SVC谐波抑制工程设计

丁录军

（中国二十二冶集团有限公司，河北 唐山 063020）

大型轧机、电弧炉、电石炉等负荷运行时不仅产生复杂的谐波电流，负荷和无功变化也大，使供电系统母线电压产生波动，并带来闪变，造成电能质量几个指标同时超标，保证电力系统运行稳定和提高电压质量已成当务之急。另外，大功率冲击性负荷和负荷严重不平衡也会影响电力系统的稳定，甚至干扰其他电气设备的正常运行。传统的无源滤波方法已不能满足电力系统负荷和无功快速变化的要求，必须采用动态补偿滤波方法。

20世纪 70年代随着电力电子发展出现的静止无功补偿器（static var compensator，SVC）［1］不仅能对电网无功功率进行实时监测和动态补偿，也可滤除谐波。适用于电力、冶金、化工、交通等行业中的冲击性负荷，在国内外输配电系统中有着十分广泛的应用，对电力系统电压稳定和改善电能质量起到了十分重要的作用［2］。SVC装置中，无源滤波器主要用于滤除高次谐波滤波和配合晶闸管控制电抗器共同完成无功补偿任务；晶闸管控制电抗器还有一个重要作用，就是平衡不对称负载。本文以荣信设计的静止型高压动态无功补偿器为例，讨论TCR+FC型SVC的设计问题，包括主电路和控制监测系统以及现场调试。

1 谐波的危害

谐波电流不仅增加了电网的损耗，也使电力系统中运行的设备产生附加损耗。例如，使电动机产生附加铜耗和附加杂散损耗，以及附加铁耗等。致使电动机总损耗增加，效率及功率因数下降。也会危害运行的电力设备。例如，如果含有高次谐波的电压加在电容器两端，会使电容器电流激增，有时会发生高次谐波谐振，恶化电容器运行效率，甚至因过负荷造成损坏。谐波也能电力系统中的使控制系统产生误差，甚至造成其控制失灵或误动作，出现故障。谐波含量过高且持续时间较长时，会加速各种电力设备绝缘系统的老化，甚至引发谐振过电压，击穿绝缘。此外，谐波对通讯造成的干扰也引起了人们的重视。

2 SVC性能

以荣信设计的静止型高压动态无功补偿器（SVC）为例。设计的SVC系统晶闸管阀采用光电触发方式和BOD保护，具有很强的抗干扰能力。系统控制全部全数字化和智能化，控制、监视及故障诊断功能完善。能静态自检和动态检测能发现系统各种隐患，准确进行预警和保护。系统对过流、电源异常、丢同步电源、丢脉冲、脉冲不平衡、晶闸管击穿，和电容内外熔丝、及各种过流、过压、欠压、接地、不平衡等都具有保护功能；控制系统与功率单元之间采用光纤通讯，信号稳定，不受电磁场干扰，强弱电间隔离可靠。主回路设计解决了电容器组对谐波电流的放大问题。冷却系统采用智能型密闭纯水冷，具有水冷系统故障保护。

3 谐波抑制SVC系统设计

3.1 主回路电路

设计的TCR+FC型SVC主电路接线如图1所示。

图1 TCR+FC型SVC的主回路接线图

SVC系统由FC、TCR和控制系统组成。FC主要提供容性无功功率和对谐波滤波；TCR用于平衡不对称负载和系统波动。SVC根据检测到的负荷无功功率变化和不对称状况，通过控制 TCR，保证电抗器、负载和电容器三者的不同性质的无功功率总和为0或最小，实现无功补偿，同时，消除负载波动和不对称运行产生的电压波动和闪变及负序分量。

实现过程为：SVC调节器根据同步电压和进线电流的采样信号，跟踪负荷变化和不对称情况，经过计算后，发出相应的触发脉冲，触发晶闸管；触发角不同，产生的TCR电抗电流也不同，即对应不同感性无功率量。因此，可使电抗器、负载和电容器的无功功率总体达到平衡，并平衡负荷的不对称有功负荷[3-4]。

3.2 LC滤波器

无源滤波器可滤除不同的高次谐波，同时配合TCR进行无功补偿。用于电力系统的SVC，需要滤除的谐波较少，变化也不大，但SVC自身产生的谐波需要考虑，设计时，可设置5，7次的单调谐滤波器并配以高通滤波器。用于补偿冲击性负荷的SVC，设计时，滤波器容量选择要兼顾SVC自身产生的谐波和负荷产生的大量谐波。实际运行的滤波器并非真正处于谐振状态，设计的谐振频率略有偏离以兼顾就近的偶次谐波，同时，可防止谐波电流过大和避免与系统发生谐振。

图2 高次谐波等效电路

单调谐LC滤波器的结构和阻抗特性如图3所示。考虑系统频率波动、电容器、电抗器制造产生的参数偏差和电抗器调节偏差，以及温度和负荷变化，实际滤波器谐振频率与其设计值存在偏离设计值问题，设计时应予以考虑。通常单调谐滤波器Qn=1/2δ时滤波效果最好。由图3（b）可知，单调谐滤波器的滤波效果与δ和Qn有直接关系。Qn过大，容易失谐，锐，曲线越尖锐，但越容易失谐，滤波效果下降越快；Qn过小，滤波效果不好，损耗较大。Qn和δ选取兼顾各个指标取。

图3 单调滤波器

图4 高通滤波器

高通LC滤波器的结构和阻抗特性如图4所示。高通滤波器与单调谐滤波器不同，其品质因数Qn=Rfn/XLn。通常Qn值取1～5。由图4（b）可知，调谐频率附近频率偏差影响并不大。选择高通滤波器截止频率时，尽可能靠近要滤除的主要谐波。

在确定滤波方案时，对主要谐波可采用单调谐滤波器，以减小容量；对谐波电流不大的较高次谐波，可采用高通滤波器，以减少滤波支路。通常情况下，采用二者的合理组合。

3.3 TCR主电路

SVC中的 TCR通过反并联晶闸管对与电抗器串连，在电压正或负半周，在电压峰值到零点的间隔内触发晶闸管，使电抗器工作。改变相位可控制电抗器电流大小，从而改变电抗器无功功率。电抗器容量选择应满足系统对连续调节无功功率的要求。TCR引起谐波电流在设计滤波器时考虑。TCR工作电压高，需要多个晶闸管串联使用，晶闸管的技术性能参数应尽可能相同。为了保证TCR可靠工作，多串联晶闸管应有冗余。同时导通是其正常工作的关键。

3.4 晶闸管的保护与触发

SVC中采用反并联晶闸管对串联结构，配备RC缓冲吸收电路、BOD及均压电阻保护。晶闸管阀运行状态判断可根据反并联晶闸管对所对应的状态信号，从而进行保护设计。

3.5 控制监测系统

控制制监系统是 SVC的核心，由硬件软件组成。

1）硬件结构

控制系统硬件由相互独立的模块组成，包括，DSP控制板、脉冲移相电路、过零检测电路、电光转换装置等。其结构如图5所示。

SVC是一个复杂的系统，各子系统除自身正常运行，还需要相互协作共同实现整体功能。控制监测系统是及时获取系统状态信息的工具。图5中可知，除采集数据外，控制监测系统还负责各子系统通信及远程数据传输。

图5 SVC控制器结构

2）软件设计

SVC设计要保证无功补偿时系统电压变化不超过允许范围。在三相对称和无畸变情况下，计算较为简便；负荷不对称或有畸变情况，可利用不对称分量解耦变换，计算出正序、负序、零序电压和电流，得到所需的控制信号。

进行不对称负荷补偿时，采用前馈与反馈结合方法。由前馈根据负荷电流检测结果计算出SVC输出，由反馈根据实际与设定差值对SVC输出进行调整。补偿不对称负荷时采用分相控制策略，根据每相负荷具体不平衡情况，利用不同电抗进行补偿，消除负序电流和零序电流。利用DSP运算速度快，精度高的优势，在DSP芯片中，用C语言和汇编语言混合编程控制算法，保证控制的实时性和准确性。

3.6 水冷系统

SVC高电压大功率晶闸管采用高纯水循环冷却。系统体积小，效率更高，无污染。对水冷系统不同故障状态，由PLC给出预警信号和停主机报警信号，并将相关数据传递给监测系统，提供水冷系统故障分析用信息。

3.7 保护系统

SVC过流和过载保护装置能够提供定时限与反时限过流保护，并对过负荷不平衡进行保护。测量值采集评估和操作显示，信号和跳闸命令输出，二进制信号的输入与评估，RS485远程数据传输和故障录波，由控制制监系统统一处理。同时，重要软硬件设有自检功能。

4 现场调试

4.1 常规试验

严格按照国家规范标准，对需要进行常规试验的各种电力设备和配件进行试验，不能漏检和漏项，并全部记录。

4.2 线路检查

试验前，对SVC系统所有的电力电缆做好相序标记和编号，便于检查接线是否正确。根据原理图，检查控制、电流和同步电压回路的控制接线是否正确，以方便SVC的调试。保证同步电压的ABC与TCR阀台的ABC相互对应，可用示波器把TCR阀台上降压后的电压与同步电压进行比较。电流互感器用大电流发生器在一次侧加流来检验。

4.3 单体调试

单体调试目的是确认单项设备是否能正常工作。包括：控制系统对设备驱动性能，设备运行状态信号、仪表检测信号、触发脉冲信号发送是否正常，及各种信号与到控制系统联接情况。调试前要做的准备工作，包括现场电气设备接地良好，仪表安装与接线正常，接地手动或校验工作完成，所有设备和仪表能正常工作。准备工作可在进行现场设备安装与接线时进行。模拟各高压柜的过电压、欠电压、过流、速断等故障试验时，保护应能可靠动作。试验必须准备好各种安全措施，在确保安全情况下进行调试。

4.4 无负荷联调

对单体调试出现的问题全部处理合格后，利用模拟联动调试验证SVC的各项控制和操作功能。根据工艺要求，SVC空负荷运行，检验各项流程的控制功能和信号系统的正确性、各节点的可靠性和稳定性和整机各项控制功能。同时，调试和检验SVC的报警、参数趋势、记录、权限、存储和报表等管理功能。调试结果，系统应实现部设计功能。

4.5 带负荷联调

带负荷联动调试是 SVC安装与调试的最后的环节。与无负荷联动调试基本相同，只是加载了负荷。需要注意的是：①制定方案时，应考虑SVC投入运行后实际生产工艺和管理；②对生产工艺和管理的全部岗位，在调试工程师指导下，由实际生产操作人员参与调试；③注意SVC运行间隔时间、过程控制参数设定与调整、生产工艺极限设置等与无负荷联调时区别；④调试应与正常生产接轨，要对形成的各类报表和报告与设计工艺要求进行对比分析，为日后生产提供参考；⑤按规程规范进行 72h或48h的试生产运行。

[1] 赵广.静止无功补偿装置的设计与实现[D].北京:清华大学电机工程与应用电子技术系,2001.

[2] 王立春、安万洙、王晓艳、王飞义.SVC在国外冶金行业的应用[C].2010年西安第五届电能质量研讨会论文集：271-279.

[3] 逯帅,刘秀成,陈建业,等.SVC平衡控制方法及其所需信号的检测[J].电工电能新技术,2002,21(2):17-20.

[4] 逯帅,张海波,刘秀成,陈建业,王赞基,赵广.补偿动态三相不平衡负荷的方法及补偿装置[P].中国专利:02103873,2002-04-05.