磁閥式靜止型動態(tài)無功補償裝置在智能電網中的應用

榮俊鋒 楊圣利

（杭州銀湖電氣設備有限公司，浙江 富陽 311400）

1 引言

電力系統(tǒng)電壓、無功、諧波三大指標對全網經濟效益和改善供電質量至關重要，并且是實現智能化電網的基礎。根據電力工業(yè)的現狀和發(fā)展以及智能化電網建設的需要，新型無功補償裝置的研制和應用成為我國電網系統(tǒng)解決電能質量的關鍵技術課題。磁閥式靜止型動態(tài)無功補償裝置和無源濾波器結合使用，能夠有效濾除系統(tǒng)中諧波污染、動態(tài)連續(xù)補償系統(tǒng)中的無功功率使功率因數穩(wěn)定在定值、一定程度上穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，平衡系統(tǒng)電壓波動，是未來補償濾波領域中不可或缺的高端產品。

目前，無功補償主要裝置是電容器、電抗器和少量的動態(tài)無功補償裝置,其技術存在明顯不足之處:如開關（斷路器）投切電容器組的調節(jié)方式是離散的，不能取得理想的補償效果[1]；開關投切電容所造成的涌流和過電壓對系統(tǒng)和設備本身都十分有害。

2 磁閥式可控電抗器工作原理

無功補償設備采用直流助磁式可控電抗器，其原理是利用附加直流勵磁磁化鐵心，改變鐵心磁導率，實現電抗值的連續(xù)可調，其內部為全靜態(tài)結構，無運動部件，工作可靠性高。

可控電抗器采用小截面鐵心和極限磁飽和技術，柱鐵心結構，在中間兩工作鐵心柱上分布著多個小截面段，在電抗器的整個容量調節(jié)范圍內，僅有小截面段鐵心磁路工作在飽和區(qū)，而大截面段始終工作于未飽和線性區(qū)，其上套有線圈。

圖1為鐵心磁化曲線示意圖，曲線中間部分為未飽和線性區(qū)，左、右兩邊為極限飽和線性區(qū)。若使電抗器工作在極限飽和線性區(qū)，不僅可以減小諧波含量，同時亦能大幅降低鐵心磁滯損耗，電抗器鐵損控制在理想狀態(tài)[2]。

圖1 鐵心磁飽和特性（B-磁通量，單位韋伯；H-電感，單位亨利）

3 磁閥式可控電抗器特性

3.1 電器特性

（1）諧波特性

磁閥式可控電抗器產生的諧波比相控電抗器小50%，最大3次諧波電流為額定基波電流的7%左右，5次諧波電流為2.5%左右[2]。

（2）伏安特性

在一定控制導通角下，磁閥式可控電抗器伏安特性近似線性[2]。

（3）控制特性

可控電抗器輸出電流（容量）隨控制角增加而減少[2]。

（4）響應時間

可控電抗器從空載到額定或從額定到空載容量的電流過渡過程波形，時間約為0.3s。例如，額定容量為300MVA的可控電抗器，緊急情況下可在0.3秒內可提供300MVA的無功功率。

3.2 MCR型SVC的特點

電感平衡部分的結構由1臺磁控電抗器組成，其優(yōu)缺點大致表現在以下幾個方面：

（1）磁控電抗器控制部分的可控硅一般工作在系統(tǒng)額定電壓的百分之幾的水平上，由于是在控制磁閥的飽和度，所以無需很大的控制功率，晶閘管工作在低電壓小電流的工況下，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行系數[3]。

（2）磁控電抗器本身就像一臺變壓器，可以采用不同的冷卻方式，在35kV電壓等級以下均采用風冷和油冷兩種自然冷卻方式，沒有輔助冷卻設備，可以為無人值守的變配電系統(tǒng)配套使用。

（3）由于可控硅部分工作在支流運行方式，所以不會產生諧波電壓，近乎于相控電抗器型所產生諧波量一半以下的諧波是因為磁化的非線性過程造成的。

（4）磁控電抗器的缺點是反應速度相對較慢，在0.3s左右，與飽和速度成反比。目前正在開發(fā)反應速度更快的產品。

（5）磁控電抗器免維護，占地面積小，安裝方便[2]。

3.3 可靠性

（1）這種可控電抗器不需要外接電源，完全由電抗器的內部繞組來實現自動控制；

（2）其控制系統(tǒng)從輸電線路進行數據采集，通過控制晶閘管的導通角進行自動控制，可實現連續(xù)可調，從最小容量到最大容量的過渡時間很短，可以真正實現柔性輸電[4]；

（3）網側繞組不需要抽頭，所有繞組的聯(lián)接也很簡單，保證了高壓或特高壓可控電抗器的可靠性；

3.4 安全性

（1）MCR每項僅僅需要1只二極管、2只晶閘管，晶閘管不需要串、并聯(lián)，承受電壓只有系統(tǒng)總電壓的1%～2%，運行穩(wěn)定可靠[2]。

（2）晶閘管動作，整流控制產生的諧波不流入外交流系統(tǒng)。

即使晶閘管或二極管損壞，磁控電抗器也僅相當于1臺空載變壓器，不影響系統(tǒng)其他裝置的運行。

（3）接入三相系統(tǒng)的MCR采用角形連接，并不是將磁控電抗器取代濾波電容中的串聯(lián)電抗器，因此與電容器不會產生諧振[2]。當MCR容量與電容器容量相等時，發(fā)生并聯(lián)諧振，等效阻抗無窮大，相當于從系統(tǒng)中斷開。

3.5 經濟性

（1）采用低電壓水平的電子器件（晶閘管）控制，就可以實現各個電壓級別電壓的自動調整，保持電壓的穩(wěn)定。

（2）在相同電壓下可提高30%的輸電容量。（3）降低輸電線路的損耗。

（4）提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（5）在系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)情況下均能最大限度地傳輸功率。

（6）電網中采用這種可控電抗器可取消自耦變壓器第三繞組以及相配套的補償電容器，工程總造價降低。

（7）磁控電抗器結構簡單，占地面積小，基礎投資大大壓縮。

（8）磁閥式靜止型動態(tài)無功補償裝置，自身有功損耗低[2]。

4 使用范圍

磁閥式靜止型動態(tài)無功補償裝置廣泛適用于電力無功變化迅速，電壓、無功、諧波需控制或綜合治理的供用電場所。

4.1 冶金

（1）工業(yè)用電爐和鐵合金爐

電爐(鐵合金電爐)在工業(yè)上用途非常廣泛，煉鋼、煉鐵、煉鐵合金都需要很大功率的電爐。電爐的工作特性特殊性，會對電網造成很大的沖擊破壞，如造成電網電壓波動、電壓的閃變、三相嚴重不平衡、無功功率快速變化、產生大量的高次諧波等[1]。

（2）軋鋼系統(tǒng)

系統(tǒng)的功率因數都比較的低，一般的無功補償裝置，都存在沒有動態(tài)調整部分的問題，對于這類設備，采用磁控電抗器組成的SVC是十分合適的，咬鋼的過程都在數秒的慣性范圍內，完全可以適應系統(tǒng)的要求，甩鋼后又能及時地由電抗器保持平衡，不會出現過補現象[1]。

（3）原料及高爐系統(tǒng)

一般區(qū)域變電系統(tǒng)的功率因數都很低，同時電機的工作負荷也很不穩(wěn)定，所以可以大量的采用MCR型SVC作為補償裝置。

（4）有色冶金

冶煉銅和鋁：般都采用電爐冶煉，其過程比鋼鐵冶煉爐穩(wěn)定，也是高耗能的化學反應過程，但穩(wěn)定波動系數更大，所以也存在電壓波動大、諧波豐富及功率因數很低等方面的問題[1]，是推廣應用MCR型SVC的另一個對象。

電解銅和鋁：大量采用整流裝置，產生的諧波和槽內電流變化的不穩(wěn)定性都導致了電壓的無序波動，設備的調節(jié)系統(tǒng)會進一步加劇這種波動，穩(wěn)定供電一直是電解系統(tǒng)的一大難題，采用MCR型SVC將會很好的解決此類問題[4]。

4.2 煤炭

煤炭企業(yè)主要的生產工藝過程為采掘和運輸（提升），工輔系統(tǒng)為通風和排水，百分之九十的動力設備為旋轉電機，而且以交流電機為主。煤炭企業(yè)最大的特點是單機容量都較大，獨立分布和一些設備起動頻繁等特點，由此造成了系統(tǒng)供電品質因素很低，穩(wěn)定性很差等諸多問題，改善這類問題的很好辦法也是采用反應速度要求不高，但運行可靠，投資與其他類型SVC有較大競爭的磁控型靜補設備。

4.3 建材水泥

大部分水泥企業(yè)都采用活性水泥生產工藝，與煤炭企業(yè)唯一不同的就是它基本在地表以上操作，通風變成了除塵，也存在大量的皮帶運輸的問題，所以與煤炭企業(yè)相似。

4.4 電力系統(tǒng)

（1）可用于并聯(lián)電抗器：長距離高壓輸電線路，在一定條件下，末端會造成容升電壓升高，可調電抗器并接入線路，可自動調節(jié)電感，吸收無功電流，防止電壓升高[4]。

（2）用于消弧線圈：中壓輸電系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，對地電容電流會嚴重威脅電網的安全[4]。傳統(tǒng)的方法是在系統(tǒng)的中性點處裝設電感不可調的消弧線圈，用以抵消電容電流，達到滅弧的目的。由于電感不可調，滅弧效果并不理想。用可調電抗器作成消弧線圈，可任意調節(jié)電感，滅弧可靠性更高[3]。

（3）用于輸電線路：可調電抗器和電容器串聯(lián)接入輸電線路，可以補償輸電線路的電感，提高線路輸電能力；改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性；降低系統(tǒng)的損耗，改善線路的電壓分布；優(yōu)化線路間的負荷分配[4]。

（4）保證高功率因數，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，有效濾除諧波，為智能化電網建設提供了基礎環(huán)境的保障。

5 同類其他技術特性

國內常見無功補償裝置其他特性對比見表1。

6 應用實例——平遙煤化木家莊煤礦項目

6.1 系統(tǒng)概況

本站兩路進線，正常情況下一用一備，35kV母線采用單母線分段接線，分段開關閉合，1號主變運行，6kV母線并列運行，兩段各有1440kvar的補償電容器。針對以上情況，2006年8月23日至24日對系統(tǒng)電能質量進行了綜合測量，選取電網1#進線點進行了測量，數據見圖2、圖3、圖4。

圖2 補償前有功功率變化曲線

表1 幾種無功補償裝置比較表

由以上測試數據分析可以知道，電網1#功率因數波動很大，變化規(guī)律如下：

絞車啟動時，要吸收較大的有功功率和無功功率，造成功率因數很低，且變化速度很快。

圖3 補償前無功功率變化曲線

圖4 補償前功率因素變化曲線

6.2 方案設計

通過計算及分析補償總容量選定為4500kvar。

從測試所得無功變化曲線可知，系統(tǒng)存在過補償的現象，過補償的容量平均為1300kvar，考慮補償電容器容量的增加，選定磁控電抗器容量為1800kvar。

6.3 補償后效果

2007年2月份MSVC設備正式安裝投運，3月15日對投運MSVC設備后的系統(tǒng)再次進行電能質量測試，測試結果如見圖5、圖6、圖7。

由測試前后的測試結果可看出，MSVC投運之后無功功率的變化比投運之前有很大的緩解，不再有很大幅度和頻繁的變化；特別是功率因數，MSVC投運前，功率因數頻繁變化，最小只有0.20左右，在0.90以下的時間也非常多；MSVC投運后，功率因數基本穩(wěn)定在0.98以上，無大幅度波動。

圖5 補償后有功功率變化曲線

圖6 補償后無功功率變化曲線

圖7 補償后功率因素變化曲線

可見，MSVC在實現穩(wěn)定系統(tǒng)功率因數，動態(tài)調節(jié)無功補償功率等功能方面達到了設計要求，實現很好的動態(tài)補償效果。

7 結論

目前，MCR型SVC已經在煤炭、電氣化鐵路、冶金行業(yè)及輸變電系統(tǒng)得到了廣泛的應用，并取得了顯著效果且形成了成熟的技術方案[2]。現在MSVC的發(fā)展研究主要集中于控制策略上，如引入了模糊控制、人工神經網絡和專家控制系統(tǒng)到MSVC控制系統(tǒng)[4]，使MSVC系統(tǒng)的性能更加提高。

[1] 王兆安.諧波抑制及無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998:1,4.

[2] 陳柏超．新型可控飽和電抗器理論及應用[M].武漢:武漢水利電力大學出版社,1999:2,4,7.

[3] 劉虹,伊忠東,陳柏超,陳維賢.新型可控自動消弧成套裝置的應用研究[J].電力系統(tǒng)自動化.1998,22(2).

[4] T.J.E米勒主編,胡國根譯.電力系統(tǒng)無功功率控制[M].北京:水利電力出版社,1990.