面向大容量冲击负荷的TCR型SVC动态响应性能试验方法与流程

本发明涉及静止无功补偿器性能测试方法领域，具体是一种面向大容量冲击负荷的TCR型SVC动态响应性能试验方法。

背景技术：

随着国民经济的迅速发展，大量新型负载不断涌现，特别是电力电子技术的广泛应用，使得电力负荷结构和特性发生了巨大变化。目前，电力系统中存在大量非线性冲击型负荷，如交流电弧炉、连轧机组、大功率焊机、港口起重机、煤炭提升机及大型变流机组等。这些非线性、冲击型和不对称负荷产生冲击性无功功率和谐波电流注入电网，使公用电网的电压波动和闪变、三相不平衡以及谐波污染日趋严重，大大降低了电能质量。另一方面，现代工业的发展对提高供电的可靠性和电能质量提出了比传统工业更高的要求。机器人、自动生产线、精密加工设备、计算机信息系统等得到日益广泛使用，这些设备对电源的波动和各种干扰十分敏感，任何电能质量的恶化都可能会导致生产停滞或产品质量的下降，从而造成重大损失。

在各类无功补偿及谐波抑制设备中TCR(Thyristor Controlled Reactor,晶闸管控制电抗器)+FC(Fixed Capacitor,固定电容器组)型SVC(Static Var Compensator,静止无功补偿器)是其中性价比相对较高的一种，得到了广泛应用。它能够自动跟踪负荷的运行变化，通过连续控制晶闸管的导通角来快速调整并联电抗器的输出容量，对提高负荷的功率因数、稳定和平衡系统电压、抑制流向系统的谐波电流、平衡不对称三相负荷等有显著效果。

业界根据负荷特点，对其补偿用TCR型SVC动态响应性能有着不同的要求。对于大容量冲击性负荷的TCR型SVC而言，其动态性能更是决定了SVC的整体性能，对其要求也更为严格。SVC动态性能是指SVC针对某种参考量的突变、突加的小扰动，或者可能使SVC超出正常运行范围的大扰动或故障的时域响应性能，SVC的动态响应时间是其重要的评价指标，不准确的响应时间会直接导致对无功补偿能力的错误判断，对实际应用产生错误引导，因此本申请所述的试验方法主要针对大容量冲击负荷用TCR型SVC装置。

《IEEE Std 1031-2011IEEE Guide for the Functional Specification of Transmission Static Var Compensators》和《GB/T 20298-2006静止无功补偿装置(SVC)功能特性》主要针对电力系统补偿电压控制型SVC，将其响应时间分为SVC系统响应时间和控制系统响应时间。从控制信号(参考电压)输入开始，直到系统电压达到预期电压水平的90％所需的时间称为SVC响应时间，一般为30ms～50ms。控制系统响应时间是从控制信号输入开始，SVC控制器完成控制信号的采样、分析、计算，直至控制器发出触发信号所经历的时间，一般不大于15ms。尽管《IEEE Std 1303-2011IEEE Guide for Static Var Compensator Field Tests》和《GB/T 20297-2006静止无功补偿装置(SVC)现场试验》提及“对于功率调节的SVC装置，应使用阶跃变化的参考无功功率(Qref)，通过Qref的阶跃输入，获得在改变扰动时SVC的响应记录”，但均未说明SVC响应时间的具体试验方法。

专利《一种无功补偿装置响应时间的测试方法》利用电网电压发生装置在无功补偿装置机端产生电网电压跌落与恢复，从而触发无功补偿装置的无功投入与退出，将电网电压跌落至90％额定电压的时刻作为电网电压的起始点，将电网无功电流升高至90％的目标值的时刻点作为无功电流注入的稳定点，稳定点和起始点之间的时间间隔即为无功补偿装置的无功投入响应时间，退出响应时间与其原理相同。

专利《一种光伏电站动态无功响应性能的现场测试方法》公开了一种光伏电站动态无功响应性能的现场测试方法，设定光伏电站工作在端电压控制方式下，调节有载变压器抽头，通过系统无功电流的变化获取电站发出容性或感性无功时无功补偿装置的响应时间。

专利《直挂式动态无功发生装置响应波形检测装置及检测方法》公开了一种在电网中所接入的动态无功发生装置对扰动源的响应波形的检测装置及检测方法，通过断路器将集点线路切断，通过录波器完成响应电流波形和响应电压波形的采集。

专利《一种风电场无功补偿装置动态响应时间检测方法》公开了一种风电场无功补偿装置动态响应时间检测方法，主要以数据采集系统收到无功补偿装置反馈信号为起始时间，无功补偿装置输出电流达到目标值90％，即为该装置的动态响应时间。

专利《一种动态无功补偿装置响应时间测试方法》公开了通过三相装置的瞬时无功计算公式得到各个状态下的瞬时无功波形曲线，再通过该曲线上各个时刻点的确定，计算得到负荷补偿响应时间、阶跃响应时间和电压暂态跌落响应时间。

专利《统一时标的动态无功补偿装置响应时间的测定方法》公开了一种通过切断集电线路，将采样的电流和电压波形以离散点的形式导出编辑，利用“离散数据计算有有效值工具”，搭建响应时间计算模型，生产平滑的响应过程电压和电流有效值曲线，得到动态无功补偿装置响应时间的方法。

专利《MCR型SVC装置动态响应时间的测量装置及方法》公开了一种MCR型SVC装置动态响应时间的测量装置及方法。通过测试母线电压、总进线电流、无功波动负荷馈线电流、MCR馈线电流，经过前置信号调理电路后进行FFT变换和频域功率计算，并确定无功波动负荷切除时刻到总进线功率下降为该时的90％无功时刻间的功率计算点，最终确定响应时间。

文献《风电场动态无功补偿装置响应速度及其检测方法研究》通过投、切风电场一定容量的电容器(或风机汇集线)，测量从电网产生扰动开始，到被控量首次达到目标值的90％所经历的时间，即扰动检测时间与系统响应时间的总和，进而推算出SVG系统响应时间。

文献《高压静止同步补偿器试验及标准研究》提出一种在STATCOM负荷补偿运行状态下，投入或切除电容器组FC，通过测量FC支路电流信号变化时刻点和STATCOM输出瞬时无功功率波形曲线变化完成时刻点，由此计算装置的负荷补偿响应时间的方法。

文献《基于虚拟仪器技术的动态无功补偿装置响应时间测试系统》提出并研发了一种基于虚拟仪器技术的动态无功补偿装置响应时间测试系统，通过线路无功功率上限和下限作为起始和结束时刻，以时刻差值作为响应时间。

文献《酒泉风电基地动态无功补偿装置性能测试分析》将动态无功补偿装置运行模式设定为闭环运行模式，采取更改控制信号的方式，调节目标参考电压设置值，使之阶跃变化；测录补偿装置无功输出和被控目标变化，并计算从调节目标参考值时刻到目标实测值达到参考值90％时刻所经历的时间，并给出MCR型SVC，TCR型SVC和SVG三种动态无功补偿装置的响应时间曲线。

综合以上分析，多数专利和文献是对面向电力系统电压控制的动态无功补偿装置的响应时间进行测试，利用变压器有载调压、电网电压发生装置等手段产生近似阶跃的电压，通过电网电压、电流和无功有效值曲线确定响应时间。其他为数不多的专利和文献介绍了负荷补偿用SVC或SVG装置响应时间的测试方法，利用投入和切除滤波补偿支路产生阶跃无功，基于瞬时无功和滑窗FFT获得无功瞬时值确定响应时间。显然面向电力系统的SVC采用近似阶跃电压获取有效值曲线的响应时间测试方法，不能满足冲击性负荷用SVC装置的需求，阶跃无功瞬时值的测试方法尽管满足要求，但存在瞬时无功物理意义不明确，算法相对繁复，检测准确度易受到电网参数和采样方式的影响。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向大容量冲击负荷的TCR型SVC动态响应性能试验方法，以实现对TCR型SVC装置响应时间快速准确的测量，尤其适用于面向大容量冲击负荷的TCR型SVC动态响应性能的科学评估。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

面向大容量冲击负荷的TCR型SVC动态响应性能试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、分析试验对电能质量的影响，确定投切方案：

在测试面向大容量负荷的TCR型SVC动态响应性能前，首先分析高压同步断路器或其他开关设备在电流过零点情况下切除滤波次数最高的某条或同一断路器下某几条滤波补偿支路时，对电力系统公共连接点PCC电能质量的影响，考虑的指标包括电压波动指标、注入公共连接点的谐波电流指标和谐波电压指标，其中：

PCC电压波动可采用以下公式进行估算：

$d=\frac{U^2/U_N^2\×Q_{FCQ}}{S},$

式中，d为PCC电压波动率，U为TCR型SVC实际运行电压，U_N为TCR型SVC额定电压，Q_FCQ为切除的滤波补偿支路额定电压下的基波补偿容量，S为PCC短路容量；

注入公共连接点的谐波电流指：无大容量冲击负荷时TCR型SVC因切除滤波补偿支路，且不考虑剩余滤波补偿支路分流，流入PCC的TCR各次谐波电流，可采用下式对谐波电流最大值进行估算：

$I_h=\frac{U}{\mathrm{\ω}L}\×{\mathrm{\η}}_h\×\frac{U_N}{U_S},$

式中，U为TCR型SVC实际运行电压，ω为系统角频率，L为TCR额定电感值，η_h为TCR各次谐波电流最大含量，参见表1，U_N为TCR型SVC额定电压，U_S为PCC额定电压，

表1 TCR各次谐波电流最大含量

PCC谐波电压指：无大容量冲击负荷时上述流入PCC的TCR各次谐波电流因系统阻抗引起的谐波电压，可采用下式对谐波电压最大值进行估算：

$U_h=\sqrt{3}{I}_h\×h\×\frac{U_S^2}{S},$

式中，I_h为流入PCC的TCR各次谐波电流最大值，h为谐波次数，U_S为PCC额定电压，S为PCC短路容量，各次谐波电压含有率和电压总畸变率可按照国标进行计算；

在电压波动指标、注入公共连接点的谐波电流指标和谐波电压指标符合电能质量相关国家标准，以及系统母线电压暂降不引起自身欠电压保护动作，且无大容量冲击负荷时，方可进行TCR型SVC装置的动态响应性能试验，如采用估算公式谐波电流和谐波电压最大值超过国标，应进行更为准确的谐波分析和计算，以确定投切滤波补偿支路的方案；

(2)、计算目标无功值及TCR响应下限值：

FC滤波补偿支路的基波补偿容量是根据负荷性质和补偿目的而选定，为了在轻负荷或空载时不发生过补现象，对大容量冲击负荷而言通常选择TCR等于FC基波补偿容量，即Q_TCR-Q_FC，因此TCR目标无功值可采用下式进行计算：

$Q_{TCRT}=U^2/U_N^2\×(Q_{FC}-Q_{FCQ}),$

式中，Q_TCRT为TCR目标无功值，U为TCR型SVC实际运行电压，U_N为TCR型SVC额定电压，Q_FC为所有滤波补偿支路额定电压下的基波补偿容量，Q_FCQ为切除的滤波补偿支路在额定电压下的基波补偿容量；

随着滤波补偿支路切除，TCR基波补偿容量将逐渐减小，以跟随目标无功值，因此以TCR达到目标无功值上的10％所用的时间作为响应时间，该时间尽管在表述上与国标略有区别，但本质上符合国标规定的达到目标值90％所需时间作为响应时间的定义，所以上述目标无功值上10％所对应的触发角为TCR响应下限值，可采用下式对该下限值进行计算：

$3\frac{2\mathrm{\π}-2\mathrm{\β}+\sin 2\mathrm{\β}}{{\mathrm{\πQ}}_{TCRT}\×(1+10\%)}\frac{U^2}{\mathrm{\ω}L}=1,$

式中β为TCR触发角响应下限值，U为TCR型SVC实际运行电压，Q_TCRT为TCR目标无功值，ω为系统角频率，L为TCR额定电感值；

(3)、布置试验测点，同步采集所需信号：

在系统母线、总进线、切除的滤波补偿支路馈线、TCR环内互感器二次侧布置试验测点，通过录波仪或电能质量分析仪及其配套的电压、电流探头同步测量母线电压、总进线电流、切除的滤波补偿支路馈线电流、TCR相电流；

(4)、获取TCR实际触发角，完成响应性能试验：

采用高压同步断路器或其他开关设备在电流过零点时切除步骤(1)中确定的滤波补偿支路，从而保证扰动SVC的参考量是一个标准的阶跃信号，通过录波仪或电能质量分析仪同步记录试验全过程数据；读取分析该数据，以滤波补偿支路馈线电流过零切除点为阶跃无功输入点，即零时刻，该时刻同时也是总进线电流突变的时刻；以母线电压过零时刻为基准，TCR相电流突变点作为触发时刻，与之对应的即为TCR实际触发角；TCR实际触发角首次大于等于步骤(2)中触发角响应下限值的时刻为响应时刻，与零时刻差值为TCR型SVC动态响应时间；试验中不能以TCR相电流波峰或波谷幅值的变化作为评判TCR响应时间的标准，这是因为切除滤波补偿支路会造成母线电压的突然降低，即使TCR未做任何响应，TCR相电流波形也会因母线电压减低、等效阻抗不变(触发角不变)而减小，所以应采用实际触发角大于等于上述下限值作为响应时间的评判标准。

所述的面向大容量冲击负荷的TCR型SVC动态响应性能试验方法，其特征在于：步骤(1)中，因为TCR型SVC补偿对象是大容量冲击负荷，采用幅值较小的无功阶跃进行试验不能真实地反映该装置的动态响应性能，所以在满足条件的情况下，需一次性切除尽量多的基波补偿容量。

所述的面向大容量冲击负荷的TCR型SVC动态响应性能试验方法，其特征在于：步骤(3)中，为了保证动态响应性能试验的准确性，选用精度0.2s级以上的电压互感器、电流互感器及电压、电流探头，准确度等级为A级的录波仪或电能质量分析仪。

本发明的有益效果在于：

(1)试验对电力系统影响可预判，且较小；

以试验过程中公共连接点相关电能质量指标满足国标为准则，对试验的影响进行了预先评估和判断，从而确定投切滤波补偿支路的方案，在保证试验效果的同时降低了对电力系统的影响。

(2)试验测点布置简便，实际可操作性强；

系统母线电压、总进线电流、滤波补偿支路馈线电流、TCR相电流互感器通常是TCR型SVC装置必备的测量设备，在上述设备二次侧临时加装录波仪或电能质量分析仪及其配套的电压、电流探头即可完成测点布置，接线方便简单、实际可操作性强。

(3)采用直接测量法，误差小、精度高；

动态响应性能的评价依据电压、电流等直接测量量，不依赖于无功功率等间接测量量，本领域工程技术人员按照本案所述方法采用通用仪器即可完成采集和测量，无需附加无功实时算法及其专用检测仪器，具有测量误差小、分析精度高、算法简明等优点。规避了FFT及其滑窗无功等算法基于周期平均值定义及时域分辨率低等问题。克服了瞬时无功功率物理意义不明确，算法相对繁复，精度易受电网参数和采样方式影响等弊端。

(4)阶跃信号标准，曲线变化及其时刻清晰明确；

采用高压同步断路器或其他开关设备在电流过零点时切除同一断路器下滤波补偿支路，由此产生的扰动参考量是一个标准的阶跃无功信号，且该馈线电流过零切除点与总进线电流突变点为同一时刻，即零时刻，该基准零时刻清晰明确。避免非过零切除无功参考量不是标准阶跃信号、馈线电流过零点与总进线电流突变点不统一且易产生争议等问题。也克服了投入滤波补偿支路试验方案，过渡过程长、响应时间难以测定等缺点。以TCR实际触发角首次大于等于触发角响应下限值的时刻为响应时刻，不以TCR相电流波峰或波谷幅值的变化作为评判标准，具有不受母线电压降低影响，曲线变化特征明显，时域分辨率及试验可信度高等特点。

附图说明

图1电力系统及TCR型SVC响应时间测点布置图。

图2 66kV/83.2Mvar TCR型SVC响应时间测试结果图。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，帮助本领域技术人员对本发明的构思、方案有更完整和准确的理解。具体实施步骤如下：

(1)分析试验对电能质量的影响，确定投切方案

分析高压同步断路器QF2在电流过零点时切除H7、H11滤波补偿支路对电力系统公共连接点(PCC)电能质量的影响，主要包括：电压波动、注入公共连接点的谐波电流和谐波电压等指标。

PCC电压波动采用以下公式进行估算：

式中，d为PCC电压波动率，U＝67.9kV为TCR型SVC实际运行电压，U_N＝66kV为TCR型SVC额定电压，Q_FCQ＝46.46Mvar为切除的滤波补偿支路额定电压下的基波补偿容量，S＝1700MVA为PCC短路容量。

注入公共连接点的谐波电流本案仅指：无大容量冲击负荷时TCR型SVC因切除滤波补偿支路，且不考虑剩余滤波补偿支路分流，流入PCC的TCR各次谐波电流，采用下式对各次谐波电流最大值进行估算：

式中，U＝67.9kV为TCR型SVC实际运行电压，ω＝314.16为系统角频率，L＝208mH为TCR额定电感值，η_h为TCR各次谐波电流最大含量，参见表1，U_N＝66kv为TCR型SVC额定电压，U_S＝115kV为PCC额定电压。由计算结果可见I_S超过国标限值，应进行更为准确的谐波分析和计算，因为实施例TCR触发角上限值为118°，对应谐波电流含量3.39％，I_S修正为20.22A，符合国标要求。

表1 TCR各次谐波电流最大含量

PCC谐波电压本案仅指：无大容量冲击负荷时上述流入PCC的TCR各次谐波电流因系统阻抗引起的谐波电压，采用下式对谐波电压最大值进行估算：

PCC电压总谐波畸变率为THD_u＝1.99%＜GB限值2%

式中，I_h为流入PCC的TCR各次谐波电流最大值，h为谐波次数，U_S＝115kV为PCC额定电压，S＝1700MVA为PCC短路容量。上述计算指标符合电能质量相关国家标准，系统母线电压暂降不引起自身欠电压保护动作，且无大容量冲击负荷，可进行该TCR型SVC装置的动态响应性能试验。

(2)计算目标无功值及TCR响应下限值

为了在轻负荷或空载时不发生过补现象，本实施例TCR等于FC基波补偿容量，即Q_TCR＝Q_TC＝83.21Mvar。因此TCR目标无功值采用下式进行计算：

$Q_{TCRT}=U^2/U_N^2\×(Q_{FC}-Q_{FCQ})=38.90M\mathrm{var}$

式中，Q_TCRT为TCR目标无功值，U＝67.9kV为TCR型SVC实际运行电压，V_N＝66kV为TCR型SVC额定电压，Q_FC＝83.21Mvar所有滤波补偿支路额定电压下的基波补偿容量，Q_FCQ＝46.46Mvar为切除的滤波补偿支路额定电压下的基波补偿容量。

随着滤波补偿支路切除，TCR基波补偿容量将逐渐减小，以跟随目标无功值，因此以TCR达到目标无功值上的10％所用的时间作为响应时间。该目标无功值上10％所对应的触发角为TCR响应下限值，采用下式对该下限值进行计算：

式中β为TCR触发角响应下限值，U＝67.9kV为TCR型SVC实际运行电压，Q_TCRT＝38.90Mvar为TCR目标无功值，ω＝314.16为系统角频率，L＝208mH为TCR额定电感值。

(3)布置试验测点，同步采集所需信号

在系统母线、总进线、切除的滤波补偿支路馈线、TCR环内互感器二次侧布置试验测点，通过PW3198日置电能质量分析仪及其配套的电压夹、电流钳同步测量系统母线电压U1、总进线电流I1、切除的滤波补偿支路馈线电流I2、TCR相电流I3，如图1所示。

(4)获取TCR实际触发角，完成响应性能试验

高压同步断路器QF2在电流过零点时切除H7、H11滤波补偿支路，从而保证扰动SVC的参考量是一个标准的阶跃信号，通过PW3198日置电能质量分析仪同步记录试验全过程数据。读取分析该数据，以滤波补偿支路馈线电流I2过零切除点为阶跃无功输入点，即零时刻，该时刻同时也是总进线电流I1突变的时刻，如图2所示。以系统母线电压U1过零时刻为基准，TCR相电流I3突变点作为触发时刻，与之对应的即为TCR实际触发角。图2中TCR实际触发角134.2°首次大于等于触发角响应下限值133.213°，该时刻即为响应时刻。响应时刻与零时刻差值30.85ms即为响应时间，依据该响应时间评价本实施例中TCR型SVC动态响应性能。