SVC装置的基本原理

第二章SVC的基本原理静止同步补偿器SVC(StaticVarCompensator)被称为“静止的调相机”，是现代柔性交流输电系统(FACTS)的核心组成部分，其为以变换器技术为基础的并联无功补偿FACTS设备。典型的静止无功补偿装置是使用固定电容器加晶闸管控制电抗(FC和TCR)，使其具有吸收和发出无功电流的能力，提高系统功率因数，稳定电压源电压。它的重要特性是通过控制TCR的触发延迟角的变化，来改变补偿装置所需要的无功功率。TSC只能分组投切电容，和TCR配合使用时，才能连续调节补偿装置的无功功率。固定电容器加晶闸管控制电抗器型静止无功补偿装置能连续调节补偿装置的无功功率，且响应速度较快。因此，可以对无功功率进行快速动态补偿。2.1SVC的基本结构SVC的结构有很多，但基本元件是晶闸管控制的电抗器和晶闸管投切的电容器。其分类如图2.1。（a）TCR(b)TSC(c)TCR+TSC图2.1SVC的基本结构TCR支路由电抗器和两个反向并联的晶闸管串联构成，TSC支路由电容器和两个反向并联的晶闸管串联构成，其控制元件均为晶闸管。TCR支路的等值基波电抗是晶闸管导通角β或触发角α的函数。通过调整β或α可以平滑地调整并联在系统的等值电抗。2.1.1TCR型SVC构成包括四个主要组成部分:高阻抗变压器(或降压变压器)、电容器组(兼作滤波器)、晶闸管阀和调节器。优点主要有:（1）可以进行连续感性和容性无功调节单独的TCR由于只能吸收感性无功功率，与并联电容器配合使用，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，因此可以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。（2）能进行分相调节降压变压器二次绕组连接成“开口星型”，中点分开，这是要使每相负载与另外两相独立，从而正序和负序的幅值可以单独控制、分相调节，可以平衡不平衡负载。（3）吸收谐波能力好并联电抗器串上小调谐电抗器还可兼作滤波器，能很好地吸收TCR产生的谐波电流。（4）噪声较小（5）损耗相对较小（6）控制灵活性好TCR型SVC有多种可选择补偿方案，一种方案就是将电容器组的总容量固接在电网上，而将TCR的总容量平均分为n组小单元，根据系统无功功率的平衡要求来决定启用小补偿单元的组数及其控制角。这样TCR型SVC就可以通过控制投入的组数进行粗调节，通过控制控制角进行细调节，实现平稳的无级补偿，因此整个控制过程十分灵活，而且效果也相当好。（7）动态响应时间较快(约loms)，是能够胜任多类负荷的动态无功补偿。缺点主要有:（1）自身有谐波含量产生TCR型SVC产生的谐波主要是奇次谐波，3K次谐波同相位，仅能在补偿装置的三角形接法绕组中流通，不能流入系统。流入系统中的谐波成分只是6k士1次。产生的谐波电流会使系统电压产生畸变，从而对系统及设备产生一系列的危害，因此利用TCR和改善功率因数用的电容器兼作滤波器，但这种滤波器体积大，占地多，价格贵。（2）不可直接接于超高压（3）运行维护复杂由于组成部分较多而且较为复杂，TCR本身的反并联晶闸管、多组FC，这些虽然使得控制灵活，但也让运行维护更复杂。由于TCR型SVC具有反应时间快，无级补偿，运行可靠，能分相调节，能平衡有功，适用范围广，价格较便宜等优点，实际应用最广，在控制电弧炉负荷产生的闪烁时，几乎都采用这种型式。目前国内儿乎所有的轧钢机，提升机、电力机车、电弧炉的补偿设备都采用此类型的SVC。最广泛用于高压大容量无功补偿，与固定电容器或滤波器联用。可用作电压支撑，无功潮流控制，增加系统稳定性，以及减小电压波动，可分相调节，有对称化功能。目前，TCR与电容器联用，是动态无功补偿的第一选择，由于它产生谐波，滤波器与它联用是理想的方案，目前是连续调节的理想方法。2.1.2TSC型SVC构成它由降压变压器、电容器组、晶闸管阀和调节器构成。工作原理是通过检测到反并联的晶闸管阀两端的电压，在过零时控制晶闸管导通将电容器投入。主要优点有:（1）快速响应性、可频繁动作性、以及分相调节，有效地抑制电压波动问题。（2）自身不产生谐波分量由于电容器组是由晶闸管阀在其电压过零时投切的，电容器只是在两个极端电流值(零电流和额定正弦电流)之间切换，所以不会产生谐波。（3）噪声小（4）损耗很小（5）控制灵活性好（6）用于调压，调无功，减低电压波动（7）快速深度无功补偿这使得TSC可有效地用于防止电压崩溃——在系统故障和负荷电流急剧增加时，使用丁SVC装置快速补偿无功功率，对系统电压起支撑作用，可显著地抑制电压崩溃趋势。主要缺点有:（1）动态响应时间较长（2）无功输出只能是级差的容性无功每次只能投切一组电容器，实现级差无功补偿。（3）限制过电压的能力（4）无谐波吸收能力由于本身没有设置滤波器组，所有没有谐波吸收能力。（5）不可直接接于超高压（6）运行维护较复杂由于采用多组反并联晶闸管串联的形式，使得晶闸管的散热、导通的同时性、损坏的检测、以及维护等都带来了一定的难度。因其具有快速响应性、可频繁动作性、以及分相补偿能力，可应用于对大型冲击性、快速周期波动变化、不平衡、非线性负荷(如电气化铁路、电弧炉、轧钢机、矿井卷扬机、风力发电站、大功率变频调速装置等)的动态无功补偿领域，可有效地抑制这些负荷所引起的电压波动问题，故是低压动态补偿的首选方式。对高压大容量需要大范围调节无功或电压的情况，也是好的选择。与TCR联用往往可以解决更多问题。表2.1几种无功功率动态补偿装置的简要对比装置TCRTSCTCR+TSCSVC响应速度10ms10ms10ms10ms吸收无功连续分级连续连续控制较简单简单较简单复杂谐波电流大无大小分相调节可以有限可以可以损耗中小小小噪声小小小小2.2SVC工作原理SVC如图2.2接入系统中，根据负载无功fQ的变化，电容器提供固定的容性无功cQ，调整补偿电抗器输出感性无功功率1Q的大小，使得总的感性无功和容性无功相抵消，即系统无功sQ=fQ-cQ+1Q=常数(或0)，使系统无功功率保持基本不变，电压变化维持在允许范围内，以改善电能质量。LC滤波器的设计，理想情况下使流人系统的谐波电流0ChfhLhhIIII。但是在实际中TCR+TSC的损耗比TCR+FC损耗要小的多，而且补偿效果更好，所以这种装置最为常见。滤波器LC1C2C3高压母线降压变压器图2.2SVC原理图如图2.2所示，图中的降压变压器是为了降低SVC造价，而引入的滤波器则用来吸收SVC装置所产生的谐波电流。TCR的单相基本结构就是由两个反并联晶闸管与一个电抗器串联构成。此结构的有效移相范围为90°-180°。，触发角180时，晶闸管全部导通，导通角180，电抗器吸收无功电流最大。瞬时改变TCR的触发角可以改变补偿器吸收的无功分量，达到调整无功功率的目的，只需要使TCR提供的无功功率的变化量和负载的变化量是等值反向就可以了，甚至通过改变就可以维持电网电压为恒定值。调整或可以平滑地调整TCR支路并联在系统的等值电抗。其从系统中吸收的无功功率为：])2,0[(2sin22VLQL(2.1)式(2.1)中，L为电抗器的电感值。TSC的单项基本结构就是由两个反并联晶闸管与一个电容串联构成，串联一个电抗器是用来抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。TSC补偿器可以很好地实现系统所需的无功功率补偿，TSC在三相电网中可以三角形连接，也可以星形连接，为了实现更好的补偿，对无功功率应尽量做到无极调节，从而能根据电网或负荷的无功波动，进行实时补偿。当TSC支路投入到系统后，其向系统注入的无功功率为：2CVQ(2.2)式(2.2)中，C为电容器的电容值。由式(2.1)和式(2.2)可得SVC向系统注入的无功功率为：)2sin2(2VLCQQQLCSVC(2.3)可见])2/,0[(时，在系统补偿的无功功率能连续平稳调整。一般情况下，为了扩大调节范围，SVC装置中可采用多个TSC支路，并且为了保证能连续的调整，TCR的容量略大于一组TSC的容量。若投入的TSC的总电容为C，则SVC的等值电抗为：22sin2LCLXSVC(2.4)SVC的等值U—I特性由TCR和TSC组合而成，其U—I特性曲线如图2.3所示，refV为SVC的参考电压。SVC的可调整范围在直线AB范围内，当系统电压的变化超出SVC的可调整范围时，SVC就成为一个固定电抗，即：CXSVC/1min或)1/(2LCL(2.5)VrefABVVSVC图2.3SVC的U-I曲线特性2.3本章小结本章主要介绍了无功补偿装置的基本结构，无功补偿装置（SVC）的类型大致分为：固定电容器(FC)型、晶闸管控制电抗(TCR)型、晶闸管投切TSC型等。同时也简单介绍了SVC的无功补偿原理，SVC具有补偿无功功率、稳定供电电压的作用。同时对SVC的控制系统做了简要的介绍。