左 龍,吳曉蓉,林 波,郭明陽

(四川電力設計咨詢有限責任公司,四川 成都 610041)

0 引 言

相比較電網(wǎng)工程中常規(guī)負荷，采礦、冶金、電氣化鐵路、風光新能源等特殊負荷具有的非線性、波動性、沖擊性等特點，將引起公共電網(wǎng)的電壓波動及閃變、諧波、功率因數(shù)、三相不平衡等電能質(zhì)量問題，且在某些薄弱電網(wǎng)會被放大。

為減小特殊負荷對電網(wǎng)及設備的不利影響，常規(guī)固定投切電容(抗)器在響應速度、補償精度及使用壽命上并不能滿足要求，以SVC、SVG為代表的動態(tài)無功補償裝置是解決上述電能質(zhì)量問題的第一選擇。由于這類工程相對較少，工程設計人員對其基本原理、仿真及設計尚有不足，使得動態(tài)無功補償裝置效用不能充分發(fā)揮、主要問題得不到解決的現(xiàn)象時有發(fā)生。

基于此，對動態(tài)無功補償裝置配置方案(容量及型式)、仿真模型等進行了探討和總結(jié)，對特殊供電負荷的動態(tài)無功補償裝置設計具有一定參考意義。

1 特殊負荷[1]與動態(tài)無功補償裝置應用概況

1)高壓電動機：高壓電動機啟動引起電網(wǎng)電壓波動問題在電網(wǎng)薄弱地區(qū)采礦業(yè)較為常見，主要原因是電網(wǎng)短路容量小，電動機啟動無功沖擊相對大。該類電動機以傳統(tǒng)驅(qū)動方式的6 kV或10 kV供電交流電動機為主，直接啟動時啟動電流倍數(shù)為7～8倍，采用Y-Δ變換、電阻分壓等間接啟動方式后，啟動電流倍數(shù)一般在2～3倍。另一類為采用交-直-交變頻控制的大型交流(同步、異步)電動機，由于電動機電流可控，不存在沖擊問題。工程應用上，SVC或SVG都有采用。

2)冶金負荷：爐變短網(wǎng)是典型的低電壓大電流系統(tǒng)(100～200 V，電流可上萬安培)，生產(chǎn)過程中電極(通過電弧或爐料)存在頻繁短路和斷路，進而引起電壓波動及閃變、負序電流及三相不平衡、諧波、功率因數(shù)等系列電能質(zhì)量問題，礦熱爐、電弧爐熔化期最為明顯。負荷特點是無功沖擊大(1.2～1.5倍爐變?nèi)萘?、電壓波動大、沖擊無規(guī)律引起電網(wǎng)電壓閃變嚴重。SVC、SVG在功能上均能滿足抑制電壓波動及閃變、補償負序電流治理三相電壓不平衡等，實際應用中絕大多數(shù)采用SVC來抑制電壓波動及閃變[2]。

3)電氣化鐵路：電氣化鐵路為單相交流(27.5 kV或55 kV)負荷。一般而言，由于用電負荷(10～50 MW)相對接入點短路容量(牽引變電站多為110 kV或220 kV變電站)較小，變化相對較慢(如供電長度30 km，車速200 km/h)。為減小不平衡，一般采用斯考特變壓器、阻抗平衡變壓器等。因機車主流驅(qū)動系統(tǒng)為交-直-交驅(qū)動方式，電氣化鐵路系統(tǒng)諧波、功率因數(shù)可控，實際工程中一般電氣化鐵路牽引電站不需要配置動態(tài)無功補償裝置；另一類為地鐵供電負荷，牽引電站位于城區(qū)采用高壓電纜供電，輕載時供電系統(tǒng)存在充電功率過剩問題。絕大部分為直流制式，即有三相交流-直流變換，不存在三相不平衡問題。只有極少部分采用了交流制式，有一定的三相不平衡問題，但不突出?？紤]到場地布置等因素，一般采用SVG控制電壓。

4)風電、光伏等新能源為減小出力不穩(wěn)引起的并網(wǎng)點電壓波動均裝設了動態(tài)無功補償裝置。早期裝有MCR，后期有TCR型SVC，近年來由于新能源裝機的低電壓穿越要求，全部采用SVG。

2 動態(tài)無功補償裝置型式及特點

特殊負荷站的無功補償配置，對于恒定負荷部分宜配置常規(guī)電容(抗)器。對于動態(tài)變化部分應配置適量動態(tài)無功補償裝置。目前常見的動態(tài)無功補償有SVC和SVG，其中SVC有TSC型、MCR型、TCR型或其組合型式[3]，它們的工作原理、特性都有一定差別，各有其適用場合。

動態(tài)無功補償裝置常見類型及拓撲如圖1所示。

圖1 動態(tài)無功補償裝置常見類型

TSC型SVC是對常規(guī)電容器組的改進，將真空開關用2個反并聯(lián)晶閘管替換，可以在正、負半波分別觸發(fā)導通，裝置優(yōu)點是響應速度快、能夠?qū)崿F(xiàn)過零投切，裝置可靠、壽命長；缺點是階梯狀補償存在過補或欠補，晶閘管使用數(shù)量多，成本高、占地面積大。該型SVC應用較少，有用于提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的案例。

TCR型SVC能夠快速連續(xù)輸出無功，TCR工作產(chǎn)生諧波，需配置濾波支路。適用于需要容性出力較大、變化快速的場合，如冶金行業(yè)。因感性出力時裝置能損較大，有的大型試驗站存在無功過剩問題，該種型式SVC并不適合。

TCR+TSC型SVC實際上是對TCR型SVC的改進，TSC可根據(jù)需要選擇性投切電容器，TCR保留最小容量的必要濾波支路，有利于在較小容性出力或感性出力時減小TCR出力，適合于一些利用小時數(shù)不高，但要求快速響應的試驗性負荷。

MCR型SVC是通過改變鐵芯飽和程度來調(diào)節(jié)感性無功變化，造價低，適用于110 kV及以上高電壓等級；裝置響應速度慢(200 ms)，需配置諧波支路；有噪音問題。

SVG由全開斷器件IGBT串并聯(lián)而成，采用PWM調(diào)制技術、雙閉環(huán)控制策略，無功電流能夠快速變化，具有恒流源特性，相比SVC(阻抗特性)運行范圍更寬[4]。SVG輸出無功電流與電壓無關，更適合新能源并網(wǎng)的低電壓穿越要求，目前得到廣泛運用。裝置為模塊化結(jié)構(gòu)，占地小，維護便利。

3 動態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)模型

3.1 SVC控制模型

間接控制模式適用于近區(qū)電網(wǎng)故障引起的大幅電壓跌落工況，也即SVC無功儲備快速釋放；連續(xù)控制模式適用于電壓小范圍內(nèi)調(diào)整，一個重要參數(shù)是連續(xù)控制增益KSVS[6]，該值為

依上述討論，本文認為跟追糾纏行為應具有以下要素：1.行為具有反復性、持續(xù)性的特性；2.行為不限以實質(zhì)可見或碰觸的物理力量進行，更包含無形的侵擾手段；3.行為對于被害人造成生理、心理健康，社會互動及經(jīng)濟層面之負面影響。

Ksvs=SMIN/QSVC

(1)

式中：KSVS為連續(xù)控制增益；SMIN為被控點最小短路容量；QSVC為SVC容量。

3.2 SVG控制模型

BPA仿真軟件中SVG控制模型[5,7-8]如圖3所示。該模型由測量環(huán)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)器、延遲觸發(fā)環(huán)節(jié)等構(gòu)成，包含斜率控制、電壓閉環(huán)控制等。電壓偏差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器輸出為逆變器交流側(cè)電壓，該值與SVG并網(wǎng)點電壓的相對大小就決定了SVG注入電網(wǎng)的無功電流性質(zhì)與大小。該模型適用于直掛型SVG。此外，BPA還介紹了一種不計及出口電抗器的控制模型，該模型適合于配專用升壓變壓器的SVG。

4 仿真分析

以雄村銅礦專用站接入西藏末端電網(wǎng)為例，對動態(tài)無功補償方案進行對比分析。

雄村銅礦項目有功功率約為86.7 MW。根據(jù)業(yè)主資料，將在礦區(qū)新建1座雄村銅礦110 kV變電站來保證項目供電，主變壓器容量2×63 MVA，110 kV /10 kV。

圖2 SVC控制模型

圖3 SVG控制模型

雄村銅礦專用站的接入系統(tǒng)方案為：雄村銅礦110 kV變電站通過2回110 kV線路接入謝通門110 kV變電站，通過多林—謝通門—雄村線路供電。本期新建線路2×25 km，導線截面240 mm2。接入系統(tǒng)方案示意如圖4所示。

圖4 接入系統(tǒng)方案

雄村銅礦110 kV用戶站接入電網(wǎng)主要有兩個問題[9-10]：1)近區(qū)電網(wǎng)N-1故障有電壓穩(wěn)定性問題；2)場區(qū)大型電動機起動引起電壓波動較大(投產(chǎn)年枯小方式，用戶站110 kV母線短路容量794 MVA，電動機起動瞬間無功沖擊最大可達16.1 Mvar)。為解決上述問題，該站擬配置動態(tài)無功補償裝置。

配置動態(tài)無功補償裝置前后對電壓穩(wěn)定性的影響結(jié)果如表1所示，仿真結(jié)果表明：用戶站未配置動態(tài)無功補償裝置時，在多林—謝通門1回110 kV線路發(fā)生三相短路N-1故障，保護裝置正確動作情況下，雄村銅礦110 kV變電站110 kV側(cè)母線電壓僅能恢復至0.55 pu，無法恢復至正常水平，電壓失穩(wěn)；當配置32 Mvar及以下的SVC時，電壓仍失穩(wěn)；配置34 Mvar的SVC時，電壓仍穩(wěn)定。配置20 Mvar及以下的SVG時，電壓失穩(wěn)；當配置26 Mvar的SVG時，電壓穩(wěn)定(恢復至與SVC基本相當?shù)目刂菩Ч??？梢?，由于具有快速調(diào)節(jié)無功能力，動態(tài)無功補償裝置能夠提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，同時由于 SVG的恒流源特性與SVC的阻抗特性差別，在達到相同效果情況下，SVG容量比SVC容量小23%左右。

表1 謝通門—多林N-1時電壓穩(wěn)定結(jié)果

當多林—謝通門1回110 kV線路多林側(cè)發(fā)生N-1故障，分別在用戶站低壓側(cè)裝設34 Mvar的SVC或26 Mvar的SVG以穩(wěn)定用戶站高壓側(cè)母線電壓為目標的相關仿真波形如圖5和圖6所示。由圖知：

1)SVC方案：0 s故障后，被控電壓瞬間跌落至0.29 pu，電壓偏差很大，在控制系統(tǒng)間接控制模式下，SVC直接輸出最大導納值0.34 pu以支撐電壓恢復。當被控電壓恢復至0.8 pu(DV取0.2)時，在控制系統(tǒng)連續(xù)控制模式下，調(diào)節(jié)電壓恢復至故障前電壓值。

2)SVG方案：0 s故障后，被控電壓瞬間跌落至0.29 pu，在控制系統(tǒng)作用下，SVG通過連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)無功電流，來控制用戶站高壓側(cè)母線電壓。

圖5 SVC仿真波形

圖6 SVG仿真波形

綜上，為保證電壓穩(wěn)定性，SVC或者SVG應具備足夠容量。在此前提下，通過優(yōu)化調(diào)整SVC或SVG的控制參數(shù)，還可以滿足正常運行時大型電機起動引起的電壓波動問題，如對于雄村—謝通門、謝通門—多林各退出1回110 kV線路的運行工況，在未配置SVC或SVG情況下，單臺電機起動引起用戶站110 kV、10 kV側(cè)電壓波動達到8.86%、10.83%；若按上述容量及合適參數(shù)配置SVC或SVG，則可將用戶站110 kV、10 kV側(cè)電壓波動值限制在2.5%以內(nèi)[11]。

5 結(jié) 語

對常見特殊供電負荷引起的主要電能質(zhì)量問題及無功補償裝置應用情況進行了梳理，總結(jié)了動態(tài)無功補償裝置的基本原理、裝置特點，有助于針對特殊負荷選擇合適的動態(tài)無功補償裝置型式；詳細介紹了PSD-BPA仿真軟件中關于SVC、SVG的仿真應用，通過對薄弱電網(wǎng)某工程案例的仿真分析，驗證了電壓穩(wěn)定性主要與動態(tài)無功補償裝置容量有關，在容量一定的情況下，可以通過優(yōu)化控制參數(shù)來減小電壓波動。