1、磁閥式靜止型動態無功補償裝置原理及在電力系統中的應用周晉中，許學亮（山西晉中供電分公司 山西晉中 030600）摘要：該文介紹了磁閥式靜止型動態無功補償裝置（MSVC）的基本原理和應用，并針對國內現有的幾種先進補償技術進行了原理及性能比較。關鍵詞：MCR(磁閥式可控電抗器) SVC(靜止型動態無功補償裝置) 無功補償 諧波 1前言電力系統電壓、無功、諧波三大指標對全網經濟效益和改善供電質量至關重要。根據電力工業的現狀和發展，新型無功補償裝置的研制和應用是我國電網系統解決電能質量的重大關鍵技術課題。目前，無功補償主要裝置是電容器、電抗器和少量的動態無功補償裝置,其技術存在明顯不足之處:如開關（斷

2、路器）投切電容器組的調節方式是離散的，不能取得理想的補償效果【4】；開關投切電容所造成的涌流和過電壓對系統和設備本身都十分有害。本文主要介紹的磁閥式可控電抗器(MCR)型SVC，具有輸出諧波小、結構簡單、可靠性高，價格低廉，占地面積小、免維護等顯著優點，是高壓和超高壓電網理想的動態無功補償，電壓調節，諧波治理設備。它由磁閥式可控電抗器、控制器、電容器(C) 或濾波器(FC) 、晶閘管閥柜構成，下面集中對MCR作簡介。2、磁閥式可控電抗器工作原理無功補償設備采用直流助磁式可控電抗器，其原理是利用附加直流勵磁磁化鐵芯，改變鐵芯磁導率，實現電抗值的連續可調，其內部為全靜態結構，無運動部件，工作可靠性

3、高。圖1為單相可控電抗器的鐵芯、線圈結構示意圖【1】。圖1 單相可控電抗器鐵芯、線圈示意圖可控電抗器采用小截面鐵芯和極限磁飽和技術，如圖四柱鐵芯結構，在中間兩工作鐵芯柱上分布著多個小截面段，在電抗器的整個容量調節范圍內，僅有小截面段鐵芯磁路工作在飽和區，而大截面段始終工作于未飽和線性區，其上套有線圈。如圖1所示，電抗器中間兩工作鐵芯分別有小截面段，在整個工作過程中，大截面鐵芯段始終不飽和，僅小截面段飽和，且飽和的程度很高。圖3為鐵芯磁化曲線示意圖，曲線中間部分為未飽和線性區，左、右兩邊為極限飽和線性區。若使電抗器工作在極限飽和線性區，不僅可以減小諧波含量，同時亦能大幅降低鐵芯磁滯損耗，電抗器鐵

4、損控制在理想狀態【2】。圖2 磁閥式可控電抗器鐵芯結構圖3鐵芯磁飽和特性可控電抗器原理接線圖如圖4所示。在可控電抗器的工作鐵芯柱上分別對稱地繞有匝數為的兩個線圈，其上有抽頭比為的抽頭，它們之間接有可控硅、，不同鐵芯的上下兩個主繞組交叉連接后并聯至電源，續流二極管接在兩個線圈的中間。圖4 磁控電抗器原理接線圖3磁閥式可控電抗器特性3.1諧波特性磁閥式可控電抗器產生的諧波比相控電抗器（TCR）小50%。如圖5所示。可見最大3次諧波電流為額定基波電流的7%左右，5次諧波電流為2.5%左右【2】。圖5可控電抗器諧波電流分布3.2伏安特性在一定控制導通角下，磁閥式可控電抗器伏安特性近似線性【2】。 3.

5、3控制特性可控電抗器輸出電流（容量）隨控制角增加而減少【2】。3.4響應時間圖6示出可控電抗器從空載到額定或從額定到空載容量的電流過渡過程波形，時間約為0.3秒。例如，額定容量為300MVA的可控電抗器，緊急情況下可在0.3秒內可提供300MVA的無功功率。圖6可控電抗器調節過渡過程波形4特點 MCR型SVC的特點 電感平衡部分的結構是由一臺磁控電抗器組成，其優缺點大致表現在以下幾個方面：n 磁控電抗器控制部分的可控硅一般工作在系統額定電壓的百分之幾的水平上，由于是在控制磁閥的飽和度，所以無需很大的控制功率，晶閘管工作在低電壓小電流的工況下，大大提高了系統的穩定運行系數【1】。n 磁控電抗器本

6、身就像一臺變壓器，可以采用不同的冷卻方式，在35KV電壓等級以下均采用風冷和油冷兩種自然冷卻方式，所以沒有輔助冷卻設備，可以為無人值守的變配電系統配套使用。n 由于可控硅部分工作在支流運行方式，所以不會產生諧波電壓，近乎于TCR型所產生諧波量一半以下的諧波是因為磁化的非線性過程造成的。n 磁控電抗器的缺點是反應速度相對較慢，在0.3S左右，與飽和速度成反比。目前正在開發反應速度更快的產品。n 磁控電抗器免維護，占地面積小，安裝方便【2】。5可靠性 這種可控電抗器不需要外接電源，完全由電抗器的內部繞組來實現自動控制； 其控制系統從輸電線路進行數據采集，通過控制可控硅晶閘管的導通角進行自動控制，因

7、此可實現連續可調，并且從最小容量到最大容量的過渡時間很短，因此可以真正實現柔性輸電【3】； 網側繞組不需要抽頭，所有繞組的聯接也很簡單，保證了高壓或特高壓可控電抗器的可靠性； 從產品的運行情況看，俄羅斯500kV及以下等級已大量采用該技術【2】，國內750KV系統也在實際操作中，方案可見是先進、成熟和可靠的。6安全性l MCR僅僅需要一只二極管、兩只可控硅，磁控電抗器，可控硅不需要串、并聯，承受電壓只有系統總電壓的1%-2%，運行穩定可靠【2】。l 可控硅動作，整流控制產生的諧波不流入外交流系統。l 即使可控硅或二極管損壞，磁控電抗器也僅相當于一臺空載變壓器，不影響系統其他裝置的運行。l 接入

8、三相系統的MCR采用角形連接，并不是將磁控電抗器取代濾波電容中的串聯電抗器，因此與電容器不會產生諧振【2】。當MCR容量與電容器容量相等時，發生并聯諧振，等效阻抗無窮大，相當于從系統中斷開。7經濟性 采用低電壓水平的電子器件（可控硅）控制，就可以實現各個電壓級別電壓的自動調整，保持電壓的穩定； 在相同電壓下可提高30%的輸電容量； 降低輸電線路的損耗； 提高電力系統的穩定性； 在系統的靜態和動態情況下均能最大限度地傳輸功率； 電網中采用這種可控電抗器可取消自耦變壓器第三繞組以及相配套的補償電容器，工程總造價降低。 磁控電抗器結構簡單，占地面積小，基礎投資大大壓縮。 MSVC自身有功損耗低【2】

9、。8使用范圍廣泛適用于電力無功變化迅速，電壓、無功、諧波需控制或綜合治理的供用電場所：冶金：A工業用電爐和鐵合金爐電爐(鐵合金電爐)在工業上用途非常廣泛，煉鋼、煉鐵、煉鐵合金都需要很大功率的電爐。電爐的工作特性特殊性，會對電網造成很大的沖擊破壞，如造成電網電壓波動；電壓的閃變；三相嚴重不平衡；無功功率快速變化；產生大量的高次諧波等【4】。B軋鋼系統系統的功率因數都十分的低，一般的補償裝置，但都存在沒有動態調整部分的問題，對于這類設備，采用磁控電抗器組成的SVC是十分合適的，咬鋼的過程都在數秒的慣性范圍內，完全可以適應系統的要求，甩鋼后又能及時地由電抗器保持平衡，不會出現過補現象【4】。C原料及

10、高爐系統一般區域變電系統的功率因數都很低，同時電機的工作負荷也很不穩定，所以可以大量的采用MCR型SVC作為補償裝置。D有色冶金冶煉銅和鋁:一般都采用電爐冶煉，其過程比鋼鐵冶煉爐穩定，也是高耗能的化學反應過程，但穩定波動系數更大，所以也存在電壓波動大、諧波豐富及功率因數很低等方面的問題【4】，是推廣應用MCR型SVC的另一個對象。電解銅和鋁:大量采用整流裝置，由于會產生的諧波和槽內電流變化的不穩定性都導致了電壓的無序波動，而設備的調節系統的工作會進一步加劇這種波動，因此穩定供電一直是電解系統的一大難題，采用MCR型SVC將會很好的解決此類問題【3】。煤炭：煤炭企業主要的生產工藝過程為采掘和運輸

11、(提升)，工輔系統為通風和排水，百分之九十的動力設備為旋轉電機，而且以交流電機為主。煤炭企業最大的特點是單機容量都較大，獨立分布和一些設備啟動頻繁等特點，由此造成了系統供電品質因素很低，穩定性很差等諸多問題，改善這類問題的很好辦法也是采用反應速度要求不高，但運行可靠，投資與其它類型SVC有較大競爭的磁控型靜補設備。建材水泥：大部分水泥企業都采用活性水泥生產工藝，與煤炭企業唯一不同的就是它基本在地表以上操作，通風變成了除塵，也存在大量的皮帶運輸的問題，所以與煤炭企業相似。電力系統：a可用于并聯電抗器：長距離高壓輸電線路，在一定條件下，末端會造成容升電壓升高，可調電抗器并接入線路，可自動調節電感，

12、吸收無功電流，防止電壓升高【3】。b用于消弧線圈：中壓輸電系統發生單相接地時，對地電容電流會嚴重威脅電網的安全【3】。傳統的方法是在系統的中性點處裝設電感不可調的消弧線圈，用以抵消電容電流，達到滅弧的目的。由于電感不可調，滅弧效果并不理想。用可調電抗器作成消弧線圈，可任意調節電感，滅弧可靠性更高【1】。c用于輸電線路：可調電抗器和電容器串聯接入輸電線路，可以補償輸電線路的電感，提高線路輸電能力；改善系統的穩定性；降低系統的損耗，改善線路的電壓分布；優化線路間的負荷分配【3】。9同類其他技術特性9.1 相控式動態無功補償裝置（TCR）：原理：相控式原理的可控電抗器的調節原理見圖7所示。通過對可控

13、硅導通時間進行控制，控制角為，電流基波分量隨控制角的增大而減小，控制角可在090范圍內變化【4】。圖7 相控式電抗器的結構原理技術特點：電感平衡部分的結構一般是由可控硅、平衡電抗器、控制設備及相應的輔助設備組成，其優缺點大致表現在以下幾方面：a.晶閘管要長期運行在高電壓和大電流工況下，容易被擊穿。 b.晶閘管發熱量大，一般情況采用純水冷卻，除了要有一套水處理裝置可靠的水源而外，還需配有監護維修人員。c.由于調整主電抗電感量只能靠控制可控硅器件的導通角，關閉則需靠交流電的過零特性，所以必然會產生不同程度的諧波電壓污染電網。d.需要較大的設備安裝和運行工作位置，即占地面積很大。e.反應速度快9.2

14、 開關分組投切技術：原理：利用對系統無功功率的取樣，自動控制開關分組投切電容器，其調節方式是離散式的，容易過補和欠補。技術特點：a.開關投切時產生的涌流至少在7倍以上，威脅設備的安全。b.為離散式調節，容易產生過補和欠補，同時引起電壓波動。c.需要對濾波支路進行自動投切，雖然能調節無功功率的補償容量，但必然影響濾波效果。d.響應時間為0.8S,難以跟蹤負載變化，影響補償效果。分組投切技術設計的濾波裝置，因無功功率需求的變化而引起濾波補償支路的投運或切除。一旦系統所需補償無功功率較小而切除某個濾波補償支路，則該支路的濾波功能完全喪失，對諧波的治理非常不利，導致整個濾波設備不能達到設計的諧波治理功

15、效【4】。9.3 TSC型高壓補償濾波裝置：原理：利用串聯晶閘管代替真空接觸器作為投切開關，對無功補償進行離散式調節。技術特點：a.晶閘管串聯在高壓回路，容易被擊穿。b.正常運行時晶閘管承受高電壓、大電流，發熱量非常大，需要輔助冷卻設備和大量的維護工作。c.為離散式調節，容易產生過補和欠補，同時引起電壓波動【3】。d.需要對濾波支路進行自動投切，雖然能調節無功功率的補償容量，但必然影響濾波效果【4】。9.4 調壓補償技術：原理：主要由電壓調節器，微機控制器，電力電容器組成。圖8 系統接線示意圖1電容器組開關 電壓調節器避雷器 并聯電容器 放電線圈采用電壓調節器來改變電容器端部輸出電壓，根據Q=

16、2fCU2改變電容器端電壓來調節無功輸出，從而改變無功輸出容量來調節系統功率因數，目前生產的裝置可實現容量從（10036）%分九級輸出【4】。技術特點：a.是離散型分級無功補償裝置，不是真正意義上的線性無功補償裝置，為階梯型無功補償裝置。b.調壓技術需要改變電容器端電壓，進而改變電容器參數，無法實現濾波，甚至可能引起諧振的危險。c.變壓器檢修規程要求分接開關每隔一二年需要換油和吊芯檢查。維護量比較大的。幾種技術比較簡表：表1 幾種無功補償裝置比較表比較項目MCR型SVCTCR型SVC開關投切TSC投資中大中大運行方式無級調節（連續）無級調節（連續）分級投切（離散）分級投切（離散）可靠性免維護，

17、使用壽命25年維護量大維護量很大維護量大諧波水平比TCR型小50%5次:6.5%,7次:3.7%無小投切涌流無無7倍以上無有功損耗比TCR小50%平均0.5%-0.8%很小小占地面積為TCR的1/10很大，難布置大大調節時間0.3S40ms0.8S40ms過載能力110%無無無電磁污染無輻射大量工頻磁場，對人體危害無無10結束語目前，MCR型SVC已經在煤炭、電氣化鐵路、冶金行業及輸變電系統得到了廣泛的應用，并取得了顯著效果且形成了成熟的技術方案【2】。現在MSVC的發展研究主要集中于控制策略上，如引入了模糊控制、人工神經網絡和專家控制系統到MSVC控制系統【4】，使MSVC系統的性能更加提高

18、。周晉中 男 河北徐水人，1999年畢業于太原理工大學電力系統自動化專業，工程師許學亮 男 山西靈石人，1993年畢業于華北電力大學電力系統自動化專業，工程師The theory and application of the static var compensation equipment on electic power system Zhou Jin-zhong Xu Xue-liang(Shanxi Jinzhong Power Supply Company,Jinzhong Electric Power Design instituteShanxi Jinzhong 030600，China)Abstract: This paper introduces the basic theory and application about MSVC,and make a comparison and analysis with several advanced domestic compensation technology .Key