MCRTCRSVG比较.docx

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MCRTCRSVG比较

现在主要的动态补偿方式为TCR型SVC、MCR型SVC和SVG三种方式，以下分别介绍这三种动态无功补偿方式的原理，并且通过占地面积、响应速度、损耗、噪音等性能指标来论述这三种补偿方式的特点。

一、MCR型动态无功补偿装置

MCR+FC型动态无功补偿装置

上世纪60年代由英国GEC公司制成第一台自饱和电抗器型SVC，后期俄罗斯人演变为可控饱和电抗器（CSR）型，也可称为MCR型动态无功补偿装置。

其原理是三相饱和电抗器的工作绕组并联在电网上，通过改变饱和电抗器的直流控制绕组的励磁电流，借以改变铁心的饱和特性，从而改变工作绕组的感抗，达到改变其所吸收的无功功率的目的。

图九MCR无功补偿原理

磁阀式可控电抗器的主铁心分裂为两半（即铁心1和铁心2），截面积为A,每一半铁心截面积具有减小的一段，四个匝数为N/2的线圈分别对称地绕在两个半铁心柱上（半铁心柱上的线圈总匝数为N），每一半铁心柱的上下两绕组各有一抽头比为δ=N2/N的抽头，它们之间接有晶闸管KP1（KP2）,不同铁心上的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，续流二极管则横跨在交叉端点上。

在整个容量调节范围内，只有小面积段的磁路饱和，其余段均处于未饱和的线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量。

在电源的一个工频周期内，晶闸管KP1、KP2的轮流导通起了全波整流的作用，二极管起着续流作用。

改变KP1、KP2的触发角便可改变控制电流的大小，从而改变电抗器铁心的饱和度，以平滑连续地调节电抗器的容量。

占地面积

由于MCR没有像TCR一样采用晶闸管阀组以及空心相控电抗器，而是采用晶闸管控制部分饱和式电抗器，因此，比TCR面积要小。

响应速度

MCR型SVC的响应速度一般在100~300ms之内。

可控式饱和电抗器铁芯内的磁通有惯性，从空载到额定的变化，一般在秒级以上。

虽然现在也可采取一些措施提高MCR型SVC的响应速度，但一般也很难低于150ms。

根据有关文献，磁阀式可控电抗器的响应时间由下式

（1）确定。

其中，n为磁阀式可控电抗器容量从空载到额定值所需的工频周期数，δ为抽头比。

例如，MCR抽头比为0.05时，可得响应速度约为10个周期，即200ms；如果抽头比更小，则响应速度更慢。

（1）

损耗

可控电抗器在额定负载时，铁芯工作在磁饱和区域，在这种结构下，磁饱和时的边缘效应显著，由于磁阀交替饱和，在磁阀附近铁芯区域存在较大的横向磁场分量，因此增了电抗器铁芯和绕组的附加损耗，通常约为2%--4%。

目前，MCR经过不断的技术革新，损耗也有所下降，但是始终不会低于铁芯式电抗器的额定损耗。

铁心式电抗器的国家标准，按照其容量不同，额定损耗一般为1.2~2%之间。

因此，实际运行中，小于5万MVar的MCR式动态补偿的损耗不会小于1.8%

谐波电流

如电抗器部分投入，电抗器与负荷产生的谐波将同时出现。

运行噪音大、振动大

由于铁芯式饱和电抗器的固有特点，因此实际运行过程中噪音很大，振动很厉害。

人长时间靠近对身体有害，牛羊等动物则本能的不愿意靠近。

武钢热轧（比利时沙成电力设备厂产品）MCR噪音实测达120分贝。

无功控制范围小

饱和电抗器属于非线性元件，使得工作绕组的电流不能有效跟随控制绕组（励磁绕组）电流的变化而变化，也即补偿的无功功率有过补和欠补现象发生。

为了抑制过补偿现象，设计时把控制电流限制为铁心完全饱和时电流的0.85以下，也就是说MCR的无功控制范围在0～85%之间，而不是0～100%之间。

应用

MCR型SVC在0.38kV可有效的配合电容投切较适用。

在10kV~35kV这个电压等级国外没有厂家作为产品生产，国内也几乎没有业绩。

MCR型SVC设备技术门槛较低，损耗较大，在中压段应用很少。

二、TCR型SVC（静止型动态无功补偿装置）

TCR+FC型SVC设备的原理

设备由TCR和FC两部分组成，FC向系统提供固定的容性无功并滤除高压母线上的各次谐波；TCR为晶闸管串联电抗器装置，由控制系统实时跟踪负荷变化来改变晶闸管触发角从而向系统提供实时可变的感性无功。

容性无功和感性无功的相位相反，二者相加将改变无功变化量，从而达到抑制电压波动、提高功率因数等作用。

FC是直挂于高压母线下多组固定不变的滤波器，其滤波阻抗曲线固定不变，能将负荷变化过程产生的变化的谐波有效滤除，达到国标要求；TCR快速跟踪负荷变化（响应时间小于10ms）。

无功补偿原理图

QL

t

Qc

t

QR

t

QR-QC

t

QL+QR-QC

t

图十TCR+FC型SVC的无功补偿原理

-电网负荷产生的动态感性无功功率

-TCR设备提供的动态感性无功功率

-滤波器组（或电容器组）提供的固定无功功率

占地面积

由于TCR式SVC采用高压晶闸管阀组以及空心式相控电抗器，以及FC滤波器组，因此相应占地面积较大。

响应速度

由图十可以看出，TCR+FC型SVC设备动态部分为采用的是晶闸管相控电抗器，可以保证SVC动态部分的响应时间小于10ms，且为平滑调节，满足负荷动态无功补偿快速、精确的要求。

谐波的治理

TCR+FC型SVC设备，通过FC部分设置与电网特征谐波相同的滤波器对谐波进行滤除。

但TCR本身也属于整流负荷，当TCR投入工作时也产生一定量的谐波电流。

三相不平衡的治理

将不对称的电流进行分解，可以得到正序和负序电流，其中负序电流将使电力系统中以负序电流为起动元件的许多保护及自动装置产生误动作。

由于负序及正序的相序相反，注入旋转电机后产生附加电动力，引起振动及附加损耗。

荣信公司的SVC设备，采用STEINMETZ理论，可以有效地治理三相不平衡问题，减小不平衡度。

当不平衡负荷中每相间负荷既有有功Pab、Pbc、Pca，又有无功Qab、Qbc、Qca时，相间无功可用角接补偿网络来补偿，不平衡有功可以用另外两个相间电纳来平衡。

角接补偿网络：

Brab=-BLab+（GLca-GLbc）/

Brbc=-BLbc+（GLab-GLca）/

Brca=-BLca+（GLbc-GLab）/

补偿后的电路中，电流是完全平衡的，且功率因数为1。

STEINMETZ理论不仅能够提高功率因数，而且具有良好的分相调节能力，抑制负序电流达70%以上。

上述理论成功应用于多个工程项目，为用户电能质量综合治理取得了良好的效果。

设备损耗

SVC设备直接安装在高压侧，工作电流小，经统计，TCR型SVC设备的平均损耗为设备补偿容量的0.3%～0.4%。

调节特性

TCR+FC型SVC通过调节晶闸管的触发角来改变TCR的无功输出，而荣信公司的TCR触发精度可以小于0.1电角度，所以可以得到线性平滑的无功输出。

应用

TCR+FC型SVC设备广泛应用在电力系统、冶金、煤矿、电气化铁路等行业，技术先进，应用广泛，荣信有数百套SVC设备在以上行业中运行。

三、SVG型动态无功补偿装置

3.1控制原理说明及框图

3.1.1供电系统结构

一般电力系统用户负荷吸收有功功率

和无功功率

。

图3.1简单的负荷连接

电源提供有功功率PS和无功功率QS（可能为感性无功，也可能是容性无功），忽略变压器和线路损耗，则有

，

。

没有足够无功补偿的电网存在以下几个问题：

1）电网从远端传送无功；

2）负荷的无功冲击影响本地电网和上级电网的供电质量；

3）负荷的不平衡与谐波也会影响电网的电能质量；

因此，电力系统一般都要求对用电负荷进行必要的无功、不平衡与谐波补偿，以提高电力系统的带载能力，净化电网，改善电网电能质量。

3.1.2SVG用于补偿无功

图3.2带有SVG无功补偿装置的系统

假设负荷消耗感性无功（一般工业用户都是如此）QL，此时控制SVG使其产生容性无功功率，并取QSVG=QL，这样在负荷波动过程中，就可以保证：

QS=QSVG-QL=0。

如果对电网等比较复杂的补偿对象而言，当需要向电网提供感性无功时，可以通过对SVG的控制，使其产生感性无功功率，并取QSVG=QC，这样在负荷波动过程中，仍然可以保证：

QS=QSVG-QC=0。

此外，SVG在补偿系统无功功率达同时，几乎不产生谐波。

更重要的是，SVG还可以对系统的谐波、不平衡等电能质量问题进行多功能综合补偿，实现有源滤波（APF）的功能。

3.1.3SVG用于有源滤波

图3.3基本原理图

有源滤波器的基本思想如图3.3。

谐波源一般为非线性负荷，如整流器、带有整流环节的变频器及大量带有开关器件的设备等，产生谐波电流Ih；供电系统一般为被保护对象，也即要达到最终流入或流出系统的电流是谐波含量极少的正弦波，有时还有功率因数要求；有源滤波装置表现为流控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流有相同幅值而相位相反的补偿电流-Ih，来达到消除谐波的目的。

与无源滤波装置相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性能。

3.1.4SVG的基本原理

所谓SVG（StaticVarGenerator），就是专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。

图3.4SVG与系统的连接示意图

设电网电压和SVG输出的交流电压分别用相量

和

表示，则连接电抗X上的电压

即为

和

的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。

这个电流就是SVG从电网吸收的电流

。

如果未计及连接电抗器和变流器的损耗，SVG的工作原理可以用图3.5a）所示的单相等效电路图来说明。

在这种情况下，只需使

与

同相，仅改变

幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后90，并且能控制该电流的大小。

a）单相等效电路b）相量图

图3.5SVG等效电路及工作原理（未计及损耗）

SVG详细的工作模式及其补偿特性如表3.1所示。

表3.1SVG的运行模式及其补偿特性说明

采用直接电流控制的有源滤波型中压SVG的工作原理如图3.6所示。

从图中可以得出式

（1），即电源电流

是负载电流

和补偿电流

之相量和。

假设负载电流

中含有基波正序电流（包括基波正序无功电流

和基波正序有功电流

）、基波负序电流

和谐波电流

，如式

（2）所示。

图3.6采用直接电流控制的静止无功发生器的工作原理

（1）

（2）

为使电源电流

中不含有基波正序无功和基波负序电流，则需要控制SVG输出电流

满足式（3）。

这样电源电流中就只含有基波正序有功和谐波电流，如式（4）所示。

（3）

（4）

所以，要想达到补偿目的，关键是控制SVG输出电流

满足式（3）。

从SVG工作原理的描述可以看出，如果要使SVG在补偿无功的基础上还对负载谐波进行抑制，只需要使SVG输出相应的谐波电流即可。

因此，从这个意义上说，SVG能够同时实现补偿无功电流和谐波电流的双重目标。

3.1.5SVG的优势

通过上一节对SVG原理的描述可以知道，SVG可以根据负载特点和工况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或者感性）。

因此，从本质上讲，SVG可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器。

SVG是目前最为先进的无功补偿技术，其基于电压源型变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。

它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。

从技术上讲，SVG较传统的无功补偿装置有如下优势：

（1）响应时间更快

SVG响应时间：

≤5ms。

传统静补装置响应时间：

≥10ms。

SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。

（2）抑制电压闪变能力更强

SVC对电压闪变的抑制最大可达2：

1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5：

1，甚至更高。

SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。

而SVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。

（3）运行范围更宽

SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽很多。

也就是说，当SVC需要在正负全范围运行时，需要TCR和FC配合使用，整个装置损耗较大，占地面积也较大。

更重要的是，在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。

而SVC输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱。

这是SVC技术本质的缺点。

（4）补偿功能多样化

使同一套SVG装置，可以实现不同的多种补偿功能：

✧单独补偿负载无功

✧单独补偿负载谐波

✧单独补偿负载不平衡

✧同时补偿负载无功、谐波和不平衡

所以，SVG具有强大的补偿功能。

（5）谐波含量极低

荣信SVG采用了PWM技术、多电平技术和多重化技术，不仅自身产生的谐波含量极低，还能够对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波的功能，真正做到多功能化。

而TCR和TSC自身均要产生很大的谐波电流，所以还需要安装相应的FC滤波装置，增加了额外的成本。

（6）占地面积较小

由于无需大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。

所以，在一些厂矿改造中SVG具有很大的优势。

补偿系统，略小于TCR+FC动态无功补偿系统。

设备损耗

该设备本身的拓扑结构和高压变频的结构相似，因此损耗也基本差不多。

电压源型逆变器的损耗一般很小，SVG由多个逆变器串联、或者并联组成，逆变器部分总的损耗一般不超过总容量的0.8%。

由于SVG容量只是MCR、TCR的一半，FC的损耗只有MCR、TCR的一半。

三种无功补偿方式的对比

综合以上对比，各种补偿方式的特点如下表所示：

设备名称

MCR+FC型SVC

TCR+FC型SVC

SVG+FC

补偿原理

晶闸管控制部分饱和式电抗器

晶闸管阀组控制相控电抗器

自动无功及谐波发生器

占地面积

较小

大

小

补偿效果

线性调节，无功控制0—85%

线性调节，补偿范围大于MCR式，可达0—100%

线性调节，比MCR和TCR范围宽，可从-100%—100%

响应速度

约需150ms

约为10ms

<5ms

谐波治理

一般

符合国标

基本无谐波输出

闪变治理

不具备

最大2：

1

可达5：

1，容量增加还可增加抑制效果

三相不平衡

治理效果一般或不治理

治理效果好

治理效果好

损耗

较大，约1.8~2.5%

1.2~1.5%

0.8%

使用寿命

运行稳定

运行稳定

运行稳定

后期维护费用

运行费用高

运行费用低

运行费用低

运行业绩

曾在风电行业有少量使用

各行各业广泛应用，荣信有>1000套运行经验

新兴技术，荣信近400套业绩

其他特点

由于需要设置滤波支路，因此在光伏发电等电压等级高，补偿容量较小且需补偿感性无功的场合稍显劣势。

由于需要设置滤波支路，因此在光伏发电等电压等级高，补偿容量较小且需补偿感性无功的场合稍显劣势。

目前的技术，可以直接接入35kV以下的系统，适用于城市冶金、煤矿、光伏发电、风力发电行业等需要快速补偿，对占地有严格要求的场合。

随着技术水平的发展，优势会逐渐体现出来。