動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器在電力用戶端無功補(bǔ)償中的應(yīng)用

董博磊，涂圣輝

（濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

隨著濟(jì)南市的高速發(fā)展，作為濟(jì)南經(jīng)濟(jì)重要增長(zhǎng)極的高新區(qū)形成了高科技企業(yè)和裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)集群。 高科技企業(yè)和高附加值的大型裝備制造業(yè)的大量投產(chǎn)，對(duì)于電力供應(yīng)的可靠性和電能質(zhì)量提出了更高要求。 作為濟(jì)南高新區(qū)的電力供應(yīng)部門，濟(jì)南供電公司開發(fā)區(qū)客戶服務(wù)（分）中心也需要不斷的完善提高自身的供電服務(wù)水平。 無功補(bǔ)償裝置是一種改善用戶受端電能質(zhì)量的重要手段，一直以來被廣大電力用戶普遍應(yīng)用。

由于制造業(yè)用戶用電設(shè)備多為異步電動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備，因此負(fù)荷多呈現(xiàn)阻—感性，需要吸收無功功率，建立設(shè)備中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)行磁場(chǎng)能和電網(wǎng)中的電場(chǎng)能的交換，這個(gè)能量的交換規(guī)模就是無功功率。 由于無功功率在輸電線路上傳遞將會(huì)增加電網(wǎng)的有功損耗和線路電壓降落，明顯降低線路末端電壓。同時(shí)也會(huì)影響線路最大輸送容量，所以需要用戶在受電端進(jìn)行無功補(bǔ)償［1］。無功補(bǔ)償一般采用并聯(lián)電容器接入系統(tǒng)，產(chǎn)生無功功率。這部分無功功率被用戶設(shè)備消納，減少了輸電線路上無功功率，達(dá)到或接近用戶內(nèi)部的無功功率平衡，實(shí)現(xiàn)改善線路末端電壓、降低線路損耗和提高線路供電能力的作用。

1 傳統(tǒng)的10 kV配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置

傳統(tǒng)的10 kV配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置一般通過在用戶的配電變壓器380 V／220 V系統(tǒng)中并聯(lián)多組電容器，采用可控交流接觸器進(jìn)行電容器的分組投切。

由于電容器為分組設(shè)置，投切電容器時(shí)只能整組電容器投入或者切除，并且不能根據(jù)用戶無功負(fù)荷需求進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，而是無功功率輸出呈現(xiàn)階梯形變化，往往不能理想補(bǔ)償負(fù)載設(shè)備的無功需求，使得客戶始終處于欠補(bǔ)償或者過補(bǔ)償狀態(tài)。 這種情況下，客戶都會(huì)從配電網(wǎng)吸收無功功率，或者向電網(wǎng)發(fā)出無功功率。進(jìn)一步增大線路壓降，使得用戶端電壓降低，由公式Qc＝U2／Xc可知，無功功率與電壓的平方成正比，隨著末端電壓的下降，使得無功補(bǔ)償能力顯著下降，這樣不僅僅造成線路電能損耗增加，同時(shí)也更加惡化了用戶受端電能質(zhì)量，容易造成生產(chǎn)設(shè)備故障和出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題。

一般說來，用戶在補(bǔ)償設(shè)備的使用上多采用自動(dòng)控制投切，由于用戶負(fù)載工況變化迅速，會(huì)造成交流接觸器頻繁的動(dòng)作。這樣一來，會(huì)造成用戶接觸器觸點(diǎn)疲勞損壞甚至燒蝕失去控制能力。由Ic＝C（dUc／dt）可知，快速投切，會(huì)顯著增大電容電流，嚴(yán)重時(shí)大電流會(huì)造成電容器擊穿。

雖然傳統(tǒng)交流接觸器投切電容器無功補(bǔ)償裝置有造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是隨著電力用戶對(duì)于電能質(zhì)量的要求不斷提高以及電力技術(shù)的進(jìn)步，一種新型無功補(bǔ)償裝置開始出現(xiàn)，并逐步取代傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備。

2 動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器工作原理

動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器（TSVG）是一種新型的無功補(bǔ)償設(shè)備，這種設(shè)備由靜止無功補(bǔ)償器（SVC－Static Var Compensator） 和靜止無功發(fā)生器 （SVG－Static Var Generator）并聯(lián)組合而成，原理圖如圖1所示。具有SVC的補(bǔ)償容量大、導(dǎo)通動(dòng)作迅速可靠、造價(jià)低廉、控制回路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，又具有SVG優(yōu)異的補(bǔ)償特性，可以持續(xù)跟蹤負(fù)荷無功需求，連續(xù)平滑補(bǔ)償無功功率，減少欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)陌l(fā)生。

2.1 靜止無功補(bǔ)償器的工作原理

靜止無功補(bǔ)償器是第二代電力無功補(bǔ)償裝置，10 kV電力客戶主要采用電容型無功補(bǔ)償器——晶閘管投切電容器 （TSC－Thyristor Switching Capacitor），原理如圖 2所示。

由于采用兩只反并聯(lián)電力晶閘管組合而成的半控型控制元件，可以通過控制極觸發(fā)信號(hào)來控制電容接入電網(wǎng)的容量。 當(dāng)電力晶閘管受到正向電壓時(shí)，輸入一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)晶閘管導(dǎo)通。同時(shí)通過對(duì)晶閘管兩端電壓正向過零點(diǎn)與觸發(fā)時(shí)刻之間時(shí)間間隔（即觸發(fā)角）的調(diào)節(jié)，可以控制電容器接入電網(wǎng)的容量。同時(shí)為了防止發(fā)生補(bǔ)償器串聯(lián)諧振的發(fā)生，在回路中串入一個(gè)限流電抗器，限制諧振電流。

圖1 動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器的原理圖

圖2 晶閘管投切電容器TSC原理圖

2.2 靜止無功發(fā)生器的工作原理

為實(shí)現(xiàn)對(duì)無功補(bǔ)償容量大小連續(xù)、精確控制，實(shí)現(xiàn)無功功率完全補(bǔ)償，需要引入全控性電力電子元件，如門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）或金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）等，形成連續(xù)可調(diào)的補(bǔ)償電路［2］，如圖 3所示。

圖3 靜止無功發(fā)生器SVG的工作原理圖

三相全控橋式整流電路是實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償容量連續(xù)可調(diào)的核心組件，通過對(duì)觸發(fā)信號(hào)電路的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子元件設(shè)備導(dǎo)通時(shí)間調(diào)整，連續(xù)調(diào)節(jié)接入系統(tǒng)的無功容量。

2.3 10kV配電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器工作原理

用戶采用將一組靜止無功補(bǔ)償器SVC和一組靜止無功發(fā)生器SVG并聯(lián)，形成無功補(bǔ)償系統(tǒng)。此系統(tǒng)結(jié)合SVC和SVG的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。

裝置為簡(jiǎn)化控制回路，提高可靠性和無功補(bǔ)償容量，將SVC的導(dǎo)通角恒定設(shè)為0°，使得每對(duì)反向并聯(lián)的晶閘管形成一個(gè)交流無觸點(diǎn)開關(guān)。特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，對(duì)用電負(fù)荷和無功需求的快速變化有良好的跟隨性，可以迅速投入和切除成組的電容器裝置［3］。

為解決成組投切電容器無功功率階梯性變化問題，采用并聯(lián)一組小容量的SVG補(bǔ)償裝置，如圖1，由于SVG可以全控連續(xù)調(diào)節(jié)接入系統(tǒng)的無功容量，可作為SVC欠補(bǔ)償容量的補(bǔ)充，對(duì)客戶用電負(fù)荷無功需求做精確補(bǔ)償和連續(xù)跟蹤。SVC做粗調(diào)無功容量，SVG作為精調(diào)和微調(diào)，既發(fā)揮SVG系統(tǒng)連續(xù)可調(diào)的性能，也解決了SVG響應(yīng)速度慢、可控容量小的問題［4］。

3 TSVG應(yīng)用

濟(jì)南開發(fā)區(qū)10 kV電力用戶北車風(fēng)電有限公司采用了10 kV配電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器，安裝在用戶的配電變壓器低壓側(cè)，每臺(tái)1 000 kVA變壓器配置1臺(tái)450 kVar的動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器，控制模塊設(shè)置為自動(dòng)模式。 選取轄區(qū)內(nèi)同為裝備制造業(yè)，且變壓器運(yùn)行容量和用電負(fù)荷均與北車風(fēng)電近似的其他4家用電單位作為對(duì)照，分別為吉利汽車有限公司、浪潮集團(tuán)有限公司、青年汽車有限公司、中煙集團(tuán)有限公司。4家企業(yè)均采用了1 000 kVA變壓器配置450 kVar的補(bǔ)償電容器設(shè)計(jì)，但采用了電容分組投切的傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置，用戶也將補(bǔ)償控制模式設(shè)置為自動(dòng)。

3.1 功率因數(shù)運(yùn)行狀況分析

由用電客戶電能信息采集系統(tǒng)抽取2012年7月19日的功率因數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各電力用戶的功率因數(shù)見表1。

由表1所示數(shù)據(jù)分析可知，安裝動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器（TSVG）的北車風(fēng)電有限公司，在最大功率因數(shù)和最小功率因數(shù)上與其他4家電力用戶相比，都有不同程度的提高。 同時(shí)在功率因數(shù)的波動(dòng)幅度與其他電力用戶相比也較小。 說明動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器（TSVG）在實(shí)際運(yùn)行過程中有著良好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性和優(yōu)異的響應(yīng)速度。

同時(shí)北車風(fēng)電有限公司最高功率因數(shù)可以達(dá)到理論最高值1，說明TSVG可以在實(shí)際應(yīng)用中連續(xù)精確的補(bǔ)償所需的無功功率。

3.2 客戶端電壓運(yùn)行狀況分析

由用電客戶電能信息采集系統(tǒng)抽取2012年7月19日的客戶端一次電壓進(jìn)行分析，各電力用戶的客戶端一次電壓見表2。

由表2所示數(shù)據(jù)分析可知，安裝動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器（TSVG）的北車風(fēng)電有限公司，在客戶端一次電壓方面都高于其他4家電力用戶，由于選取的5家單位均為110 kV春暉變電站同一母線所接用戶，所以首端電壓相同。由于各個(gè)電力用戶的線路長(zhǎng)度和用電負(fù)荷也基本相同，可以看出安裝動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器（TSVG）的北車風(fēng)電有限公司的線路電壓降落最小，說明TSVG在提高用戶受端電壓方面也有很好效果。

表1 各電力用戶的功率因數(shù)表

表2 各電力用戶的客戶端一次電壓表

3.3 客戶運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性狀況分析

由營(yíng)銷管理系統(tǒng)抽取2012年6月各個(gè)電力客戶的電費(fèi)臺(tái)賬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,各電力客戶電費(fèi)臺(tái)賬數(shù)據(jù)見表3。

表3 各電力用戶電費(fèi)臺(tái)賬數(shù)據(jù)表

由表3數(shù)據(jù)分析可知，安裝動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器（TSVG）的北車風(fēng)電有限公司在利率調(diào)整電費(fèi)占總電費(fèi)的百分絕對(duì)值比均高于其他4家電力客戶。根據(jù)山東省物價(jià)局發(fā)布的高壓電力客戶利率調(diào)整電費(fèi)收費(fèi)辦法，利率調(diào)整電費(fèi)占總電費(fèi)的百分比同平均功率因數(shù)與功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)有直接關(guān)系，由于5家企業(yè)均為大工業(yè)用戶，考核標(biāo)準(zhǔn)均為0.9，因此說明北車風(fēng)電有限公司的月平均功率因數(shù)高于其他4家電力用戶。

這也說明同樣的用戶在安裝動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器（TSVG）后，會(huì)顯著提高利率調(diào)整電費(fèi)占總電費(fèi)的百分絕對(duì)值，從而得到供電公司更多的電費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì)，并且用電量越高，收益越高。

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)靜止無功發(fā)生器是一種新型裝置出現(xiàn)在用戶端無功補(bǔ)償領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效，控制回路穩(wěn)定可靠，兼具傳統(tǒng)設(shè)備經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)和新型電力電子設(shè)備的優(yōu)良工作特性，很好地解決了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備的缺點(diǎn)，由過去的粗略階梯形補(bǔ)償模式，變?yōu)檫B續(xù)、精確補(bǔ)償模式。

用戶在安裝TSVG后，會(huì)顯著的提高用戶側(cè)功率因數(shù)和末端電壓，明顯改善電能質(zhì)量和穩(wěn)定性，并且在節(jié)能降損和節(jié)約電費(fèi)成本方面效果明顯。

［1］ 陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

［2］ 石新春，楊燕京，王毅.電力電子技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［3］ 沈小平.SVC靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置的原理和應(yīng)用［J］.中國(guó)科技信息,2009（20）：112－113.

［4］ 楊孝志.幾種無功補(bǔ)償裝置的分析和比較［J］.安徽電力，2006（23）:40－42.