動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在特殊供電負(fù)荷中的應(yīng)用研究

張朝山　曹亞棟　馬靈芝

摘? 要：相比于電網(wǎng)工程中的常規(guī)負(fù)荷，以冶金、電氣化鐵路、采礦、風(fēng)光新能源為主的特殊負(fù)荷，具有非線性、波動性以及沖擊性等特點(diǎn)，極容易在公共電網(wǎng)中引發(fā)各種電能質(zhì)量問題，并且在電網(wǎng)較為薄弱的區(qū)域中以上問題還會被放大?；诖?，從動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在特殊供電負(fù)荷中的應(yīng)用概述著手，通過分析動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的主要型號及特點(diǎn)，研究動態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制模型，旨在為特殊供電負(fù)荷下動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計提供理論方面的參考。

關(guān)鍵詞：動態(tài)無功補(bǔ)償裝置;特殊供電負(fù)荷;應(yīng)用

引言

特殊供電負(fù)荷在輸送過程中很可能對電網(wǎng)和設(shè)備造成不同程度的影響，而常規(guī)固定投切電容器在使用過程中無法滿足實際需要，尤其體現(xiàn)在響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償精度低以及使用壽命短等方面，但以SVC、SVG為典型的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置則能有效解決各種電能質(zhì)量問題。實際上在工程領(lǐng)域中，該類裝置的應(yīng)用卻相對較少，相關(guān)工程設(shè)計人員對該裝置的基本原理、仿真應(yīng)用以及設(shè)計的認(rèn)知仍有所欠缺，也無法充分發(fā)揮動態(tài)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)有的效益。

1 動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在特殊供電負(fù)荷中的應(yīng)用概述

1.1冶金負(fù)荷

低電壓大電流中最具代表性的系統(tǒng)為爐變短網(wǎng)，其在投入使用時頻繁發(fā)生電極短路或斷路故障，造成電壓波動或閃變、諧波、功率因數(shù)、負(fù)序電流及三相不平衡等電能質(zhì)量相關(guān)問題，尤其是在礦熱爐、電弧爐熔化期最為顯著。與此同時，冶金負(fù)荷本質(zhì)上具有無功沖擊大、電壓波動劇烈、無明顯沖擊規(guī)律等特點(diǎn)，極容易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓發(fā)生嚴(yán)重的閃變問題。而SVC、SVG等設(shè)備卻能在功能上有效控制電壓波動及閃變，并通過補(bǔ)償負(fù)序電流抑制三相電壓不平衡等問題，因此在實際應(yīng)用過程中主要通過SVC來解決電壓波動及閃變問題。

1.2風(fēng)電、光伏等新能源

若出力不穩(wěn)，極易引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動問題，但基于風(fēng)電、光伏等新能源安裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置則能有效解決以上問題。早在初期階段我國就已安裝了MCR，后期階段則是TCR型的SVC設(shè)備。隨著現(xiàn)代化社會發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，社會各界對新能源裝機(jī)提出了更高的低電壓穿越要求，因此將所有設(shè)備換成了SVG。

1.3高壓電動機(jī)

在電網(wǎng)較為薄弱的采礦區(qū)域中，時常面臨高壓電動機(jī)啟動造成的電網(wǎng)電壓波動現(xiàn)象，究其根本原因在于電網(wǎng)短路的容量過小，而電動機(jī)啟動造成的無功沖擊卻相對較大。實際上大部分高壓電動機(jī)主要由傳統(tǒng)驅(qū)動模式下的供電交流電動機(jī)組成，其在直接啟動過程中產(chǎn)生的電流倍數(shù)控制在7～8倍以內(nèi)。若選擇電阻分壓或Y - △變換等間接啟動方式，其啟動電流倍數(shù)將會變化為2～3倍。若采用交、直、交變頻控制方式的大型電動機(jī)，在可控的電動機(jī)電流下，可從源頭上避免電網(wǎng)沖擊問題的發(fā)生。在工程工業(yè)領(lǐng)域，SVC或SVG設(shè)備都得到了廣泛應(yīng)用。

1.4電氣化鐵路

電氣化鐵路本質(zhì)上屬于單相交流負(fù)荷。通常情況下，用電負(fù)荷相對接入點(diǎn)的短路容量普遍較小，且變化速率也較為緩慢，因而伴隨著一定的不平衡問題。針對于此，考慮使用斯考特變壓器、阻抗平衡變壓器等設(shè)備。由于機(jī)車主流驅(qū)動系統(tǒng)主要采用交-直-交的驅(qū)動方式，并且電氣化鐵路系統(tǒng)中的諧波、功率因數(shù)也具有一定的可控性，因此電氣化鐵路牽引電站在實際應(yīng)用過程中通常不需要裝設(shè)動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。對于地鐵供電負(fù)荷，由于大多牽引電站集中在城區(qū)，主要通過高壓電纜供電，在輕載模式下供電系統(tǒng)極易發(fā)生充電功率過剩等問題。與此同時，這種模式大多以直流制式為主，即三相交流-直流變換，避免了三相不平衡的問題。對于少部分采用交流制式的設(shè)備，其伴隨著一定的三相不平衡問題，但效果并不突出。此外，在天氣條件、場地布置等因素影響下，仍以SVG控制電壓為主。

2 動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的主要型號及特點(diǎn)

在特殊負(fù)荷站中裝設(shè)無功補(bǔ)償配置時，通常在恒定負(fù)荷部分安裝常規(guī)電容器，而動態(tài)變化部分則可以配備適宜的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。現(xiàn)階段較為常見的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置型號主要包括SVC、SVC，其中SVC又可細(xì)分為TSC型、MCR型、TCR型及其組合型。以上裝置的工作原理、特性都存在明顯差別，在不同場合下的應(yīng)用也各不相同。

以TSC型為主的SVC設(shè)備是由常規(guī)電容器組改造而來，其真空開關(guān)可通過兩個反并聯(lián)晶閘管進(jìn)行替換，在正、負(fù)半波中還可以分別進(jìn)行導(dǎo)通。該裝置具有響應(yīng)速度快、可過零投切、可靠性強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但其階梯狀補(bǔ)償存在一定的過補(bǔ)或欠補(bǔ)問題，并且該裝置對晶閘管使用的需求過高，在一定程度上加劇了成本損耗，所需占地面積也相對較大。該型SVC設(shè)備目前應(yīng)用并不廣泛，偶爾用于提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性等領(lǐng)域。

TCR型SVC設(shè)備可在短時間內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)無功輸出，其在實際應(yīng)用過程中將會產(chǎn)生諧波，需配備濾波支路。該型號設(shè)備主要適用于容性出力大、變化快速的場所，如冶金行業(yè)。但需要注意的是，感性出力時裝置可能會消耗大量能源，致使部分大型試驗站出現(xiàn)無功過剩問題，因此應(yīng)避免使用該種型式的SVC設(shè)備。

TCR、TSC組合型式的SVC設(shè)備是基于TCR型SVC設(shè)備改造而來的，其中TSC設(shè)備可結(jié)合實際需要選擇適合的投切電容器。將TCR設(shè)備最小容量的必要濾波支路進(jìn)行保留，可以在較小容性出力或感性出力時降低TCR出力，適用于小時數(shù)不高、響應(yīng)速度快的試驗性負(fù)荷。

MCR型SVC設(shè)備可通過改變鐵芯飽和程度對感性無功變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，所耗費(fèi)的造價成本也相對較小，在110kV及以上的高電壓等級中具有良好的適用性。該裝置的響應(yīng)速度較為緩慢，需要諧波支路支持，且存在一定的噪音問題。

SVG設(shè)備主要由全開斷器件ICBT串并聯(lián)而成，以PWM調(diào)制技術(shù)、雙閉環(huán)控制模式為核心。該設(shè)備的無功電流可快速變化，具有良好的恒流源特性。相比于SVC，該設(shè)備的運(yùn)行范圍更廣。通常情況下，SVG的輸出無功電流并不受電壓影響，可充分滿足新能源并網(wǎng)下的低電壓穿越要求，在我國工程領(lǐng)域中已得到了廣泛運(yùn)用。

3 動態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制模型

3.1 SVC控制模型

以BPA仿真軟件中的SVC控制模型為例，該模型主要包括測量環(huán)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)器、觸發(fā)環(huán)節(jié)等，由間接和連續(xù)控制兩種模式組成。若電壓偏差VrR高于門檻值DV，說明電壓跌落值較高，可通過SVC設(shè)備輸出的大容性無功支撐電壓恢復(fù)到原始狀態(tài)。在此過程中，間接控制可發(fā)揮一定的作用，期望的電納控制信號也可設(shè)定為最大導(dǎo)納值。若電壓逐漸降低至門檻值以下，SVC將會轉(zhuǎn)換為連續(xù)控制模式，在電壓調(diào)節(jié)器的作用下該設(shè)備可對電壓進(jìn)行閉環(huán)控制。

3.2 SVG控制模型

BPA仿真軟件中的SVG控制模型主要包括測量環(huán)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)器、延遲觸發(fā)環(huán)節(jié)等要素，由斜率控制、電壓閉環(huán)控制等模式組成。經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出后，電壓偏差信號可轉(zhuǎn)化為逆變器交流側(cè)電壓，該值與SVG并網(wǎng)點(diǎn)電壓的相對大小可直接決定該設(shè)備在電網(wǎng)中輸出的無功電流性質(zhì)和大小，在直掛型SVG設(shè)備中具有較好的適用性。另外，BPA仿真軟件中還存在一種不涉及出口電抗器的控制模型，其主要適用于具備專用升壓變壓器的SVG裝置。

結(jié)語

對特殊供電負(fù)荷中動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用進(jìn)行研究具有積極意義，通過分析常見特殊供電負(fù)荷引起的電能質(zhì)量問題，探討動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的基本原理和特點(diǎn)，可以針對特殊負(fù)荷選擇適合的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置型式。與此同時，基于PSD-BPA仿真軟件下SVC、SVG設(shè)備的仿真應(yīng)用進(jìn)行分析可知，若電壓性與動態(tài)功補(bǔ)具有一定的容量，可以通過優(yōu)化控制參數(shù)的方式科學(xué)調(diào)節(jié)電壓波動。

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