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MSVC技术原理及应用论文修改
磁阀式静止型动态无功补偿装置原理
及在电力系统中的应用
周晋中，许学亮
（山西晋中供电分公司山西晋中030600）
摘要：
该文介绍了磁阀式静止型动态无功补偿装置（MSVC）的基本原理和应用，并针对国内现有的几种先进补偿技术进行了原理及性能比较。
关键词：
MCR（磁阀式可控电抗器）SVC（静止型动态无功补偿装置）无功补偿谐波
1．前言
电力系统电压、无功、谐波三大指标对全网经济效益和改善供电质量至关重要。
根据电力工业的现状和发展，新型无功补偿装置的研制和应用是我国电网系统解决电能质量的重大关键技术课题。
目前，无功补偿主要装置是电容器、电抗器和少量的动态无功补偿装置,其技术存在明显不足之处:
如开关（断路器）投切电容器组的调节方式是离散的，不能取得理想的补偿效果【4】；开关投切电容所造成的涌流和过电压对系统和设备本身都十分有害。
本文主要介绍的磁阀式可控电抗器（MCR）型SVC，具有输出谐波小、结构简单、可靠性高，价格低廉，占地面积小、免维护等显著优点，是高压和超高压电网理想的动态无功补偿，电压调节，谐波治理设备。
它由磁阀式可控电抗器、控制器、电容器（C）或滤波器（FC）、晶闸管阀柜构成，下面集中对MCR作简介。
2、磁阀式可控电抗器工作原理
无功补偿设备采用直流助磁式可控电抗器，其原理是利用附加直流励磁磁化铁芯，改变铁芯磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。
图1为单相可控电抗器的铁芯、线圈结构示意图【1】。
图1单相可控电抗器铁芯、线圈示意图
可控电抗器采用小截面铁芯和极限磁饱和技术，如图四柱铁芯结构，在中间两工作铁芯柱上分布着多个小截面段，在电抗器的整个容量调节范围内，仅有小截面段铁芯磁路工作在饱和区，而大截面段始终工作于未饱和线性区，其上套有线圈。
如图1所示，电抗器中间两工作铁芯分别有小截面
段，在整个工作过程中，大截面
铁芯段始终不饱和，仅小截面
段饱和，且饱和的程度很高。
图3为铁芯磁化曲线示意图，曲线中间部分为未饱和线性区，左、右两边为极限饱和线性区。
若使电抗器工作在极限饱和线性区，不仅可以减小谐波含量，同时亦能大幅降低铁芯磁滞损耗，电抗器铁损控制在理想状态【2】。
图2磁阀式可控电抗器铁芯结构
图3铁芯磁饱和特性
可控电抗器原理接线图如图4所示。
在可控电抗器的工作铁芯柱上分别对称地绕有匝数为
的两个线圈，其上有抽头比为
的抽头，它们之间接有可控硅
、
，不同铁芯的上下两个主绕组交叉连接后并联至电源，续流二极管接在两个线圈的中间。
图4磁控电抗器原理接线图
3．磁阀式可控电抗器特性
3.1谐波特性
磁阀式可控电抗器产生的谐波比相控电抗器（TCR）小50%。
如图5所示。
可见最大3次谐波电流为额定基波电流的7%左右，5次谐波电流为2.5%左右【2】。
图5可控电抗器谐波电流分布
3.2伏安特性
在一定控制导通角
下，磁阀式可控电抗器伏安特性近似线性【2】。
3.3控制特性
可控电抗器输出电流（容量）随控制角增加而减少【2】。
3.4响应时间
图6示出可控电抗器从空载到额定或从额定到空载容量的电流过渡过程波形，时间约为0.3秒。
例如，额定容量为300MVA的可控电抗器，紧急情况下可在0.3秒内可提供300MVA的无功功率。
图6可控电抗器调节过渡过程波形
4．特点
MCR型SVC的特点
电感平衡部分的结构是由一台磁控电抗器组成，其优缺点大致表现在以下几个方面：
⏹磁控电抗器控制部分的可控硅一般工作在系统额定电压的百分之几的水平上，由于是在控制磁阀的饱和度，所以无需很大的控制功率，晶闸管工作在低电压小电流的工况下，大大提高了系统的稳定运行系数【1】。
⏹磁控电抗器本身就像一台变压器，可以采用不同的冷却方式，在35KV电压等级以下均采用风冷和油冷两种自然冷却方式，所以没有辅助冷却设备，可以为无人值守的变配电系统配套使用。
⏹由于可控硅部分工作在支流运行方式，所以不会产生谐波电压，近乎于TCR型所产生谐波量一半以下的谐波是因为磁化的非线性过程造成的。
⏹磁控电抗器的缺点是反应速度相对较慢，在0.3S左右，与饱和速度成反比。
目前正在开发反应速度更快的产品。
⏹磁控电抗器免维护，占地面积小，安装方便【2】。
5．可靠性
Ø这种可控电抗器不需要外接电源，完全由电抗器的内部绕组来实现自动控制；
Ø其控制系统从输电线路进行数据采集，通过控制可控硅晶闸管的导通角进行自动控制，因此可实现连续可调，并且从最小容量到最大容量的过渡时间很短，因此可以真正实现柔性输电【3】；
Ø网侧绕组不需要抽头，所有绕组的联接也很简单，保证了高压或特高压可控电抗器的可靠性；
Ø从产品的运行情况看，俄罗斯500kV及以下等级已大量采用该技术【2】，国内750KV系统也在实际操作中，方案可见是先进、成熟和可靠的。
6．安全性
●MCR仅仅需要一只二极管、两只可控硅，磁控电抗器，可控硅不需要串、并联，承受电压只有系统总电压的1%-2%，运行稳定可靠【2】。
●可控硅动作，整流控制产生的谐波不流入外交流系统。
●即使可控硅或二极管损坏，磁控电抗器也仅相当于一台空载变压器，不影响系统其他装置的运行。
●接入三相系统的MCR采用角形连接，并不是将磁控电抗器取代滤波电容中的串联电抗器，因此与电容器不会产生谐振【2】。
当MCR容量与电容器容量相等时，发生并联谐振，等效阻抗无穷大，相当于从系统中断开。
7．经济性
Ø采用低电压水平的电子器件（可控硅）控制，就可以实现各个电压级别电压的自动调整，保持电压的稳定；
Ø在相同电压下可提高30%的输电容量；
Ø降低输电线路的损耗；
Ø提高电力系统的稳定性；
Ø在系统的静态和动态情况下均能最大限度地传输功率；
Ø电网中采用这种可控电抗器可取消自耦变压器第三绕组以及相配套的补偿电容器，工程总造价降低。
Ø磁控电抗器结构简单，占地面积小，基础投资大大压缩。
ØMSVC自身有功损耗低【2】。
8．使用范围
广泛适用于电力无功变化迅速，电压、无功、谐波需控制或综合治理的供用电场所：
冶金：
A．工业用电炉和铁合金炉
电炉（铁合金电炉）在工业上用途非常广泛，炼钢、炼铁、炼铁合金都需要很大功率的电炉。
电炉的工作特性特殊性，会对电网造成很大的冲击破坏，如造成电网电压波动；电压的闪变；三相严重不平衡；无功功率快速变化；产生大量的高次谐波等【4】。
B．轧钢系统
系统的功率因数都十分的低，一般的补偿装置，但都存在没有动态调整部分的问题，对于这类设备，采用磁控电抗器组成的SVC是十分合适的，咬钢的过程都在数秒的惯性范围内，完全可以适应系统的要求，甩钢后又能及时地由电抗器保持平衡，不会出现过补现象【4】。
C．原料及高炉系统
一般区域变电系统的功率因数都很低，同时电机的工作负荷也很不稳定，所以可以大量的采用MCR型SVC作为补偿装置。
D．有色冶金
冶炼铜和铝:
一般都采用电炉冶炼，其过程比钢铁冶炼炉稳定，也是高耗能的化学反应过程，但稳定波动系数更大，所以也存在电压波动大、谐波丰富及功率因数很低等方面的问题【4】，是推广应用MCR型SVC的另一个对象。
电解铜和铝:
大量采用整流装置，由于会产生的谐波和槽内电流变化的不稳定性都导致了电压的无序波动，而设备的调节系统的工作会进一步加剧这种波动，因此稳定供电一直是电解系统的一大难题，采用MCR型SVC将会很好的解决此类问题【3】。
煤炭：
煤炭企业主要的生产工艺过程为采掘和运输（提升），工辅系统为通风和排水，百分之九十的动力设备为旋转电机，而且以交流电机为主。
煤炭企业最大的特点是单机容量都较大，独立分布和一些设备启动频繁等特点，由此造成了系统供电品质因素很低，稳定性很差等诸多问题，改善这类问题的很好办法也是采用反应速度要求不高，但运行可靠，投资与其它类型SVC有较大竞争的磁控型静补设备。
建材水泥：
大部分水泥企业都采用活性水泥生产工艺，与煤炭企业唯一不同的就是它基本在地表以上操作，通风变成了除尘，也存在大量的皮带运输的问题，所以与煤炭企业相似。
电力系统：
a．可用于并联电抗器：
长距离高压输电线路，在一定条件下，末端会造成容升电压升高，可调电抗器并接入线路，可自动调节电感，吸收无功电流，防止电压升高【3】。
b．用于消弧线圈：
中压输电系统发生单相接地时，对地电容电流会严重威胁电网的安全【3】。
传统的方法是在系统的中性点处装设电感不可调的消弧线圈，用以抵消电容电流，达到灭弧的目的。
由于电感不可调，灭弧效果并不理想。
用可调电抗器作成消弧线圈，可任意调节电感，灭弧可靠性更高【1】。
c．用于输电线路：
可调电抗器和电容器串联接入输电线路，可以补偿输电线路的电感，提高线路输电能力；改善系统的稳定性；降低系统的损耗，改善线路的电压分布；优化线路间的负荷分配【3】。
9．同类其他技术特性
9.1相控式动态无功补偿装置（TCR）：
原理：
相控式原理的可控电抗器的调节原理见图7所示。
通过对可控硅导通时间进行控制，控制角为
，电流基波分量随控制角
的增大而减小，控制角
可在0°~90°范围内变化【4】。
图7相控式电抗器的结构原理
技术特点：
电感平衡部分的结构一般是由可控硅、平衡电抗器、控制设备及相应的辅助设备组成，其优缺点大致表现在以下几方面：
a.晶闸管要长期运行在高电压和大电流工况下，容易被击穿。
b.晶闸管发热量大，一般情况采用纯水冷却，除了要有一套水处理装置可靠的水源而外，还需配有监护维修人员。
c.由于调整主电抗电感量只能靠控制可控硅器件的导通角，关闭则需靠交流电的过零特性，所以必然会产生不同程度的谐波电压污染电网。
d.需要较大的设备安装和运行工作位置，即占地面积很大。
e.反应速度快
9.2开关分组投切技术：
原理：
利用对系统无功功率的取样，自动控制开关分组投切电容器，其调节方式是离散式的，容易过补和欠补。
技术特点：
a.开关投切时产生的涌流至少在7倍以上，威胁设备的安全。
b.为离散式调节，容易产生过补和欠补，同时引起电压波动。
c.需要对滤波支路进行自动投切，虽然能调节无功功率的补偿容量，但必然影响滤波效果。
d.响应时间为0.8S,难以跟踪负载变化，影响补偿效果。
分组投切技术设计的滤波装置，因无功功率需求的变化而引起滤波补偿支路的投运或切除。
一旦系统所需补偿无功功率较小而切除某个滤波补偿支路，则该支路的滤波功能完全丧失，对谐波的治理非常不利，导致整个滤波设备不能达到设计的谐波治理功效【4】。
9.3TSC型高压补偿滤波装置：
原理：
利用串联晶闸管代替真空接触器作为投切开关，对无功补偿进行离散式调节。
技术特点：
a.晶闸管串联在高压回路，容易被击穿。
b.正常运行时晶闸管承受高电压、大电流，发热量非常大，需要辅助冷却设备和大量的维护工作。
c.为离散式调节，容易产生过补和欠补，同时引起电压波动【3】。
d.需要对滤波支路进行自动投切，虽然能调节无功功率的补偿容量，但必然影响滤波效果【4】。
9.4调压补偿技术：
原理：
主要由电压调节器，微机控制器，电力电容器组成。
图8系统接线示意图
1．电容器组开关２．电压调节器 ３．避雷器 ４．并联电容器５．放电线圈
采用电压调节器来改变电容器端部输出电压，根据Q=2πfCU2改变电容器端电压来调节无功输出，从而改变无功输出容量来调节系统功率因数，目前生产的装置可实现容量从（100－36）%分九级输出【4】。
技术特点：
a.是离散型分级无功补偿装置，不是真正意义上的线性无功补偿装置，为阶梯型无功补偿装置。
b.调压技术需要改变电容器端电压，进而改变电容器参数，无法实现滤波，甚至可能引起谐振的危险。
c.变压器检修规程要求分接开关每隔一二年需要换油和吊芯检查。
维护量比较大的。
几种技术比较简表：
表1几种无功补偿装置比较表
比较项目
MCR型SVC
TCR型SVC
开关投切
TSC
投资
中
大
中
大
运行方式
无级调节
（连续）
无级调节
（连续）
分级投切
（离散）
分级投切
（离散）
可靠性
免维护，使用寿命25年
维护量大
维护量很大
维护量大
谐波水平
比TCR型小50%
5次:
6.5%,
7次:
3.7%
无
小
投切涌流
无
无
7倍以上
无
有功损耗
比TCR小50%
平均0.5%--0.8%
很小
小
占地面积
为TCR的1/10
很大，难布置
大
大
调节时间
0.3S
40ms
0.8S
40ms
过载能力
110%
无
无
无
电磁污染
无
辐射大量工频磁场，对人体危害
无
无
10．结束语
目前，MCR型SVC已经在煤炭、电气化铁路、冶金行业及输变电系统得到了广泛的应用，并取得了显著效果且形成了成熟的技术方案【2】。
现在MSVC的发展研究主要集中于控制策略上，如引入了模糊控制、人工神经网络和专家控制系统到MSVC控制系统【4】，使MSVC系统的性能更加提高。
周晋中男河北徐水人，1999年毕业于太原理工大学电力系统自动化专业，工程师
许学亮男山西灵石人，1993年毕业于华北电力大学电力系统自动化专业，工程师
Thetheoryandapplicationofthestaticvarcompensationequipmentonelecticpowersystem
ZhouJin-zhongXuXue-liang
（ShanxiJinzhongPowerSupplyCompany,JinzhongElectricPowerDesigninstituteShanxiJinzhong030600，China）
Abstract:
ThispaperintroducesthebasictheoryandapplicationaboutMSVC,andmakeacomparisonandanalysiswithseveraladvanceddomesticcompensationtechnology.
Keywords:
MCR（magneticallycontrolledreactor）,SVC（staticvarcompensation）,varcompensation,HarmoniousWaves
参考文献
【1】 刘虹，伊忠东，陈柏超，陈维贤．新型可控自动消弧成套装置的应用研究．电力系统自动化．1998，22
（2）：
9
【2】陈柏超．新型可控饱和电抗器理论及应用．武汉：
武汉水利电力大学出版社，1999
【3】 T．J．E米勒主编，胡国根译．电力系统无功功率控制．北京：
水利电力出版社，1990
【4】 王兆安．谐波抑制及无功功率补偿．北京：
机械工业出版社，1998
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