张朝山　曹亚栋　马灵芝

摘  要：相比于电网工程中的常规负荷，以冶金、电气化铁路、采矿、风光新能源为主的特殊负荷，具有非线性、波动性以及冲击性等特点，极容易在公共电网中引发各种电能质量问题，并且在电网较为薄弱的区域中以上问题还会被放大。基于此，从动态无功补偿装置在特殊供电负荷中的应用概述着手，通过分析动态无功补偿装置的主要型号及特点，研究动态无功补偿装置控制模型，旨在为特殊供电负荷下动态无功补偿装置的设计提供理论方面的参考。

关键词：动态无功补偿装置;特殊供电负荷;应用

引言

特殊供电负荷在输送过程中很可能对电网和设备造成不同程度的影响，而常规固定投切电容器在使用过程中无法满足实际需要，尤其体现在响应速度慢、补偿精度低以及使用寿命短等方面，但以SVC、SVG为典型的动态无功补偿装置则能有效解决各种电能质量问题。实际上在工程领域中，该类装置的应用却相对较少，相关工程设计人员对该裝置的基本原理、仿真应用以及设计的认知仍有所欠缺，也无法充分发挥动态无功补偿装置应有的效益。

1 动态无功补偿装置在特殊供电负荷中的应用概述

1.1冶金负荷

低电压大电流中最具代表性的系统为炉变短网，其在投入使用时频繁发生电极短路或断路故障，造成电压波动或闪变、谐波、功率因数、负序电流及三相不平衡等电能质量相关问题，尤其是在矿热炉、电弧炉熔化期最为显著。与此同时，冶金负荷本质上具有无功冲击大、电压波动剧烈、无明显冲击规律等特点，极容易导致电网电压发生严重的闪变问题。而SVC、SVG等设备却能在功能上有效控制电压波动及闪变，并通过补偿负序电流抑制三相电压不平衡等问题，因此在实际应用过程中主要通过SVC来解决电压波动及闪变问题。

1.2风电、光伏等新能源

若出力不稳，极易引起并网点电压波动问题，但基于风电、光伏等新能源安装动态无功补偿装置则能有效解决以上问题。早在初期阶段我国就已安装了MCR，后期阶段则是TCR型的SVC设备。随着现代化社会发展进程的不断加快，社会各界对新能源装机提出了更高的低电压穿越要求，因此将所有设备换成了SVG。

1.3高压电动机

在电网较为薄弱的采矿区域中，时常面临高压电动机启动造成的电网电压波动现象，究其根本原因在于电网短路的容量过小，而电动机启动造成的无功冲击却相对较大。实际上大部分高压电动机主要由传统驱动模式下的供电交流电动机组成，其在直接启动过程中产生的电流倍数控制在7～8倍以内。若选择电阻分压或Y - △变换等间接启动方式，其启动电流倍数将会变化为2～3倍。若采用交、直、交变频控制方式的大型电动机，在可控的电动机电流下，可从源头上避免电网冲击问题的发生。在工程工业领域，SVC或SVG设备都得到了广泛应用。

1.4电气化铁路

电气化铁路本质上属于单相交流负荷。通常情况下，用电负荷相对接入点的短路容量普遍较小，且变化速率也较为缓慢，因而伴随着一定的不平衡问题。针对于此，考虑使用斯考特变压器、阻抗平衡变压器等设备。由于机车主流驱动系统主要采用交-直-交的驱动方式，并且电气化铁路系统中的谐波、功率因数也具有一定的可控性，因此电气化铁路牵引电站在实际应用过程中通常不需要装设动态无功补偿装置。对于地铁供电负荷，由于大多牵引电站集中在城区，主要通过高压电缆供电，在轻载模式下供电系统极易发生充电功率过剩等问题。与此同时，这种模式大多以直流制式为主，即三相交流-直流变换，避免了三相不平衡的问题。对于少部分采用交流制式的设备，其伴随着一定的三相不平衡问题，但效果并不突出。此外，在天气条件、场地布置等因素影响下，仍以SVG控制电压为主。

2 动态无功补偿装置的主要型号及特点

在特殊负荷站中装设无功补偿配置时，通常在恒定负荷部分安装常规电容器，而动态变化部分则可以配备适宜的动态无功补偿装置。现阶段较为常见的动态无功补偿装置型号主要包括SVC、SVC，其中SVC又可细分为TSC型、MCR型、TCR型及其组合型。以上装置的工作原理、特性都存在明显差别，在不同场合下的应用也各不相同。

以TSC型为主的SVC设备是由常规电容器组改造而来，其真空开关可通过两个反并联晶闸管进行替换，在正、负半波中还可以分别进行导通。该装置具有响应速度快、可过零投切、可靠性强、使用寿命长等优点，但其阶梯状补偿存在一定的过补或欠补问题，并且该装置对晶闸管使用的需求过高，在一定程度上加剧了成本损耗，所需占地面积也相对较大。该型SVC设备目前应用并不广泛，偶尔用于提高电网电压稳定性等领域。

TCR型SVC设备可在短时间内实现连续无功输出，其在实际应用过程中将会产生谐波，需配备滤波支路。该型号设备主要适用于容性出力大、变化快速的场所，如冶金行业。但需要注意的是，感性出力时装置可能会消耗大量能源，致使部分大型试验站出现无功过剩问题，因此应避免使用该种型式的SVC设备。

TCR、TSC组合型式的SVC设备是基于TCR型SVC设备改造而来的，其中TSC设备可结合实际需要选择适合的投切电容器。将TCR设备最小容量的必要滤波支路进行保留，可以在较小容性出力或感性出力时降低TCR出力，适用于小时数不高、响应速度快的试验性负荷。

MCR型SVC设备可通过改变铁芯饱和程度对感性无功变化进行调节，所耗费的造价成本也相对较小，在110kV及以上的高电压等级中具有良好的适用性。该装置的响应速度较为缓慢，需要谐波支路支持，且存在一定的噪音问题。

SVG设备主要由全开断器件ICBT串并联而成，以PWM调制技术、双闭环控制模式为核心。该设备的无功电流可快速变化，具有良好的恒流源特性。相比于SVC，该设备的运行范围更广。通常情况下，SVG的输出无功电流并不受电压影响，可充分满足新能源并网下的低电压穿越要求，在我国工程领域中已得到了广泛运用。

3 动态无功补偿装置控制模型

3.1 SVC控制模型

以BPA仿真软件中的SVC控制模型为例，该模型主要包括测量环节、电压调节器、触发环节等，由间接和连续控制两种模式组成。若电压偏差VrR高于门槛值DV，说明电压跌落值较高，可通过SVC设备输出的大容性无功支撑电压恢复到原始状态。在此过程中，间接控制可发挥一定的作用，期望的电纳控制信号也可设定为最大导纳值。若电压逐渐降低至门槛值以下，SVC将会转换为连续控制模式，在电压调节器的作用下该设备可对电压进行闭环控制。

3.2 SVG控制模型

BPA仿真软件中的SVG控制模型主要包括测量环节、电压调节器、延迟触发环节等要素，由斜率控制、电压闭环控制等模式组成。经PI调节器输出后，电压偏差信号可转化为逆变器交流侧电压，该值与SVG并网点电压的相对大小可直接决定该设备在电网中输出的无功电流性质和大小，在直挂型SVG设备中具有较好的适用性。另外，BPA仿真软件中还存在一种不涉及出口电抗器的控制模型，其主要适用于具备专用升压变压器的SVG装置。

结语

对特殊供电负荷中动态无功补偿装置的应用进行研究具有积极意义，通过分析常见特殊供电负荷引起的电能质量问题，探讨动态无功补偿装置的基本原理和特点，可以针对特殊负荷选择适合的动态无功补偿装置型式。与此同时，基于PSD-BPA仿真软件下SVC、SVG设备的仿真应用进行分析可知，若电压性与动态功补具有一定的容量，可以通过优化控制参数的方式科学调节电压波动。

参考文献

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