静止无功补偿器简介

    随着现代工业的发展，电网中出现了炼钢电弧炉、电气机车、可逆式大型轧钢机等动态变化的非线性负荷，这类负荷的特点是有功功率和无功功率随时间作快速变化，这就要求无功补偿装置能够进行无功动态补偿。所谓无功动态补偿，是指补偿装置能自动、快速、灵活地调节无功出力，提供连续变化的感性无功功率或容性无功功率，对变动的无功负荷实行快速动态跟踪补偿。在动态补偿下，随着无功负荷迅速、不规则的变化，无功补偿电流也迅速、无跳跃的跟踪变化。并联电容器不能实现动态补偿，它属于静态无功补偿，因为其无功补偿电流是跳跃式变化的，而且通常需要带触点的开关设备进行投切，投切时间较长，不能快速响应无功功率的波动，因此不能满足变化较快的负荷无功补偿的要求。

    静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)是20世纪60年代逐步发展起来的一种动态无功补偿装置。早期的静止无功补偿器主要是为了解决负荷急剧变化引起的电压波动和闪变问题，后来随着电力电子技术的发展，其控制性能和运行可靠性不断提高，容量逐步增大，才开始在输电系统中推广应用。静止无功补偿器主要由电容器、各种类型的电抗器和晶闸管等元件构成，通常包括多个不同性能的并联支路，其发出的无功功率来自并联的电容器，吸收的无功功率来自并联电抗器或特殊设计的变压器。相对于调相机而言，SVC没有任何机械运转部件，这也是名称中“静止”的含义。静止无功补偿器不使用带触点的开关，而是根据无功或电压的需要，利用晶闸管等电力电子器件或通过改变并联电抗元件的电抗值来自动调节其容性或感性电流，向系统提供连续平滑的可调无功功率，其动作速度可达毫秒级，比机械设备的速度要快得多，并且可以频繁动作，从而使无功出力能平滑、连续、快速地得以调节控制。

    静止无功补偿器具有非常重要的作用：

   (1)跟踪补偿电网中的无功负荷，按照无功负荷的变化，平滑、连续、迅速地调整其无功出力，可在几个周波内调节完毕，能保证无功功率的平衡和电压的稳定性，改善电压控制，尤其是可以抑制冲击性负荷引起的电压闪变，保证在冲击性负荷连接处的系统电压水平，从而减小电压波动，改善供电电压质量。

   (2)改善功率因数，减少无功流动引起的损耗，提高电网输送有功功率的能力。

   (3)对不平衡负荷的变化有较强的补偿能力，可以做到分相补偿，通过分相单独控制，调节三相的容抗和感抗来补偿不平衡负荷，实现三相负荷的平衡，减小负序电压，改善电网电压的对称度。

   (4)远距离输电线路轻载运行或甩负荷时，静止补偿器可吸收无功功率，从而降低电网的过电压。

   (5)由于静止无功补偿器响应速度很快，可达十几毫秒，能在极短的时间内调整无功功率，维持电压恒定，并能使系统在故障清除后，保持较高的电压水平，降低发电机的转子速度，因此可提高系统的静态和暂态稳定性，抑制系统（尤其是长距离带联络线的输电系统）振荡。

   (6)随着现代工业的发展，在电网内产生了各种高次谐波电流，可能使各种自动装置及电子设备误动或失灵，而且谐波所产生的热能可能损坏某些电气设备。同步调相机和带有自动装置的并联电容器组，不能消除高次谐波电流，而静止无功补偿装置中通常设有电容器和电抗器组成的滤波电路，可以抑制高次谐波。

    许多电气设备厂家都在生产静止无功补偿器，其类型多种多样。从提供无功的性质和方式而言，静止无功补偿器主要由固定容性、固定感性、可变容性、可变感性、固定容性和可变感性、可变容性和可变感性这六种方式组合而成，通常所说的静止无功补偿器是指最后两种方式，也就是说，静止无功补偿器一般由可控感性支路和固定或可变电容器支路并联而成。从控制原理来看，静止无功补偿器可分为电磁型和晶闸管控制型。电磁型静止无功补偿器是根据电压的变化，利用自身的饱和特性来改变其发出或吸收的无功功率，包括可控饱和电抗器型和自饱和电抗器型。晶闸管控制型静止无功补偿器又可分为相位控制和开关控制两种。晶闸管相位控制的静止无功补偿器通过改变晶闸管的控制角来控制电流，从而控制无功功率，它包括晶闸管控制电抗器型和晶闸管控制高漏抗变压器型等类型。晶闸管开关控制的静止无功补偿器包括晶闸管开关电容器型和晶闸管开关电抗器型等类型。下面介绍其中的四种。

   (1)晶闸管控制电抗器(ThyristorControlled Reactor，TCR)型。晶闸管控制电抗器型静止无功补偿器的动态补偿回路由电感与两个相反极性并联的晶闸管相串联组成，其单相电路原理见图4-l(a)，两个晶闸管在电源电压的正负半周轮流导通，通过改变晶闸管的控制角，可改变电感中通过的电流，从而控制补偿容量。实际上为了能承受高电压和大电流，可以由若干个晶闸管串并联后组成一个等效的晶闸管。由于单独的TCR只能吸收无功，而不能发出无功，因此通常将并联电容器与其配合使用构成固定电容器一晶闸管控制电抗器( FC-TCR)型静止无功补偿器，如图4-1(b)所示，这样就可以进行连续感性和容性无功调节，该电容器常被分成多组，每个电容器组中包含一个与之串联的小电抗器，从而将补偿电容器组调谐成针对某次谐波的滤波器，但在基波频率下，调谐电抗器只是略微减小固定电容器组的净容量。TCR型静止无功补偿器具有响应速度快，运行可靠，无级补偿，分相调节，控制灵活，可以方便地实现各种控制策略，能较好地平衡不对称负荷，噪声小，损耗少，价格较低等优点，因而其应用广泛，如电弧炉、轧钢机、电力机车等都可采用此类型的SVC。其主要缺点是易产生谐波，需要有滤波器与之配合使用。

    图4-1    静止无功补偿器基本电路原理图

   (a) TCR型；(b) FC-TCR型；(c)TSC型；(d) SR型；(e)TCT型

   (2)晶闸管开关电容器(ThyristorSwitched Capacitor，TSC)型。晶闸管开关电容器型的静止无功补偿器由两个相反极性并联的晶闸管与电容器和小容量电抗器串联组成，其单相电路原理见图4-1 (c)，晶闸管用来控制电容器的投入或退出，电抗器可以抑制电容器突然投入时可能产生的冲击电流，并可与电容器组成串联谐振滤波电路，滤除部分谐波。TSC型静止无功补偿器可频繁动作，对三相不平衡负荷可进行分相补偿，控制方式较灵活，装置本身不产生谐波，操作时不产生过电压，噪声和损耗小，可应用于大型冲击性、不平衡、非线性负荷等的动态无功补偿，可有效地抑制这些负荷所引起的电压波动问题，对高压大容量需要大范围调节无功或电压的情况，也可选择这种方式。但由于其运行时电容器是按组投切的，根据所需补偿电流的大小，决定投入电容器的组数，因此无功补偿是阶跃式的，不能平滑连续地调节，而且电压降低时，补偿容量也将减少。为了实现无功电流尽可能的平滑调节，一方面是将电容器做不等容分组，增加电容器的组数，每组都可由晶闸管投切，例如将电容器按1：2：4的容量比例分组，组数越多，级差就越小，但这将增加运行成本；另一方面是掌握好电容器的投切时间，一般都是采取晶闸管两端电压过零投切，因为此时投切电容器，电路的冲击电流为零。为了取得更好的补偿效果，它还可以与TCR型一起使用，构成TSC-TCR型静止无功补偿器，以电容器作为分组粗调，以电感作为细调，从而充分发挥这两类静止无功补偿器的优点。如将n个TSC单元和1个TCR单元并联，TCR的容量选为TSC总容量的1/n，电容器可以分级投切，但在每个分级之间的无功功率可以通过TCR来连续调节。TSC-TCR型静止无功补偿器是迄今为止最通用的一种SVC结构。

   (3)自饱和电抗器(SaturatedReactor，SR)型。最早的静止无功补偿器是自饱和电抗器型的，其基本原理是利用自饱和电抗器铁芯的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小，稳定电压，如图4-1 (d)所示。与饱和电抗器串联的电容器称为斜率校正电容器，其作用是使补偿器的内电抗降低到要求的水平，以减少调差。一般对于斜率校正电容器还需设置阻尼滤波电路和过电压保护回路（图中未画）。当电网三相电压不平衡时，饱和电抗器的三相呈现不同的饱和程度，使三相电压趋于平衡。SR型静止无功补偿器的优点是工作可靠，维护简单，补偿快速，尤其适合对闪变负荷的补偿，产生谐波小，在感性工作范围内有较大的短时过载能力，除了稳定电压外，还可降低瞬时过电压。但它也有不少缺点，例如正常工作时铁芯处在饱和状态，磁通密度高，单位容量损耗大，造价高，不能附加其他控制信号，控制灵活性较差，运行噪声大，因此应用不太多，常经过有载调压降压变压器接在超高压输电线路中。负荷的变化会引起电网电压的波动，特别是在超高压空载（或轻载）长距离输电线路上，线路电容在线路的末端会产生超过允许值的过电压。而在另外一些情况下，例如满负荷时，又需要对电压降进行校正，并且在突然甩去负荷或断路器等进行操作时，需要进行快速电压控制。对于这些情形，利用SR型静止无功补偿器对稳定电压以及降低过电压都非常有效。另外，它还可以用在高压直流输电系统中以降低由于换流装置闭锁引起的动态和短时过电压。

   (4)晶闸管控制高漏抗变压器(ThyristorControlled Transformer，TCT)型。实际上TCT型静止无功补偿器是TCR型的一种变形，但其应用远不如TCR型广泛。TCT型静止无功补偿器的电路原理见图4-1 (e)，其优点是可靠性高，当二次侧短路时，高漏抗可使变压器免受短路应力的影响，过负荷能力强，可以直接接于超高压系统；缺点是动态响应时间较长，变压器须经特殊设计，制造复杂，噪声大，损耗大。

    采用静止无功补偿器进行无功补偿，功能完善，调节性能好，响应速度很快（一般仅1～2个周波），全部为静止部件，不会自励磁，不存在失步危险，无涌流，工作安全可靠，允许频繁操作，维护工作量小，不会明显改变其所连接的母线的短路容量，损耗小，投资和运行费用较少，具有较好的技术经济效益，在国内外得到快速发展与广泛应用。随着人工智能等技术的应用，SVC的性能将不断提高。