我國中壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展及展望*

方歡歡,舒欣梅,陳 彬

（西華大學(xué) 電氣學(xué)院，四川 成都 610039）

國家能源局發(fā)布的2011年7月全社會(huì)用電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國全社會(huì)用電量為4 349億千瓦時(shí)，同比增長11.8%，與此同時(shí)部分省市依然面臨幾十萬乃至幾百萬千瓦的電力缺口。伴隨著供電量的增加，電網(wǎng)建設(shè)的速度明顯滯后，網(wǎng)絡(luò)損耗的問題日益突出。我國中壓配電網(wǎng)基本以10 kV為主,而10 kV配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗最大，改造的潛力也最大。無功補(bǔ)償裝置能有效地達(dá)到平衡電網(wǎng)中的無功、提高系統(tǒng)功率因數(shù)和系統(tǒng)中無功儲(chǔ)備、防止電壓崩潰、保障電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗，是電網(wǎng)能夠安全運(yùn)行不可缺少的部分，也是提高中壓輸配電網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性和保障可靠運(yùn)行的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)手段。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)是解決電壓跌落問題的最終途徑。

1 無功補(bǔ)償裝置的概述

無功補(bǔ)償裝置從原理上說是電網(wǎng)中呈容性或感性的元件，它是由電容器組及其配套設(shè)備（投切元件、檢查及保護(hù)元件）連接而成的一個(gè)整體，對系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償、電壓控制的裝置。

早期無功補(bǔ)償裝置FC補(bǔ)償容量固定，而且可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，目前在無功補(bǔ)償項(xiàng)目中已不再使用。隨著柔性輸變電元件的廣泛應(yīng)用和智能電網(wǎng)的興起，SVC和SVG得到越來越多的關(guān)注[1]。上世紀(jì)70年代起以晶閘管投切電容型（TSC型SVC）及晶閘管投切電容器-晶閘管控制電抗器型（TSC-TCR型SVC）[2-3]為主要形式的靜止無功補(bǔ)償器SVC(Static Var Compensator)在工業(yè)領(lǐng)域和電網(wǎng)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。這類無功補(bǔ)償裝置采用晶閘管串聯(lián)控制技術(shù)，損耗小、速度快、控制靈活。TSC型SVC只能提供容性電流，不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，無諧波產(chǎn)生且損耗較小，但它不能對沖擊性負(fù)荷引起的電壓閃變進(jìn)行很好的抑制。TCR+FC型SVC運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜，但由于TCR在工作中產(chǎn)生的感性無功電流會(huì)被固定電容中的容性無功電流平衡,會(huì)造成器件和容量的浪費(fèi)。TCR+TSC型SVC存在的問題是晶閘管單管耐壓較低,且其控制方法復(fù)雜，價(jià)格昂貴。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了一種更為先進(jìn)的靜止無功補(bǔ)償裝置,即靜止無功發(fā)生器SVG(Static Var Generator)。SVG分為電壓型和電流型橋式電路兩種。SVG產(chǎn)生諧波少,無功調(diào)節(jié)能力強(qiáng),占地面積小，但是控制比較復(fù)雜，而且成本比較高，技術(shù)不完全成熟，目前仍處于研究試用中。各種無功補(bǔ)償裝置性能對比如表1所示。

2 國內(nèi)外中高壓無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用現(xiàn)狀

國外生產(chǎn)研制 SVC的公司有 ABB、SIEMENS、AREVA等。而國內(nèi)公司主要有鞍山榮信、南瑞繼保、西電科技等。首先從國際范圍來講，目前在國外SVC技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟并取得廣泛的工程應(yīng)用，SVG裝置作為一種比SVC在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償上表現(xiàn)更良好的先進(jìn)補(bǔ)償裝置已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并應(yīng)用于工程領(lǐng)域，ABB生產(chǎn)的PCS 6000STATCOM適合安裝在風(fēng)電場中，使風(fēng)電符合電網(wǎng)連接的規(guī)范，或?yàn)楣秒娋W(wǎng)提供快速動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償器,已在英國東南部的小切恩（Little Cheyne Court）風(fēng)電場投運(yùn)成功。SVG由于價(jià)格比較高，還不能完全取代SVC在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償領(lǐng)域的作用[4]。

國內(nèi)2004年鞍山紅一變100 Mvar SVC示范工程開始了國產(chǎn)SVC裝置在電網(wǎng)中的應(yīng)用。榮信電力（RXPE）生產(chǎn)的SVC通過德國TUV、歐盟CE以及瑞士SGS ISO9001等國際認(rèn)證，采用國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并且SVC裝機(jī)數(shù)量超過750套，位居世界第一。榮信電力（RXPE）生產(chǎn)的SVG綜合了ABB和Mitsubishi的優(yōu)點(diǎn)，功率單元采用二極管嵌位的三電平變流器，然后通過升壓變壓器并聯(lián)于電網(wǎng)上。當(dāng)前國內(nèi)電壓等級最高、容量最大的靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)為龍泉桃鄉(xiāng)500 kV變電站SVC系統(tǒng)——擁有兩套額定輸出容量為2×180 Mvar，電壓等級為 66 kV的靜止無功補(bǔ)償裝置。

3 我國中壓無功補(bǔ)償裝置的現(xiàn)狀

電網(wǎng)無功功率調(diào)節(jié)是靠無功裝置來實(shí)現(xiàn)的，因此無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行是否可靠，技術(shù)條件能否滿足電網(wǎng)的要求是值得分析和討論的。事實(shí)上，SVC比SVG在電網(wǎng)的輸配電系統(tǒng)中應(yīng)用更廣,比例大概為6.7:1[5]。所以SVC仍是目前中壓無功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)產(chǎn)品。

當(dāng)前中壓無功補(bǔ)償裝置主要存在以下問題：(1)功能簡單、聯(lián)網(wǎng)能力薄弱、抗干擾能力差、控制精度低；(2)從投切電容和調(diào)節(jié)變壓器的判據(jù)來講，利用在線測量的功率因數(shù)與整定的功率因數(shù)比較的原理來確定，在這種情況下投切電容器難免會(huì)引起電流、電壓的波動(dòng)，既影響供電質(zhì)量，又降低設(shè)備壽命；(3)目前的大多數(shù)中壓無功補(bǔ)償裝置仍采用普通開關(guān)來進(jìn)行投切，易引起很大的涌流及操作過電壓，同時(shí)開關(guān)在大的電流下觸頭也容易發(fā)生燒損。

就目前情況而言，SVC技術(shù)雖然已經(jīng)發(fā)展比較成熟，但仍具有一定的發(fā)展空間。目前很多廠家對中壓無功補(bǔ)償裝置做了改進(jìn)和提高，現(xiàn)從電力電容器、控制方式、投切元件三方面對裝置進(jìn)行分析。

3.1 電力電容器

通常無功補(bǔ)償裝置質(zhì)量的優(yōu)劣取決于補(bǔ)償用的電容器。我國電力電容器制造業(yè)發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，電容器作為一種重要的無功電源，在電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)和功率因數(shù)調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著重要作用。它是電力系統(tǒng)并聯(lián)無功補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、諧波濾波裝置的核心器件。高壓自愈式電容器由于具有安全防爆和環(huán)境保護(hù)的作用，目前被廣泛使用。表2所示為我國目前電力電容的主流產(chǎn)品。

3.2 控制方案

無功補(bǔ)償控制器是無功補(bǔ)償裝置的核心部分，從過去單一的控制電容器投切，發(fā)展到根據(jù)用戶的負(fù)荷狀況和電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行并聯(lián)電容器的自動(dòng)投切控制，以達(dá)到合理補(bǔ)償及減少電能損耗的目的。

3.2.1 控制器內(nèi)的主控芯片

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了以8051單片機(jī)為核心的無功補(bǔ)償裝置，適用于一般用電負(fù)荷，功能實(shí)用，性價(jià)比高，但很難滿足復(fù)雜控制算法的要求。DSP芯片的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集的目的，它適用于沖擊性負(fù)荷，反應(yīng)速度快，適用于多種場所，但其接口太少不易擴(kuò)展。近年來出現(xiàn)了專用電能計(jì)量芯片與微控制器的組合，適用于要求較高的場所，反應(yīng)速度快，降低了軟硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，還提高了系統(tǒng)采樣和計(jì)算的精度。而當(dāng)前采用雙CPU的控制系統(tǒng)逐漸成為趨勢，一個(gè)CPU負(fù)責(zé)各回路電壓電流的采集，另一個(gè)CPU負(fù)責(zé)人機(jī)交互、遠(yuǎn)程通信與實(shí)時(shí)控制，兩者并行顯著提高系統(tǒng)的處理能力，同時(shí)能最大限度地避免涌流的出現(xiàn)。

表2 我國目前電力電容的主流產(chǎn)品

3.2.2 IEC61850在控制器中的應(yīng)用

IEC61850是關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的國際標(biāo)準(zhǔn)，目的是使變電站內(nèi)不同廠家的智能電子設(shè)備之間通過一種標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)互操作和信息共享，實(shí)現(xiàn)變電站無縫通信。IEC61850協(xié)議的制定，極大地推動(dòng)了數(shù)字化變電站的建設(shè)。通過對中壓無功補(bǔ)償裝置建立面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ?，使之具備良好的互操作性，以減少重復(fù)投資和降低維護(hù)成本，有效解決目前中壓無功補(bǔ)償裝置聯(lián)網(wǎng)薄弱的問題。

3.3 投切元件（永磁真空開關(guān)）

目前市場上中壓無功補(bǔ)償裝置的投切器件大部分采用晶閘管和復(fù)合開關(guān)兩種，其投切的平穩(wěn)度和使用壽命、能耗難以兼顧。因此,提高無功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行的可靠性、壽命和降低能耗最關(guān)鍵的問題是選用合適的投切器件。

晶閘管容易受涌流的沖擊而損壞，此類裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、可靠性差、損耗大，除了在負(fù)荷頻繁變化的場合使用，其他場合幾乎沒有使用價(jià)值。復(fù)合開關(guān)是晶閘管與機(jī)械開關(guān)的組合，因此不適用于頻繁投切，同時(shí)復(fù)合開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高。而基于永磁機(jī)構(gòu)的真空同步開關(guān)克服了傳統(tǒng)開關(guān)無法實(shí)現(xiàn)精確控制的缺陷，具有高可靠性、長壽命、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在中壓領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。幾種投切開關(guān)性能比較如表3所示。

SVC因其成本較低，且承受的功率較SVG高，智能型SVC能解決傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的涌流、過電壓、干擾等問題，能節(jié)約30%～40%的成本和維護(hù)費(fèi)用，且使用壽命延長3～5倍。應(yīng)用有源濾波器進(jìn)行諧波抑制、應(yīng)用柔性交流輸電系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償、同時(shí)遵循IEC61850協(xié)議適用于數(shù)字化變電站。因此，應(yīng)用新技術(shù)的智能型SVC將成為這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，在我國電力系統(tǒng)中具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]MITHULANANTHAN N,CANIZARES C A,REEVE J,et al.Comparison of PSS,SVC,and STATCOM controllers fordamping power system oscillations”,IEEE Trans.Power System,2003,18(2):786-792.

表3 幾種投切開關(guān)性能比較

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