SVC 静止无功补偿系统 项目介绍

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SVC 的应用可以分为两个方面：系统补偿和负荷补偿。 作为系统补偿时，它的作用有：维持输电线路上节点的电

压，减小线路上因为功率流动变化造成的电压波动，并提高输电线路有功功率的传输容量和电网的静态稳定性。

作为负荷补偿时，它的作用有：抑制负荷变化（如大型电动机、炼钢厂的电弧炉等）造成的电压波动和闪变；补偿负荷所需要的无功电流，改善功率因数，优化电网的能量流动。

在全世界输电系统中已有总装机容量超过 100,000MVar的大约 700 台装置投入运行。

二、 SVC 控制系统的原理与结构 2.1 SVC 系统概述SVC 系统的结构框图见图 2.1 。下面我们分别加以说明。

图 2.1 SVC 系统的功能框图

根据我国中小型 SVC 具有广阔的市场，同时天威集团在变压器制造上的优势，所以决定 SVC 无功补偿系统样机采用晶闸管控制高阻抗变压器（ TCT ）方式，变压器由三个单相 组 成△ /△ 形式，额 定 电 压 为 400V/800V ， 容 量 为120Kvar 。 为检验控制器能否实现设计的功能，并在实现的基础上改进控制器的响应特性和可靠性，按 SVC 无功补偿技术标准做了试验。其主电路如下：

图 2.2 SVC 样机系统试验的接线原理图

二 . 控制器结构原理由于对于各种冲击负荷而言同等补偿效果条件下，响应速度和所需补偿器的容量近似成正比，因此补偿装置具有快的响应速度即意味可以采用较小的变流器，从而节约投资。但晶闸管的平均响应速度和反馈回路的时间决定了响应速度。

互感器

变送器

DSP控制板T CR脉冲发生板

T SC过零触发板

晶闸管端电压测量模块

系统电压

系统电流

100V + 10V

~ - 10V

相位信号

投切命令

三相晶闸管端电压信号

电脉冲

电脉冲

系统电压

控制面板

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SIMADYN-D控制系统输出入接口

SIMADYN-D控制系统控制原理采用了基于瞬时无功的理论，分别将负荷无功电流和补偿器无功电流作为输入通过瞬时无功计算得到负荷无功和补偿器无功，利用前馈环节和反馈 PI调节达到高精度和快速响应的目的。

SIMADYN-D控制系统控制原理

SIMADYN-D控制系统控制原理

仿真结构图： EMTP 的具有图形界面和电力电子器件与装置模型的版本－ EMTDC

SYMADYN－ D 结构与控制器仿真原理图

控制系统以 PLC 为中心，采用一个西门子 S7—200 。动补 PLC 控制具有系统抗干扰性好、运行安全、工作稳定可靠，编程直观简单，便于用户掌握等特点。在 PLC 输出部分有触发电路和显示电路，输入有功无功计算和保护电路。

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采用德国 SIEMENS公司的SIMADYN-D控制系统

采用德国 SIEMENS公司的 SIMADYN-D控制系统在目前国内是一个广泛被接受的实践；全数字化控制响应速度快控制精度高但价格较高，约 130万，但硬件仅 30万，主要是软件

内存模块（ MM3 型）

控制系统性能

EB11 输入输出模块

IT41 数字 / 模拟输入模块

IO 模块 EA12 模拟输入模块

IT42 数字 / 模拟输入模块

ITDC 6 脉冲逆变控制模块

SS52 通讯模块等

模拟屏

信号装置

变电所控 制和检测

打印机 工作站

分布式 控制单元

开关控制单元和二进制 I/O

数据采集系统

SVC

检测系统 同步单元

触发脉冲发生装置

无功功率控制 计算机

阀控单元

主电路

操作界面

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2.2 TWSVC 无功补偿系统监控屏1 配置 :TWSVC 主电路采用了TCT 的结构。 2 补偿原理： 典型的静止无功补偿器在控制下既可以产生也可以吸收无功功率，固定电容器加滤波装置使系统略呈容性，控制系统根据计算的无功量控制晶闸管的导通角，实现快速，连续调节电感，向系统投入感性负荷，使系统为纯阻性或略呈感性。滤波器根据系统情况，设计滤掉可控电抗系统产生的3 、 5 、 7 、 11 等次谐波及系统中原有的各次谐波。

2.2.1 控制器工作原理 通过 AD采集板采集负载侧的三相电压和电流，运用瞬时无功理论进行计算，采用 PI调节得出需补偿的无功量，转化为所需的电纳值，通过查表的方式取得晶闸管的触发角度。把结果通过光耦或光纤传输给触发板，依靠脉冲变压器触发晶闸管，实现无功功率的可控补偿。

2.2.2 DSP 控制板的结构和功能

图 2.3 TMS320LF2407 型控制板硬件原理框图

线电流监测

电容过载

电容不平衡

避雷器过载

避雷器故障

TCR过载

旁路开关故障

平台故障

其他相联络线

保护逻辑

控制器

◆设过流保护、过压保护、欠压保护；开入量保护有：变压器保护、冷却系统故障保护、电容器保护、晶闸管阀过流保护、缺相保护等。◆ 过流保护：电流超过额定电流的 10% 时，装置点亮相应指示灯，并加 5° 触发角；超过 30% 时， 30s 后发保护性触发脉冲，并通过开出量发出信号。◆ 过压、欠压保护：三相电压有效值超过整定的过压、欠压值时，控制装置点亮相应指示灯，并通过开出量发报警信号；三相电压有效值超过额定电压 20% 时，控制装置发保护性触发脉冲，并通过开出量发出信号。◆开入量：保护触点闭合，装置点亮相应指示灯，并封锁触发脉冲。◆ 具有频率自动跟踪功能，当输入电压的频率变化时，相应调整触发脉冲宽度，以保证正负半周准确触发。◆ 显示：采用液晶显示系统电压、电流、有功、无功等量有效值。◆整定值：可设置手动触发角。◆ 具有串口通讯功能。

2.3 TCR 脉冲发生板电路 TCR 脉冲发生板的作用是根据 DSP 板输出的方波信号调制成高频脉冲，控制 TCR 主电路里晶闸管的导通角度，从而改变接入系统的等效电抗。 SVC 作负荷补偿时，为补偿负荷的不平衡， TCR 必须具有分相调节的能力；为能消除 TCT 中的直流分量，正负半波必须分别控制；六组晶闸管可有不同的导通角，因此，必须具有六组独立的触发电路。

2.4 TSC 无功补偿控制器 2.4.1 主要用途：适用 于交流 50Hz ， 额 定 电 压400V 无功补偿系统。接触器型适用于对补偿速度不要求太快的场合；晶闸管型中我们由于采用了自主开发的晶闸管端电压过零的触发技术，对系统和电容无冲击，克服了常规电压或电流过零触发所不可避免的充电电流冲击，所以可适用于需要频繁快速补偿的场合。而由于结构上采用了晶闸管 8421 控制方式，更适合于补偿级数多容量大的系统。

2.4.2 工作原理： 每周期采样 32 点，采用傅里叶算法计算电压、电流、功率因数；利用公式 计算无功功率。2.4.3 技术特点： 抗干扰能力强，通过 IECIII 级干扰试验。 可在较强谐波含量工况下，精确计算基波的电流、电压 、 无功，有功及功率因数。采用高性能单片机，集成度高，成本低，可靠性高 。循环投切电容器，提高电容器使用寿命。 8421 投切特点：可在只控制 4 回路电容器情况下，完成 15级分级投切。精度高，操作方便。

sin3UIQ

TSC 无功补偿350kvar 工业样机

TSC 无功补偿126kvar 试验样机

晶闸管过零投入电容时电压波形

2.5 光纤传输控制装置为了防止触发信号种传输过程中受到干扰，通常采用光耦隔离，或光纤传输。

2.6 晶闸管阀的保护 当晶闸管接通或断开电流时，将会在晶闸管两端产生周期性的电压跃变，为了阻尼电压跃变及线路上的暂态电压，晶闸管阀均配有由电容器及电阻或非线性电阻构成的保护元件。另外晶闸管设有过电压保护、过电流保护、过负荷保护等。

2.7 晶闸管阀的冷却装置 晶闸管元件的冷却方式较多，但主要有下列几种：水冷、油冷、风冷及热管冷却。

.叁 实验室样机的性能试验为了验证所设计的 120kVar TCT 样机系统的工作原理和性能参照 IEEE 标准和相应国标制定的技术条件进行了试验。3.1 样机 SVC主要技术指标

◆ 额定工作电源电压： 220V◆ 额定输入电压模拟量： 380V或 100V ◆ 额定输入电流模拟量： 1A或 5A◆ 连接点额定电压： 0.38kV-220kV◆ 额定补偿容量： 50Kvar-10Mvar◆ 电压测量精度：不大于 1%

◆ 电流测量精度：不大于 2.5%

◆ 有功测量精度：不大于 5%

◆ 无功测量精度：不大于 5%

◆ 控制系统动态响应时间小于 10ms

◆ 模拟输入 16 路◆ 隔离开关量输入 16 路，空接点方式输入◆ 隔离开关量输出 12 路，空接点方式输出◆ 绝缘性能：绝缘电阻和介质强度符合国家检验标准◆ 抗电磁干扰性能：符合 IEC255-22 标准

响应时间说明：控制响应，扰动响应，系统响应，调节时间

8． 2． 2 响应特性要求根据 SVC 的实际用途，对其响应特性的要求可在下述 1 ）、 2 ）中选择其一进行约束；对于要求具备抑制电压波动闪变的工业、配电用 SVC ，还必须满足下述 3 ）所要求的约束条件。1） SVC 系统整体调节时间此时， SVC 响应特性曲线示例图如附录 B图 1 所示。从控制信号（参考电压）输入开始，在规定的 SVC 响应时间（ms ）范围内，系统电压应达到预期电压水平的 90 ％；此时应明确所要求的最大过调量（％），同时规定在达到予设最终变化范围（％）以前的调整予设时间（ ms ），即稳定时间。应明确，上述响应特性的要求是在第 7 章给出的最小三相短路容量的条件下给出的。2 ）控制系统响应时间 从控制信号（参考电压）输入开始， SVC 控制器完成控制信号的采样、分析、计算，直至控制器发出触发调整信号所经历的时间（参见附录 B图 2 所示）。应明确约定控制系统的响应时间（ ms ）。

IEEE Std 1031-1991 IEEE Guide for a Detailed FunctionalSpecification and Application of Static VAR Compensators

3.2 SVC 主要技术要求试验 3.2.1 零漂检查 装置各输入回路不加任何激励量，测量各回路的零漂值，电压回路的零漂值在 0.05V 以内，电流回路的零漂值在 0. 1A 以内。试验满足技术要求。3.2.2 输入量范围1. 交流电压： 将装置各相电压回路端子同极性并联并加入测试电压，要求各回路的测量范围和测量误差满足表 1 的规定； 表 1 各输入电压回路同极性并联测试电压

输入电压 0.7 eU 0.85 eU eU 1.1 eU 1.2 eU

测量误差 ≤1% ≤1% ≤0.5% ≤1% ≤1%

2. 交流电流： 将装置各电流回路端子顺极性串联并通入测量电流，要求各回路的测量范围和测量误差满足表 2 的规定； 表 2 各电流回路顺极性串联测试电流

输入电流 0.10 eI 0.20 eI 0.50 eI eI 1.1 eI 1.3 eI

测量误差 ≤10% ≤2.5% ≤2% ≤1% ≤1% ≤2.5%

试验满足技术要求。 3.2.3 开关量检查1. 开入量 变压器保护、冷却系统发生故障、电容故障（仍在可以接受的范围）、晶闸管阀严重过流、系统断相、装置瞬时停机保护等通过相应的开入量接入装置，开入量闭合，对应的指示灯点亮报警，装置封锁触发脉冲。2. 开出量 装置故障、过压、欠压、过流，装置对应的指示灯点亮，并通过相应的开出量发出信号。

3.2.4 无功显示精度试验无功显示精度不低于 ±5% 。试验满足技术要求。3.2.5 频率变化试验当输入电压的频率变化时，测量触发脉宽，脉宽随着频率比例变化，误差不大于 ±5% 。3.2.6 触发精度检测手动触发固定角度，测量触发脉冲的触发时刻，与理论触发脉冲的触发时刻进行比较，误差不大于 ±1% 。试验满足技术要求。3.2.7 三相电感的电纳一致性试验在控制器上手动设定触发角度，测量电压和电流值计算得到实际输出电纳，与平均值进行比较，误差不大于 ±5% 。 AC 回路电纳误差较大，可通过软件改变触发角修正。

3.2.8 过流试验 电流超过额定电流的 10% 时，加 5° 触发角；超过 30% 时， 30s 后发保护性触发脉冲，并通过开出量发出信号。试验满足技术要求。3.2.9 过压、欠压试验 输入电压有效值超过整定的过压、欠压值时，控制装置点亮相应指示灯，并通过开出量发报警信号；输入电压有效值超过额定电压 20% 时，控制装置发保护性触发脉冲，并通过开出量发出信号。试验满足技术要求。3.2.10 动态性能试验 采用 TCT和 TSC 联合调试。控制器在运行状态下，手动投入或切除一组电容，用监控系统记录 TSC和 TCT 的电流变化波形。波形如图 3.3 。用光标测量调整时间和响应时间，以 SVC 由额定容性输出变为额定感性输出进行考核。装置由吸收全无功转到产生全无功所需响应时间不劣于 50ms （其中控制器调节时间不劣于 10ms ），调整时间不劣于 100ms ；

投入或切除一组电容时 TSC和 TCT 的电流变化波形

3.6 SVC 控制器试验总结 通过上边各节的试验验证， SVC 样机结构合理，控制算法正确，基本实现了设计功能，精度满足技术标准的要求。 SVC样机的系统响应时间为 30ms ；调整时间为 70ms 。现场反复试验证明， SVC 样机运行可靠。但还存在以下一些问题：1 ．由于试验条件的限制， SVC 试验样机没有作电压闭环控制。 2． SVC 扰动响应时间主要由测量、滤波环节、采样、计算、显示程序、 PI 调节器、等待触发时刻、系统响应等延时决定。 3 ．三相电纳一致性试验检验出 CA 回路与另外两回路电纳误差较大， AB 回路和 BC 回路电纳一致性很好。可通过软件改变 CA 回路触发角修正。但今后生产应严格要求一致性误差不大于 5% 。 4 ．由于滤波器设计较为简单，主要是工程经验和生产工艺问题，考虑到经济因素，因此样机中没有包括滤波器，故谐波较大。

四、 SVC 装置配套谐波滤波器的设计4.1 SVC 装置本身产生的谐波分析 理想情况时，不同导通角下 TCR 回路的谐波电流可通过傅里叶级数分析求出，如下式（ 4-1 ）为其 n次特征谐波分量的幅值：

（ 4-1 ） 其中： Um — TCR 补偿母线电压的最大值； X — 相控电抗器电抗 上式成立的前提条件是反并联晶闸管的控制角是相等的，否则将产生偶次谐波。如下表 4.1 所示为以上特征谐波分量的最大值及对应的晶闸管导通角。 谐波次数 3 5 7 9 11 13 15 17

谐波幅值 0.1378 0.0545 0.0257 0.0156 0.0105 0.0078 0.0027 0.0022

导通角 1200 1080 1020 1000 980 960 950 950

表 4.1 TCR 正常运行时的最大特征谐波电流值

4.2 谐波滤波器设计的实例分析 4.2.1 滤波器的选型

4.2.2 各次滤波器容量计算 步骤 1 ：计算各个滤波通道总的谐波电流 步骤 2 ：按照各次谐波电流值分配各次谐波滤波器的基波容量 步骤 3 ：各次滤波通道的额定电压计算 步骤 4 ：各次滤波通道的额定容量计算

图 4.2 单调谐滤波器 图 4.1 C型滤波器

五、 SVC 监测系统总体设计及测试5.1 监测系统的总体功能规划 工业上实用的 SVC 系统是非常庞大、复杂的，如图 5. 1 所示，它包括了众多的子系统： SVC 主电路、功率脉冲发生电路、控制器、监测系统、保护系统、水冷却系统、其他辅助电路等。 SVC 监测系统的功能可分为系统状态监视、系统故障记录、系统调试、数据分析及性能评估、远程监视等几个主要方面。

图 5.1 SVC 系统的结构框图

监测系统的基本功能是状态监测，监测对象如表 5.1 所示。表 5.1 SVC 监测系统的监测对象表

工控机采用研华一体化工控机， 15″液晶显示器，主频 1G ，内存 256M ；多功能采集卡采 用阿尔泰公司的PCI2006， 32 路单端或 16路双端输入、 400kHz14位A/D 转换器， 16 路开关量输入， 16 路开关量输出；自行设计的开入和开出驱动板插入计算机扩展槽，开入和开出板放在工控机外面，通过电缆并经过光耦隔离接入驱动板，增加抗干扰能力。软件开发平台采用LabVIEW7.0 SVC 监测系统的结构框图如图 5.2 所示。

图 5.2 SVC 监测系统的结构框图

5.2 监测系统的硬件结构、功能

图 5.3 SVC 监测系统的软件结构框图

5.3 SVC 监测系统的软件设计 LabVIEW 程序是由多层多个结构和接口模型一致的子 VI（ Virtual Instrument ）相互连接、嵌套构成的，每一个封装好的子 VI都可以完成特定的功能，既可以作为一个独立的虚拟仪器程序，也可以被其他的 VI 调用。基于LabVIEW 的这个特点， SVC 监测系统的软件设计，我们采用了按功能划分的模块化程序结构，即根据监测系统的功能确定其程序结构。

监测系统的程序由系统监测、系统调试、历史查询等三个基本模块和用户管理、参数设置、帮助等模块组成，每个模块都完成一定的功能，模块之间通过“数据流”进行连接、组合，从而构成一个功能丰富的虚拟仪器系统，如图 5.3 所示。

图 5.4 主控制台界面

5.4 监测系统软件子模块的功能 5.4.1 主控制台模块

图 5.5 系统监测界面

5.4.2 系统监测模块 该模块是整个监测系统软件的核心子模块，是系统软件运行时的主界面。

图 5.6 系统调试界面

5.4.3 系统调试模块 系统调试模块可以在较短的时段内可控地记录 SVC 系统各主要监测变量的实时数据，并可对记录的数据进行波形显示、参量计算、高级信号分析等。

图 5.7 录波仪测得的系统电压波形

5.5 SVC 监测系统的测试 监测系统的测试主要是对各个软件模块的功能、可靠性进行测试，具体的测试内容包括：系统监测模块中的数据采集、计算、存储、显示、故障录波等功能的测试；系统分析模块中的各种电量曲线的高级分析功能测试；系统调试模块中的录波器、示波器功能测试；监测系统和上位机之间的远程监测功能测试；其它的程序模块功能测试等等。

用录波仪和监测系统同时采集 SVC 主电路某一电量的一段波形，由监测系统传递到上位机上。通过比较这三个波形，就可以对监测系统的测量性能，上位机和监测系统数据通信的有效性，以及上位机的波形显示模块的性能进行评估。

5.5.1 监测系统和上位机通信功能的测试图 5.8监测系统采集的系统电压波形

图 5.9 上位机上的系统电压波形

5.5.2 SVC 的动态响应测试 测试过程： SVC 正常运行时，启动虚拟录波器，并开始对SVC 系统中的 TSC 电流和 TCT 电流进行录波，随即手动投入或切除一组电容，持续录波过程数秒钟，而后停止录波，则虚拟录波器就记录下了 TSC 电流和 TCT 电流在这个动态过程中的变化情况，然后启动虚拟示波器，就可以得到该动态过程中TSC 电流和 TCT 电流的波形、电流有效值的变化曲线以及SVC 的动态响应时间等，从而就可以对 SVC 的补偿性能做出评估。这样既测试了监测系统虚拟录波器、示波器的性能，同时也利用监测系统测试了 SVC 的动态响应特性。图 4.3是测得的 TSC 电流和 TCT 电流的波形、电流有效值在动态过程中的变化曲线。