左 龙,吴晓蓉,林 波,郭明阳

(四川电力设计咨询有限责任公司,四川 成都 610041)

0 引 言

相比较电网工程中常规负荷，采矿、冶金、电气化铁路、风光新能源等特殊负荷具有的非线性、波动性、冲击性等特点，将引起公共电网的电压波动及闪变、谐波、功率因数、三相不平衡等电能质量问题，且在某些薄弱电网会被放大。

为减小特殊负荷对电网及设备的不利影响，常规固定投切电容(抗)器在响应速度、补偿精度及使用寿命上并不能满足要求，以SVC、SVG为代表的动态无功补偿装置是解决上述电能质量问题的第一选择。由于这类工程相对较少，工程设计人员对其基本原理、仿真及设计尚有不足，使得动态无功补偿装置效用不能充分发挥、主要问题得不到解决的现象时有发生。

基于此，对动态无功补偿装置配置方案(容量及型式)、仿真模型等进行了探讨和总结，对特殊供电负荷的动态无功补偿装置设计具有一定参考意义。

1 特殊负荷[1]与动态无功补偿装置应用概况

1)高压电动机：高压电动机启动引起电网电压波动问题在电网薄弱地区采矿业较为常见，主要原因是电网短路容量小，电动机启动无功冲击相对大。该类电动机以传统驱动方式的6 kV或10 kV供电交流电动机为主，直接启动时启动电流倍数为7～8倍，采用Y-Δ变换、电阻分压等间接启动方式后，启动电流倍数一般在2～3倍。另一类为采用交-直-交变频控制的大型交流(同步、异步)电动机，由于电动机电流可控，不存在冲击问题。工程应用上，SVC或SVG都有采用。

2)冶金负荷：炉变短网是典型的低电压大电流系统(100～200 V，电流可上万安培)，生产过程中电极(通过电弧或炉料)存在频繁短路和断路，进而引起电压波动及闪变、负序电流及三相不平衡、谐波、功率因数等系列电能质量问题，矿热炉、电弧炉熔化期最为明显。负荷特点是无功冲击大(1.2～1.5倍炉变容量)、电压波动大、冲击无规律引起电网电压闪变严重。SVC、SVG在功能上均能满足抑制电压波动及闪变、补偿负序电流治理三相电压不平衡等，实际应用中绝大多数采用SVC来抑制电压波动及闪变[2]。

3)电气化铁路：电气化铁路为单相交流(27.5 kV或55 kV)负荷。一般而言，由于用电负荷(10～50 MW)相对接入点短路容量(牵引变电站多为110 kV或220 kV变电站)较小，变化相对较慢(如供电长度30 km，车速200 km/h)。为减小不平衡，一般采用斯考特变压器、阻抗平衡变压器等。因机车主流驱动系统为交-直-交驱动方式，电气化铁路系统谐波、功率因数可控，实际工程中一般电气化铁路牵引电站不需要配置动态无功补偿装置；另一类为地铁供电负荷，牵引电站位于城区采用高压电缆供电，轻载时供电系统存在充电功率过剩问题。绝大部分为直流制式，即有三相交流-直流变换，不存在三相不平衡问题。只有极少部分采用了交流制式，有一定的三相不平衡问题，但不突出。考虑到场地布置等因素，一般采用SVG控制电压。

4)风电、光伏等新能源为减小出力不稳引起的并网点电压波动均装设了动态无功补偿装置。早期装有MCR，后期有TCR型SVC，近年来由于新能源装机的低电压穿越要求，全部采用SVG。

2 动态无功补偿装置型式及特点

特殊负荷站的无功补偿配置，对于恒定负荷部分宜配置常规电容(抗)器。对于动态变化部分应配置适量动态无功补偿装置。目前常见的动态无功补偿有SVC和SVG，其中SVC有TSC型、MCR型、TCR型或其组合型式[3]，它们的工作原理、特性都有一定差别，各有其适用场合。

动态无功补偿装置常见类型及拓扑如图1所示。

图1 动态无功补偿装置常见类型

TSC型SVC是对常规电容器组的改进，将真空开关用2个反并联晶闸管替换，可以在正、负半波分别触发导通，装置优点是响应速度快、能够实现过零投切，装置可靠、寿命长；缺点是阶梯状补偿存在过补或欠补，晶闸管使用数量多，成本高、占地面积大。该型SVC应用较少，有用于提高电网电压稳定性的案例。

TCR型SVC能够快速连续输出无功，TCR工作产生谐波，需配置滤波支路。适用于需要容性出力较大、变化快速的场合，如冶金行业。因感性出力时装置能损较大，有的大型试验站存在无功过剩问题，该种型式SVC并不适合。

TCR+TSC型SVC实际上是对TCR型SVC的改进，TSC可根据需要选择性投切电容器，TCR保留最小容量的必要滤波支路，有利于在较小容性出力或感性出力时减小TCR出力，适合于一些利用小时数不高，但要求快速响应的试验性负荷。

MCR型SVC是通过改变铁芯饱和程度来调节感性无功变化，造价低，适用于110 kV及以上高电压等级；装置响应速度慢(200 ms)，需配置谐波支路；有噪音问题。

SVG由全开断器件IGBT串并联而成，采用PWM调制技术、双闭环控制策略，无功电流能够快速变化，具有恒流源特性，相比SVC(阻抗特性)运行范围更宽[4]。SVG输出无功电流与电压无关，更适合新能源并网的低电压穿越要求，目前得到广泛运用。装置为模块化结构，占地小，维护便利。

3 动态无功补偿装置控制系统模型

3.1 SVC控制模型

间接控制模式适用于近区电网故障引起的大幅电压跌落工况，也即SVC无功储备快速释放；连续控制模式适用于电压小范围内调整，一个重要参数是连续控制增益KSVS[6]，该值为

依上述讨论，本文认为跟追纠缠行为应具有以下要素：1.行为具有反复性、持续性的特性；2.行为不限以实质可见或碰触的物理力量进行，更包含无形的侵扰手段；3.行为对于被害人造成生理、心理健康，社会互动及经济层面之负面影响。

Ksvs=SMIN/QSVC

(1)

式中：KSVS为连续控制增益；SMIN为被控点最小短路容量；QSVC为SVC容量。

3.2 SVG控制模型

BPA仿真软件中SVG控制模型[5,7-8]如图3所示。该模型由测量环节、电压调节器、延迟触发环节等构成，包含斜率控制、电压闭环控制等。电压偏差信号经过PI调节器输出为逆变器交流侧电压，该值与SVG并网点电压的相对大小就决定了SVG注入电网的无功电流性质与大小。该模型适用于直挂型SVG。此外，BPA还介绍了一种不计及出口电抗器的控制模型，该模型适合于配专用升压变压器的SVG。

4 仿真分析

以雄村铜矿专用站接入西藏末端电网为例，对动态无功补偿方案进行对比分析。

雄村铜矿项目有功功率约为86.7 MW。根据业主资料，将在矿区新建1座雄村铜矿110 kV变电站来保证项目供电，主变压器容量2×63 MVA，110 kV /10 kV。

图2 SVC控制模型

图3 SVG控制模型

雄村铜矿专用站的接入系统方案为：雄村铜矿110 kV变电站通过2回110 kV线路接入谢通门110 kV变电站，通过多林—谢通门—雄村线路供电。本期新建线路2×25 km，导线截面240 mm2。接入系统方案示意如图4所示。

图4 接入系统方案

雄村铜矿110 kV用户站接入电网主要有两个问题[9-10]：1)近区电网N-1故障有电压稳定性问题；2)场区大型电动机起动引起电压波动较大(投产年枯小方式，用户站110 kV母线短路容量794 MVA，电动机起动瞬间无功冲击最大可达16.1 Mvar)。为解决上述问题，该站拟配置动态无功补偿装置。

配置动态无功补偿装置前后对电压稳定性的影响结果如表1所示，仿真结果表明：用户站未配置动态无功补偿装置时，在多林—谢通门1回110 kV线路发生三相短路N-1故障，保护装置正确动作情况下，雄村铜矿110 kV变电站110 kV侧母线电压仅能恢复至0.55 pu，无法恢复至正常水平，电压失稳；当配置32 Mvar及以下的SVC时，电压仍失稳；配置34 Mvar的SVC时，电压仍稳定。配置20 Mvar及以下的SVG时，电压失稳；当配置26 Mvar的SVG时，电压稳定(恢复至与SVC基本相当的控制效果)。可见，由于具有快速调节无功能力，动态无功补偿装置能够提高系统电压稳定性，同时由于 SVG的恒流源特性与SVC的阻抗特性差别，在达到相同效果情况下，SVG容量比SVC容量小23%左右。

表1 谢通门—多林N-1时电压稳定结果

当多林—谢通门1回110 kV线路多林侧发生N-1故障，分别在用户站低压侧装设34 Mvar的SVC或26 Mvar的SVG以稳定用户站高压侧母线电压为目标的相关仿真波形如图5和图6所示。由图知：

1)SVC方案：0 s故障后，被控电压瞬间跌落至0.29 pu，电压偏差很大，在控制系统间接控制模式下，SVC直接输出最大导纳值0.34 pu以支撑电压恢复。当被控电压恢复至0.8 pu(DV取0.2)时，在控制系统连续控制模式下，调节电压恢复至故障前电压值。

2)SVG方案：0 s故障后，被控电压瞬间跌落至0.29 pu，在控制系统作用下，SVG通过连续动态调节无功电流，来控制用户站高压侧母线电压。

图5 SVC仿真波形

图6 SVG仿真波形

综上，为保证电压稳定性，SVC或者SVG应具备足够容量。在此前提下，通过优化调整SVC或SVG的控制参数，还可以满足正常运行时大型电机起动引起的电压波动问题，如对于雄村—谢通门、谢通门—多林各退出1回110 kV线路的运行工况，在未配置SVC或SVG情况下，单台电机起动引起用户站110 kV、10 kV侧电压波动达到8.86%、10.83%；若按上述容量及合适参数配置SVC或SVG，则可将用户站110 kV、10 kV侧电压波动值限制在2.5%以内[11]。

5 结 语

对常见特殊供电负荷引起的主要电能质量问题及无功补偿装置应用情况进行了梳理，总结了动态无功补偿装置的基本原理、装置特点，有助于针对特殊负荷选择合适的动态无功补偿装置型式；详细介绍了PSD-BPA仿真软件中关于SVC、SVG的仿真应用，通过对薄弱电网某工程案例的仿真分析，验证了电压稳定性主要与动态无功补偿装置容量有关，在容量一定的情况下，可以通过优化控制参数来减小电压波动。