摘要：本文详细研究了一种混合型无功补偿装置，该装置采用柔性交流输电（FACTS）技术结合传统TSC型SVC无功补偿控制技术设计而成，通过高效的协调控制技术，经核心控制系统实现统一控制，装置揉合了SVG与SVC的各自的优点，摒弃了双方的缺点，通过统一协调控制实现完美结合。本文针对装置的一次系统拓扑结构、无功优化控制策略与控制流程进行了详细描述，混合型无功补偿装置在响应时间、补偿精度、调节速度、调节范围、性价比等方面都有明显的优势，在实际应用中具有理论指导意义和推广价值。
关键词：混合无功补偿、无功发生器、SVG、TSVG
1、引言
随着电力电子装置的应用日益广泛，使得电网中的谐波污染日趋严重。在居民配电网中，随着居民生活水平的提高，变频空调、电梯、电脑等设备大量使用，以及工业用户中具有冲击负荷的电弧炼钢炉以及轧钢机等不断投入电网，造成了一系列的负面影响，如电网功率因数下降、波形畸变、电压波动、谐波干扰等，给电网带来额外负担并影响供电质量。
本文阐述了一种混合型无功补偿装置及其无功优化控制方法。该装置具有响应速度快、补偿精度高、单体成本合理等特点，能系统性地解决配电网线路无功传输损耗，抑制电压波动和闪变，消除无功倒送，提升配电网电力供应的输送能力，提高配电设备的利用效率，提升配电系统的动态品质和暂态稳定性，以及降低分布式新能源接入对配电网的影响等方面具有显著效果。同时混合型补偿装置采用模块化设计，集成度高，运行维护方便，具有数据终测及“三遥”功能，智能化程度高，装置运行安全、稳定可靠，适合在配电网建设改造工程中推广应用。
2、装置结构
动态混成无功补偿装置采用柔性交流输电（FACTS）技术结合传统TSC型SVC无功补偿控制技术设计而成，通过高效的协调控制技术，经核心控制系统实现统一控制。动态混成无功补偿装置是一种兼具瞬时补偿特性和稳态补偿特性的新型电力电子无功补偿控制装置。动态混成无功补偿一次系统主电路如图2-1所示。
图2-1 混合型无功补偿装置系统结构
该装置由一个SVG和TSC型SVC单元并联组合而成。SVG在其可调范围内可被视为一个快速可控的无功源，SVC用来满足系统中的稳态无功需求，而SVG则用于对无功需求中的动态部分做出及时的反应，并且在稳态情况下保留足够的动态可控无功储备。
3、无功优化控制方法
当系统的无功需求瞬间发生剧烈变化时，装置首先由SVG单元快速改变其输出，以对无功功率进行快速、动态、连续地补偿，同时提供对接入点电压的动态支撑和稳态调整，从而改善系统的动态和稳态性能，可提高系统的暂态稳定性，抑制无功功率震荡。当扰动导致系统进入新的稳态工作点后，装置再投入或切除适当数量的SVC电容器补偿单元，以承担由SVG所卸下的部分无功负荷。具体控制流程如图3-1所示。
图3-1 无功优化控制流程
控制器从电网采集主交流电网系统电压、系统电流，计算出系统当前的无功功率（QSYS），当|QSYS|>0时，判断SVG补偿支路需补偿的无功功率数值（|QSVG﹣QSYS|）是否超出SVG补偿支路的额定无功补偿容量（|QSVG额|），如果超出，SVG补偿支路补偿的无功功率等于﹣|QSVG额|或|QSVG额|，如果未超出，SVG补偿支路补偿的无功功率等于QSVG ﹣ QSYS，控制器将此信号发送给SVG补偿支路，使SVG补偿支路执行无功补偿。SVG补偿支路执行无功补偿后，控制器对系统电压（U电压）进行判定：如果U下限 < U电压 < U上限不成立，并且SVC补偿支路已投入若干电容器，则切除所有已投入电容器；如果U下限 < U电压 < U上限成立，则进行SVC补偿支路是否投切电容的判断；如果系统的实际无功功率（QSYS﹣QSVG）大于QSVC投限，并且此状态持续了一定时间，则在电容器未全部投入的情况下，SVC补偿支路将投入一组电容器；如果（QSYS﹣QSVG）小于﹣QSVC切限，并且此状态持续了一定时间，则在电容器未全部切除的情况下，SVC补偿支路将切除一组电容器。
动态混成无功补偿装置的SVG单元与SVC单元在统一调配下，既相互协调配合，又各自相对独立工作，既能满足不同的无功补偿需求，提高运行的灵活性和响应速度，又有利于减少SVG容量。同时，SVG单元能够实现从感性到容性的连续平滑调节，可有效解决居配小区夜间电缆等效电容导致的无功倒送问题。采用小容量SVG结合大容量SVC的动态混成无功补偿系统，可有效降低SVG的应用成本，却又能达到大容量独立SVG运行补偿性能。
4、功能特点
（1）具备瞬时响应能力，响应时间≤5ms，可在瞬间响应系统无功补偿需求，可有效抑制电压闪变或者波动；
（2）能够实现从感性到容性动态连续调节，补偿平滑无阶跃，不会产生欠补偿、过补偿；
（3）控制精度高，补偿效果好。补偿后0.95<cosΦ≤1；
（4）无功补偿、谐波治理、三相负荷不平衡，控制目标灵活可选，谐波畸变率<5%，三相负荷不平衡电流<10A；
（5）控制单元、功率单元模块化设计，集成度高，电磁兼容性好，抗干扰能力强，结构稳定；
（6）采用大容量SVC与小容量SVG通过统一协调控制，具有良好的动态特性和稳态性能。
5、并网接入方案
装置现场连接方式：并联安装于0.4kV母线系统中，接入点位于配电变压器后端，负荷前端。具体安装方式如下：
图5-1 安装示意图
6、运行效果
为验证动态混成补偿装置响应特性及补偿特性，于实验室搭建了由动态混合无功补偿装置、容性负荷（30kVar）、阻性负荷（20kW）组成了验证系统。其中动态混合无功补偿装置由270kVar TSC型SVC及30kVar SVG组成。该试验主要进行了响应时间和功率因数测试，具体测试情况如下图6-1所示：
图6-1 混合无功补偿装置响应时间测试
如上图6-1所示：2通道为系统电流，3通道为混合补偿装置电流，4通道为负载侧电流。投入30kVar容性负载时，动态混合补偿装置在瞬间响应，响应时间<5ms。投入30kVar容性负荷后，系统电流未明显变大，补偿后系统功率因数>0.98。因此，混合补偿装置具有响应速度快，补偿精度高的特点。
7、结论
动态混合补偿装置采用科学的控制策略，合理的结构，响应速度≤5ms，实现了高精度的补偿效果，有效地抑制了电压闪变，提高了供电品质。装置功率器件采用大功率电力电子器件与接触器相结合的运行方式、电容器组与变流单元优化结合，极大地延长了器件使用寿命，模块化设计，集多种功能于一体，可以减少配电系统工程建设重复项目，又可集约空间，装置的性价比高。
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作者简介：
包虎平（1983-），男，江苏江阴人，研发部负责人；
黄洁（1989-），女，江苏江阴人，研发工程师。
黄如峰（1990-），男，江苏江阴人，研发工程师。
张建兴（1965-），男，江苏江阴人，江阴方程电气自动化研究所有限公司董事长；
论文作者:包虎平,黄洁,黄如峰,张建兴
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
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