静止无功补偿器及基本原理

静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)是20世纪70年代初期发展起来的新技术。“静止”是针对旋转的同步调相机而言的，国内多称其为动态无功补偿器，这是针对固定电容器组(Fixed Capacitor，FC)而言的。SVC通过控制晶闸管的导通角来快速调节并联电抗器的大小或投切电容器组，对调节负荷功率因数、稳定和平衡系统电压、消除流向系统的高次谐波电流、平衡三相负荷等有显著的作用；安装于高压输电系统中可用于控制长距离输电线路由负荷、空载效应等引起的动态过电压，改善系统的暂态稳定性，抑制系统的无功功率及电压振荡；具有价格适中、性能可靠等特点。SVC最基本的两种类型结构为晶闸管相控制电抗器型(TCR)和晶闸管投切电容器型(TSC)。TCR可以和TSC组成TCR＋TSC，或者与FC组成TCR＋FC，或者三者组成TCR＋TSC＋FC等混合型结构，对于负载补偿绝大多数采用TCR＋FC型。以下就各类型结构及其特点进行说明。

1.TCR型

TCR是由一对相反极性并联的晶闸管和控制的电抗器串联组成的，图5-12为其电路原理图和电流波形图。VT1与VT2为两个反并联的晶闸管。

图5-12　TCR的电路原理图和电流波形图

(a)电路原理图；(b)电流波形图

在电压的每个正的或负的半周期中，从电压峰值到电压过零点的间隔内，触发晶闸管承受正向电压的晶闸管导通，电抗器进入投入状态。一般用控制角来表示晶闸管的触发瞬间，它是从电压过零点到触发时刻的角度，它的大小决定了流过电抗器电流的大小，相当于改变电抗器的电抗值。如果晶闸管在电源电压峰值时准确地导通，即其脉冲触发相角α为90°时，为完全导通，则此时回路电流与晶闸管短路时相等，电流基本上是无功电流，滞后于电压约90°，其中包含少量的同相分量，这是由电抗器和晶闸管的有功损耗引起的。当α为90°～180°时，晶闸管为部分导通，此时的值以公式表达为

将式(5-12)级数展开，可得i的基频分量为

因此，改变α的大小就控制了回路基频电流的大小，即控制了回路的基频感性无功输出的大小。对基波而言，晶闸管控制的电抗器可以看成一个可控电纳，其等效的电纳值和控制角α的关系为

α与BL之间的关系曲线如图5-13所示。基于这种关系的控制称为相控。

图5-13　α与BL之间的关系曲线

2.TSC型

TSC由一对相反极性并联的晶闸管(串)与电容器及电抗器串联而成，其电路原理图及工作特性曲线如图5-14所示，根据负载感性无功功率的变化，切除或投入电容器组。(www.xing528.com)

图5-14　TSC的电路原理及工作特性曲线

(a)电路原理图；(b)工作特性曲线

用反极性并联的晶闸管作为投切电容器的开关，比断路器开关响应更迅速，可靠性更高。电抗的作用是在电容器突然投入时，控制电流变化率d i/d t在晶闸管可以接受的范围之内。用晶闸管投切电容器组时，通常选取晶闸管阀两端电压过零点作为晶闸管的触发时刻，大大降低了合闸涌流和合闸过电压。在晶闸管两端电压为零时给予晶闸管触发脉冲，使其导通，电容器被投入；停止发出脉冲，晶闸管在电流过零时自然关断，电容器被切除。

TSC的优点：TSC中的电容器只有投入(晶闸管导通)和切除(晶闸管不导通)两个状态，所以不产生谐波；缺点：无功功率的补偿容量是跳跃的，大小等于单个电容器组的容量，且响应速度较差。此外，在负荷产生谐波电流大的场合，如冶金企业、电气化铁道等，TSC的运行是不可靠的，因为谐波的注入会使并联电容器出现过流、过压及过热情况，从而导致电容器击穿、“鼓肚”甚至爆炸等危险。

3.TCR＋TSC混合型

TCR＋TSC混合型SVC装置一般使用几组电容器及一组晶闸管相控电抗器，其基本运行原理是：当系统电压低于设定的运行电压时，则根据需要补偿的容性无功量，投入适当组数的电容器组，并略有一点正偏差(过补偿)，此时再用晶闸管相控电抗器的感性无功功率来抵消这部分过补偿的容性无功功率；而当系统电压高于设定的运行电压时，则切除所有的电容器组，TCR＋TSC混合型SVC装置此时只有TCR运行。其原理及可能的工作特性曲线如图5-15所示。

图5-15　(TCR＋TSC)的电路原理图及可能的工作特性曲线

(a)电路原理图；(b)可能的工作特性曲线

在TCR＋TSC混合型SVC装置中，TCR的运行特性会“插入”电容器特性之间。如果TCR的特性有一个小的正斜率，则合成的特性将如图5-15中的实线所示。从图5-15中可知，TCR的电流额定值应当稍大于一组电容器在额定电压下的值，否则就会得到图5-15中阴影所示的死区。TCR、TSR、TCR＋TSR的特点见表5-1。

表5-1　TCR、TSR、TCR＋TSR的特点