高壓靜止無(wú)功補償器的研究

　　1 引言

　　目前，我國電網(wǎng)的建設和運行中長(cháng)期存在的一個(gè)問(wèn)題是無(wú)功補償容量不足和配備不合理，特別是可調節的無(wú)功容量不足，快速響應的無(wú)功調節設備更少。近年來(lái)，隨著(zhù)大功率非線(xiàn)性負荷的不斷增加，電網(wǎng)的無(wú)功沖擊和諧波污染呈不斷上升的趨勢，無(wú)功調節手段的缺乏使得母線(xiàn)電壓隨運行方式的改變而變化很大，導致電網(wǎng)的線(xiàn)損增加，電壓合格率降低。此外，隨著(zhù)電網(wǎng)的發(fā)展，系統穩定性的問(wèn)題也愈加重要。動(dòng)態(tài)無(wú)功補償技術(shù)是一種提高電壓穩定性的經(jīng)濟、有效的措施。另外，動(dòng)態(tài)無(wú)功補償技術(shù)在冶金、電氣化鐵路、煤炭等工業(yè)領(lǐng)域的客觀(guān)需求也很大。在目前情況下，采用tcr靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置（svc）對于消除軋機和其他大型電動(dòng)機等對稱(chēng)性負載所產(chǎn)生的無(wú)功沖擊是很有效的，電網(wǎng)電壓波動(dòng)明顯改善，功率因數明顯提高，是一種技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益顯著(zhù)的新型節能裝置。

　　2 svc的基本類(lèi)型和結構

　　svc的補償原理是通過(guò)控制晶閘管觸發(fā)角，改變接入系統中的svc等效電納的大小，從而使svc達到調節無(wú)功功率的目的。靜止電抗器" title="電抗器">電抗器的靜止無(wú)功補償裝置（saturatedreactor- sr）；第二類(lèi)是晶閘管控制電抗器（thyristor control reactor—tcr），晶閘管投切電容器（thyristor switch capacitor- tsc），這兩類(lèi)裝置通稱(chēng)為svc （staticvar compensator）。

　　2.1 具有飽和電抗器的補償器" title="無(wú)功補償器">無(wú)功補償器（sr）

　　飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應的無(wú)功補償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無(wú)功補償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來(lái)穩定電壓，它利用鐵心的飽和特性來(lái)控制發(fā)出或吸收無(wú)功功率的大小?？煽仫柡碗娍蛊魍ㄟ^(guò)改變控制繞組中的工作電流來(lái)控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進(jìn)一步控制無(wú)功電流的大小。sr的缺點(diǎn)是：造價(jià)高、損耗大、有振動(dòng)和噪聲、調整時(shí)間長(cháng)、動(dòng)態(tài)補償速度慢。由于具有這些缺點(diǎn)，所以飽和電抗器的靜止無(wú)功補償器應用的比較少。

　　2.2 晶閘管投切電容器（tsc）

　　單相tsc的原理，是采用兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管起到將電容接入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開(kāi)的作用，而串聯(lián)小電感可以抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流。tsc的關(guān)鍵技術(shù)是投切電容器時(shí)刻的選取。經(jīng)過(guò)多年的分析與實(shí)驗研究，其最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時(shí)刻，此時(shí)投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對電容器預先充電，充電結束之后再投入電容器。tsc的優(yōu)點(diǎn)在于它能對三相不平衡負載進(jìn)行分相補償，操作中不產(chǎn)生有害過(guò)電壓，但是它對于由于負載的突變引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網(wǎng)的電容量的變化進(jìn)行調節是不夠的，因此tsc裝置一般與電感相并聯(lián)，采用tcr與tsc配合使用構成混合型補償器，這種補償器以電容器作分級粗調，以電感作相控細調。但是，svc裝置在動(dòng)態(tài)調節無(wú)功功率時(shí)不可避免的會(huì )產(chǎn)生大量諧波，需要將固定電容器和電感串聯(lián)構成諧波濾波器來(lái)濾除諧波。而且svc運行時(shí)電容和電感的一部分容量相互抵消，不經(jīng)濟，且電容分組不連續投切會(huì )影響調節質(zhì)量。

　　2.3 晶閘管控制電抗器（tcr）

　　單相tcr原理如圖1所示，由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器串聯(lián)組成。其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當于接入了電感性負載的交流調壓電路。此電路的有效移相范圍為90°～180°。根據晶閘管的導通角與tcr的等效電納間的關(guān)系可知，當觸發(fā)角為90

　　°時(shí)，晶閘管全導通，晶閘管串聯(lián)的電抗全部接入電網(wǎng)上，此時(shí)電抗器吸收的無(wú)功電流最大。當觸發(fā)角在90°～180°之間時(shí)，晶閘管部分區間導通。增大觸發(fā)角即可減小補償器的等效電納，這樣就會(huì )減小補償電流中的基波分量，即減少了吸收的無(wú)功功率。所以通過(guò)調整觸發(fā)角的大小就可以改變補償器所吸收的無(wú)功分量，達到調整無(wú)功功率的效果。

　　3 svc的基本控制原理

　　svc控制系統包括四個(gè)部分。

　　第一部分為“tcr基波電流（或電抗）參考值計算”，即根據裝置的無(wú)功電流（或功率）需求，計算其中的tcr基波電流（或功率，或電抗）參考值；如果裝置的參考輸入為無(wú)功電流需求，實(shí)時(shí)測得fc支路的電流有效值，則tcr支路電流的參考值即為前者減去后者。

　　第二部分為“觸發(fā)延遲角計算”，即根據tcr的無(wú)功電流或電抗的參考值變換得到晶閘管的觸發(fā)延遲角，有以下幾種方法可以實(shí)現：

　?。?） 模擬電路法，通過(guò)模擬電路構造模擬函數發(fā)生器（analog functiongenerator），將輸入信號（如tcr支路的電流參考值）變換成一個(gè)與觸發(fā)延遲角成正比的輸出信號。

　?。?） 數字查表法（digital lookuptable），將輸入參考值與觸發(fā)角的函數關(guān)系用一個(gè)數字表存儲起來(lái)，“觸發(fā)延遲角產(chǎn)生”模塊每隔一定的時(shí)間，根據輸入查表獲得對應的觸發(fā)延遲角。

　?。?） 微處理器方法（microprocessor based method），采用單片機或者計算機構成信號處理系統，它根據參考輸入，實(shí)時(shí)計算觸發(fā)延遲角。

　　第三部分為“同步定時(shí)”，即向脈沖控制提供同步用的基準信號，它與輸入交流電壓頻率相同、有固定的相位關(guān)系，控制器根據該基準信號產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖。

　　第四部分為晶閘管“觸發(fā)脈沖產(chǎn)生”，即根據“觸發(fā)延遲角計算”模塊產(chǎn)生的觸發(fā)延遲角，形成晶閘管門(mén)極觸發(fā)脈沖，在適當時(shí)刻導通晶閘管，使tcr支路工作。

　　4 svc的組成部分

　　高壓靜止無(wú)功補償裝置一次部分主要由電容器、電抗器、晶閘管、空開(kāi)、接觸器等組成；二次部分主要由數據采集板（das），數據處理板（dsp），電源模塊、驅動(dòng)模塊等組成。晶閘管的作用主要是控制電抗器的輸出電流。

　　裝置啟動(dòng)后，先采集系統的電壓量、電流量、接觸器位置，計算出系統的功率因數。根據實(shí)際功率因數給出控制信號，由驅動(dòng)模塊驅動(dòng)晶閘管，使晶閘管保持相應的導通角，從而控制整套裝置的無(wú)功輸出，使系統的功率因數滿(mǎn)足要求。

　　5 svc主回路接線(xiàn)方案

　　圖2是svc裝置的一次主接線(xiàn)圖。svc裝置接在單母線(xiàn)上，其中3次、5次濾波器分別為等容量的兩組支路，與tcr支路共同接在該10kv母線(xiàn)上。

　　六脈沖tcr由三角形連接的三個(gè)單相單元構成，其中，每個(gè)單元由一個(gè)晶閘管閥和兩個(gè)分裂電抗器相串聯(lián)。晶閘管閥由多個(gè)晶閘管對串聯(lián)以獲得10kv額定電壓和承受正常運行的過(guò)電壓情況，兩組晶閘管在正負半周交替導通，實(shí)現對交流電流的開(kāi)關(guān)與控制。

　　6 結束語(yǔ)

　　該svc裝置已在現場(chǎng)投入運行，并達到了預期的補償目標，為解決大型沖擊性、三相非對稱(chēng)性、低功率因數及非線(xiàn)性負荷給電網(wǎng)帶來(lái)的公害提供了可行的方案和重要技術(shù)手段。