变电站10kV动态无功补偿装置的研究
电力系统中的冲击性负荷会对电网造成的电压波动、电压闪变及谐波等电能质量问题，可控硅动态无功补偿装置SVC利用晶闸管可控硅的开关原理，瞬时地改变无功功率，用以补偿或吸收负载所需的无功。低压动态无功补偿装置国内研究已经较为广泛，但10kV的动态无功补偿装置目前研究较少。本文将FC+TCR 型的电容-电感型动态无功补偿装置用于 10kv 的动态无功补偿。在电力系统冲击型负荷较大的趋势下，可控硅动态无功补偿装置可以改善对10kV母线电压的影响状况。
关键词:SVC;TCR;FC;无功补偿;10kV
1 引言
随着我国现代化建设的发展，对电力的需求日益增加，近年来，我国电网正朝着大容量、高电压的方向发展，从单一的地方小电网逐渐发展成为大区域联网的系统，取得了巨大的经济优势。同时，大容量、大规模电力系统所面临的问题也日益突出，电力系统稳定性一旦遭到破坏，必将造成巨大的经济损失和灾难性的后果[1-2]。电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备;如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等。同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备：如计算机、医用设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。
在实际应用中，根据负荷变化的需要，电容器分组投入或切除，即使用开关设备如接触器分级地调节无功功率。其中10kV无功补偿装置目前主要采用整组投入，此种方法使用中不灵活，损耗大[3-4]。因此，开发动态的无功补偿装置必将成为此领域的发展趋势。可控硅动态无功补偿装置 SVC(Static Var Compensator)利用晶闸管可控硅的开关原理，瞬时地改变无功功率，用以补偿或吸收负载所需的无功。它的最大特点是可以连续地调节无功功率的输出，达到无冲击补偿。由于能实现无冲击补偿，可控硅动态无功补偿装置能避免普通电容器投切时所引起的系统谐振，提高电能质量[5-6]。低压动态无功补偿装置在国内已有多个厂家开发成功并运用于生产，但10kV的动态无功补偿装置在国内尚未有成功运行案例。
目前，10kV无功补偿装置均采用整组投入或切出，不能灵活调节。本文研究了采用FC+TCR 型无功补偿装置进行稳定电压，避免了电力系统冲击型负荷对电能质量的影响。
2 SVC无功补偿的基本原理
SVC指使用晶闸管的静止型动态无功补偿装置，SVC 的补偿原理是通过控制晶闸管触发角，改变接入系统中的 SVC等效电纳的大小，从而使SVC 达到调节无功功率的目的。采用晶闸管控制的静止无功补偿装置根据晶闸管控制对象主要可以分为晶闸管投切电容器(TSC)和晶闸管控制电抗器(TCR)，以及混合式(TCR+TSC)等类型。
SVC的补偿原理是通过控制晶闸管触发角，改变接入系统中的SVC等效电纳的大小，从而使SVC达到动态调节无功功率的目的。TCR晶闸管控制电抗器的电流波形和接线图如图1所示。Th1、Th2为两个反并联的晶闸管，分别在电源电压波的两个半周内导通,控制触发角α在90°~180°范围内调节。
90°时产生的感性无功最大，180°时产生的感性无功为零。由于电抗器是纯感性负荷,因此电流滞后电压90°，产生了感性无功。TCR相控电抗器由晶闸管的阀串和电抗器串联构成，三相接线形式大都采用三角形连接。另外工程实际中当容量较大时将电抗器分为等容量的两部分，串接在晶闸管阀串的两端，这样可使得晶闸管在电抗器损坏时得到额外的保护。
由于单独的TCR只能吸收感性的无功功率，因此往往与并联电容器配合使用，使得总的无功功率为与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，因而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。在 FC+TCR 中，电容器容量为负载所需要的无功总容量，而电感为可变电感。
当晶闸管全导通时，电感支路相当于一个纯电感，消耗最大无功功率。SVC系统输出最小无功功率。此时晶闸管的导通角为零。如果增大导通角,电感支路的电流就减小，此时电流呈现间断性。当电感支路为完全断开，电感支路吸收零无功，SVC补偿系统输出最大无功功率。这样，通过改变晶闸管的导通角就可以连续调节无功功率。
3 电容-电感型动态无功补偿装置
3.1 基本原理介绍
电容-电感型动态无功补偿装置的控制基本原理如图3 所示。包括四个部分：
1)TCR 基波电流参考值计算;即根据装置的无功电流(或功率)需求，计算其中的TCR基波电流(或功率或电抗)参考值，如果装置的参考输入为无功电流需求，实时测得 FC 支路的电流有效值，则 TCR 支路电流的参考值即为前者减去后者。
2)触发延迟角计算，即根据TCR 的无功电流或电抗的参考值变换得到晶闸管的触发延迟角。
3)同步定时，即向脉冲控制提供同步用的基准信号,它与输入交流电压频率相同、有固定的相位关系，控制器根据该基准信号产生晶闸管触发脉冲。
4)晶闸管触发脉冲产生，即根据“触发延迟角计算”模块产生的触发延迟角，形成晶闸管门极触发脉冲，在适当时刻导通晶闸管，使 TCR 支路工作。
电容-电感型动态无功补偿装置一次部分主要由电容器、电抗器、晶闸管、空开、接触器等组成;二次部分主要由数据采集板(DAS)、数据处理板(DSP)、电源模块、驱动模块等组成。晶闸管的作用主要控制电抗器的输出电流。装置启动后，先采集系统的电压量、电流量、接触器位置，计算出系统的功率因数。根据实际功率因数给出控制信号，由驱动模块驱动晶闸管，使晶闸管保持相应的导通角，从而控制整套装置的无功输出，使系统的功率因数满足要求。
3.2 补偿容量确定
FC和TCR容量的选择主要是根据10kV母线负荷的实测数据情况和主变的功率损耗，按照负荷在主变容量的40%~85%范围内变化时，功率因数保持在0.97~0.99的设计目标进行计算。
3.3 控制与保护系统
1)控制平台选择
控制器采用西门子数控系统。此系统是西门子公司生产的通用控制系统，可*性高，应用较为广泛。
2)控制策略
以稳定10 kV母线无功为主要目的，并对电压波动进行修正，采用闭环控制。通过PT检测母线电压，CT检测母线电流,通过控制器计算系统此刻的无功功率值，再根据检测到的母线电压，计算在限定的电压范围内补偿所需的无功功率。通过对晶闸管开通角度的调节，满足稳定系统无功的主要目的。采用闭环控制可以实现快速响应和精确调节，使SVC达到最优的补偿效果。
3)TCR晶闸管触发控制
触发信号系统采用光纤传输，以有效避免电磁干扰，保证触发信号的可*传输，触发系统采用脉冲变压器技术。
4)保护系统
TCR系统的保护由西门子数控系统来完成，主要包括阀串状态的监测、过电流保护、过电压保护、欠电压保护、三相不平衡保护、电流速断保护等。
FC系统的继电保护由保护柜来完成，该保护系统以PLC为中心控制器，其特点为速度快、安全可*，减少了机械式继电保护装置的维护量。
FC系统的保护有过电流、过电压、欠电压、电容器三相不平衡保护和接地保护。考虑到变电站将来实行无人值守，在SVC系统和变电站综合自动化系统间增加了通讯接口，以实现SVC的远动控制。
4 结论
本文研究了电容-电感型动态无功补偿装置的基本原理，给出了补偿容量的确定方法，介绍了控制与保护系统的组成。
10kV动态无功补偿装置投运以来，产品运行稳定，抑制了由于冲击性负荷引起的电压波动和电压闪变，补偿效果明显优于传统的固定电容器补偿，为SVC系统在变电站的推广使用积累了设计和运行经验。
