硅谷杂志：动态无功补偿装置的探讨 |
| 2012-12-20 13:50 作者：千晓松 翟剑 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网文】据《硅谷》杂志2012年第19期刊文，通过对目前国内常用的几种动态无功补偿方式的描述，探讨不同负载类型的动态无功补偿装置实施的最佳方案。
关键词：动态负载；静态无功补偿；动态无功补偿
0引言
无功功率补偿装置的主要作用是：提高负载和系统的功率因数，减少设备的功率损耗，稳定电压，提高供电质量。在长距离输电中，提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率等。
在电气化铁道牵引机车、金属冶炼等大规模动态负载中，由于负荷存在很大的波动，经常导致电压波动和功率因数恶化，危害设备和线路的安全。在这种情况下，使用静止无功补偿装置将会对负荷的无功功率进行快速的动态补偿，对动态无功负荷的功率因数进行校正，提高整个系统的静态和动态稳定性，同时降低过电压。
静止无功补偿器是电网中控制无功功率的工具，它根据无功功率的需求量自动进行补偿，所以是一种动态补偿装置。除了可抑制谐波以外，特别适合于抑制快速变化的谐波源（如电力机车）所产生的电压波动和闪变。三相SVC有抑制三相不平衡的作用。
1无功功率补偿技术的现状
目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿（如风机、水泵等），其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。
1.1同步调相机
早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。同步调相机目前在现场仍有少量使用。
1.2静止补偿装置
静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。目前国内采用的主要包括以下几种方式：
1.2.1新型无功动态调节单元-新型磁控电抗器（MCR）
为了解决长线传输中的电压升高的问题，电网中都并联了大量的电抗器。但这些电抗器是不可调的，因此在重载时会导致电压偏低。如果此并联电抗器变成可控，那么将可以保持电抗器投入点的电压始终保持稳定。另外传统的电抗器还有一个投切难的问题，采用MCR之后，系统的投切将变成软投切，对系统的冲击变得可以忽略。这为解决并联电抗器给系统带来的两难课题提供了最佳的解决方案。
图1MCR的基本结构图2MCR＋FC的基本结构图3MCR＋PF的基本结构
同时这一方案也适用于已经安装了固定电容器组的用户。通过加装MCR单元，这些系统可以以极低的成本实现由固定电容器补偿到动态补偿的飞跃，全面解决固定电容器补偿存在的各种弊端，大大提高补偿的准确性、快速性、稳定性、安全性并大幅度提高电容与高压开关的寿命。
1.2.2新型无功动态调节单元+固定电容器（MCR＋FC）
此方案最适合于没有安装固定电容器的场合，也适用于已经安装了部分固定电容器组的场合。加装MCR单元之后，将可以使整个系统的无功潮流具有动态调节能力，从而可以实现功率因数的动态调节，降低网损；系统电压的动态调节，避免发生电压过高等危害设备安全的现象；扩大系统容量，降低异步电机启动、电弧炉、电气化铁路等冲击性负载对电网的影响，消除电压波动与闪变。如果采用三相协调控制，那么此解决方案是变电站、油田以及负载平衡厂矿企业的理想解决方案。如果采用分相控制，那么此解决方案是电气化铁路的理想解决方案。
1.2.3新型无功动态调节单元+无源滤波（MCR＋PF）
此解决方案适合于原系统中存在谐波污染，或是对谐波要求比较严格的场合。由于PF中电容可以完成无功补偿的功能，所以无须另外安装固定电容器。在这一方案里无源滤波系统中的电抗器不是普通的空心电抗器，而是精密可控的带铁心电抗器，具有体积小（为空心电抗器的1/3左右）、感抗精密可控、对环境变化适应能力强、有自动防振荡功能等特点。此解决方案是冶金、电气化铁路等存在谐波污染的场合的理想选择。
1.2.4高压硅塔分组过零投切电容器（HTSC）
采用特殊触发电路以及动静动态均压电路的高压硅塔具有很高的可靠性。在投切电容器时，由于控制算法实现了过零触发，因此系统具有很高的可靠性。由于采用最优电容组合，所以投切的精度也可以达到实用的要求。这一解决方案的优点是：响应速度快、无冲击、无谐波污染，便于进行冗余设计，可实现分相投切与协调投切。缺点是：无功投切是有级的，而且只能给系统提供容性无功。
图4HTSC的基本结构图5HTSC＋MCR的基本结构
1.2.5高压硅塔分组过零投切电容器+新型无功动态调节单元（HTSC+MCR）
这是控制能力最强的解决方案，可以用于实现最复杂的功能。由于HTSC可以实现冗余设计，因此与第二种方案，比起来可以实现一定的冗余设计，而与方案1.2.4比起来，则具有更精确的调节能力，同时可以实现感性无功与容性无功双向的调节。
实际上，由断路器（电磁型交流接触器）操作的电容器和电抗器在电网中正在大量使用，可以说这种补偿技术是静态的，因为它不能及时响应无功功率的波动。这种装置以电磁型交流接触器为投切开关，由于受电容器承受涌流能力、放电时间及电容器分级以及接触器操作频率、使用寿命等因素制约，因而无法避免以下不足：
1）补偿是有级的、定时的，因而补偿精度差，跟随性不强，不能适应负荷变化快的场合；受交流接触器操作频率及寿命的限制，静态补偿装置一般均设有投切延时功能，其延时时间一般为30s。对一般稳定负荷，即负荷变化周期大于30s的负荷，这类补偿装置是有效的，但对一些变化较快的负荷，如电气化铁道机车牵引、钢厂、铝厂等重型负荷，这类补偿装置就无法进行跟踪补偿。
2）不能做到无涌流投入电容器，对于接触器加电抗器方案，增加损耗较大，对于容性接触器方案，事故率较大，对金属化电容器的使用寿命影响很大；目前，低压电力电容器以金属化自愈式电容器为主，这种电容器的引线喷金属端面对涌流承受能力有限，因此，涌流的大小及次数是影响电容器使用寿命的主要因素。
3）运行噪声较大。
4）由于控制部分的负载是接触器的线圈，在投切过程中，造成火花干扰，影响补偿装置的可靠性和使用寿命。
静止补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。静止补偿器（SVC）先后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。上述第二种又可分为：固定连接电容器加可控硅控制的电抗器（fixedcapacitor＆thyristorcontrolledreactor，FC－TCR）；可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器（thyristorswitchedcapacitor＆thyristorcontrolledreactor，TSC－TCR）。
针对上述问题，基于智能控制策略的TSC补偿装置正在引起关注。TSC的基本结构如图1所示。事实上，如果能够进行动态无功功率补偿则能够克服以上不足。
图6TSC的基本结构图7电力有源滤波器的基本原理
将微处理器用于TSC，可以完成复杂的检测和控制任务，从而使动态补偿无功功率成为可能。基于智能控制策略的TSC补偿装置的核心部件是控制器，由它完成无功功率（功率因数）的测量及分析，进而控制无触点开关的投切，同时还可完成过压、欠压、功率因数等参数的存贮和显示。因此，与断路器操作的电容器装置相比，尽管单台无触点开关的造价比交流接触器高，但该装置仍然有以下几个特点：
①无涌流，允许频繁操作；
②跟踪响应时间快，动态跟踪时间0.02～2s（可调）；
③采用编码循环式投切电容器，可均匀使用电容器，从而延长整个装置的使用寿命；
④具有各种保护功能，如过压保护、缺相保护及谐波分量超限保护等。
2无功功率补偿技术的发展趋势
2.1电力有源滤波器
电力有源滤波器（activepowerfilter，APF）的基本原理如图7所示。
电力有源滤波器的交流电路分为电压型和电流型。目前实用的装置90％以上为电压型。从与补偿对象的连接方式来看，电力有源滤波器可分为并联型和串联型。并联型中有单独使用、LC滤波器混合使用及注入电路方式，目前并联型占实用装置的大多数。
目前电力有源滤波器仍存在一些问题，如电流中有高次谐波，单台容量低，成本较高等。随着电力半导体器件向大容量、高频化方向发展，这类既能补偿谐波又能补偿无功的装置必然有很好的发展前景。
2.2综合潮流控制器
综合潮流控制器（unifiedpowerflowcontroller，UPFC）将一个由晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相电压上，使其幅值和相角皆可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提高输送能力以及阻尼系统振荡。美国西屋电气公司研制出一种简化的UPFC称为串联潮流控制器（serialpowerflowcontroller，SPFC），其基本结构和SVG类似，区别是其输出变压器串联接入输电线。SPFC造价明显低于UPFC，功能可与之相比且优于SVG。中国电力科学研究院、东南大学、清华大学等单位也进行了理论研究和仿真实验，研究结果表明：UPFC具有良好的效果和功能。
3结束语
由于性价比较高，目前我国广泛使用的还是静止补偿器（SVC）。其中，能够进行无功功率动态补偿的基于智能控制策略的TSC正在逐步安装使用，仍然需要大力推广。实际上，国内外对SVC的研究仍在继续，研究的重点集中在控制策略上，试图借助于人工智能提高SVC的性能。随着大功率电力电子器件技术的高速发展，未来的功率器件容量将逐步提高，应用有源滤波器进行谐波抑制，以及应用柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿，必将成为今后电力自动化系统的发展方向。
作者简介：
千晓松，1998年毕业于西南交通大学电气化牵引专业，工程师，从事电气化铁道牵引变电所自动化系统的研究与开发；翟剑，1987年毕业于东北电力大学电力系统自动化专业，高级工程师，从事电力系统变电所自动化系统的研究，主持开发了电气化铁道牵引变电所自动化系统、城市轨道交通变电所自动化系统等项目。
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