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静止无功补偿技术的现状及其发展趋势
 
慧聪网   2006年1月19日9时0分   信息来源:中国自动化网    

    无功功率补偿是保持电网高质量运行的一种主要手段,也是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的一个重大课题,正在受到越来越多的关注。

    电网中无功不平衡主要有两方面的原因:一方面是输送部门传送的三相电的质量不高,一方面是用户的电气性能不够好。这两方面的原因综合起来导致了无功的大量存在。在电力系统中,电压和频率是衡量电能质量的两个最重要的指标。为确保电力系统的正常运行,供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关,而电压控制的重要方法之一就是对电力系统的无功功率进行控制。

静止无功补偿的历史

    将电容器与网络感性负荷并联是补偿无功功率的传统方法,在国内外获得了广泛的应用。并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点,但其阻抗是固定的,故不能跟踪负荷无功需求的变化,即不能实现对无功功率的动态补偿。随着电力系统的发展,要求对无功功率进行动态补偿,从而产生了同步调相机。它是专门用来产生无功功率的同步电动机,在过励磁或欠励磁的情况下,能够分别发出不同大小的容性或感性无功功率。由于它是旋转电动机,运行中的损耗和噪声都比较大,运行维护复杂,响应速度慢,难以满足快速动态补偿的要求。

    20世纪70年代以来,同步调相机开始逐渐补静止无功补偿装置所取代。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器型的。饱和电抗器比之同步调相机具有静止、响应速度快等优点,但其铁心需磁化到饱和状态,因而损耗和噪声还是很大,而且存在非线性电路的一些特殊问题,又不能分相调节以补偿负荷的不平衡,所以未能占据主流。

    电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用,将晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台,并逐渐占据了静止无功补偿装置的主导地位,于是静止无功补偿装置(SVC)成了专门使用晶闸管的静止无功补偿装置。静止无功补偿装置主要包括晶闸管摧投切电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)。现就在农网改造中应用最广泛的TSC技术性能做一下介绍。
晶闸管投切电容器(TSC)

控制方式

    根据控制物理量的不同可分为功率因数控制、无功功率控制和多参量综合控制。功率因数控制是指根据预先设定的整定功率因数cosφ,由检测到的电网实际功率因数控制所需的补偿电容容量。电容器组投入后,只有当cosφmin<cosφ0<cosφmax,且电压不超过允许值时,能运行于稳定区。无功功率控制是指根据测得的电压、电流和功率因数等参数,计算出应该投入的电容容量,然后在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式,电容器投切一次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量(下限值),则应保持补偿状态不变。只有当所需容量大于或等于下限值时,才执行要相应的投切。从控制策略来看,采用功率因数控制直接明了,但轻载时容易产生投切震荡,重载时又不易达到充分补偿;而采用无功功率控制,由于检测和控制目标都是同一物理量,技术上合理,但检测难度稍大。但仅根据某一物理量进行控制都有其不足,现阶段广泛采用多参量综合控制,即以功率因数控制为基础,以无功功率控制避免投切振荡,电网电压上限值和负载电流下限值作为控制电容器组投切的约束条件,实现电容器组的智能综合控制。高效率微处理芯片的使用为实现多变量综合控制提供了可能性。比较合理的补偿应做到最大限度地利用补偿设备提高电网的功率因数、不发生过补偿、无投切振荡和无冲击投切。

投切方式

    20世纪70年代的补偿柜都是采用机械式交流接触器,至今仍有沿用。但由于接触器三相触头不能分别进行控制,要通则几乎一起接通,要断则几乎一起断开,无法选择最合适相位角投入和切除电容,这样会产生不同的冲击电流。由于冲击电流大,限制了一次投入的电容值,不得不把一次投入的电容值化整为零,分几次投入,这将降低补偿的准确性和减慢响应的速度,而且常会引起接触器触头烧焊现象,使接触器断不开,影响正常工作,实际使用时不得不对触头经常进行维护和更换,这影响了整个装置工作的可靠性和工作寿命,也降低了工作的准确性和动作响应速度。

    现在普遍采用单片机控制大功率晶闸管来投切电容,由于具有过零检测、过零触发的优点,响应速度快,合闸涌流小,无操作过电压,无电弧重燃,从而基本上解决了以往投切时交流接触器经常拉弧至于烧结而损坏的不良情况。开关器件可选择晶闸管和二极管反并联,也可选择两个晶闸管反并联方式。采用晶闸管与二极管反并联方式,只要电容器在电源峰值时投入,晶闸管在电流过零时自动切断,无论电容器的投或切,都不会产生冲击电流和过电压,控制简便,电容器无需放电即可重新投入,从而实现电容器的频繁投切,但晶闸管承受的最大反向电压为电源电压峰值的两倍。而采取两个晶闸管反并联方式,在晶闸管关断时,如果电容器残压能迅速放掉,那晶闸管所承受的最大反向电压为电源电压的峰值。两种方式相比,晶闸管反并联方式可靠性更高,即使损坏一个晶闸管,也不会导致电容器误投入,响应速度也比晶闸管和二极管反并联方式快,但投资较大,控制更复杂。

补偿策略

    目前可分为三相共补和三相分补两种。三相共补是根据三相总的无功需求来投切电容器组,电容器接法为三角形。三相分补则是根据每相各自的无功需求投切电容器组,电容器接法为星形。
三相共补广泛采用两组晶闸管作为控制器件。为了提高运行的可靠性,防止电容器和晶闸管损坏,晶闸管投入时必须要有过零检测,即只有当晶闸管两端的电压等于零时晶闸管才导通。实际上电压绝对过零很难做到,会存在电流的暂态过程,但只要线路电参数配合合理,这个过程持续时间不长,并很快过渡到稳定状态。值得注意的是,当晶闸管切除后,晶闸管和电容器均存在着很高的残压,这对晶闸管和电容器的耐压也提出了更高的要求。如果器件选择不当或保护不够,常常会造成晶闸管和电容器烧毁。三相共补适用于三相负载较平衡的场合,三相分补对于三相负载不平衡的场合则能做到真正的三相无功平衡。把三相共补和三相分补相结合,便实现补偿综合方案—混补,可以用于任何负载。先在三角形接法的电容器组中选择三相共同需要的补偿容量,进行共补,然后在星形接法的电容器组合中选择单相电容器补偿剩余不平衡状况,既避免了过补或欠补现象的出现,又节省了补偿电容的容量,降低了成本,具有很好的经济性。

发展趋势

    随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响,静止无功补偿的发展趋势主要有以下几点:
   (1)在城网改造中,运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪,因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问题。
   (2)快速准确地检测系统的无功参数,提高动态响应时间,快速投切电容器,以满足工作条件较恶劣的情况(如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合)。随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展,可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法,如模糊控制等。
   (3)目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制,是通过变压器接入的,如用于电气化铁道牵引变电所等。研制高压动态无功补偿的装置则具有重要意义,关键问题是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压,即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制的同步性等。
   (4)由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用,供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器,将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。

 
 
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