静止无功补偿器（SVC）的作用与优势

SVC是目前电力系统中应用最多、最为成熟的并联补偿设备，它也是一类较早得到应用的FACTS控制器。静止无功补偿器（SVC）包括与负荷并联的电抗器或电容器，或两者的组合，且具有可调/可控部分。可调/可控电抗器包括晶闸管控制的电抗器（TCR）或晶闸管投切的电抗器（TSR）两种形式。电容器通常包括与谐波滤波器电路结合成一体的固定的或机械投切的电容器，或在需对电容进行高速或非常频繁投切时所采用的晶闸管投切的电容器（TSC）等形式。图5-11为SVC的一些常见形式。

在所有SVC的组合形式中，由固定电容和晶闸管控制电抗器组成的无功补偿器（Fixed Capacitor，Thyristor-Controlled Reactor Type Static Var Compensator，FC-TCR型SVC）是最基本也是最常用的一种。它的单相原理和补偿特性如图5-12所示。其中，电容支路为固定连接，TCR支路采用延时触发控制，形成连续可控的感性电抗，通常TCR的容量大于FC的容量，以保证既能输出容性无功也能输出感性无功。实际应用中，常用一个滤波网络（LC或LCR）来取代单纯的电容支路，滤波网络在基频下等效为容性阻抗，产生需要的容性无功功率，而在特定频段内表现为低阻抗，从而能对TCR产生的谐波分量起着滤波作用。

图5-11 SVC的常见形式

a）采用TCR、MSC和滤波器组合方式的SVC b）采用TCR、TSC组合方式的SVC c）采用TCR、TSC和滤波器组合方式的SVC

图5-12 FC-TCR型SVC的单相原理图和补偿特性

a）单相原理图 b）补偿特性

FC-TCR型SVC总的无功功率输出（以吸收感性无功功率为正）为TCR支路和FC支路的无功功率输出之和，即Q=Q_L-Q_C。图5-12b所示为无功功率输出与无功功率需求之间的关系曲线，纵坐标为无功功率输出，横坐标为无功功率需求，最下面的平行线表示FC输出的容性无功功率（假设输入电压有效值不变），最上面的斜线表示TCR的无功功率输出，中间的斜线是FC-TCR的合成无功功率输出。当需要最大的容性无功功率输出时，将TCR支路“断开”，即触发延时角α=90°，逐渐减少触发延时角α，则TCR输出的感性无功功率增加，从而实现从容性到感性无功功率的平滑调节。在零无功功率输出点上，FC输出的容性无功功率和TCR的感性无功功率正好抵消；进一步减少α，则TCR输出的感性无功功率超过FC输出的容性无功功率，整个装置输出净感性无功功率；当α=0时，TCR支路“全导通”，装置输出的感性无功功率最大。需注意FC-TCR的结构，为了达到从-Q到+Q的调节范围，需要TCR部分的可控容量为2Q，不是十分经济。所以为了尽可能减小TCR部分的容量以降低造价，在有些应用场合，采用TCR+MSC或TCR+TSC的结构可能是一个更优的选择。

图5-13给出了一个典型的FC-TCR型SVC的设计特性，其中OP区域代表SVC的稳定运行区域，超过该区域SVC能够在1.2倍的电压上运行3s，在1.3倍的电压上运行400ms，在1.5倍的电压上运行300ms。

下面用一个实际的SVC系统对此加以说明。该系统电压基准值U_base=230kV，无功功率基准值Q_base=100MVA。为了维持正常运行，存在-50（感性）～+100（容性）Mvar的无功功率缺口，以此作为设计依据，可以得到如图5-14所示的补偿系统特性曲线。根据设计，当系统电压低于0.85pu时，装置工作在容性的极限；当电压高于1.1pu时，装置工作在其感性极限；在图中的阴影区间装置可以连续工作。

图5-13 伏安特性——SVC的稳态和暂态运行点

图5-14 变电所无功补偿装置的性能

U_prim-变压器一次电压的标幺值 I_prim-变压器一次电流的标幺值

根据上述性能要求，设计给出图5-15a所示的单线系统图，包括一个额定容量为76Mvar感性的TCR，一个容量为74Mvar容性的TSC支路，以及由3/5和7/11.5两个双调谐滤波器DF1、DF2组成的容量呈26Mvar容性的谐波滤波器。当TSC切除时，上述26Mvar的滤波器和TCR一起可以产生-26～+50Mvar的感性无功功率。而当TSC工作时，三者一起可产生-100～-24Mvar的容性无功功率。由此完成了上述-100～+50MVar的补偿要求。该设计系统的运行曲线如图5-15b所示。

图5-15 电路单线图和运行曲线

a）电路接线图 b）运行曲线

设计中一个需要注意的问题是，TCR中电抗器的安装容量与可调容量是完全不同的两个概念，而后者才是设计中真正关心的参数。实际应用中为了保证TCR正常工作，电抗器的导通角通常均被控制在100°～170°之间，以防止导通角180°时产生电流连续而不能关断以及电流过小失控等问题。此时需要根据设计提出的控制范围来确定电抗器的安装容量，下面给出实际的计算方法。根据公式（5-1）可以得到三相TCR的调节范围为

式中，U_p为相电压。由于随着导通角σ的增大，TCR消耗的无功功率增大，所以TCR的调节范围可以由其最大导通角σ_max和最小导通角σ_min之间吸收的无功功率大小确定，再注意到电抗器的无功容量为Q_L=3U²_p/ωL，得到

假定TCR的最大和最小导通角分别为σ_max=160°，σ_min=20°，则可调范围为

即如果TCR的调节范围为50MVar，则所需的电抗器安装容量为64.3MVar，在设计时必须十分注意这一点。

注意到TCR最小的无功容量：，所以需要在计算电容安装容量时应加上此容量。但实际中，由于该值通常很小，所以式（5-17）可以简化为

利用SVC对电弧炉的闪变进行抑制，可以说是一项成熟的、并且得到广泛应用的技术。这种方法在改善功率因数和抑制特定谐波方面具有令人满意的结果，但是由于响应速度的原因，在解决闪变问题上却受到一定的限制。为了提高响应速度，目前常用的控制方法包括如下几种：

1）分相控制，对正负半周进行开环预测控制；

2）检测供电点的无功功率的相对变化量，对于预测控制的平均值进行闭环补偿控制；(www.xing528.com)

3）每个半周对负荷的无功功率预测的结果中，减去基频分量，使静止闪变补偿装置的工作点自动地移到负荷的波动范围，以提高补偿效率为目的的偏置补偿控制。

对于多台电弧炉和补偿装置并联运行时，分别检出各台电弧炉的电流，然后进行合成，然后根据合成电流平均分配到性能相同的补偿器中进行控制。

为了达到高速控制的目的，闪变补偿装置多采用开环控制的方式。这里所谓“开环”控制即无反馈的控制系统，它根据被控对象的性质和控制目标，实时监视被控对象的特性变量，然后以一定的规律进行预测得出控制量并实施，也就是所述的第一种方法。在用于电弧炉补偿时通常采用分相控制的结构，图5-16所示为一个用于SVC的单相开环控制器的原理图。

图5-16 SVC的开环控制结构

该控制器包括如下部分：

1）首先由一个称为电纳计算器的功能模块（SC），通过测量负荷上的电压和电流，经计算得到负荷的等值电纳，设为B_load。

2）然后根据维持总电纳恒定的控制目标，计算出SVC应该具有的等效电纳，即B_SVC=B_ref-B_load，其中B_ref为需要维持恒定的电纳参考值。

3）再通过非线性变换得到所需的TCR导通角σ，该非线性变换对应的函数通常被称作SVC的前馈传递函数G（s），它是由SVC的运行特性决定的。对于FC-TCR型SVC，如果忽略动态特性，它的电纳可以表示为

如果令G（s）=B^-1_SVC（σ），也就是说前馈传递函数是B_SVC的逆函数，就可以实现理想的前馈控制。由此，为了得出对应的TCR的导通角σ[=2（π-α）]，需要求解一个非线性超越方程，这是由一个称为导通角计算器（CAC）的功能模块来完成的。

开环式前馈控制的优点是，实现简单、响应迅速，经过精心设计的具有前馈环节的开环控制的典型响应时间为5～10ms。但是，前馈控制系统的性能在很大程度上决定于前馈传递函数G（s）的精确性。实际上，由于以下三个原因：①函数G（s）是预先确定的，如果外部系统的特性发生了设计函数时没有考虑到的变化，将得不到如设计所要求的控制效果；②函数G（s）很难反映系统的动态特性，SVC装置从得出新的触发延迟角到其导纳值的改变是需要一定时间来完成的，这在前馈传递函数中不易表达；③前馈控制对于系统参数变化所引起的控制偏差没有校正能力。因此，这种控制方法通常仅用于需要快速响应且精度要求不高的负荷补偿，如对冲击性负荷进行补偿的闪变抑制装置中。更高性能的控制系统中，通常将前馈控制与反馈控制结合起来，利用前馈环节的快速响应特性和反馈环节的精确调节特性，达到最优的补偿效果。

图5-17所示即为一个包括前馈控制和反馈控制两个环节的控制器，其中一个环节是用于无功功率补偿的开环分相控制系统，它通过测量供电点的电压U_L和电弧炉的电流i_L，得到各相需要补偿的无功功率，并据此对SVC的电纳进行连续地控制，以补偿电弧炉吸收的无功功率。

图5-17 SVC的闭环控制结构（AVR）

另一个是闭环三相平衡电压控制，其参考值即标称电压值，通过AVR的环节来进行控制。AVR的工作原理是，当其检测到电压或无功功率偏差后，就按照一定的控制规律，如比例积分（PI）控制规律，调节SVC电纳参考值进行补偿，以改变负荷母线上总的无功电流大小，直到被测点电压或无功功率的误差减小到可接受的水平为止，此外加入限压环节来防止过电压的发生。控制的优先级依次为限压、开环控制和闭环电压控制。

上述两种方法对于采用单相桥结构的STATCOM而言也是完全适用的，只是此时的控制目标通常是无功电流（或无功功率）而不是电纳。

对于SVC投运前、后，电弧炉电压闪变抑制情况如图5-18所示。

图5-18 SVC投运前、后的电弧炉电压闪变抑制

a）SVC投运前 b）SVC投运后

即便采用精心设计的开环控制系统，使响应时间达到4～5ms等级，SVC的闪变改善率最高也只能达到70%左右。这个问题的出现首先是受到晶闸管响应速度的限制，作为半控器件，晶闸管一旦被触发导通就处于失控状态，直到流经器件的电流过零，自然关断为止。所以装置的控制只能依赖于上个周期所测得的数据进行，产生不可避免的控制延时。其次，由于SVC所提供的无功功率是通过改变无源无功元件的投入时刻实现的，所以不可能对电弧炉工作时所需要的波动的有功功率进行补偿；而有功功率的波动将在输电线路上导致幅度和相位的变化，这同样会引起闪变。

图5-19为Alstom公司安装的一个位于瑞士日内瓦的SVC项目，用于补偿欧洲粒子物理研究所的大量脉动负荷对法国和瑞士间18kV配电网络的扰动，以保证向其他用户的供电质量。SVC主电路包含一个19MvarTCR和相应次数滤波器。

这套装置的一个显著特点是，整个装置被设计成可移动的，整套设备能用一辆载重货车车厢运输，能够在CERN18kV网络的任一地点使用。

图5-19 CERN可移动SVC项目

a）CERN单线图 b）位于集装箱中的阀体

图5-20所示为Siemens公司1998年在美国伯克利NUCOR钢铁厂投入运行的SVC补偿系统，分别为两台直流电弧炉和一台轧钢机提供无功功率补偿。母线电压都是34.5kV，通过变压器和230kV高压母线相连。其中电弧炉母线上的SVC采用160Mvar TCR，以及调谐频率为2次、3次、5次、7次的四个单调谐滤波器和一个11次高通滤波器，总容量180Mvar。轧钢机母线上SVC采用80Mvar TCR，加上3次与5次两个单调谐滤波器和一个7次高通滤波器，总容量80Mvar。SVC投运后，34.5kV母线上谐波总量控制在1.5%以下，电压闪变也符合标准。

图5-20 美国伯克利NUCOR钢铁厂投运的SVC