的脈沖序列要經過電光轉換裝置轉化成光信號，然后通過光纖傳送到主電路一端，在此不再贅述。
2.4 監測系統
SVC是一個復雜龐大的系統裝置，所有的子系統都必須各自正常運行并且相互協作才能實現裝置的整體功能。作為操作人員，及時有效地獲知系統狀態信息是至關重要的，監測系統就是完成此項任務的有力工具。近來隨著IT技術的發展，計算機的性能飛速提高而價格卻日益低廉。因此，SVC樣機的監測系統是采用內置數據采集卡的工控機為基礎，圖形化編程語言LabVIEW為工具開發完成的。監測系統的硬件結構見圖5。
圖5 SVC監測系統的硬件結構
從圖5中可以看出，除了數據采集之外，監測系統還要負責和其他設備的通信以及遠程數據傳輸工作，采用高性能的工控機使得同時完成如此復雜的任務變得更加容易。
為了縮短開發周期，監測系統的開發采用了圖形化的編程語言LabVIEW。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，使得應用程序的開發過程十分簡單。SVC監測系統主要完成以下功能：監視裝置的啟動過程；實時采集并顯示系統的運行狀態；在線判斷系統故障狀態；記錄重要系統運行信息；為遠程計算機傳遞數據；系統長期運行狀態分析，生成電壓質量、諧波含量分析報告；系統調試期間錄波回顯，協助安裝人員快速查看系統狀態等。這些功能為SVC正常工作提供強有力的保障。
2.5 水冷系統
高電壓大功率晶閘管高純水循環冷卻系統對SVC的正常運行有著不可替代的作用。他比風冷系統和傳統的油冷系統體積更小，效率更高，無污染，無燃燒危險。在運行中高純水不導電，封閉循環冷卻幾乎不消耗水，并可實現完全自動化。該套水冷系統采用PLC控制，對水冷的故障狀態給出分級的預警和停主機報警信號，同時通過RS485協議與監測系統通信，可以快速準確地將水冷系統的狀態信息，比如水溫、水壓、電導率等傳遞給監測系統，供操作人員分析水冷系統的故障信息。
2.6 保護系統
SVC樣機的保護系統采用的是微機過流和過載保護繼電裝置。這是一個綜合的繼電保護裝置，提供定時限與反時限過流保護以及過負荷不平衡保護。他提供的功能包括：測量值的采集、評估、操作與顯示；信號和跳閘命令的輸出；二進制信號的輸入與評估；通過RS485遠程數據傳輸。由于全部微機操作，具有強勁有效的算法，可以大大抑制高頻暫態分量和直流暫態分量的影響。而且可編程能力很強，二進制的輸入輸出都可重新定位。能夠選擇跳閘啟動或二進制輸入觸發多達8個通道的故障錄波。裝置中的硬件和軟件都被連續地自監視，可靠性極高，可以減小對常規檢驗的需要。
3 現場試驗
為了驗證SVC系統的功能，該樣機在2 kV的電壓等級下進行了試驗。圖6是在切除了無功負荷造成系統電壓躍升時，SVC的補償作用對系統電壓影響的過程，可以看出SVC對這種擾動的響應時間約為25ms。
圖6 切除無功負荷時在SVC補償作用下系統電壓變化
為檢驗SVC對負荷補償時抵消負荷不平衡的能力，在現場試驗系統中接入單相有功負荷，造成系統線電壓產生大約3%的不平衡度，試驗顯示，SVC投入運行后，能夠快速補償負荷線電流的負序分量，使系統的三個線電流得以平衡從而減小了系統線電壓的不平衡度，試驗波形見圖7，投入前后的線電壓記錄于表1中。
圖 7 不平衡負荷下SVC投入前后系統線電流波形
表 1 不平衡負荷下SVC投入前、后系統線電壓的對比
系統線電壓/V Uab Ubc Uca
SVC投入前 1 610 1 560 1 570
SVC投入后 1 500 1 510 1 500
由以上試驗可以看出，SVC在對電壓控制和補償不平衡方面都取得了滿意的效果。穩態下電壓控制精度較高，偏差小于1%，對負荷投切擾動的響應速度為20～40 ms，但是該參數會受到多方面因素的影響，比如系統短路容量，SVC特性斜率的變化等等。因此，要在不同的系統或負荷情況下對SVC系統進行反復試驗來對控制器的特性參數加以改進以達到最佳效果。另外，通過對樣機進行連續48h的工況試驗，可以驗證SVC樣機具有長期連續運行的能力。
4 結論
本文詳細討論了靜止無功補償器樣機的設計開發工作，對各個部分都分別加以了比較完整的說明，包括主電路、控制系統、監測系統、水冷系統、保護系統，最后給出了現場試驗的結果。試驗和試運行結果表明，基于DSP的數字控制板和模擬觸發電路組成的控制器達到了預期的效果。同時，基于工控機和LabVIEW的監測系統在縮短開發周期上有著明顯的優勢，人機界面很好且易于升級。再加上水冷系統和微機保護系統，SVC樣機可以作為一個完整的電力設備，在電力系統中勝任無功功率補償的任務。
5 參考文獻
［1］ 趙廣. 靜止無功補償裝置的設計與實現:［學位論文］.北京：清華大學電機工程與應用電子技術系， 2001.
［2］ 逯帥. 靜止無功補償裝置控制器的設計與實現：［學位論文］. 北京：清華大學電機工程與應用電子技術系，2002.
［3］ 逯帥，劉秀成，陳建業，等. SVC平衡控制方法及其所需信號的檢測.電工電能新技術，2002,21(2):17～20.
［4］ 逯帥，張海波，劉秀成，陳建業，王贊基，趙廣. 補償動態三相不平衡負荷的方法及補償裝置.中國專利.
［5］ 逯帥，趙廣，陳建業，劉秀成，張海波. 晶閘管投切電容器用的分相過零觸發控制裝置，中國專利（申請號），01136260
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
