智能電網(wǎng)無功補(bǔ)償分級投切的仿真研究

歐 志 新

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通與信息工程系，合肥 230051)

0 前 言

城市電力系統(tǒng)供電負(fù)荷的自然功率因子普遍較低，一般為0.5～0.7。電力系統(tǒng)電網(wǎng)容量有限，負(fù)荷線路用電載荷的大小不同，這對線路遠(yuǎn)距離傳輸和用電負(fù)荷的安全穩(wěn)定工作提出了較高的技術(shù)要求[1]。為了確保從發(fā)電端到用電端電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備參數(shù)實(shí)時在線可控，必須在電能傳輸環(huán)節(jié)增加一套智能無功補(bǔ)償裝置，自動補(bǔ)償線路傳輸中的電能損耗，在電網(wǎng)受到干擾時實(shí)時監(jiān)測線路和負(fù)荷設(shè)備運(yùn)行狀況。

電力系統(tǒng)負(fù)荷電能損耗的大小與電源側(cè)母線功率補(bǔ)償參數(shù)相關(guān)，電網(wǎng)運(yùn)行中電能損耗過大會造成變電所電氣設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，在用電負(fù)荷端安裝并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置，能夠提高供電電壓質(zhì)量、減少電能損耗等[2]。在智能電網(wǎng)中加裝無功補(bǔ)償裝置的目的是提高電網(wǎng)的功率因子，降低電力變壓器和輸電線路的損耗，提高供電效率，改善和控制供電系統(tǒng)容量等。

智能電網(wǎng)具備電路故障預(yù)警和自保護(hù)功能，能自動檢測電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有效地抑制供電系統(tǒng)電壓波動及諧波造成的過電流，以確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和各項(xiàng)設(shè)備參數(shù)指標(biāo)正常。如果電力系統(tǒng)出現(xiàn)補(bǔ)償不足或者過補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象，則會影響線路運(yùn)行的穩(wěn)定性。智能電網(wǎng)的發(fā)電總?cè)萘咳Q于負(fù)荷運(yùn)量額定參數(shù)的設(shè)定，設(shè)計(jì)與控制總?cè)萘康哪康氖怯行д{(diào)節(jié)負(fù)荷高峰周期誤差帶來的波動。

1 傳統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)

傳統(tǒng)無功補(bǔ)償系統(tǒng)主要包括SVC靜態(tài)無功補(bǔ)償和基于晶體管的TSC動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)葍煞N方式。傳統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)是根據(jù)補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)與用電負(fù)荷的電能變化，判斷需要補(bǔ)償?shù)碾娔芰?，并進(jìn)行人工干預(yù)操作和補(bǔ)償電能計(jì)算。由于動態(tài)負(fù)荷電能的變化影響著電力負(fù)荷運(yùn)行的可靠性，所以在電能傳輸和電壓等級變換過程中，為了避免電網(wǎng)供電并列解體造成大面積供電中斷，可以通過控制電能損耗和提高無功補(bǔ)償因子來穩(wěn)定電壓。

在TSC動態(tài)無功補(bǔ)償電路中加裝LC電路結(jié)構(gòu)(見圖1)，其特點(diǎn)是在動態(tài)負(fù)荷變化過程中，電抗器和并聯(lián)電容器能及時提高電壓損耗和抑制波動區(qū)間。TSC晶體管組能預(yù)防操作過電壓，使計(jì)算負(fù)荷用電量和采集、識別補(bǔ)償數(shù)據(jù)的精確度更高。傳統(tǒng)無功補(bǔ)償對于動態(tài)變化的負(fù)荷或電網(wǎng)母線故障檢測的補(bǔ)償效果不明顯，需要將電容器組并聯(lián)在分段母線上來提供電能，以防止出現(xiàn)反向擊穿晶體管組和損壞電容器等情況。

圖1 TSC晶體管組加裝LC電路結(jié)構(gòu)

在TSC動態(tài)無功補(bǔ)償電路中加裝LC電路結(jié)構(gòu)，可以通過電容器的接入或斷開來補(bǔ)償電阻消耗的能量。串聯(lián)的電感可以抑制高次諧波，穩(wěn)定供電質(zhì)量。當(dāng)電容器投入時，電壓-電流特性就是其伏安特性，它向系統(tǒng)提供恒定容性無功功率，具有濾除諧波的作用。

電力系統(tǒng)負(fù)荷電能供應(yīng)的增加主要考慮的是功率和諧波，可以通過容性阻抗與感性補(bǔ)償裝置的結(jié)合來提高負(fù)荷用電設(shè)備的功率因子。這既滿足了損耗補(bǔ)償?shù)男枨?，又可以防止瞬時過電流，進(jìn)而提升了電網(wǎng)的供電質(zhì)量及穩(wěn)定性。

2 智能無功補(bǔ)償?shù)脑砼c電流計(jì)算

相較于TSC動態(tài)無功補(bǔ)償裝置和SVC靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置，智能無功補(bǔ)償裝置可以通過補(bǔ)償電路控制器來自動調(diào)節(jié)功率因子，投切電容器組進(jìn)行穩(wěn)壓。智能無功補(bǔ)償裝置的核心是通過對電抗器的智能調(diào)整，達(dá)到對補(bǔ)償電容器的連續(xù)調(diào)整，進(jìn)而產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的無功功率。無功補(bǔ)償裝置是將可控電抗器與電容器并聯(lián)使用，將功率因子控制在設(shè)定值范圍內(nèi)，若功率因子在0.9以上則自動補(bǔ)償切換。智能無功補(bǔ)償系統(tǒng)主要包括并聯(lián)電容無功補(bǔ)償和并聯(lián)電抗無功補(bǔ)償?shù)葍煞N結(jié)構(gòu)。

2.1 并聯(lián)電容無功補(bǔ)償

并聯(lián)電容無功補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳輸線路電壓損失ΔU如式(1)所示：

圖2 并聯(lián)電容無功補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

ΔU=ES-EX=(PR+QX)/U

(1)

式中：ΔU——電壓損耗差，即輸入電壓與線路傳輸電壓的損耗值；

ES——輸入電能容量；

EX——補(bǔ)償前負(fù)荷用電容量；

PR——電阻有功功率；

QX——輸入端無功功率；

U——額定電壓。

可以得出，電壓損失的影響因素包括有功功率、無功功率、電阻和電抗，則：

ΔU=ES-EX

=PR+[Q(X-XC)]/U

(2)

式中：Q——無功功率；

X——感性阻抗；

XC——補(bǔ)償阻抗值。

(3)

(4)

由式(3)、式(4)解得：

UC=Um-(U0-Um)cosω0t

當(dāng)斷路器閉合前U0=0時，ω0t=π，則UC=2Um；當(dāng)斷路器閉合前U0=-Um時，ωot=0，則UC=3Um。

容性充電電流流過線路串聯(lián)電感引起的暫時過電壓檢測不穩(wěn)定，導(dǎo)致出現(xiàn)無功補(bǔ)償輸電線路的受電端電壓總是高于送電端電壓的現(xiàn)象。無功補(bǔ)償?shù)碾娔軗p耗與負(fù)荷用電量相關(guān)，其目的是提高功率因子，增強(qiáng)供電電壓，保證用電負(fù)荷容量的穩(wěn)定性。要避免出現(xiàn)過電壓和過電流，防止諧波產(chǎn)生的過電流侵入無功補(bǔ)償裝置，進(jìn)而影響電容器組的補(bǔ)償效果。

2.2 并聯(lián)電抗無功補(bǔ)償

并聯(lián)電抗無功補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如圖3所示。隨著電網(wǎng)容量增大，電纜使用較多，電纜的充電功率增大。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷較小時，容性無功功率得不到平衡，導(dǎo)致線路電壓升高，系統(tǒng)損耗增加[6]。

圖3 并聯(lián)電抗無功補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

計(jì)算輸入電能到輸出負(fù)荷電能的中間損耗能量I：

Bsin(ωt+φ+ψ)

(5)

其中，

(6)

式中：θ——電容與電感數(shù)值乘積的倒數(shù)；

δ——電阻與電感值的比值；

ψ——開關(guān)控制量的有效觸發(fā)角度；

A——輸入補(bǔ)償電能計(jì)量控制范圍；

B——輸出補(bǔ)償電能計(jì)量控制范圍。

(7)

涌流峰值為：

(8)

式中：SS——電容器在外的母線短路容量；

Im——電流峰值；

SC——電容器的額定容量。

涌流倍數(shù)為：

(9)

由此可見，系統(tǒng)短路容量越大，涌流越大。

因此，必須進(jìn)行感性無功補(bǔ)償，使用并聯(lián)電抗器代替并聯(lián)電容器，以降低電路電壓，減少系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。TSC動態(tài)無功補(bǔ)償諧波干擾曲線(見圖4)表示晶體管補(bǔ)償在涌流峰值下過電壓的限定范圍。

圖4 TSC動態(tài)無功補(bǔ)償諧波干擾曲線

牽引變電所采用的并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置不能智能跟隨負(fù)載變化，導(dǎo)致出現(xiàn)欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償現(xiàn)象[7]。電容器組和電抗器選擇補(bǔ)償?shù)臅r機(jī)和參數(shù)不對，觀測供電波形會發(fā)生波形畸變出現(xiàn)鋸齒形，電流波形比電壓波形更明顯。其中，無功電源的分布、無功電力的傳輸及無功電力的管理，直接影響著電網(wǎng)的運(yùn)行[8]。晶體管組在補(bǔ)償電容提高功率因子后，降低了電壓損失，提高了電壓質(zhì)量。

3 晶體管分級投切裝置結(jié)構(gòu)與原理

作為無觸點(diǎn)開關(guān)投切電容器的快速智能無功補(bǔ)償系統(tǒng)，晶體管基于對牽引網(wǎng)無功功率等電氣量的實(shí)時監(jiān)測，智能補(bǔ)償功率因子及抑制諧波[9]。補(bǔ)償方式為自動跟蹤投切式，將總補(bǔ)償容量分為若干組，自動根據(jù)負(fù)荷的變化快速投入必要的補(bǔ)償量。智能無功補(bǔ)償分級投切裝置由補(bǔ)償電路、數(shù)據(jù)采集電路和微機(jī)控制電路等3個部分組成(見圖5)[10]。

圖5 智能無功補(bǔ)償分級投切結(jié)構(gòu)

(1)考慮到繼電保護(hù)設(shè)備的可靠性，將晶體管開關(guān)置于電容器和電抗器之間，補(bǔ)償電路電氣設(shè)備的連接順序依次為電源母線、斷路器、電抗器、晶體管開關(guān)、電容器和接地線。

(2)實(shí)時監(jiān)控上位機(jī)的作用是便于操作人員隨時監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)收集處理與穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)[11]?；谟?jì)算結(jié)果進(jìn)行智能調(diào)整，控制無功功率輸出的大小，使功率因子達(dá)到規(guī)定要求。

智能自動投切無功補(bǔ)償?shù)淖饔迷谟冢焊鶕?jù)微機(jī)控制界面運(yùn)行曲線的波動和參數(shù)誤差的變化情況，判斷是否需要對負(fù)荷電能進(jìn)行計(jì)算和投入補(bǔ)償，不需要人工干預(yù)調(diào)節(jié)。一旦補(bǔ)償電能滿足負(fù)荷的正常運(yùn)行，補(bǔ)償回路會自動切除電容器組和電抗器，以防止補(bǔ)償電能過量。

數(shù)據(jù)采集電路中，利用互感器獲取與分析原始參數(shù)(包括電流有效值、電壓有效值、無功功率、有功功率、電流峰值和功率因子等)，對采集的模擬量進(jìn)行數(shù)字量轉(zhuǎn)換，分析波形變化與傳輸通道，再通過補(bǔ)償電路進(jìn)行計(jì)算并將結(jié)果反饋至微機(jī)控制回路顯示。

4 TSC晶體管投切與SVC仿真的比較

SVC靜態(tài)補(bǔ)償裝置的最大缺點(diǎn)是計(jì)算與反饋緩慢，且誤差無法修正，易造成母線過補(bǔ)償線路與電壓損耗過大。

TSC動態(tài)智能補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)在于：在互感器采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，若出現(xiàn)過電流和過電壓，則在電源側(cè)安裝保護(hù)單元。在智能無功補(bǔ)償分級投切裝置中補(bǔ)償電路，通過斷路器與繼電保護(hù)裝置快速切斷電路，以防止事故擴(kuò)大，造成主接線與負(fù)荷母線停電，負(fù)荷用電量出現(xiàn)諧波干擾，電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)損耗增大、供電電壓質(zhì)量不高、功率因子補(bǔ)償過低等情況。用電負(fù)荷根據(jù)不同數(shù)量的電容器進(jìn)行自動投切補(bǔ)償，晶體管觸發(fā)電路選擇合適的補(bǔ)償電路對負(fù)荷進(jìn)行電能補(bǔ)償。

比較TSC靜態(tài)補(bǔ)償方法和并聯(lián)補(bǔ)償電容器組在補(bǔ)償電路中功率因子對電能補(bǔ)償效果。晶體管分級投切無功補(bǔ)償裝置曲線，如圖6所示。控制開關(guān)接通電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，電容器補(bǔ)償負(fù)荷電能時會出現(xiàn)波動區(qū)間，但在電抗器的作用下，波動會迅速回到設(shè)定值范圍內(nèi)。此時，電能補(bǔ)償并觸發(fā)晶體管電流防護(hù)過程已完成，不會產(chǎn)生開關(guān)分?jǐn)嚯娐愤^電壓和短路過電流等情況。

圖6 晶體管分級投切無功補(bǔ)償裝置曲線

SVC靜態(tài)無功補(bǔ)償滿足負(fù)荷電能隨著電網(wǎng)輸入?yún)?shù)的變化而不斷變化的要求，在母線側(cè)加裝并聯(lián)電容器組，根據(jù)支路負(fù)荷用電量的波動情況，自動投切電容器組。一旦負(fù)荷的波動范圍超出了設(shè)定的誤差區(qū)間，就會自動選擇合適的電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償，從而提高功率因子。

3種無功補(bǔ)償裝置投切功率曲線如圖7所示。波動和誤差的取值設(shè)定根據(jù)電抗器的阻抗值和電容器組的投切進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)荷電能需要補(bǔ)償時，基于自動投切晶體管方式的智能補(bǔ)償電路既能自動檢測與反饋運(yùn)行曲線和負(fù)荷參數(shù)，并自動投入補(bǔ)償器，又能在補(bǔ)償電能達(dá)到要求后，自動切除補(bǔ)償電容器組。

圖7 3種無功補(bǔ)償裝置投切功率曲線

其中，TSC動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)是負(fù)荷用電量固定，負(fù)荷波動范圍小、變化時間短，誤差可控且具有連續(xù)性。SVC動態(tài)負(fù)荷的無功補(bǔ)償在波動性能和誤差控制方面的穩(wěn)定性差，可以加入人工干預(yù)裝置手動切除持續(xù)快速變化的負(fù)荷電量，以保證誤差在正常范圍內(nèi)。晶體管組的智能投切補(bǔ)償裝置具有魯棒性和低延遲性等優(yōu)點(diǎn)，將采樣電路參數(shù)傳輸至補(bǔ)償回路，自動存儲和計(jì)算負(fù)荷的電能損耗和需要補(bǔ)償?shù)墓β室蜃?，根?jù)負(fù)荷用電量的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，準(zhǔn)確地選擇電抗、阻抗和電容器組，并將其投入到補(bǔ)償電路中，以補(bǔ)償其波動和誤差。

5 結(jié) 語

并聯(lián)電容補(bǔ)償系統(tǒng)采用智能投切方式來實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償量快速無沖擊的投入和切除，有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。并聯(lián)電容器組的晶體管分級投切補(bǔ)償?shù)囊饬x在于合理選擇補(bǔ)償設(shè)備，這既滿足了供電負(fù)荷的有效用電量，又實(shí)現(xiàn)了供電線路的安全穩(wěn)定。智能電網(wǎng)在電能傳輸和補(bǔ)償負(fù)荷用電需求等方面，具有電流穩(wěn)定和電能容量可控的功能。傳統(tǒng)負(fù)荷補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)采用的是電容器組和電抗器相結(jié)合的模式，電能波動小且能滿足損耗補(bǔ)償?shù)男枨螅菀资艿讲杉瘏?shù)變化的影響而無法快速控制電流，有造成干擾和諧波電網(wǎng)解體的危險(xiǎn)。因此，必須快速診斷和切除故障點(diǎn)，更換供電方式，以確保用電負(fù)荷的最短停電時間和最少電能損耗。