1 概述
在电力系统的运行中，系统运行的安全性、可靠性和经济性、输送电能的质量是其最根本的问题。一些大功率负荷的投入、退出，或者系统局部故障等，都会造成系统中有功功率和无功功率的大幅扰动，从而对电网的稳定性和经济性产生影响。同时，这些扰动引起的电磁暂态过程产生的过电流和过电压又往往会危害到有关电器设备的安全。
快速有效地调节电网的无功功率，使整个电网负荷的潮流分配更趋合理，这对电网的稳定、调相、调压、限制过电压等等方面都是十分重要的。
另外，现在的直流输电工程日益发展，大功率换流装置（无论整流或逆变）都需要系统提供大量无功功率。特别是一端为弱系统或临近的交流系统发生故障时，如果不能迅速补偿大幅度波动的无功功率，就会导致系统失控或瓦解。
在SVC出现前，人们除了精心设计和布局整个电网外，往往采用下面几种经典的办法或设备来调节电网的无功功率。
1）适当调节发电机励磁，以调节机组运行功率因数。
2）在交流系统适当地点（或直流输电弱系统侧）装设同步调相机。
3）使用带抽头或有载开关的变压器，通过调节电网某些点的电压来调节潮流。
4）采用串联补偿电容器来改善受端电压，提高电网极限传输能力并增强系统的稳定性。
5）用开关投切并联电抗器或电容器，以满足系统随时变化的无功功率需求量，达到调相调压的目的。
这几种措施和方法，有些因其固有的优点，迄今仍为人们采用着。但是，许多方法明显存在着响应速度慢、调节性能差、运行维护和管理不便、长年运行损耗过大、自动监控跟踪性能差以及对整个电网的技术效益和经济效益都偏低等等缺陷。现在，性能优良的SVC（静止型动态无功补偿器）正逐步替换这些陈旧的设备。尤其在一些重要的场合，在大型复杂电网运行中的特殊要求方面，SVC已经获得全面的应用。实际上，SVC目前已经广泛应用于输配电系统和各种工业用户之中了。
SVC是Static Var Compensator的缩写，其本意是静止型的动态无功补偿器。SVC其实是许多静止型动态无功补偿器的总称，这些补偿器主要包括：TCR-晶闸管控制电抗器、TSC-晶闸管投切电容器、TSR-晶闸管投切电抗器、SR-自饱和电抗器、BSC-开关投切电容器或者上述各项的组合等。
目前，正在被最广泛使用的SVC，主要是TCR+BSC（FC）的形式。除非特别注明，以下我们叙述的SVC都指本公司生产的TCR+BSC（FC）型的SVC系统。
SVC可以被看成是一个动态的无功源。根据接入电网的需求，它可以向电网提供无功（容性），也可以吸收电网多余的无功（感性）。把电容器组（通常是滤波器组）接入电网，就可以向电网提供无功。当电网并不需要太多的无功时，这些多余的容性无功，就由一个并联的空心电抗器来吸收。
当然，这个空心电抗器的电流是由一个晶闸管阀组来控制的。借助于对晶闸管阀触发相角的控制，就可以改变流过空心电抗器的电流（基波有效值），从而保证SVC在电网接入点的无功量正好能将该点电压稳定在规定范围内（电网补偿）。或者，使该点的总无功量等于零（对负荷补偿来说），也就相当于功率因数等于1了。
一个TCR+FC型SVC的基本原理图如下：
图1.1 SVC基本原理图
针对一个具体的工程，南瑞继保研制生产的成套SVC系统通常是包含了其接入点以下的所有设备。其中主要的设备包括：
1) 降压变压器（SVC用在输电网需配置）
一般是在输电网的主变上增加低压的第三绕组。
2) 中压开关柜
通常还包括隔离开关、接地开关、互感器等；可以是户内也可以是户外产品。
3) 线性（空心）电抗器
这部分是SVC中吸收无功或调节无功的主体。通常要求它有良好的线性特性和稳定性，所以，电抗器必须是空心的，且周围不能有距离太近的较大金属物体。电抗器一般为干式的，冷却方式也常常是自然冷却。
在实际的接线中，空心电抗器总是与TCR阀组串联后接成三角形，然后并入电网。
4) 晶闸管阀组
这是SVC无功变化的控制主体。阀体由一定数量的晶闸管（或其它电力电子器件）及其附属器件组成，主回路通常接成反并联串。现在阀组的冷却方式以水冷却占主导地位，其触发方式则以光电触发为主。
5) 固定电容器组或滤波器组
向系统提供足够的容性无功，并滤除电网的有害谐波是该部件的主要任务。这部分通常又以滤波电容器（或并联电容器）为主，而滤波电抗器和滤波电阻等则是其附属部件。这是SVC中的固定（也可能分级投切）容性无功部分。
在实际的工程当中，这个FC部分往往被分成若干个单元组，这些组由机械开关或另一类晶闸管阀组按照实际的电网需求进行投切操作。
6) 阀组冷却水处理系统
SVC中的晶闸管阀组，工作在较高的电位上。对阀组的冷却可以采用去离子水（纯水）来进行。水处理系统，通过一台水泵和阳离子交换树脂保证送入可控硅阀组的纯水循环并保持较高的水质。
水处理系统的外冷却，主要靠普通循环工业水来进行。不过，也有靠风冷却装置来做外冷却的，但是，这在SVC装置中很少采用。
7) SVC控制及保护系统
SVC控制保护系统主要完成以下功能：
Ø 对TCR控制，即将根据SVC的实际工况，向阀组发出控制触发脉冲，在适当的位置（相位）触发晶闸管（相控）。
Ø 全面直观的SVC监视系统，检测SVC的工况并及时准确的记录并显示出来。对于一些特殊的情况或故障，及时地报警或发出跳闸指令。
Ø 完成TCR及FC等设备的投入或退出。在实际的工程中，对TCR或FC的投切顺序及组合有严格的要求。有时，故障退出也应按照一定的步骤来进行。
Ø 完成对SVC各部分的保护，确保SVC的安全运行。
Ø 友好的人机界面，以方便用户的操作及维护。
一套完整的SVC系统，可以提供连续变化的适量的无功功率，其变化范围可以从感性一直到容性。对于一些特殊的应用场合，其响应时间可以小到7ms。因此，它在许多领域都获得了广泛地应用。
在长距离交流输电时，由于受到佛朗梯效应的影响，线路中间的电压会明显升高。同时，从系统稳定性考虑，输送的能量也会受到限制。所以，为了减少电压升高，并最大限度地提高线路输送能量，往往要考虑在输电线路的中点，或中间数点安装SVC。
另外，在直流输电换流阀的交流侧，如果系统相对较弱的话，将会有较多的无功需求。过去，为了满足这样的需求，都是要安装调相机。这样做既不经济，维护也相当麻烦。而装设了适当的SVC之后，也完全可以满足要求，而且响应更迅速，维护更方便。
对于在大电网末端的弱系统，象偏远的小水电或者风力发电厂等，由于系统无法提供大量的无功功率，或者因为提供大量无功功率会造成严重地电压降落和线路损耗。因此，最经济最理想的解决方案，就是在接入点安装SVC。它不仅能够很好地将接入点的电压稳定在要求的范围内，还可以最大限度地避免电网故障对弱系统造成的不良冲击。SVC的接入，也使得弱系统能够更充分地发挥出自身的供电效能。
化工厂的电解电源或者钢厂的轧机，都因为容量较大，且使用了电力电子整流器，使得其工作时需要大量的无功。虽然在电源方面采用了多重化和裂相技术，其工作时产生的谐波还是不能忽视。同时，在电解的初期和轧机的咬钢期，都会出现较明显的无功波动，这种无功波动会直接导致系统电压的波动。而这种电压波动，除了对周围用电设备造成影响以外，对其本身的工作质量也会造成不良影响。安装SVC之后，就可以很好地解决上述问题。
使用交流电弧炉炼钢，会对电网产生较大的冲击。由于电炉不断变化的铁磁特性，许多谐波电流注入电网，同时，由于炼钢初期工作的不对称，负序电流也明显出现了。大量的无功需求和变化，造成了电压的波动和闪变。这种工作电压的波动和明显降低，也使电弧炉本身的炼钢效率大大降低。在目前的所有工业负荷中，电弧炉可能是对电网电能质量影响最大的。即便如此，借助SVC，仍然可以达到另人相当满意的调节效果。谐波被大部分滤除掉了，电压波动被限制在规定的范围之内，电压闪变也几乎消失。更何况，利用C.P.Steinmetz方法控制的SVC，可以让系统三相有功电流完全平衡了。
另外，在大型木材加工厂、众多焊接操作的场合、工业研磨机运行、采矿及矿石提升、海港起重机等方面，使用SVC后，都会使工作效率大大提高。
南瑞继保研制生产的SVC成套系统，在SVC安装处电网系统研究、阀组设备的设计制造以及控制保护系统的研制均采用国际上先进的技术，使得SVC系统整体补偿效果非常理想，设备质量可靠。
在设置SVC补偿系统时，需要根据电网电压、系统稳定性、有功分配、无功平衡、限制谐波等因素对补偿装置的容量、型式、调节方式进行研究。利用南瑞继保所拥有RTDS、动模系统、EMTDC等科研平台，使得SVC系统的设计有如下的特点：
Ø 优化的滤波器设计，可以保证在大量滤除谐波并提供基频无功的同时，其动态的有功损耗达到最小。通常的有功损耗可以做到所提供相当无功容量的1‰以下。
Ø 进行静止无功补偿装置对系统电能质量影响的分析。针对具体工程设计的SVC，可以保证接入点流进系统的谐波电流满足相应的国标GB/T14549-1993。避免滤波装置与系统发生谐振。
Ø 确定最优化的调节方式。根据不同安装点的具体情况，对电力系统进行分析，以确定电压/无功调节的最优方式。
南瑞继保研制的TCR阀组，结构简洁，占地面积小，重量轻。极大地方便了阀组的安装和维护。晶闸管为竖式结构,一相阀为一个模块,单相阀重量仅为450kg，外形尺寸为760mm（长）*700mm（宽）*2600mm（高）。阀在厂内完成组装并整体出厂，现场只需要安装与电抗器的电连接、水冷却设备的水连接以及控制设备的光缆连接，大大减轻了现场安装和测试的工作量。
Ø 晶闸管阀采用开放式结构，使得其运行时的各元件外观情况一目了然。
晶闸管及其散热器采用压装在一起的标准化硅串结构，阀内按级配线，电位均匀分布，不同电位的高压线不交叉，电连接回路清晰。晶闸管阀采用纯水冷却方式，并联水路，提高了冷却效果，水路采用防火材料，并合理加设水电极，使水路电压分布均匀。阻尼电阻采用直接水冷式结构，紧凑，能耐受过载冲击而不损坏。
Ø 晶闸管阀组中大功率双向晶闸管元件（BCT）的应用。
南瑞继保研制的晶闸管阀组采用了国际上晶闸管元件发展的新成果－大功率双向晶闸管元件（BCT），它将两个晶闸管集中在一个元件中，采用两个完全独立的触发回路。由于大功率双向晶闸管元件的使用，使得阀堆的结构更加简洁，节约了成本，降低了故障率。
图5.2给出了南瑞继保研制生产的两种典型的晶闸管阀组的示意图,其中右图为采用双向晶闸管时的阀组示意图,左图为采用单向晶闸管时的示意图。可见，采用双向晶闸管（右）只需要传统方案一半的晶闸管（左）位置，并节省了一半的散热器，提高了系统的集成度，可节省占地面积。
图5.2 采用双向晶闸管（右）及单向晶闸管（左）的阀组示意图
图5.3 为35KV采用双向晶闸管的阀组实物图（组装过程中）
Ø 采用高压直流输电（HVDC）晶闸管阀组的触发系统
晶闸管阀组的触发系统主要由两部分构成，一部分是位于控制室的阀基电子设备VBE，另一部分是位于阀本体上的晶闸管控制单元TCU。
VBE的主要功能是将来自控制调节器的控制脉冲CP（Control Pulse）转换成点火脉冲FP（Firing Pulse）光信号。 TCU的主要功能将VBE发出的触发脉冲光信号转换成脉冲电信号并触发晶闸管。正常情况下，阀组带电后TCU获取能量，并在检测到晶闸管建立起正向电压时向VBE发出IP（Indication Pulse）光信号。VBE接收到IP信号，同时收到来自控制系统的控制脉冲CP时，向TCU发出点火脉冲光信号（FP）。这样就保证晶闸管只有在正向电压时触发。
图5.4晶闸管触发系统示意
VBE系统还集成了对晶闸管的监视功能，正常工作时，当VBE未收到某些来自TCU的IP信号时，表明有可能这些晶闸管的正向电压无法建立，或者晶闸管已经损坏，VBE会根据具体的情况提醒控制系统报警或者停运。
处于晶闸管阀上的TCU，除了正常触发功能外，还有过电压保护功能和反向恢复期间的保护功能。前者在晶闸管承受过电压时，向晶闸管发出保护性触发脉冲，以保护晶闸管不被损坏；后者则在晶闸管反向恢复期间，针对电压变化率（dV/dt）和正向电压的数值进行必要的保护，免受晶闸管损坏。具有这些功能的TCU，装在晶闸管阀组中，可以使晶闸管阀组完全满足标准IEC61954的相应要求。
TCU在结构上，采用隐形设计，安装在散热器侧翼板上，见图5.5。
图5.5 35KV晶闸管阀组的TCU位置图（正视图）
南瑞继保公司开发的VBE设备和TCU设备已经运行在直流输电系统、阀合成回路试验系统中。
Ø 晶闸管阀组中新材料新技术的应用大大增长了阀组的预期寿命
晶闸管阀组的主水管采用PVDF（聚偏氟乙烯），该材料抗冲击强度高，耐磨耗，耐蠕变，韧性好，是氟塑料中最强韧的，具有较高的耐热性，不燃性，长期使用温度为-40℃-150℃，具有突出的耐气候老化性，耐臭氧、耐辐照、耐紫外光，而且介电性能优异。耐腐蚀性能优良，室温下不被酸、碱、强氧化剂、卤素所腐蚀。此材料已在高压直流输电（HVDC）的晶闸管阀中获得广泛应用，现为我公司引入到SVC阀组中。
晶闸管阀组的每一层的分水管采用FEP（聚全氟乙丙烯）塑料管，其机械强度、化学稳定性能、电绝缘性能、润滑性、耐磨性、不粘性、耐老化性和不燃性都非常优良。而且，还具有一定的低温柔软性。
晶闸管阀组中的光纤、导电线均采用阻燃材料制成，能有效减少或阻止阀组的燃烧故障产生。
晶闸管阀组的水冷散热器是南瑞继保公司研制，具有自主知识产权的先进产品，与传统的不锈钢内管的双金属散热器相比，具有低热阻、低水阻、运行更加可靠等特点。
Ø 水处理系统
阀组水冷设备采用闭式水冷却循环系统。冷却系统能够保证在各种工况下，晶闸管阀均能正常运行。内循环冷却系统采用全密闭式，冷却介质为纯水＋乙二醇，能保证在最低温度下不出现结冻。所有阀门、滤网、水泵及管道等金属部分应为不锈钢制品。
图5.6水处理系统实物图
南瑞继保精心研制SVC系统，其控制系统采用高压直流输电控制保护系统的软硬件平台，具有高可靠性。其特点是系统集成度高，所有控制功能均由软件实现；硬件平台具有通用性，可以由多种通用功能的板卡构成实现不同需求的数据采集、控制和监视；软件平台采用图形化编程和调试工具，界面友好、程序可读性高，修改、调试、维护方面，效率高。
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