SVC諧波抑制工程設(shè)計(jì)

丁錄軍

（中國(guó)二十二冶集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063020）

大型軋機(jī)、電弧爐、電石爐等負(fù)荷運(yùn)行時(shí)不僅產(chǎn)生復(fù)雜的諧波電流，負(fù)荷和無(wú)功變化也大，使供電系統(tǒng)母線電壓產(chǎn)生波動(dòng)，并帶來(lái)閃變，造成電能質(zhì)量幾個(gè)指標(biāo)同時(shí)超標(biāo)，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定和提高電壓質(zhì)量已成當(dāng)務(wù)之急。另外，大功率沖擊性負(fù)荷和負(fù)荷嚴(yán)重不平衡也會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，甚至干擾其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的無(wú)源濾波方法已不能滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷和無(wú)功快速變化的要求，必須采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波方法。

20世紀(jì) 70年代隨著電力電子發(fā)展出現(xiàn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償器（static var compensator，SVC）［1］不僅能對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，也可濾除諧波。適用于電力、冶金、化工、交通等行業(yè)中的沖擊性負(fù)荷，在國(guó)內(nèi)外輸配電系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用，對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和改善電能質(zhì)量起到了十分重要的作用［2］。SVC裝置中，無(wú)源濾波器主要用于濾除高次諧波濾波和配合晶閘管控制電抗器共同完成無(wú)功補(bǔ)償任務(wù)；晶閘管控制電抗器還有一個(gè)重要作用，就是平衡不對(duì)稱負(fù)載。本文以榮信設(shè)計(jì)的靜止型高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器為例，討論TCR+FC型SVC的設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括主電路和控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

1 諧波的危害

諧波電流不僅增加了電網(wǎng)的損耗，也使電力系統(tǒng)中運(yùn)行的設(shè)備產(chǎn)生附加損耗。例如，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生附加銅耗和附加雜散損耗，以及附加鐵耗等。致使電動(dòng)機(jī)總損耗增加，效率及功率因數(shù)下降。也會(huì)危害運(yùn)行的電力設(shè)備。例如，如果含有高次諧波的電壓加在電容器兩端，會(huì)使電容器電流激增，有時(shí)會(huì)發(fā)生高次諧波諧振，惡化電容器運(yùn)行效率，甚至因過(guò)負(fù)荷造成損壞。諧波也能電力系統(tǒng)中的使控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，甚至造成其控制失靈或誤動(dòng)作，出現(xiàn)故障。諧波含量過(guò)高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)加速各種電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)的老化，甚至引發(fā)諧振過(guò)電壓，擊穿絕緣。此外，諧波對(duì)通訊造成的干擾也引起了人們的重視。

2 SVC性能

以榮信設(shè)計(jì)的靜止型高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）為例。設(shè)計(jì)的SVC系統(tǒng)晶閘管閥采用光電觸發(fā)方式和BOD保護(hù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。系統(tǒng)控制全部全數(shù)字化和智能化，控制、監(jiān)視及故障診斷功能完善。能靜態(tài)自檢和動(dòng)態(tài)檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)各種隱患，準(zhǔn)確進(jìn)行預(yù)警和保護(hù)。系統(tǒng)對(duì)過(guò)流、電源異常、丟同步電源、丟脈沖、脈沖不平衡、晶閘管擊穿，和電容內(nèi)外熔絲、及各種過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、接地、不平衡等都具有保護(hù)功能；控制系統(tǒng)與功率單元之間采用光纖通訊，信號(hào)穩(wěn)定，不受電磁場(chǎng)干擾，強(qiáng)弱電間隔離可靠。主回路設(shè)計(jì)解決了電容器組對(duì)諧波電流的放大問(wèn)題。冷卻系統(tǒng)采用智能型密閉純水冷，具有水冷系統(tǒng)故障保護(hù)。

3 諧波抑制SVC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主回路電路

設(shè)計(jì)的TCR+FC型SVC主電路接線如圖1所示。

圖1 TCR+FC型SVC的主回路接線圖

SVC系統(tǒng)由FC、TCR和控制系統(tǒng)組成。FC主要提供容性無(wú)功功率和對(duì)諧波濾波；TCR用于平衡不對(duì)稱負(fù)載和系統(tǒng)波動(dòng)。SVC根據(jù)檢測(cè)到的負(fù)荷無(wú)功功率變化和不對(duì)稱狀況，通過(guò)控制 TCR，保證電抗器、負(fù)載和電容器三者的不同性質(zhì)的無(wú)功功率總和為0或最小，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，同時(shí)，消除負(fù)載波動(dòng)和不對(duì)稱運(yùn)行產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃變及負(fù)序分量。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：SVC調(diào)節(jié)器根據(jù)同步電壓和進(jìn)線電流的采樣信號(hào)，跟蹤負(fù)荷變化和不對(duì)稱情況，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，發(fā)出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)晶閘管；觸發(fā)角不同，產(chǎn)生的TCR電抗電流也不同，即對(duì)應(yīng)不同感性無(wú)功率量。因此，可使電抗器、負(fù)載和電容器的無(wú)功功率總體達(dá)到平衡，并平衡負(fù)荷的不對(duì)稱有功負(fù)荷[3-4]。

3.2 LC濾波器

無(wú)源濾波器可濾除不同的高次諧波，同時(shí)配合TCR進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。用于電力系統(tǒng)的SVC，需要濾除的諧波較少，變化也不大，但SVC自身產(chǎn)生的諧波需要考慮，設(shè)計(jì)時(shí)，可設(shè)置5，7次的單調(diào)諧濾波器并配以高通濾波器。用于補(bǔ)償沖擊性負(fù)荷的SVC，設(shè)計(jì)時(shí)，濾波器容量選擇要兼顧SVC自身產(chǎn)生的諧波和負(fù)荷產(chǎn)生的大量諧波。實(shí)際運(yùn)行的濾波器并非真正處于諧振狀態(tài)，設(shè)計(jì)的諧振頻率略有偏離以兼顧就近的偶次諧波，同時(shí)，可防止諧波電流過(guò)大和避免與系統(tǒng)發(fā)生諧振。

圖2 高次諧波等效電路

單調(diào)諧LC濾波器的結(jié)構(gòu)和阻抗特性如圖3所示?？紤]系統(tǒng)頻率波動(dòng)、電容器、電抗器制造產(chǎn)生的參數(shù)偏差和電抗器調(diào)節(jié)偏差，以及溫度和負(fù)荷變化，實(shí)際濾波器諧振頻率與其設(shè)計(jì)值存在偏離設(shè)計(jì)值問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。通常單調(diào)諧濾波器Qn=1/2δ時(shí)濾波效果最好。由圖3（b）可知，單調(diào)諧濾波器的濾波效果與δ和Qn有直接關(guān)系。Qn過(guò)大，容易失諧，銳，曲線越尖銳，但越容易失諧，濾波效果下降越快；Qn過(guò)小，濾波效果不好，損耗較大。Qn和δ選取兼顧各個(gè)指標(biāo)取。

圖3 單調(diào)濾波器

圖4 高通濾波器

高通LC濾波器的結(jié)構(gòu)和阻抗特性如圖4所示。高通濾波器與單調(diào)諧濾波器不同，其品質(zhì)因數(shù)Qn=Rfn/XLn。通常Qn值取1～5。由圖4（b）可知，調(diào)諧頻率附近頻率偏差影響并不大。選擇高通濾波器截止頻率時(shí)，盡可能靠近要濾除的主要諧波。

在確定濾波方案時(shí)，對(duì)主要諧波可采用單調(diào)諧濾波器，以減小容量；對(duì)諧波電流不大的較高次諧波，可采用高通濾波器，以減少濾波支路。通常情況下，采用二者的合理組合。

3.3 TCR主電路

SVC中的 TCR通過(guò)反并聯(lián)晶閘管對(duì)與電抗器串連，在電壓正或負(fù)半周，在電壓峰值到零點(diǎn)的間隔內(nèi)觸發(fā)晶閘管，使電抗器工作。改變相位可控制電抗器電流大小，從而改變電抗器無(wú)功功率。電抗器容量選擇應(yīng)滿足系統(tǒng)對(duì)連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率的要求。TCR引起諧波電流在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)考慮。TCR工作電壓高，需要多個(gè)晶閘管串聯(lián)使用，晶閘管的技術(shù)性能參數(shù)應(yīng)盡可能相同。為了保證TCR可靠工作，多串聯(lián)晶閘管應(yīng)有冗余。同時(shí)導(dǎo)通是其正常工作的關(guān)鍵。

3.4 晶閘管的保護(hù)與觸發(fā)

SVC中采用反并聯(lián)晶閘管對(duì)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，配備RC緩沖吸收電路、BOD及均壓電阻保護(hù)。晶閘管閥運(yùn)行狀態(tài)判斷可根據(jù)反并聯(lián)晶閘管對(duì)所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)，從而進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)。

3.5 控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

控制制監(jiān)系統(tǒng)是 SVC的核心，由硬件軟件組成。

1）硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件由相互獨(dú)立的模塊組成，包括，DSP控制板、脈沖移相電路、過(guò)零檢測(cè)電路、電光轉(zhuǎn)換裝置等。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

SVC是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，各子系統(tǒng)除自身正常運(yùn)行，還需要相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)整體功能。控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是及時(shí)獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息的工具。圖5中可知，除采集數(shù)據(jù)外，控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)通信及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 SVC控制器結(jié)構(gòu)

2）軟件設(shè)計(jì)

SVC設(shè)計(jì)要保證無(wú)功補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)電壓變化不超過(guò)允許范圍。在三相對(duì)稱和無(wú)畸變情況下，計(jì)算較為簡(jiǎn)便；負(fù)荷不對(duì)稱或有畸變情況，可利用不對(duì)稱分量解耦變換，計(jì)算出正序、負(fù)序、零序電壓和電流，得到所需的控制信號(hào)。

進(jìn)行不對(duì)稱負(fù)荷補(bǔ)償時(shí)，采用前饋與反饋結(jié)合方法。由前饋根據(jù)負(fù)荷電流檢測(cè)結(jié)果計(jì)算出SVC輸出，由反饋根據(jù)實(shí)際與設(shè)定差值對(duì)SVC輸出進(jìn)行調(diào)整。補(bǔ)償不對(duì)稱負(fù)荷時(shí)采用分相控制策略，根據(jù)每相負(fù)荷具體不平衡情況，利用不同電抗進(jìn)行補(bǔ)償，消除負(fù)序電流和零序電流。利用DSP運(yùn)算速度快，精度高的優(yōu)勢(shì)，在DSP芯片中，用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程控制算法，保證控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

3.6 水冷系統(tǒng)

SVC高電壓大功率晶閘管采用高純水循環(huán)冷卻。系統(tǒng)體積小，效率更高，無(wú)污染。對(duì)水冷系統(tǒng)不同故障狀態(tài)，由PLC給出預(yù)警信號(hào)和停主機(jī)報(bào)警信號(hào)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提供水冷系統(tǒng)故障分析用信息。

3.7 保護(hù)系統(tǒng)

SVC過(guò)流和過(guò)載保護(hù)裝置能夠提供定時(shí)限與反時(shí)限過(guò)流保護(hù)，并對(duì)過(guò)負(fù)荷不平衡進(jìn)行保護(hù)。測(cè)量值采集評(píng)估和操作顯示，信號(hào)和跳閘命令輸出，二進(jìn)制信號(hào)的輸入與評(píng)估，RS485遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和故障錄波，由控制制監(jiān)系統(tǒng)統(tǒng)一處理。同時(shí)，重要軟硬件設(shè)有自檢功能。

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

4.1 常規(guī)試驗(yàn)

嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)需要進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)的各種電力設(shè)備和配件進(jìn)行試驗(yàn)，不能漏檢和漏項(xiàng)，并全部記錄。

4.2 線路檢查

試驗(yàn)前，對(duì)SVC系統(tǒng)所有的電力電纜做好相序標(biāo)記和編號(hào)，便于檢查接線是否正確。根據(jù)原理圖，檢查控制、電流和同步電壓回路的控制接線是否正確，以方便SVC的調(diào)試。保證同步電壓的ABC與TCR閥臺(tái)的ABC相互對(duì)應(yīng)，可用示波器把TCR閥臺(tái)上降壓后的電壓與同步電壓進(jìn)行比較。電流互感器用大電流發(fā)生器在一次側(cè)加流來(lái)檢驗(yàn)。

4.3 單體調(diào)試

單體調(diào)試目的是確認(rèn)單項(xiàng)設(shè)備是否能正常工作。包括：控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)性能，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、儀表檢測(cè)信號(hào)、觸發(fā)脈沖信號(hào)發(fā)送是否正常，及各種信號(hào)與到控制系統(tǒng)聯(lián)接情況。調(diào)試前要做的準(zhǔn)備工作，包括現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備接地良好，儀表安裝與接線正常，接地手動(dòng)或校驗(yàn)工作完成，所有設(shè)備和儀表能正常工作。準(zhǔn)備工作可在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝與接線時(shí)進(jìn)行。模擬各高壓柜的過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)流、速斷等故障試驗(yàn)時(shí)，保護(hù)應(yīng)能可靠動(dòng)作。試驗(yàn)必須準(zhǔn)備好各種安全措施，在確保安全情況下進(jìn)行調(diào)試。

4.4 無(wú)負(fù)荷聯(lián)調(diào)

對(duì)單體調(diào)試出現(xiàn)的問(wèn)題全部處理合格后，利用模擬聯(lián)動(dòng)調(diào)試驗(yàn)證SVC的各項(xiàng)控制和操作功能。根據(jù)工藝要求，SVC空負(fù)荷運(yùn)行，檢驗(yàn)各項(xiàng)流程的控制功能和信號(hào)系統(tǒng)的正確性、各節(jié)點(diǎn)的可靠性和穩(wěn)定性和整機(jī)各項(xiàng)控制功能。同時(shí)，調(diào)試和檢驗(yàn)SVC的報(bào)警、參數(shù)趨勢(shì)、記錄、權(quán)限、存儲(chǔ)和報(bào)表等管理功能。調(diào)試結(jié)果，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)部設(shè)計(jì)功能。

4.5 帶負(fù)荷聯(lián)調(diào)

帶負(fù)荷聯(lián)動(dòng)調(diào)試是 SVC安裝與調(diào)試的最后的環(huán)節(jié)。與無(wú)負(fù)荷聯(lián)動(dòng)調(diào)試基本相同，只是加載了負(fù)荷。需要注意的是：①制定方案時(shí)，應(yīng)考慮SVC投入運(yùn)行后實(shí)際生產(chǎn)工藝和管理；②對(duì)生產(chǎn)工藝和管理的全部崗位，在調(diào)試工程師指導(dǎo)下，由實(shí)際生產(chǎn)操作人員參與調(diào)試；③注意SVC運(yùn)行間隔時(shí)間、過(guò)程控制參數(shù)設(shè)定與調(diào)整、生產(chǎn)工藝極限設(shè)置等與無(wú)負(fù)荷聯(lián)調(diào)時(shí)區(qū)別；④調(diào)試應(yīng)與正常生產(chǎn)接軌，要對(duì)形成的各類報(bào)表和報(bào)告與設(shè)計(jì)工藝要求進(jìn)行對(duì)比分析，為日后生產(chǎn)提供參考；⑤按規(guī)程規(guī)范進(jìn)行 72h或48h的試生產(chǎn)運(yùn)行。

[1] 趙廣.靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,2001.

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