無功混合補(bǔ)償裝置在配電網(wǎng)中的應(yīng)用
引言
電能是一種清潔能源，具有使用靈活、可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展和人民生活的各個方面都得到了廣泛應(yīng)用。電能質(zhì)量的好壞不但會直接影響到發(fā)電、送電和用電等電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，同時也和人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)[1—2]。而隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)中用電設(shè)備的總?cè)萘恳苍诓粩嘣黾?，與此同時電網(wǎng)中的無功功率與日俱增。自然條件下，配電網(wǎng)絡(luò)中的無功功率由上級電網(wǎng)提供，這樣就會有大量的無功電流在輸配電線路中流動，一方面會增加輸配電線路的損耗，并使線路的末端電壓降低，另一方面還降低了輸配電線路傳輸有功功率的容量，降低了系統(tǒng)的利用率。進(jìn)行合理有效的無功功率補(bǔ)償可以減少因傳輸無功電流造成的能量損耗，最大限度發(fā)揮輸配電線路傳送電能的能力，同時也可以提高線路末端電壓，進(jìn)而提高終端電氣設(shè)備的運(yùn)行性能和利用率。因此，選擇合理的無功補(bǔ)償方式就顯得非常重要。
1補(bǔ)償方式
目前常用的無源無功補(bǔ)償裝置有CSC（接觸器投切電容器）和TSC（晶閘管投切電容器），這兩種補(bǔ)償裝置都是采用分級投切電容器組或者是電抗器加電容器組的方式進(jìn)行無功補(bǔ)償。這種補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本低，但由于電容器的額定容量固定，補(bǔ)償時的無功容量是跳躍式的，會存在補(bǔ)償不足或者過補(bǔ)償?shù)那闆r；其次，投切裝置頻繁動作也會縮短補(bǔ)償設(shè)備的使用壽命；同時，當(dāng)配電網(wǎng)的電壓發(fā)生變化時，實(shí)際輸出的無功功率也會發(fā)生相應(yīng)的改變，這種變化是不可控的。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一種新型的無功補(bǔ)償裝置應(yīng)運(yùn)而生：靜止無功發(fā)生器（SVG）。SVG是一種有源的無功補(bǔ)償裝置，其輸出極性可調(diào)。根據(jù)負(fù)載的變化情況，SVG可以實(shí)時調(diào)節(jié)變流電路交流側(cè)輸出電壓或電流的相位和幅值，從而連續(xù)發(fā)出或者吸收無功功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速、動態(tài)、連續(xù)無功補(bǔ)償?shù)哪康?，無功補(bǔ)償?shù)男Ч肹3]，且補(bǔ)償效果不受設(shè)備接入點(diǎn)系統(tǒng)電壓的影響，也不會和負(fù)載阻抗或系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振。但受限于功率半導(dǎo)體器件容量和價格，大容量的SVG成本較高，所以當(dāng)僅僅采用SVG對配電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償時，無功補(bǔ)償?shù)某杀据^高。
無功混合補(bǔ)償裝置采用TSC和SVG的組合方式進(jìn)行無功補(bǔ)償[4—5]，是一種結(jié)合了無源補(bǔ)償和有源補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置。其利用TSC對配電網(wǎng)中的無功功率進(jìn)行快速的分級補(bǔ)償，再利用SVG對系統(tǒng)無功功率和TSC輸出無功功率之間的差額以及系統(tǒng)中的動態(tài)無功功率進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)連續(xù)動態(tài)的補(bǔ)償。采用無功混合補(bǔ)償裝置的無功功率補(bǔ)償避免了單一無源補(bǔ)償時的補(bǔ)償不足或過補(bǔ)償?shù)那闆r，同時又降低了無功功率補(bǔ)償?shù)某杀?，提高了補(bǔ)償?shù)男Ч?，性價比較高。合理設(shè)置TSC和SVG的容量比可有效降低無功補(bǔ)償?shù)某杀?，是無功補(bǔ)償?shù)囊粋€發(fā)展方向，也是本文采用的無功補(bǔ)償裝置。
根據(jù)無功混合補(bǔ)償裝置的安裝位置，補(bǔ)償可以分為三種類型，分別是集中補(bǔ)償、隨機(jī)補(bǔ)償和隨器補(bǔ)償[6]。
集中補(bǔ)償是在變電站中進(jìn)行的無功功率補(bǔ)償，集中補(bǔ)償可提高變電站中主變壓器的功率因數(shù)，降低主變壓器的無功損耗及其前級輸電線路的無功損耗，但對減少配電網(wǎng)絡(luò)整條線路的無功負(fù)荷和降低供電線路無功損耗的效果是有限的，集中補(bǔ)償多采用的是高壓補(bǔ)償。
通常情況下，隨機(jī)補(bǔ)償是在用電設(shè)備處設(shè)置幾組適當(dāng)容量的電容器，采用分級投切的方式進(jìn)行無功補(bǔ)償。但由于電容器的額定容量是階躍式變化的，即使采用不同容量的電容器組的形式進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，也不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的無功功率補(bǔ)償目標(biāo)，會存在欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償?shù)那闆r；同時，執(zhí)行投切操作時也會存在延時，導(dǎo)致無功補(bǔ)償?shù)男Ч焕硐?，并且頻繁地執(zhí)行投切操作會縮短無功補(bǔ)償設(shè)備的使用壽命。當(dāng)無功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)合理時，隨機(jī)補(bǔ)償可以獲得很好的無功補(bǔ)償效果，隨機(jī)補(bǔ)償多采用的是低壓補(bǔ)償。
隨器補(bǔ)償是通過對配電變壓器處供電質(zhì)量的分析，經(jīng)過綜合判斷后進(jìn)行的無功補(bǔ)償。隨器補(bǔ)償不但可以提高變壓器的功率因數(shù)，降低配電網(wǎng)無功損耗，還可以釋放變壓器的容量，具有較高的性價比，隨器補(bǔ)償多采用的也是低壓補(bǔ)償。
無功補(bǔ)償裝置的實(shí)際安裝位置需要根據(jù)無功補(bǔ)償?shù)木唧w目標(biāo)要求來確定。
2無功混合補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)
無功混合補(bǔ)償裝置采用TSC和SVG的混合配置方案，能根據(jù)用電現(xiàn)場的無功需求進(jìn)行快速、無極差的無功功率補(bǔ)償，在獲得滿意的補(bǔ)償效果的同時降低無功補(bǔ)償?shù)某杀尽?
2.1無功混合補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)
無功混合補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置中SVG和TSC采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中SVG采用由絕緣柵雙極型集體管（IGBT）組成三相橋式變流電路，通過LC濾波器接入配電網(wǎng)中，可以采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）或者空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）控制IGBT的通斷，使SVG發(fā)出或吸收無功功率。根據(jù)接收到的補(bǔ)償指令信號，SVG在額定容量范圍內(nèi)可以快速連續(xù)地跟蹤補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，輸出無功功率不受系統(tǒng)電壓的影響；TSC采用晶閘管投切電容器進(jìn)行無功分級補(bǔ)償：在電壓過零時投入電容器，在電流過零時切除電容器，從而減少在投切電容器過程中對配電網(wǎng)和補(bǔ)償裝置帶來的沖擊影響。無功混合補(bǔ)償裝置集合了兩種補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)負(fù)載無功功率的變化情況，適時做出合理的決策進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高配電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)。
無功混合補(bǔ)償裝置中SVG和TSC的容量配比及TSC中電容器的容量分配是影響補(bǔ)償效果及補(bǔ)償成本的重要因素。通過分析系統(tǒng)在不同時間段的無功需求可以得到系統(tǒng)無功缺額中的平均靜態(tài)容量及動態(tài)容量的最大值，利用公式（1）則可以求得TSC及SVG的補(bǔ)償容量。
式中：QT為TSC的補(bǔ)償容量；Qj為無功缺額的平均靜態(tài)容量，Qj可通過公式（2）計(jì)算確定；QE為ESVG的補(bǔ)償容量；Qdx為系統(tǒng)無功缺額的動態(tài)容量最大值；K為系數(shù)，由電容器的額定工作電壓和系統(tǒng)電壓比值的平方確定。
TSC中電容器的容量分配由QT和系統(tǒng)無功缺額中的最小靜態(tài)值共同決定，可在對配電網(wǎng)的無功功率進(jìn)行檢測分析后確定。
2.2無功混合補(bǔ)償裝置的控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)采用TMS320F28335作為控制單元。TMS320F28335是高速的數(shù)字信號處理器，圍繞該處理器設(shè)計(jì)相應(yīng)的指令檢測電路、信號調(diào)理電路、信號跟蹤控制電路、IGBT驅(qū)動電路、晶閘管驅(qū)動電路、保護(hù)電路等。
控制系統(tǒng)中軟件由主程序、中斷服務(wù)程序及采樣子程序構(gòu)成,主程序的作用是完成系統(tǒng)初始化以及片上相關(guān)外設(shè)及引腳的初始化,如ePwM、AD、GPIO等,同時完成各級中斷的功能設(shè)置。中斷服務(wù)程序調(diào)用AD采樣子程序,完成系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、補(bǔ)償電流和直流電壓的采樣,計(jì)算系統(tǒng)的相序、頻率、功率因數(shù)及無功功率等參數(shù),確定無功補(bǔ)償容量,根據(jù)SVG和TSC的容量配比確定補(bǔ)償方案。捕獲中斷的作用是計(jì)算電網(wǎng)a相的相位和電網(wǎng)電壓的頻率。故障中斷具有最高的優(yōu)先級，出現(xiàn)故障時，故障中斷被觸發(fā),設(shè)備進(jìn)入保護(hù)狀態(tài),閉鎖輸出。
無功混合補(bǔ)償裝置的工作程序流程如圖2所示。
在補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行前,先采集現(xiàn)場的電壓信號和電流信號,分析配電網(wǎng)的電能質(zhì)量,確定配電網(wǎng)的無功功率情況。如果配電網(wǎng)的功率因數(shù)已經(jīng)處在一個較高水平,則不進(jìn)行無功功率補(bǔ)償,而補(bǔ)償裝置會繼續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的電壓信號和電流信號,重新確定配電網(wǎng)的無功功率情況；如果配電網(wǎng)的功率因數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)值,則需要對配電網(wǎng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。進(jìn)行補(bǔ)償時,補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)會先將每組電容器的補(bǔ)償容量和配電網(wǎng)的無功缺額進(jìn)行比較匹配,若無功缺額小于最小容量的電容器,則投入SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償,否則投入一組或者幾組合適的電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償,剩下的無功差額則由SVG進(jìn)行補(bǔ)償,以達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)男Ч?
2.3無功混合補(bǔ)償裝置的安裝位置
無功混合補(bǔ)償裝置采用并聯(lián)方式接入配電網(wǎng)。采集電壓信號和電流信號的互感器可以安裝在圖3所示的位置處。
電壓互感器安裝在無功混合補(bǔ)償裝置接入配電網(wǎng)處,而電流互感器可以選擇安裝在不同的位置,分別如圖3（a）和圖3（b）所示。
2.4無功補(bǔ)償效果
費(fèi)曼電力生產(chǎn)車間有一臺容量為160 kVA的配電變壓器，對變壓器的負(fù)載情況進(jìn)行分析后，采用45 kvar的無功混合補(bǔ)償裝置對其進(jìn)行無功補(bǔ)償，其中SVG容量為20 kvar，TSC容量為25 kvar。補(bǔ)償效果如表1所示。
由表1數(shù)據(jù)可知，進(jìn)行無功功率補(bǔ)償后，配電變壓器的功率因數(shù)得到了有效提高，提升了變壓器的供電質(zhì)量，降低了變壓器和配電線路的無功損耗，減少了力調(diào)電費(fèi)。
3結(jié)束語
隨著配電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，無功功率的需求也在不斷增加，選擇合理的無功補(bǔ)償方式既能提高配電網(wǎng)的供電質(zhì)量，降低無功帶來的電能損耗和變壓器損耗，又可以提高配電變壓器的有效容量，提升用電設(shè)備的運(yùn)行效率。無功混合補(bǔ)償裝置集成了兩種無功補(bǔ)償方法的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行分級連續(xù)可調(diào)的無功補(bǔ)償，同時又降低了無功補(bǔ)償?shù)某杀荆且环N可靠的無功補(bǔ)償方案。
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