关键词：静止无功补偿器(SVC);晶闸管控制电抗器(TCR);输配电网;节能 0 引 言
目前，我国输配电网无功缺乏，备用容量严重不足，无功补偿装置缺少灵活的调节能力，其中由于无功不足原因而产生电压降落、电能传输损耗大、线路输送容量降低和网络稳定性下降等问题表现尤为突出。近年来，随着大功率非线性负荷用户的不断增多，对电网的冲击和谐波污染呈不断上升趋势，缺乏无功调节手段造成了母线电压随运行方式的变动很大，导致电网线损增加，使得系统电压合格率不高。此外，电网的发展，系统稳定性问题越发重要。电网的损耗、电压及功角稳定性与无功功率快速、有效提供有关。我国互联电网已经进入了大电网、大机组时代，大量的无功在网间传送，造成了巨大的网络损耗。故此大量的无功不适应于远距离的传输，无功功率一般采取分层分区平衡、就近补偿的原则。
采用晶闸管等电力电子器件作为控制元件的静止无功补偿设备是一种先进的高压电网动态功率因数补偿装置，有响应速度快、控制灵活、连续可调等优点，在输配电网和工业用户中越来越得到广泛的应用。SVC在国外已处于实用化阶段，随着电力电子器件与计算机控制技术的发展，SVC正朝着高电压和大容量方向发展。
1 SVC在国内外的应用情况 1.1 国外应用情况
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SVC二次控制及保护系统由监控屏、调节屏、人机界面屏、保护屏、故障录波屏、交直流系统等组成。为方便运行人员，配备了远方工作站，所有信息和通过光纤方式与就地控制系统联结。调节及监控核心部分由调节单元、监控单元、VBE单元、VM单元、操作逻辑单元等组成，所有单元均为全数字化智能单元。内部通讯联络采用分层分布式结构。调节单元采用高速DSP和大规模FPGA为核心的控制板，实现针对输电网特点的TCR调节控制算法。监控单元采用高可靠嵌入式系统，负责对SVC一二次设备进行全面的监控与保护。控制系统与阀组的联结采用光纤方式，可有效隔离高低电位，减少阀组对控制系统产生的传导性干扰。
电网动态无功补偿(SVC)技术的主要关键技术有：①大功率晶闸管串联技术;②串联晶闸管阀组过压保护技术;③晶闸管光电触发与监测技术;④晶闸管阀稳态和暂态热特性研究;⑤阀组密闭式水冷却技术;⑥智能化控制系统;⑦针对配电系统和输电系统的SVC控制策略;⑧SVC系统及装置设计规范、试验规范、维护规范的研究。
SVC在输电系统应用中，容量通常需要100～400Mvar，通过降压变压器在6～35kV电压等级接入SVC。
图1 TCR 装置典型应用线路
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图2 带电容器TCR 输出特性
鞍山红一变SVC是我国具有自主知识产权的第一套用于输电网的SVC工程应用。鞍山红一变是东北电网的枢纽变电站。有2台120MVA、2台80MVA主变，总容量为400MVA;无功补偿采用1939年制造的2台总容量为90Mvar的调相机，其中1台已经报废，另1台也只能发20Mvar无功，面临报废。红一变主要肩负为鞍山钢铁公司的供电任务。鞍山钢铁公司的负荷具有大容量、冲击性的特点，而鞍山地区没有大的电源支撑，鞍山红一变的动态无功补偿措施与其枢纽变和负荷中心的重要地位极不相称。2001年9月，鞍山供电公司将SVC替换调相机作为科技项目提出，得到辽宁省电力公司和原国家电力公司的高度关注。2001年10月30日辽宁省电力有限公司在鞍山红一变召开了SVC项目可行性论证会，随后，经过大量调研、论证，确定采用SVC技术替代原调相机。
红一变主接线图如图5所示。变电站更新为4台120MVA主变，220kV进、出线共9条，220kV采用双母线带侧母线的接线方式，220kV两条母线并列运行;66kV采用分列运行方式。根据计算3、4号主变三次侧35kV母线并列运行时远期最大短路容量为642.26MVA;35kV分列运行时远期最大短路容量为257.07MVA。
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图5 红一变主接线图(图中SVC 位置原为调相机)
在红一变220kV 变电站加装1套100MvarSVC替代同步调相机，其中包括SVC在35kV侧设计输出的动态无功容量为+80Mvar(容性)～50Mvar(感性),TCR回路可调感性无功为0～55.9Mvar，包括一组晶闸管控制电抗器，6组单调谐滤波器，即3次、5次、7次各两组，挂接3、4号主变的三次侧;在主变66kV侧还设置了一组串联电抗率为5%的20Mvar固定电容器补偿支路，挂接3、4号主变的二次侧。
SVC装置一次原理主接线如图6所示，3、4号主变35kV母线采用单母线接线，SVC装置接在单母线，其中3次、5次、7次滤波器分别为等容量的两组支路，与TCR支路共同挂接35kV母线。
该SVC工程成功投运后，节能降耗效益明显。
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图6 SVC 静补装置主接线
(1) 减少一次系统远距离输送无功功率，降低一次网损。SVC投运之后，实现无功就地合理补偿，大大地降低因远距离输送无功造成的一次电网损失。根据东北电网有限公司EMS系统的计算，红一变SVC平均容性无功出力在50Mvar，可使系统减少一次有功网损1.25MW，这样，年可使东北电网降低一次网损1095万kWh。
(2) 提高红一变二次系统电压，降低二次网损。通过SVC的优化无功补偿后，系统二次电压基本稳定并将电压提高到最佳值，电压提高后，电能的可变损失降低11.6%，可使红一变二次系统每年少损失电量为401.3万kWh，由SVC装置运行产生的损耗约218.75万kWh。综合二次降损为182.55万kWh。
(3) 与调相机比较减少有功电量的消耗。过去红一变用调相机进行无功补偿，年用电量为785万kWh，附属设备用电50万kWh，年耗电共835万kWh，调相机向系统发出每万乏的无功年耗电为278万kWh。用100Mvar SVC代替调相机后，SVC向系统发出每万乏的无功年耗电仅为13.98万kWh。单位年少损失有功电量264.02万kWh，相当于比50Mvar的调相机年少损失有功电量1320.1万kWh。
(4) 与调相机比较降低运行维护费用。由于红一变调相机设备过于陈旧，维持其运行还需要大量的投资，设备改造费用就需100万元以上，同时每年还缴纳水
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费近10万元。目前SVC的维护费用很小，到目前为止还未发生,相当于每年节省近110万元。
3.2 唐钢钢北220kV站SVC装置
唐山钢铁公司钢北220kV变电站由系统220kV滨河一和滨河二双电源供电。正常运行方式为220kV Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段母线分裂运行，35kV Ⅰ段、Ⅱ段母线也分裂运行。1号主变供35kVⅠ段两台150吨LF炉和TCR型SVC静止无功补偿装置，2号主变供35kVⅡ段轧机和轧机滤波器装置。LF炉SVC容量为20Mvar，轧机滤波容量为8.6Mvar。系统接线参见图7所示。
图 7唐钢钢北220kV变电站主接线图
唐钢钢北220kV变电站目前由于负荷较小，实际运行方式为只投运一台120MVA变压器，35kV母线并列运行，由于钢北其他负荷接入SVC补偿母线，补偿后平均功率因数由原设计值0.95降低到0.88。正常生产时月平均电量为5405万kWh，基本容量费为每月15元/kVA，平均有功电度单价为0.3725元/kWh。根据与唐山供电公司的供电协议，功率因数要求达到0.8,低于标准调高电费3.5%,高于标准不奖励。在LF炉炼钢过程中，SVC不投时的平均功率因数大约0.78，投入SVC后功率因
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数提高到约0.88，无过补现象。故投入SVC后无功功率调整费率(即无功罚款率)每年约节省921.21万元。
根据运行报表核算，35kV和220kV至供电公司电度计量点的线路网损及主变负荷损耗合计约占生产消耗有功的1.5%。按平均功率因数核算有效降低损耗为77.69万元。当唐钢负荷增长后，35kV分裂运行，功率因数达到设计值，节能的效益将进一步增加。
SVC滤波支路与TCR支路平均损耗约占装置总容量的0.8%(指满负荷运行情况)，则SVC装置每年运行损耗费用为52.21万元。
此三项合计即可每年节省946.69万元。
此外，SVC投运后，35kV母线电压波动得到抑制，提高了生产效率，平均降低炼钢时间约5min，按150万t/年的生产能力计算可提高年产量约5万t，按每万吨创造产值2000万元计算,每年可多创造产值1亿元。每吨钢耗电量同时得到了降低。根据统计报表，投运前吨钢平均用电量为53.6898kWh，SVC投运后降低为50.7906kWh，则每吨钢节省的费用为1.0800元。按年产量150万t计，每年节省的费用为162.00万元。
3.3 莱芜特钢厂SVC系统
SVC投入前，电炉运行时的平均功率因数约为0.85，每月功率因数罚款30万元，每年罚款360万元。SVC投入后平均功率因数升高到0.98，见图9，功率因数罚款取消。
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图8 莱芜特钢厂三总降变电所主接线图
图9 莱钢三降压110kV功率因数曲线
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主变负荷损耗和线路网损约占总有功的2.2%，按正常生产时月平均电量3060万kWh计算，节省的网损为74.54万元。SVC平均损耗约占装置最大容量的0.5%，正常运行TCR平均输出无功约为额定容量的30%，则SVC装置每年运行损耗费用为24.47万元。此三项合计即可每年节省352.96万元。
原50t交流电弧炉由于冲击大，对电网污染比较严重。供电部门限制其冶炼功率，被迫采用12档低档位运行。SVC投运后，恢复高功率冶炼，炉变升档至15档～18档运行。冶炼时间缩短约20～30min，吨钢耗电量由450kWh减为420kWh。炼钢年产量由原20万t提升至约24万t，多创造产值约8000万元。节省电费约268.2万元。
3.4 电科院已投入SVC节能效益
自2002年中国电力科学研究院具有自主知识产权的，具有国内领先技术水平的SVC进入大规模应用以来，投运容量逐年增加，所创造的节能效益巨大。输电网SVC目前仅有鞍山红一变SVC一套投运，其节能所创造的经济效益逐年累进，截止到2005年的效益总和见表2。其中，工业用户根据莱芜特钢厂产生的节能降耗效益为基数进行计算。
(1) SVC技术是一种先进、经济、实用的FACTS技术，能够提高电网输电能力和负荷端电压的稳定性，降低网损，改善电能质量。
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