動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償調(diào)壓方式及經(jīng)濟(jì)性研究

祁忠永

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 大興 102600)

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償調(diào)壓方式及經(jīng)濟(jì)性研究

祁忠永

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 大興 102600)

長(zhǎng)距離輸電線路中，線路空載或輕載情況下，由于分布電容作用，線路為容性無功，末端電壓升高;當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，線路無功從容性變化為感性，末端電壓又會(huì)降低。由于輸電線路長(zhǎng)，電壓波動(dòng)范圍大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)電壓崩潰。通過仿真論述了采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)電壓的有效性，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償;無功發(fā)生器;調(diào)壓

1 引言

隨著西部的開發(fā)，我國(guó)逐步形成長(zhǎng)距、大容量輸電電網(wǎng)，但由于個(gè)別地區(qū)尤其是高原地區(qū)發(fā)電廠遠(yuǎn)離負(fù)荷中心地區(qū)，必須解決遠(yuǎn)距離輸送大容量功率的問題。長(zhǎng)距離輸電時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)空載或輕載時(shí)由于分布電容作用，線路為容性無功，末端電壓升高;帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，線路電壓損失較大，線路首末端電壓相角差變大，首端導(dǎo)線發(fā)熱，線路電阻中消耗的功率大，供電不經(jīng)濟(jì)。如果不進(jìn)行合理的補(bǔ)償?shù)脑?，由于末端電壓升高，波?dòng)范圍大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使供電系統(tǒng)電壓崩潰。

2 補(bǔ)償方案的比較

傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器或電抗器，特點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于安裝維護(hù);缺點(diǎn)是當(dāng)電壓波動(dòng)較大時(shí)，并聯(lián)電容器或電抗器更難以維持電壓穩(wěn)定，輸出無功功率急劇下降，再加上過電壓、諧波等問題，很難滿足系統(tǒng)需要。針對(duì)這種供電系統(tǒng)的特點(diǎn)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式，通過補(bǔ)償無功進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電壓。

目前，具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能的SVC(靜止無功補(bǔ)償方式)雖用的較多，但其最大的弱點(diǎn)就是補(bǔ)償容量受裝置自身容量的限制，而且對(duì)電容器組的連續(xù)投切會(huì)產(chǎn)生大量諧波。另一種具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能的是SVG(無功發(fā)生器)，其補(bǔ)償特性完全脫離了阻抗器裝置的特性，成為完全可控的電壓源或電流源，使得無功功率補(bǔ)償裝置的性能得到了很大的提升，對(duì)電網(wǎng)電壓的控制能力很強(qiáng)。與SVC相比，SVG具有響應(yīng)速度快、吸收無功連續(xù)、產(chǎn)生的高次諧波量小，節(jié)省占地面積等特點(diǎn)。很顯然，SVG裝置是長(zhǎng)距離輸電線路調(diào)節(jié)電壓的理想方案。

3 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的基本工作原理

近年來，出現(xiàn)了一些無源和有源補(bǔ)償裝置組合在一起而構(gòu)成的混合型補(bǔ)償裝置。這種裝置部分容量采取價(jià)格低廉的電容器或電抗器，可以減少同容量裝置的投資，如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償電路圖

對(duì)于長(zhǎng)距離輸電系統(tǒng)，在空載運(yùn)行時(shí)，各線路分布電容產(chǎn)生的無功功率大于線路電抗中消耗的無功功率，此時(shí)的容性無功功率最大，設(shè)補(bǔ)償需注入電網(wǎng)接入點(diǎn)的無功功率為QLmax;隨著系統(tǒng)負(fù)荷的增加，線路負(fù)荷中電抗消耗的無功功率也增大，在負(fù)荷超過一定值時(shí)，線路分布電容產(chǎn)生的無功功率小于線路電抗中消耗的無功功率，負(fù)荷最大時(shí)，系統(tǒng)的感性無功功率也最大，設(shè)補(bǔ)償需注入電網(wǎng)接入點(diǎn)的無功功率為QCmax。對(duì)于該供電系統(tǒng)QLmax＜QCmax，則可采用容量為(QLmax+QCmax)/2的無功發(fā)生器與容量為(QLmax－QCmax)/2的固定或晶閘管投切電抗器來滿足要求。

圖2 混合動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置原理圖及伏安特性

圖2為無功發(fā)生器(SVG)與并聯(lián)電抗器(SR)相結(jié)合構(gòu)成的混合補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)及其伏安特性，其中Umax為電壓限值，ICmax和ILmax分別為接入點(diǎn)電壓等于Umax時(shí)對(duì)應(yīng)的最大容性電流和感性電流。由圖可以看出，混合補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行特性曲線相當(dāng)于在橫坐標(biāo)(無功電流)方向?qū)VG和SR的無功輸出電流相加，而縱坐標(biāo)(電壓)維持不變。

4 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)

4.1 數(shù)學(xué)模型的建立

圖3出示了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的模型圖，其開關(guān)函等效數(shù)模型如式(1)所示。

圖3 裝置開關(guān)函數(shù)模型圖

上述數(shù)學(xué)模型為時(shí)變交流量，而不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以通過坐標(biāo)變換將三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的(d，q)坐標(biāo)系，從而簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)化成d、q坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型如式(2)所示。

4.2 dq模型的線性化

在上述數(shù)學(xué)模型的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)中，三相系統(tǒng)開關(guān)數(shù)學(xué)模型表達(dá)式存在兩個(gè)變量的乘積(iqTq+idTd)，且d、q分量相互耦合，因而其模型為一多輸入多輸出非線性耦合模型，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此，對(duì)其進(jìn)行dq模型的線性化。

考慮到無功發(fā)生器交流側(cè)與直流側(cè)的瞬時(shí)功率平衡，即

式中:vd、vq—無功發(fā)生器交流側(cè)電壓d、q分量

式(1)就可以表示為

現(xiàn)構(gòu)造一個(gè)新的輸入變量ud、uq，使其與輸出變量id、iq之間呈線性解耦特性。由無功發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖可知，交流側(cè)每相只存在一個(gè)儲(chǔ)能元件(電感L)，可令新輸入變量ud、uq與輸出變量id、iq之間由一階線性微分方程描述，且d、q分量無耦合，即

式中:k1、k2—比例系數(shù)。對(duì)式(7)、式(8)進(jìn)行拉氏變換，可得

采用前饋解耦控制策略，電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，即

其中:i*d、i*q—id、iq電流指令值。

將式(10)代入式(6)并簡(jiǎn)化可得

控制框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電流解耦控制框圖

由式(11)和圖4可以看出，系統(tǒng)電壓已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了解耦控制。這樣就可以通過控制方程對(duì)其傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，從而進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。

4.3 控制策略

在其控制方法選擇上，應(yīng)兼顧動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)木_性和快速性，采用直接控制方法，控制如圖5所示。

圖5 采用PWM技術(shù)的電流直接控制方法

5 混合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償用于調(diào)節(jié)電壓的仿真結(jié)果

圖6為模擬35kV長(zhǎng)距離輸電線路輕載時(shí)投入混合無功補(bǔ)償裝置的母線電壓輸出有效值。由圖6可以看出，輕載時(shí)末端電壓升高至38kV，在0.3s時(shí)投入混合補(bǔ)償裝置。系統(tǒng)經(jīng)過一個(gè)暫態(tài)過程后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，將母線電壓由原來的38kV調(diào)節(jié)到35.1kV，即由偏離電壓等級(jí)近+10%調(diào)節(jié)至接近標(biāo)準(zhǔn)電壓。滿足了電力系統(tǒng)電壓允許偏差的要求，也有益于提高長(zhǎng)距離輸電的能力。

圖6 混合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償用于調(diào)節(jié)電壓的仿真圖形

圖7給出了無功電流為容性時(shí)，補(bǔ)償前、后A相系統(tǒng)電壓電流波形圖。由圖7可以看出，補(bǔ)償前系統(tǒng)電壓和電流存在一定的相位差，即系統(tǒng)電流超前于系統(tǒng)電壓。補(bǔ)償后系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流基本在同相位，通過補(bǔ)償裝置吸收了系統(tǒng)的容性無功。

6 經(jīng)濟(jì)比較分析

圖7 補(bǔ)償后系統(tǒng)A電壓電流波形圖

無功發(fā)生器在補(bǔ)償方面雖兼顧了其他補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn)，但與同容量的其他補(bǔ)償裝置相比，造價(jià)較高，而該混合補(bǔ)償方式應(yīng)用在主要表現(xiàn)為容性無功的長(zhǎng)距離輸電線路中，節(jié)省了投入同容量無功發(fā)生器的投資。本文在第3部分(動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的基本工作原理)闡述了混合補(bǔ)償方式中無功發(fā)生器和固定電抗器的配置，接下來針對(duì)容性無功所需感性容性無功(QLmax＞QCmax情況下)補(bǔ)償方式的特點(diǎn)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較分析。假設(shè)系統(tǒng)所需最大容性無功5 MVA，最大感性無功從5 MVA遞減至0，其投資比較見表1所示。

表1 SVG與混合補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)比較表

由表1中投資費(fèi)用可知，在總?cè)萘坎蛔兊那闆r下，固定補(bǔ)償部分容量越大，混合補(bǔ)償投資越低(即經(jīng)濟(jì)性能越好)。當(dāng)SVG和SR容量相等時(shí)，經(jīng)濟(jì)性最好，混合補(bǔ)償設(shè)備投資費(fèi)用可節(jié)省一半之多。

7 結(jié)論

本文首先通過對(duì)長(zhǎng)距離輸電線路進(jìn)行仿真，論述了該混合無功補(bǔ)償調(diào)壓及功率補(bǔ)償?shù)挠行?其次，通過對(duì)各種混合補(bǔ)償配置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，論述了該混合無功補(bǔ)償方式的經(jīng)濟(jì)性。

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The Voltage Regulation and Econom ic Analysis of Static var Generator

QIZhong-yong
(No．5 Survey and Design Institute(Group)Co;Ltd of China Railway，Beijing 102600，China)

For the long distance transmission line，under the condition of no-load or light load，due to the function of distributed capacitance，line reactive power is capacitive and terminal voltage arise;with the increase of load，line reactive power varies from capacitive power to inductive power，the terminal voltage will step down．As transmission line is long，the scope range of the fluctuation of voltage iswider，itwill lead to voltage collapse in some serious condition．This article discusses the truth of real-time voltage regulation which adopt regulation voltage by simulation and undertake the economy analysis．

var generator;static var generator;regulation voltage

TM71

B

1004－289X(2013)03－0024－04

2013－03－11

祁忠永，工程師。