靜止無功補償發(fā)生器在變電站的運行分析

高頌九

（鄞州供電局，浙江 鄞州 315020）

1 SVG應(yīng)用背景

鄞州區(qū)面積1346 km2，2010年電網(wǎng)最高負荷1200 MW，售電量63.5億kWh，負荷年增長率15%以上。在全區(qū)27450個工業(yè)用戶中，有重大諧波產(chǎn)生可能的冶煉及壓延加工企業(yè)273個，年用電量為6.2339億kWh，達總用電量的10%左右，比例還是相當(dāng)高的。

2008年10月30日，位于鄞州集中了大量冶煉企業(yè)區(qū)域的110 kV錢岙變電站1號主變壓器投產(chǎn)，該變電站10 kVⅠ段母線上的1號和3號常規(guī)并聯(lián)補償電容器裝置在投產(chǎn)當(dāng)日晚間即有多個電容器的熔斷器熔絲燒毀，造成電容器開關(guān)柜開口三角電壓保護動作而跳閘。更換熔絲重新投運后，又出現(xiàn)類似情況，致使電容器開關(guān)柜無法正常投運。由于該變電站未安裝故障錄波儀，也沒有安裝諧波在線監(jiān)測裝置，因此無法確認熔絲燒毀的確切原因。根據(jù)該區(qū)域周邊存在諧波企業(yè)的事實，懷疑錢岙變電站的負荷存在諧波超標(biāo)問題，并于2008年11月3日會同廠方技術(shù)人員對10 kVⅠ段母線進行現(xiàn)場諧波實際測量，測量結(jié)果表明22∶00后110 kV錢岙變電站的10 kVⅠ段母線諧波嚴重超標(biāo)。

研究表明，根據(jù)并聯(lián)電容器裝置的阻抗與系統(tǒng)阻抗組合的不同比例，電容器裝置對諧波有放大或抑制作用。如果使用常規(guī)并聯(lián)電容器裝置（未考慮諧波影響），因在電抗器配置時僅考慮防止涌流，電抗率一般選0.1%～1%，這種配置將對諧波有放大作用，嚴重時會引起系統(tǒng)諧振，這也是導(dǎo)致錢岙變電站并聯(lián)電容器熔絲熔斷[1]的原因。

由于靜止無功補償發(fā)生器（SVG）既能動態(tài)補償無功、又能補償諧波[2-5]，因此，鄞州供電局選擇SVG先對110 kV錢岙變電站10 kVⅡ段母線進行無功補償和諧波治理，對10 kVⅠ段母線的諧波治理留待Ⅱ段母線治理見效后再作考慮。表1為110 kV錢岙變電站電容器裝置的配置參數(shù)。

2 SVG選擇

110 kV錢岙變電站10 kV側(cè)短路容量小方式下為220 MVA，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中的折算公式，其允許的諧波電流值應(yīng)放大2.2倍。表2為晚間負荷高峰時在錢岙變電站2號主變壓器10 kV側(cè)實測的諧波電流數(shù)值，此時1號、2號主變壓器分列運行，2號、4號電容器均未投運，此時檢測出來的諧波電流為負荷的實際諧波電流。表中為未超標(biāo)，×為超標(biāo)。

從表2可以看出，在實測當(dāng)時，主變壓器負載率約50%的情況下，5次諧波和7次諧波超標(biāo)，其他合格。實際上，在錢岙變電站雖然有一定的諧波量，但并不嚴重，導(dǎo)致諧波超標(biāo)嚴重的原因是常規(guī)并聯(lián)電容器的存在使諧波放大，而隨著負荷的增加，諧波電流的總量也增加，二者共同作用，使流過普通電容器的電流過大，最終使并聯(lián)電容器燒毀。所以，采用SVG并不會放大諧波，卻可以根據(jù)需要來發(fā)出諧波以消除諧波負荷，并使無功得到補償。根據(jù)無功需求和諧波分析，與廠家協(xié)商后，錢岙變電站2號電容器裝置選擇容量為3 Mvar的SVG裝置。

3 電流互感器及諧波儀安裝

SVG采樣電流互感器（TA）的安裝位置有兩種：安裝于網(wǎng)側(cè)，即主變壓器10 kV側(cè)，采樣電流為系統(tǒng)電流；另一種是安裝于負荷側(cè)，采樣電流為負荷電流。當(dāng)安裝于網(wǎng)側(cè)時，SVG會根據(jù)該采集點實際采集到的諧波值，即系統(tǒng)中剩余的諧波電流，加上SVG補償發(fā)出的諧波電流后，計算并顯示負荷側(cè)諧波電流。安裝于負荷側(cè)時，在采集點采集到的諧波電流就是實際的負荷諧波電流，并據(jù)此來發(fā)出諧波補償電流，系統(tǒng)中剩余多少諧波電流無法檢測，如果靠計算，則忽略電容器的放大因素。同時，安裝在負荷側(cè)就只能檢測一路負荷的諧波電流，若要檢測和補償母線上的負荷諧波，只能安裝在網(wǎng)側(cè)。安裝在網(wǎng)側(cè)時，須注意在諧波未全額補償時，SVG顯示的負荷側(cè)諧波是通過計算獲得的，實際上已包含該段母線上常規(guī)并聯(lián)電容器放大后的諧波電流，實際負荷中的諧波電流要比SVG計算出來的小。

由于SVG在鄞州供電局是初次應(yīng)用，運行經(jīng)驗不足。為了能對SVG的運行情況進行實時在線監(jiān)控，掌握并研究SVG運行數(shù)據(jù)，在SVG與10 kV母線連接處的TA上安裝了以色列產(chǎn)的G4諧波在線監(jiān)測儀。通過對諧波監(jiān)測儀數(shù)據(jù)的分析，可以更清晰地了解SVG發(fā)出的諧波電流、無

表1 110 kV錢岙變電站電容器配置

表2 110 kV錢岙變電站2號主變壓器10 kV側(cè)諧波電流數(shù)值及超標(biāo)情況

功電流、有效電流、母線諧波電壓畸變率等情況。

4 運行狀態(tài)及分析

用SVG進行諧波電流補償時，其諧波補償容量受到雙重限制：

（1）在實際諧波補償過程中，補償諧波電流受調(diào)幅系數(shù)限制，其最大補償電流為：

式中：Kh為調(diào)幅系數(shù)（取值0～4）；In為n次諧波電流；IN為SVG額定電流（錢岙變電站的SVG額定電流為165 A）；n為諧波次數(shù)。例如，對于5次、7次諧波，在調(diào)幅系數(shù)取2的時候，其最大補償電流分別為 I5=2×165×（1/5）=66 A，I7=2×165×（1/7）=47 A。

（2）SVG補償時優(yōu)先補償基波無功功率，剩下的容量再補償諧波；也可以事先分配好無功補償容量和諧波補償容量，但這種方式有可能會浪費部分無功補償容量（在不需要進行諧波補償時，由于事前已經(jīng)進行容量分配設(shè)置，無功補償容量被設(shè)置了限值）。也就是說，各次諧波的補償電流既受調(diào)幅系數(shù)的限制，也受無功分配容量的限制。

4.1 無功補償容量1 Mvar、調(diào)幅系數(shù)1.0

在SVG剛投入運行時，選擇運行模式是無功補償容量1 Mvar，調(diào)幅系數(shù)1.0，補償5次和7次諧波。表3為無功補償容量1 Mvar及調(diào)幅系數(shù)1.0時的系統(tǒng)諧波數(shù)值（晚間，4號電容未投運）。

表3 無功補償容量1 Mvar、調(diào)幅系數(shù)1.0時的系統(tǒng)諧波值

此時SVG對5次諧波的最大補償電流是32 A、7次諧波的最大補償電流是23 A，當(dāng)負荷諧波電流超過此限額時，SVG的補償電流維持不變，而低于此數(shù)值時，SVG對諧波電流進行全額動態(tài)補償。即SVG的諧波補償電流受到了調(diào)幅系數(shù)的限制，I5=1.0×165×（1/5）=33 A，I7=1.0×165×（1/7）=23.6 A。

經(jīng)過補償之后，系統(tǒng)依然存在較大諧波電流，如5次諧波電流達55.7 A，仍然超標(biāo)，此時系統(tǒng)的10 kV母線電壓畸變率最大約為4%，勉強達到4%以內(nèi)的要求。

4.2 無功補償容量1 Mvar、調(diào)幅系數(shù)1.8

運行數(shù)據(jù)表明，SVG對諧波電流并未全額補償，而且5次諧波電流還處于未達標(biāo)狀態(tài)，其原因是已達到調(diào)幅的限額。通常，總是希望能濾去更多的諧波，至少使諧波電流和諧波電壓畸變率符合要求。為此，將運行方式設(shè)置為無功容量1 Mvar和調(diào)幅系數(shù)1.8，運行情況如表4所示（4號電容器未投運）。

此時SVG的5次、7次諧波補償電流分別為59.7 A和42.9 A，系統(tǒng)剩余諧波電流全部符合要求，母線電壓畸變率也在2%以內(nèi)，符合要求。諧波儀檢測到的情況也表明：SVG發(fā)出的諧波電流為73 A、基波電流為63 A，母線諧波電壓畸變率在2%以內(nèi)。

但補償諧波電流仍受調(diào)幅系數(shù)限制，即I5=1.8×165×（1/5）=59.4 A， I7=1.8×165×（1/7）=42.4 A， I諧波=73 A。

雖然理論上通過增加調(diào)幅系數(shù)，并在足夠的分配容量情況下，可以進一步增加SVG發(fā)出的諧波補償電流，使流入系統(tǒng)的諧波電流進一步減少，但事實上，在調(diào)幅系數(shù)為1.8的情況下，容易導(dǎo)致功率模塊燒壞，說明已達到了諧波補償能力的限值。設(shè)備生產(chǎn)廠家也認為調(diào)幅系數(shù)在1.5以內(nèi)較為安全。據(jù)此分析，SVG的最大諧波補償能力為 I5＝1.5×165×（1/5）＝49.5 A， I7＝1.5×165×（1/7）＝35.36 A， 可補償?shù)闹C波電流＝60.8 A，約占SVG額定電流165 A的38%。

表4 無功補償容量1 Mvar、調(diào)幅系數(shù)1.8時的系統(tǒng)諧波值（晚間）

在調(diào)幅系數(shù)為1.5，2號主變壓器負載率為50%、且4號電容器未投運情況下，諧波治理已能滿足國標(biāo)要求， I5剩余＝73-49.5＝23.5≤44 A， I7剩余＝43-35.25＝7.75≤33 A。但這與理想的諧波補償容量仍有很大差距。這也再次說明，SVG適宜以無功動態(tài)補償為主，諧波補償為輔，如需要更多的諧波補償，建議選用有源濾波裝置APF。

如果SVG僅能補償上述諧波容量，則當(dāng)2號主變壓器負荷增大時，電能質(zhì)量將達不到要求，4號電容器也會進一步放大剩余的諧波電流，特別是當(dāng)2號主變壓器滿載時，負荷側(cè)5次諧波電流I5＝146-49.5＝96.5 A，不但大大超出國標(biāo)要求，并且在4號電容器投運時，系統(tǒng)側(cè)諧波電流和流過并聯(lián)電容器的諧波電流將進一步放大，不僅使電能質(zhì)量惡化，還會導(dǎo)致4號電容器燒毀。因此需要繼續(xù)與廠方協(xié)商，對SVG進行改良，使其諧波補償能力達到最大容量，而在當(dāng)前情況下，在2號主變壓器容量超過50%時，必須加強對4號電容器運行狀態(tài)的監(jiān)控，避免電容器燒毀。

5 結(jié)語

實際運行表明，SVG主要適合用于無功動態(tài)補償，兼顧少量的諧波補償。進行諧波補償時，只能補償?shù)皖l次的諧波，且補償能力僅為SVG額定容量的1/3左右，此時運行效果較好。如果在諧波含量較大的場合，可采用有源濾波裝置APF進行諧波治理，或有源濾波裝置APF與具備諧波抑制能力的并聯(lián)電容器裝置（選擇合適的電抗率）聯(lián)合應(yīng)用更好；如果諧波頻率較少（3種以內(nèi)），則可利用無源濾波，或SVG與無源濾波的組合。此外還有其他的組合方式，主要是利用最為經(jīng)濟合理的手段，達到無功補償和諧波治理的目的。但是，在設(shè)備類型和組合方式選擇時，必須充分考慮和驗證不同運行方式、不同投切方式對設(shè)備和電能質(zhì)量的影響，應(yīng)該讓各類投切方式均能夠適應(yīng)各種運行方式，至少在各種運行方式下，保證設(shè)備的投切不會造成設(shè)備本身損壞或電能質(zhì)量進一步惡化，從而使電網(wǎng)運行方式的安排更為靈活、安全、可靠。

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