磁控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

榮俊峰

（杭州銀湖電氣設(shè)備有限公司，杭州 311400）

1 智能電網(wǎng)概述

所謂智能電網(wǎng)，以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。由美國(guó)在2001年由EPRI最早提“Intelligrid”（智能電網(wǎng)），并開(kāi)始研究，目前，“智能電網(wǎng)”被大家普遍接受的術(shù)語(yǔ)和稱謂為“The Smart Grid”（DOE，USA，2008）。

中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司給智能電網(wǎng)的定義是，以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能化電網(wǎng)。

中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)自2009年5月向社會(huì)公布“智能電網(wǎng)”發(fā)展計(jì)劃以來(lái)，先后編制完成《智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（系統(tǒng)）研制規(guī)劃》、《智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃》等標(biāo)準(zhǔn)體系。截至目前，國(guó)家電網(wǎng)制定了15項(xiàng)智能變電站標(biāo)準(zhǔn)，申請(qǐng)專利126項(xiàng)，形成了世界首個(gè)智能變電站系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)已在26個(gè)省（區(qū)、市）建設(shè)電動(dòng)汽車充換電設(shè)施，包括87座標(biāo)準(zhǔn)化充換電站、5179臺(tái)充電機(jī)和7031臺(tái)交流充電樁，減少對(duì)石油的消耗。國(guó)家電網(wǎng)還在25個(gè)省（區(qū)、市）建成智能用電信息采集系統(tǒng)，為引導(dǎo)居民經(jīng)濟(jì)用電、合理用電奠定了基礎(chǔ)。可以說(shuō)，經(jīng)過(guò)兩年建設(shè)，堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)在推動(dòng)設(shè)備制造、清潔能源利用、低碳生活等方面均開(kāi)始發(fā)揮顯著作用。

今年我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)進(jìn)入全面建設(shè)階段，國(guó)家電網(wǎng)將推廣建設(shè)11類智能電網(wǎng)試點(diǎn)工程，其中包括接納風(fēng)電容量2000萬(wàn)kW。相關(guān)項(xiàng)目包括建成智能變電站67座；在19個(gè)城市核心區(qū)建成配電自動(dòng)化系統(tǒng)；推廣應(yīng)用5000萬(wàn)具智能電表；新建173座電動(dòng)汽車充換電站；完成25個(gè)智能小區(qū)/樓宇建設(shè)；推廣建設(shè)6.2萬(wàn)戶電力光纖到戶；完成中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程建設(shè)；制定智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)88項(xiàng)。

國(guó)務(wù)院總理溫家寶2011年3月5日在十一屆全國(guó)人大四次會(huì)議上作政府工作報(bào)告時(shí)指出：加強(qiáng)現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)和綜合運(yùn)輸體系建設(shè)，積極推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革，提高能源利用效率。推進(jìn)傳統(tǒng)能源清潔利用，加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)，大力發(fā)展清潔能源。統(tǒng)籌發(fā)展、加快構(gòu)建便捷、安全、高效的綜合運(yùn)輸體系。

2 智能電網(wǎng)對(duì)功率補(bǔ)償?shù)囊?/h2>

建設(shè)智能電網(wǎng)的主要目的是為了降低能源損耗，提高電網(wǎng)的可靠性，并具有自愈功能。

1）基于柔性交流系統(tǒng)（FACTS）的理論。電力電子式開(kāi)關(guān)必將取代傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)，同時(shí)也要求電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)柔性無(wú)功補(bǔ)償，SVC裝置采用可控硅控制可調(diào)電抗器（MCR）的輸出容量，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的連續(xù)可調(diào)，內(nèi)部無(wú)機(jī)械動(dòng)作過(guò)程，真正實(shí)現(xiàn)了柔性無(wú)功補(bǔ)償。

2）基于無(wú)功就地平衡理論。要求在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)就地平衡，也就是說(shuō)對(duì)無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤和無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，最大限度降低無(wú)功功率，以減少功率損耗，傳統(tǒng)的分組投切電容器技術(shù)由于是階梯型調(diào)節(jié)方式，不可避免存在過(guò)補(bǔ)、欠補(bǔ)現(xiàn)象，不符合未來(lái)智能電網(wǎng)的需求。

3）基于電壓無(wú)功綜合控制理論。要求在電網(wǎng)電壓暫降的時(shí)候，無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠快速調(diào)節(jié)輸出容量，以支撐電網(wǎng)電壓，避免電網(wǎng)崩潰，是智能電網(wǎng)自愈功能的一項(xiàng)內(nèi)容。

4）基于智能化電網(wǎng)的要求。補(bǔ)償裝置（其他設(shè)備也應(yīng)包含）的控制部分必須具備智能通信功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和監(jiān)控。

3 磁控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（M SVC）在“智能電網(wǎng)”中的應(yīng)用

3.1 無(wú)功補(bǔ)償概述

傳統(tǒng)上無(wú)功補(bǔ)償主要有固定補(bǔ)償和分組投切電容器，固定補(bǔ)償由于容量無(wú)法調(diào)節(jié)，容易過(guò)補(bǔ)和欠補(bǔ)；而分組投切裝置將電容器分成若干組，由控制器根據(jù)系統(tǒng)無(wú)功變化控制電容器組的投切，其調(diào)節(jié)方式是離散的，不能取得理想的補(bǔ)償效果，開(kāi)關(guān)投切電容所造成的涌流和過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備本身都十分有害，不能滿足未來(lái)智能電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

相控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置雖然可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，但由于其價(jià)格昂貴、占地面積大、后期運(yùn)行維護(hù)成本高而不能大量推廣使用；SVG雖然技術(shù)先進(jìn)，但在實(shí)際運(yùn)行中穩(wěn)定性差，有待進(jìn)一步成熟，目前僅有少量試運(yùn)行；磁控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（MSVC）具有占地面積小、可靠性高、免維護(hù)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，已經(jīng)在煤炭、鐵路、風(fēng)電、冶金等各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用，是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)闹髁骷夹g(shù)。

3.2 磁控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的基本原理

磁控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置由補(bǔ)償支路和磁控電抗器（簡(jiǎn)稱MCR）并聯(lián)支路組成，其中補(bǔ)償支路和磁控電抗器經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)固定連接，通過(guò)調(diào)節(jié)磁控電抗器的輸出容量（感性無(wú)功），實(shí)現(xiàn)無(wú)功的連續(xù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償（如圖1、圖2）

圖1 磁控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置一次系統(tǒng)圖

圖2 磁控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置補(bǔ)償效果圖

磁控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置與其他動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)相比，主要區(qū)別在于磁控電抗器（MCR），磁控電抗器采用直流助磁原理，利用附加直流勵(lì)磁磁化鐵心，改變鐵心磁導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)電抗值的連續(xù)可調(diào)，其內(nèi)部為全靜態(tài)結(jié)構(gòu)，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠性高。

圖3 單相磁控電抗器鐵心結(jié)構(gòu)示意圖

磁控電抗器控制原理接線圖如圖4所示。在磁控電抗器的工作鐵心柱上分別對(duì)稱地繞有兩個(gè)線圈，其上有抽頭，它們之間接有可控硅T1、T2，不同鐵心的上下兩個(gè)主繞組交叉連接后并聯(lián)至電源，續(xù)流二極管D接在兩個(gè)線圈的中間。

圖4 磁控電抗器原理接線圖

當(dāng)磁控電抗器主繞組接至電源電壓時(shí), 在可控硅兩端感應(yīng)出1% 左右的系統(tǒng)電壓。在電源電壓正半周觸發(fā)導(dǎo)通可控硅T1，形成圖5（a）所示的等效電路，在回路中產(chǎn)生直流控制電流；在電源電壓負(fù)半周觸發(fā)導(dǎo)通可控硅T2，形成圖5（b）所示的等效電路，在回路中產(chǎn)生直流控制電流。兩個(gè)可控硅在一個(gè)工頻周期輪流觸發(fā)導(dǎo)通，產(chǎn)生直流控制電流，使電抗器工作鐵心飽和，輸出電流增加。磁控電抗器輸出電流大小取決于可控硅控制角，控制角越小，產(chǎn)生的控制電流越強(qiáng)，從而電抗器工作鐵心磁飽和度越高，輸出電流越大。因此，改變可控硅控制角，可平滑調(diào)節(jié)電抗器容量。由上分析可知, 磁控電抗器具有自耦勵(lì)磁功能,省去了單獨(dú)的直流控制電源。

圖5 可控硅導(dǎo)通等效電路

3.3 磁控電抗器的基本特點(diǎn)

1）磁控電抗器不需要外接直流勵(lì)磁電源，完全由電抗器的內(nèi)部繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2）通過(guò)控制晶閘管的控制角進(jìn)行自動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，并且從最小容量到最大容量的過(guò)渡時(shí)間很短（30～100ms），因此可以真正實(shí)現(xiàn)柔性補(bǔ)償。

3）控制元件為低壓晶閘管，其端電壓僅為系統(tǒng)電壓的1%～2%，無(wú)需傳并聯(lián)，運(yùn)行時(shí)不需要承受高電壓、大電流，安全可靠，發(fā)熱量很小，自然冷卻即可，無(wú)需輔助冷卻設(shè)備。

4）自身諧波含量少，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生二次污染。

5）即使晶閘管或二極管損壞，磁控電抗器也僅相當(dāng)于一臺(tái)空載變壓器，不影響礦井安全生產(chǎn)。

6）經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯：后期免維護(hù)；磁控電抗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，基礎(chǔ)投資大大壓縮；MSVC自身有功損耗低，僅為TCR的50%。

綜上所述，隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)以及國(guó)家大力提倡節(jié)能降耗，采用合理的補(bǔ)償方案和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功優(yōu)化，是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要課題。磁控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（MSVC）無(wú)論從補(bǔ)償效果還是運(yùn)行成本等各個(gè)方面，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，必將在未來(lái)電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

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