隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化技術(shù)的進(jìn)步，電力網(wǎng)負(fù)荷急劇增大，對(duì)電網(wǎng)感性無(wú)功要求也與日懼增。特別是如可逆式大型軋鋼機(jī)、煉鋼電弧爐等沖擊負(fù)荷、非線性負(fù)荷容量的不斷增加，加上普遍應(yīng)用的電力電子和微電技術(shù)，使得電力網(wǎng)發(fā)生電壓波形畸變，電壓波動(dòng)閃變和三相不平衡等，產(chǎn)生電能質(zhì)量降低，電網(wǎng)功率因數(shù)降低，網(wǎng)絡(luò)損耗增加等不良影響。近年發(fā)展起來(lái)的靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置(static var compensator，下簡(jiǎn)稱(chēng)svc)是一種快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率的裝置，已成功的應(yīng)于冶金、采礦和電氣化鐵路等沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償上。而晶閘管控制電抗器型(稱(chēng)tcr型)svc用晶閘管控制線性電抗器實(shí)現(xiàn)較快、連續(xù)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)，由于它具有反應(yīng)時(shí)間快(5~20ms)，運(yùn)行可靠，無(wú)級(jí)補(bǔ)償、分相調(diào)節(jié)，能平衡有功，適用范圍廣和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。tcr裝置還能實(shí)現(xiàn)分相控制，有較好的抑制不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷的能力，因而其應(yīng)用最廣。尤其是在冶金行業(yè)中，使用例子也最多。

　　2 tcr+fc型svc系統(tǒng)的組成及控制原理

　　2.1 系統(tǒng)組成

　　tcr+fc型svc系統(tǒng)的組成如圖1所示，一般由tcr、濾波器(fc)及控制系統(tǒng)組成。通過(guò)控制與電抗器串聯(lián)的兩個(gè)反并聯(lián)晶閘的導(dǎo)通角，既可以向系統(tǒng)輸送感性無(wú)功電流，又可以向系統(tǒng)輸送容性無(wú)功電流。該補(bǔ)償器響應(yīng)時(shí)間快(小于半周波)，靈活性大，而且可以連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功輸出，缺點(diǎn)是產(chǎn)生諧波，但加上濾波裝置則可以克服。

　　圖1 tcr+fc型svc系統(tǒng)的組成

　　2.2 可調(diào)控電抗器相(tcr)產(chǎn)生連續(xù)變化感性無(wú)功的基本原理

　　如圖2(a)所示，u為交流電壓。th1、th2為兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管，控制這兩個(gè)晶閘管在一定范圍內(nèi)導(dǎo)通，則可控制電抗器流過(guò)的電流i，i和u的基本波形如圖2(b)所示。

　　圖2 可調(diào)控電抗器相(tcr)產(chǎn)生連續(xù)變化感性無(wú)功的基本原理

　　α為th1和th2的觸發(fā)角，則有

　　i=(cosα-cosωt)

　　i的基波電流有效值為: i=(2π-2α+sin2α)

　　式中:v為相電壓有效值;

　　ωl為電抗器的基波電抗(ω)。

　　因此，可以通過(guò)控制電抗器l上串聯(lián)的兩只反并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)角α來(lái)控制電抗器吸收的無(wú)功功率的值。

　　2.3 恒無(wú)功控制、保證功率因數(shù)及電壓波動(dòng)

　　控制系統(tǒng)的基本組成如圖3所示。svc連接到系統(tǒng)中，電容器提供固定容性無(wú)功功率qc，通過(guò)具有完好線性特征的補(bǔ)償電抗器的電流決定了從補(bǔ)償電抗器輸出的感性無(wú)功值qtcr，感性無(wú)功與容性無(wú)功相抵消，只要qn(系統(tǒng))=qv(負(fù)載)-qc+qtcr=恒定值(或0)，功率因數(shù)就能保持恒定，電壓幾乎不波動(dòng)。

　　圖3 控制系統(tǒng)的基本組成

　　最重要的是精確控制晶閘管觸發(fā)，獲得所需的電抗器的電流。根據(jù)采集的進(jìn)線電流及母線電壓經(jīng)乘法器后得出要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率，計(jì)算機(jī)發(fā)出觸發(fā)脈沖，光纖傳輸?shù)矫}沖放大單元，經(jīng)放大后觸發(fā)晶閘管，得到所補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率。

　　2.4 無(wú)源濾波器(fc)

　　無(wú)源濾波器(filter compensatior，簡(jiǎn)稱(chēng)fc)，是現(xiàn)階段最常見(jiàn)、最實(shí)用、也是有效的抑制高次諧波的措施。由電容器、電抗器，有時(shí)還包括電阻等無(wú)源元件組成。其基本原理是利用電路諧振的特點(diǎn)，對(duì)某次諧波或以上諧波形成低阻抗通路，以達(dá)到抑制高次諧波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。分為單調(diào)諧波濾波器，雙調(diào)諧波濾波器和高通濾波器(減幅濾波器)等幾種。

　　高通濾波器(減幅濾波器)又可分為一階、二階、三階和c型。如圖4所示:無(wú)源濾波器(fc)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題:

　　圖4 高通濾波器

　　(1) 濾波器發(fā)出的無(wú)功應(yīng)滿(mǎn)足補(bǔ)償功率因數(shù)，抑制電壓波動(dòng)及閃變的要求; (2) 選取的濾波電容器的額定電壓應(yīng)保證濾波器的安全可靠運(yùn)行; (3) 濾波器的分組應(yīng)滿(mǎn)足濾除諧波電流的要求; (4) 濾波器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行充分的計(jì)算機(jī)仿真及數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)選，經(jīng)多個(gè)方案比較，選擇最佳方案; (5) 對(duì)選定的濾波器應(yīng)進(jìn)行濾波器各種運(yùn)行方式下的計(jì)算機(jī)仿真，避免與系統(tǒng)發(fā)生諧振; (6) 對(duì)濾波器的安全運(yùn)行應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)校驗(yàn)。

　　3 tcr+fc型svc的應(yīng)用舉例

　　2005年由遼寧榮信電力電子股份有限公司為安陽(yáng)鋼廠新上了一套tcr和fc補(bǔ)償容量分別18mvar和17mvar的tcr+fc型svc。該工程負(fù)荷主要為兩臺(tái)粗軋機(jī)(2×4200kw同步電機(jī))。經(jīng)過(guò)晶閘管變流調(diào)速裝置進(jìn)行調(diào)速，過(guò)載倍數(shù)為2倍。這些設(shè)備掛接在6kv母線上，系統(tǒng)最小短路容量為238mva。上輥定子整流變壓器容量為3000kva，連接組別為d/d0 3臺(tái)，下輥定子整流變壓器容量為3000kva，連接組別為d/y11 3臺(tái)。由于整流變壓器采用了d，y接法，故可以消除3的整數(shù)倍次的高次諧波，從而使注入電網(wǎng)的諧波電流只有5、7、11……等諧波。經(jīng)計(jì)算粗軋機(jī)最大無(wú)功沖擊為15120kvar，6kv母線最小短路容量為238mva。電壓波動(dòng)國(guó)標(biāo)允許值為2%。所以允許無(wú)功波動(dòng)為:

　　△q=sdmin×△u%=238×2%=4.76mva

　　補(bǔ)償容量為: qmax-△q=15.12-4.76=10.36mvar。

　　為留有余量，取11mvar。

　　總計(jì)算負(fù)荷為19407kva，平均功率因數(shù)從0.75提高到0.95所需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功為6.45mvar?？偵纤觯措妷翰▌?dòng)選擇容量，tcr及fc的容量均為11mvar。經(jīng)仿真計(jì)算，濾波器總?cè)萘?15mvar，基波補(bǔ)償容量為11mvar，分為h3、h5、h7三個(gè)通道。h3次濾波器安裝容量為4.2mvar,補(bǔ)償容量為3.21mvar;h5次濾波器安裝容量為6mvar,補(bǔ)償容量為4.25mvar;h7次濾波器安裝容量為5.4mvar,補(bǔ)償容量為3.54mvar;主接線系統(tǒng)圖如圖5所示。

　　圖5 主接線系統(tǒng)圖

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　目前，tcr+fc型svc已在冶金行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。也取得了顯著的效果。已經(jīng)形成了成熟的技術(shù)方案。另外，svc還有晶閘管投切電容器(tsc)型、飽和電抗器型(sr型)、晶閘管控制高阻抗變壓器型(tct)等形式。對(duì)svc的發(fā)展研究主要集中在控制策略上，如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)家系統(tǒng)控制系統(tǒng)也被引入svc控制系統(tǒng)，使svc系統(tǒng)的性能更加提高。而且隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了以大功率可關(guān)斷晶閘管(gto)器件代替普通的晶閘管構(gòu)成的靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generator，簡(jiǎn)稱(chēng)svg)。由于其具有響應(yīng)速度快，吸收無(wú)功連續(xù)、產(chǎn)生的高次諧波量小、調(diào)節(jié)范圍廣、損耗與噪聲小等特點(diǎn)，使其成為未來(lái)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向?！　?.2、有源諧波濾除裝置

　　目前在無(wú)功補(bǔ)償裝置中進(jìn)行諧波治理的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源濾波器APF。它通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)的電壓電流經(jīng)運(yùn)算處理后得到補(bǔ)償控制指令控制主電路產(chǎn)生諧波補(bǔ)償電流，此電流與所要濾除諧波電流的幅值大小相等相位相差180°，從而可以相互抵消使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響可消除與系統(tǒng)阻抗或負(fù)載發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。另外，此裝置不僅能補(bǔ)償無(wú)功和各次諧波還可抑制閃變，具有高度可控性和快速響應(yīng)性。它是當(dāng)前無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理領(lǐng)域重要的研究發(fā)展方向。

　　這里介紹一種采用有源濾波器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的方案，適合在諧波嚴(yán)重的工況下使用。此方案其實(shí)就是在原來(lái)FC+TCR的基礎(chǔ)上，增加一有源濾波器。具體實(shí)現(xiàn)方法為，將一變壓器的原邊串聯(lián)接在電力系統(tǒng)和諧波源之間，副邊接有源濾波器的輸出部分。設(shè)計(jì)的初衷是，希望基波電流可以從變壓器的原邊流過(guò)，而諧波電流被隔離，無(wú)功補(bǔ)償裝置中的電容器和電抗器串聯(lián)的支路為被隔離起來(lái)的諧波提供通路，從而達(dá)到濾除諧波的目的。根據(jù)變壓器的工作原理，要滿(mǎn)足上述要求，就需要檢測(cè)變壓器原邊電流中的基波分量，然后采用有源逆變的方法跟蹤此基波分量，并將此基波分量注入變壓器的副邊，從而補(bǔ)償變壓器原邊基波電流所產(chǎn)生的基波磁通，使得變壓器對(duì)原邊基波電流呈現(xiàn)低阻抗，而對(duì)于原邊諧波電流呈現(xiàn)高阻抗?？梢?jiàn)，為了在變壓器的副邊產(chǎn)生一個(gè)與原邊基波電流大小成比例、方向相反的電流，就必須準(zhǔn)確地從電網(wǎng)電流中檢測(cè)出基波電流，即需要有基波電流檢測(cè)部分，這也是此有源濾波器的關(guān)鍵部分。另外此裝置還要有功率放大部分，它由滯環(huán)控制、PWM驅(qū)動(dòng)和逆變器組成，將檢測(cè)到的原邊基波電流經(jīng)轉(zhuǎn)換作為給定信號(hào)采用滯環(huán)電流控制使其能夠跟蹤原邊基波電流。從以上分析可見(jiàn)，該方案只需檢測(cè)、跟蹤基波電流，補(bǔ)償基波磁通，性能比較穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，易于在工程中實(shí)現(xiàn)。

　　從本質(zhì)上講，APF可看作一個(gè)大容量的諧波電流發(fā)生裝置。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)中的畸變波形實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償，可使任意頻率、任意幅值和相位的諧波都能被濾除，并使無(wú)功功率得到完全補(bǔ)償。其中，如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)無(wú)功電流和諧波電流，并將此信號(hào)作為有源濾波的控制信號(hào)，是同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的關(guān)鍵問(wèn)題。為了使濾波器有較好的信號(hào)跟蹤效果，有人提出運(yùn)用自適應(yīng)預(yù)測(cè)原理，實(shí)驗(yàn)證明，該方法效果顯著，可達(dá)到預(yù)期目的。

　　有源濾波器在我國(guó)已開(kāi)始掛網(wǎng)運(yùn)行但還需要解決一些問(wèn)題。比如：在大容量應(yīng)用中有源濾波器逆變器的容量如何最小化;有源濾波器在負(fù)載動(dòng)態(tài)過(guò)程條件下如何實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié);在嚴(yán)重畸變的不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)及負(fù)載下如何提高適應(yīng)性等?，F(xiàn)階段有源濾波器研究和應(yīng)用的一個(gè)顯著特征是混合型有源濾波器，即將有源濾波器和無(wú)源濾波器相結(jié)合。有源部分相當(dāng)于一個(gè)諧波隔離器?既能阻止負(fù)載的諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)?又能防止電網(wǎng)的諧波電壓影響負(fù)載，而電網(wǎng)公共連接點(diǎn)上其它負(fù)荷的諧波電流則流入無(wú)源濾波器。這樣可以同時(shí)發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到良好的補(bǔ)償目的?；旌闲陀性礊V波器最大的好處是，逆變器只需承擔(dān)諧波電流和諧波電壓，從而極大地降低了有源部分的容量，非常適合于大功率諧波負(fù)載的補(bǔ)償。

　　有源諧波濾除裝置是在無(wú)源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它的濾波效果好，在其額定的無(wú)功功率范圍內(nèi)，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個(gè)和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制，成本極高，其制作也較之無(wú)源濾波裝置復(fù)雜得多，成本也就高得多了。其主要的應(yīng)用范圍是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，尤其是寫(xiě)字樓的供電系統(tǒng)，工廠的計(jì)算機(jī)控制供電系統(tǒng)。對(duì)單臺(tái)的裝置而言，其利潤(rùn)是可觀的，但用戶(hù)一般不愿意用有源濾波，對(duì)于諧波的含量，不必濾得太干凈，只要不危害其他用電器也就可以了。