静止无功补偿(svc)技术.pdf

国家电网公司先进适用技术评估报告 静止无功补偿（SVC）技术 静止无功补偿（SVC）技术 1 技术原理 1 技术原理 1.1 概述 1.1 概述 SVC（Static Var Compensator）——静止无功补偿器，其静止是相对于发电机、调相机等旋转设备而言的它可快速改变其发出的无功，具有较强的无功调节能力，可为电力系统提供动态无功电源、调节系统电压，当系统电压较低、重负荷时能输出容性无功；当系统电压较高、轻负荷时能输出感性无功，将供电电压补偿到一个合理水平SVC 通过动态调节无功出力，抑制波动冲击负荷运行时引起的母线电压变化，有利于暂态电压恢复，提高系统电压稳定水平 1.2 SVC 工作原理 1.2 SVC 工作原理 SVC 技术是灵活交流输电（FACTS）技术之一，根据结构原理的不同，SVC 技术又分为：自饱和电抗器型（SSR － Self－saturable Reactor） 、晶闸管相控电抗器型（TCR － Thyristor Controlled Reactor） 、晶闸管投切电容器型（TSC – Thyristor Switched Capcitor） 、高阻抗变压器型（TCT）和励磁控制的电抗器型（AR）等。

随着大功率电力电子器件制造技术的发展，SVC 从早期的 SSR 过渡到 TCR/TSC 方式，并成为 SVC 的主流实用技术国外 TCR/TSC 型的 SVC 装置从上世纪 70 年代投入商业运行以来，其装置集成技术、控制原理、设备制造技术已趋于成熟，是目前仍广泛使用的动态无功补偿设备 从装置构成来看， TCR 型的 SVC 装置主要由滤波/电容支路和 TCR 支路组成， 其接线示意图见图 7－1，输出特性见图 7－2 国家电网公司先进适用技术评估报告 电容器 谐振 电抗器 TCR 图 7－1 TCR 型 SVC 主接线原理图 图 7－1 TCR 型 SVC 主接线原理图 InductiveCapacitiveIsvcBus Voltage UNetwork Characterist图 7－2 TCR 型 SVC 输出特性 图 7－2 TCR 型 SVC 输出特性 从 TCR 型 SVC 接线结构可知，其无功调节是通过电力电子器件（晶闸管）控制常规电感/电容元件来实现的图 7－3 为单相 TCR 接线原理图及电流电压波形TCR 控制系统通过改变晶闸管的触发时刻控制主回路电流大小， 从波形图可见只有当触发角为 90º时电流方为正弦，其他触发时刻 TCR 回路电流将含有高次谐波，其谐波含量见图 7－4。

国家电网公司先进适用技术评估报告 图 7－3 单相 TCR 工作原理 图 7－3 单相 TCR 工作原理 pu 基波电流 e21 cycle0 3i e TCR ipu 谐波电流13th 11th 7th 5th fund 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 1 0.8 0.6 0.4 180 0 160140120100 90 0.2 0 触发角 图 7－4 单相 TCR 谐波与基波电流含量 图 7－4 单相 TCR 谐波与基波电流含量 1.3 与同类技术对比 1.3 与同类技术对比 与 SVC 具有类似静止型动态无功调节性能的技术为静止无功发生器，即 SVG（Static Var Generator） ，亦称为 STATCOM，ABB 公司的产品名称为 SVC Light从名称上虽然前者为补偿器，后者为发生器，差别不大，而实际其技术原理完全不同 国家电网公司先进适用技术评估报告 T1T4D1D4T3T6D3D6T5T2D5D2VdcVa Vb VcEaEbEcIaIbIc+-图 7－5 概念化的 STATCOM 主接线原理示意图 图 7－5 概念化的 STATCOM 主接线原理示意图 STATCOM 的基本原理是通过可控关断电力电子元件来生成与系统电压成一定角差的信号注入电力系统，来实现无功生成的目的。

其装置的核心部分为逆变器，常见的逆变器有两种主要构成方式，一种为多重化/多电平方式，另一种为链式结构，各有优缺点 IaVaVlEaIaVaVlEa（a）容性工况 （b）感性工况 （a）容性工况 （b）感性工况 图 7－6 STATCOM 输出特性 图 7－6 STATCOM 输出特性 多重化/多电平 STATCOM 是三相运行的对称设备，这是由于 STATCOM 的无功电流需要在三相之间相互交换，尚不具备在系统严重不平衡情况下的运行能力链式STATCOM 是单相构造设备，仍需要大量的电容器，只是将 SVC 所需的交流电容器折算至直流侧使用因此，链式 STATCOM 非真正意义上的无功“发生器” ，优点是不产生谐波及低电压时的运行特性较好 投入电网运行的 STATCOM 容量较大， 一般均采用 GTO 器件， 因 GTO 是电流驱动型，器件损耗太大，不是发展方向，目前采用 IGCT 替代，商业化 IGCT 的容量还较小，且价格高 STATCOM 作为一项前瞻性研究的新技术，具备诸多优点，如占地面积比 SVC 少、可提供瞬时有功功率（取决于储能部件）等，当然也有一些缺点SVC 是成熟技术，也是处于发展中的技术，国外仍在不断加大 SVC 的更新和研发力度。

STATCOM 与 SVC 的技术经济对比见表 7－1 国家电网公司先进适用技术评估报告 表 7－1 STATCOM 与 SVC 的技术经济对比 表 7－1 STATCOM 与 SVC 的技术经济对比 比较项目 比较项目 STATCOM STATCOM TCR/TSC 型 SVC TCR/TSC 型 SVC 开关元件 可控关断元件 晶闸管 响应速度 1.5％ <0.8% 造价 约为 SVC 的 2 倍以上 国产约 180 元/kvar 按照 CIGRE 会议 SC B4 研究委员会关于电力电子技术发展规划可知：STATCOM 技术有着很好的发展前途，但要替代 SVC 技术必须克服两个主要障碍，一个是价格，另一个则是损耗 1.4 SVC 调节控制策略 1.4 SVC 调节控制策略 SVC 在容性和感性运行区域内连续可调以及快速响应的特性，使电压和无功双参数综合控制方式真正得以实施并且可以解决系统暂态稳定问题和冲击负荷的影响针对电力配电系统的要求，SVC 调节策略采用了电压和无功双参数综合控制的方式，通过有载调压变压器与静态无功补偿器的优化配合，可以改善电压质量、降低网损而对于高压输电系统，SVC 主要发挥提供动态无功支撑、提高输电容量、增强系统阻尼和降低网损等作用。

输电系统用SVC采用电压控制方式即可实现所要求的控制目标图 7－7 为应用于鞍山红一变国产化应用工程的调节控制框图 TCR 调节器主要针对电压偏差、电压振荡和功率进行控制 国家电网公司先进适用技术评估报告 图 7－7 SVC 控制框图 图 7－7 SVC 控制框图 按照图 7－7 控制传递函数框图建立 SVC 模型，应用电力系统综合程序对 SVC 在电力系统出现三永故障后的暂态过程进行仿真，并与装置 RTDS 动模试验进行对比，证实其调节效果对抑制系统振荡，提高系统阻尼具有较好效果鞍山红一变 SVC 在220kV 母线近端三永故障后 66kV 母线电压恢复过程的 RTDS 对照波形见图 7－8： （a）无 SVC （b）有 SVC 图 7－8 SVC 对暂态稳定的控制效果仿真对比 图 7－8 SVC 对暂态稳定的控制效果仿真对比 鞍山红一变 SVC 的调节策略采用多目标、多反馈的调节方式，实现开关投切、变压器分接头、晶闸管触发角协调控制，并考虑对低频振荡的阻尼及抑制 SSR 的能力，满足电网各种运行方式的要求 在示范工程实施过程中建立了以电力系统综合程序为平台的 SVC 静、动态模型，该模型可用于电力系统分析计算，特别是对电压稳定性分析计算， 与实际装置比较具有较好的拟合特性。

从对调节策略的仿真和试验结果可见，我国在 SVC 输电系统调节控制研究已取得了重要的阶段性成果， 为 SVC 技术在输电网的应用奠定了基础 国家电网公司先进适用技术评估报告 1.5 SVC 装置制造核心技术 1.5 SVC 装置制造核心技术 SVC 系统由多个不同部分组成，其构成较复杂，装置设计和制造中所涉及的专业技术领域较多，包括电力电子、电力系统、高电压、继电保护、自动控制、应用电子技术、计算机软机工程、通讯、工业结构设计等SVC 系统自上世纪 60 年代进入商业化运行以来，其装置设计经历了多次重大变革，如早期的 SVC 阀组采用的是汞弧阀，随着大功率半导体技术的不断发展，电触发的晶闸管（ETT）替换了汞弧阀目前光直接触发的晶闸管（LTT）已进入大规模商业应用，将再次推动 SVC 技术的发展而控制系统、触发、冷却等核心技术也随着相关专业领域的发展和制造技术的进步而不断发展创新通过对鞍山红一变 SVC 国产化应用工程的研究项目成果的总结，并广泛参考国内外 SVC 应用情况，认为以下方面是 SVC 装置制造的核心技术，它们反映了一个生产厂家技术水平的高低，也体现了一个国家基础制造业的发展水平。

（1）大功率晶闸管的串联技术 大功率晶闸管串联技术是输电网用 SVC 核心技术之一， 该技术直接反映了制造厂的综合实力从目前各国际大公司所提供的 SVC 阀组结构来看，阀层静态及动态均压技术差别不大，主要原因一是由于大功率晶闸管制造技术和工艺趋于成熟，参数控制手段被广泛采用，不同厂家产品参数虽有差异，但差别不大；二是大功率电力电子仿真理论和工具被广泛认同和使用鞍山红一变 SVC 国产化应用工程阀组每相为 26 对晶闸管反并联层串联构成，单管耐压值达 6500V 峰值，静、动态均压效果接近或优于国外类似容量阀组，阀组损耗较低，与国际先进技术同步 阀组的机械结构各厂家差别较大Siemens、Toshiba、中国电科院等公司采用的是卧式叠压方式，ABB 公司采用立式叠压结构，Alstom 公司则采用了单对阀压装后级联方式对各种不同结构方式进行了对比情况见表 7－2 表 7－2 阀组不同结构方式对比情况 表 7－2 阀组不同结构方式对比情况 比较项目 比较项目 卧式叠压 卧式叠压 立式叠压 立式叠压 单层级联 单层级联 占地 较大 小 小 结构复杂性 小 小 大 散热与温度均匀性 好 较好 好 压力均匀性控制 好 好 较好 冷却液泄露防护 可 较难实现 好 维护方便性 好 好 好 国家电网公司先进适用技术评估报告 鞍山红一变 SVC 国产化应用工程中采用了卧式结构， 与国际其他公司相比电气和机械结构设计合理，并采用了多项创新技术，从示范工程的实际应用效果来看，阀组串联技术已达到国际同类先进水平。

（2）全数字化控制保护系统 SVC控制保护系统对SVC装置得可靠性和运行效果起到至关重要的作用 各大SVC供应商均提供其控制保护平台， 如 ABB 公司的 MACH II 系统， Siemens 公司的 SIMADYND控制系统等 从历史上看，SVC 等电力电子装置的控制系统经历了从模拟式到数字式，直到目前的多微处理器系统 中国电科院在鞍山红一变 SVC 所使用的全数字化控制保护平台采用了分层分布式结构，控制器采用 DSP 快速数字信号处理技术，使 TCR 控制系统的响应时间控制在 10ms 以内，可以快速跟踪负荷的无功需求变化进行补偿控制器采用现场总线技术，实现各子系统之间的可靠、快速数字信号传输，为实时记录系统的故障、动态刷新人机界面提供了保障控制系统具有多重监控及保护功能，完成在系统各种异常情况下的可靠保护监控系统采用一体化工作站，并具有友好的全图形化中文人机界面，便于控制和查询故障类型和故障位置控制器的监控及保护系统通过“通讯控制器”与上级自动化系统实现通讯规约联接，这样可以达到远方的监视和控制，实现无人值守阀基电子采用可编程逻辑阵列 CP。