無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究

邢新波 梁馮平

上海電氣輸配電集團(tuán) 上海 200042

1 研究背景

無(wú)功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)載的運(yùn)行而言都十分重要,電網(wǎng)的無(wú)功功率狀況是衡量電網(wǎng)運(yùn)行水平的重要指標(biāo)之一[1]。目前,電力系統(tǒng)中非線性設(shè)備逐漸增多,運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波。由于這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)大量低功率因數(shù)沖擊性負(fù)載,會(huì)產(chǎn)生大量變化大且急劇的無(wú)功功率,使電網(wǎng)質(zhì)量惡化,造成電壓波動(dòng)、諧波過(guò)大等。由此,迫切需要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行快速、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償[2-3]。

電力系統(tǒng)無(wú)功功率分布的合理與否直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,并與經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)聯(lián)。電網(wǎng)的無(wú)功功率容量不足,會(huì)造成負(fù)荷端供電電壓低,影響正常生產(chǎn)和生活用電。無(wú)功功率容量過(guò)剩,會(huì)造成電網(wǎng)運(yùn)行電壓過(guò)高,電壓波動(dòng)率過(guò)大,降低電網(wǎng)功率因數(shù),進(jìn)而造成大量電能損耗。因此,解決好無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題,具有十分重要的意義。選擇合理的無(wú)功補(bǔ)償方式,應(yīng)遵循三個(gè)原則[4],即就地補(bǔ)償原則、分級(jí)補(bǔ)償原則、防止過(guò)補(bǔ)原則。

2 無(wú)功補(bǔ)償裝置現(xiàn)狀分析

在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中,對(duì)無(wú)功功率的需求量很大。為了保證電能質(zhì)量,無(wú)功補(bǔ)償裝置的市場(chǎng)需求潛力巨大,國(guó)內(nèi)各種無(wú)功補(bǔ)償裝置產(chǎn)品層出不窮。目前市面上能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償功能的設(shè)備大致分為無(wú)源無(wú)功補(bǔ)償裝置和有源無(wú)功補(bǔ)償裝置兩類[5-6]。

2.1 無(wú)源無(wú)功補(bǔ)償裝置

無(wú)源無(wú)功補(bǔ)償裝置主要包括固定電容器、同步調(diào)相機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器等[7-8]。

固定電容器通常由電抗器與電容器串聯(lián)而成,優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,運(yùn)行安全可靠,缺點(diǎn)是無(wú)功功率容量不能隨意調(diào)節(jié)大小,不能立即響應(yīng)及快速跟隨系統(tǒng)無(wú)功功率的變化節(jié)奏。

同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)不帶機(jī)械負(fù)載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載情況的不同,適當(dāng)調(diào)節(jié)同步調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁電流,可以改變同步調(diào)相機(jī)汲取的無(wú)功功率,使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1,起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｍ秸{(diào)相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的無(wú)功補(bǔ)償,缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、噪聲大、損耗大、技術(shù)陳舊,屬于淘汰技術(shù)。

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議將靜止無(wú)功補(bǔ)償器定義為七個(gè)子類:機(jī)械投切電容器、機(jī)械投切電抗器、自飽和電抗器、晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器、晶閘管投切電抗器、自換向或電網(wǎng)換向轉(zhuǎn)換器。其中,晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器是國(guó)內(nèi)主流靜止無(wú)功補(bǔ)償器產(chǎn)品。

晶閘管控制電抗器由一組固定的電容器和一組用晶閘管控制的電抗器組成,電容器和電抗器都并聯(lián)在線路中。晶閘管控制電抗器的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)快速跟蹤無(wú)功功率變化,不發(fā)生過(guò)補(bǔ)償,無(wú)投切振蕩,無(wú)沖擊投切,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大,投切產(chǎn)生諧波。

晶閘管投切電容器通過(guò)晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷控制電容器的投切,從而達(dá)到控制系統(tǒng)輸出無(wú)功功率大小的目的。晶閘管投切電容器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、價(jià)格較低,缺點(diǎn)是只能分組投切,即有級(jí)差的補(bǔ)償,不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào),并且對(duì)負(fù)荷波動(dòng)的跟蹤補(bǔ)償速度較慢[9-10]。

2.2 有源無(wú)功補(bǔ)償裝置

能夠進(jìn)行有源無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備主要是靜止無(wú)功發(fā)生器,工作原理為控制電力電子橋式逆變器來(lái)產(chǎn)生無(wú)功電流,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。靜止無(wú)功發(fā)生器相對(duì)于各種無(wú)源無(wú)功補(bǔ)償裝置有諸多優(yōu)勢(shì)。靜止無(wú)功發(fā)生器不僅能夠補(bǔ)償感性無(wú)功,而且能夠調(diào)節(jié)容性無(wú)功,并且調(diào)節(jié)過(guò)程平滑連續(xù)、反應(yīng)迅速,還能夠抑制電力系統(tǒng)中的諧波[10]。

3 靜止無(wú)功發(fā)生器

靜止無(wú)功發(fā)生器的基本原理是利用可關(guān)斷、大功率、高頻率電力電子器件組成自換相橋式電路,經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位,或直接控制橋式電路交流側(cè)電流,使橋式電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和電壓控制的目的。全控型器件構(gòu)成的三電平三相半橋結(jié)構(gòu)靜止無(wú)功發(fā)生器電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 靜止無(wú)功發(fā)生器電路拓?fù)?/p>

圖1屬于三相四線制電路,其中絕緣柵雙極晶體管型號(hào)為F3L100R07W2E3_B11[11-12]。靜止無(wú)功發(fā)生器無(wú)功補(bǔ)償時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)絕緣柵雙極晶體管的開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài),就可以控制直流逆變到交流的電壓幅值和相位。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)中所需的無(wú)功功率,可以快速發(fā)出大小相等、相位相反的無(wú)功功率,實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的就地平衡,保持電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)高功率因數(shù)運(yùn)行。

靜止無(wú)功發(fā)生器的主要功能特點(diǎn)如下:① 具有快速響應(yīng)能力,瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間短于100μs,完全響應(yīng)時(shí)間短于10 ms;② 具有大容量補(bǔ)償能力,單個(gè)功率單元最大補(bǔ)償能力為100 kvar;③ 具有簡(jiǎn)單的操作方法和結(jié)構(gòu),模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),易于安裝和維護(hù);④ 能夠快速提供變化的無(wú)功電流,以抑制負(fù)荷變化引起的電壓波動(dòng)和閃變;⑤ 能夠快速補(bǔ)償負(fù)載不平衡產(chǎn)生的負(fù)序電流,始終保證流入電網(wǎng)的電流三相平衡,大大提高電能質(zhì)量。

4 混合靜止無(wú)功發(fā)生器

采用混合靜止無(wú)功發(fā)生器是一種將無(wú)源晶閘管投切電容器和有源靜止無(wú)功發(fā)生器組合為整體的混合補(bǔ)償方案,突破傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的無(wú)級(jí)快速補(bǔ)償,在有效降低成本的同時(shí),達(dá)到最佳的諧波治理與無(wú)功補(bǔ)償效果。系統(tǒng)采用先進(jìn)控制算法,滿足無(wú)功功率和諧波變化較快的場(chǎng)合,容量靈活調(diào)配訂制,滿足各類場(chǎng)合使用要求,占地面積較小,安裝維護(hù)便捷。

主流混合靜止無(wú)功發(fā)生器的容量一般可以分為360 kvar、300 kvar、240 kvar三種。其中,靜止無(wú)功發(fā)生器的最大容量為35 kvar。混合靜止無(wú)功發(fā)生器電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2包括靜止無(wú)功發(fā)生器控制器、靜止無(wú)功發(fā)生器功率單元和晶閘管投切電容器支路。靜止無(wú)功發(fā)生器控制器計(jì)算系統(tǒng)需要的無(wú)功功率,利用靜止無(wú)功發(fā)生器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特性,及時(shí)抑制電壓波動(dòng)和閃變。在負(fù)荷穩(wěn)定后,再投入晶閘管投切電容器支路,減少靜止無(wú)功發(fā)生器發(fā)出的無(wú)功功率。在負(fù)荷退出后,靜止無(wú)功發(fā)生器迅速動(dòng)態(tài)響應(yīng),吸收掉過(guò)補(bǔ)的無(wú)功功率,然后再逐步將晶閘管投切電容器支路切除?；旌响o止無(wú)功發(fā)生器既可以發(fā)揮靜止無(wú)功發(fā)生器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特性,抑制電壓波動(dòng)和閃變,又能夠彌補(bǔ)靜止無(wú)功發(fā)生器容量不足的缺陷,使靜止無(wú)功發(fā)生器工作在輕負(fù)荷狀態(tài),延長(zhǎng)靜止無(wú)功發(fā)生器的使用壽命,更加精確地進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 混合靜止無(wú)功發(fā)生器電路拓?fù)?/p>

靜止無(wú)功發(fā)生器功率單元電壓為400 V,容量為35 kvar,頻率為50 Hz,開關(guān)頻率為12.8 kHz,靜止無(wú)功發(fā)生器發(fā)出50 A三相無(wú)功電流,無(wú)功電流波形如圖3所示。

圖3 靜止無(wú)功發(fā)生器功率單元發(fā)出無(wú)功電流波形

圖3中,黃色A相電流為52.1 A,綠色B相電流為52.2 A,紫色C相電流為52.29 A,紅色N相電流為2.28 A。三相電流波形正弦度完好。

靜止無(wú)功發(fā)生器功率單元補(bǔ)償負(fù)載B相無(wú)功電流為50 A,無(wú)功電流波形如圖4所示。

圖4中,黃色網(wǎng)側(cè)B相電流為1.89 A,綠色負(fù)載B相電流為50.22 A,紫色靜止無(wú)功發(fā)生器功率單元B相電流為52.68 A。網(wǎng)側(cè)B相電流基本為零,負(fù)載B相無(wú)功電流完全由靜止無(wú)功發(fā)生器功率單元補(bǔ)償,同相位,同幅值,正弦度好,補(bǔ)償效果良好。

圖4 靜止無(wú)功發(fā)生器功率單元補(bǔ)償無(wú)功電流波形

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)多種無(wú)功補(bǔ)償裝置的原理和方法進(jìn)行研究,對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析和比較?；旌响o止無(wú)功發(fā)生器將成為未來(lái)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。正確合理選擇無(wú)功補(bǔ)償裝置,不但能減少設(shè)備故障,提高運(yùn)行效率,而且能降低設(shè)備投入成本,減少對(duì)電網(wǎng)的污染,節(jié)約能源。