無功補償裝置的研究

邢新波 梁馮平

上海電氣輸配電集團 上海 200042

1 研究背景

無功功率對供電系統和負載的運行而言都十分重要,電網的無功功率狀況是衡量電網運行水平的重要指標之一[1]。目前,電力系統中非線性設備逐漸增多,運行時會產生大量諧波。由于這些設備驅動大量低功率因數沖擊性負載,會產生大量變化大且急劇的無功功率,使電網質量惡化,造成電壓波動、諧波過大等。由此,迫切需要對電力系統進行快速、動態無功補償[2-3]。

電力系統無功功率分布的合理與否直接影響電力系統的安全穩定運行,并與經濟效益直接相關聯。電網的無功功率容量不足,會造成負荷端供電電壓低,影響正常生產和生活用電。無功功率容量過剩,會造成電網運行電壓過高,電壓波動率過大,降低電網功率因數,進而造成大量電能損耗。因此,解決好無功補償問題,具有十分重要的意義。選擇合理的無功補償方式,應遵循三個原則[4],即就地補償原則、分級補償原則、防止過補原則。

2 無功補償裝置現狀分析

在電網實際運行中,對無功功率的需求量很大。為了保證電能質量,無功補償裝置的市場需求潛力巨大,國內各種無功補償裝置產品層出不窮。目前市面上能夠實現無功補償功能的設備大致分為無源無功補償裝置和有源無功補償裝置兩類[5-6]。

2.1 無源無功補償裝置

無源無功補償裝置主要包括固定電容器、同步調相機、同步電動機、靜止無功補償器等[7-8]。

固定電容器通常由電抗器與電容器串聯而成,優點是結構簡單,經濟實惠,運行安全可靠,缺點是無功功率容量不能隨意調節大小,不能立即響應及快速跟隨系統無功功率的變化節奏。

同步調相機實際上是一臺不帶機械負載運行的同步電動機。根據電網負載情況的不同,適當調節同步調相機的勵磁電流,可以改變同步調相機汲取的無功功率,使電網的功率因數接近1,起到無功補償的作用。同步調相機的優點是可以實現連續平滑的無功補償,缺點是響應速度慢、噪聲大、損耗大、技術陳舊,屬于淘汰技術。

國際大電網會議將靜止無功補償器定義為七個子類:機械投切電容器、機械投切電抗器、自飽和電抗器、晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器、晶閘管投切電抗器、自換向或電網換向轉換器。其中,晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器是國內主流靜止無功補償器產品。

晶閘管控制電抗器由一組固定的電容器和一組用晶閘管控制的電抗器組成,電容器和電抗器都并聯在線路中。晶閘管控制電抗器的優點是動態快速跟蹤無功功率變化,不發生過補償,無投切振蕩,無沖擊投切,缺點是結構復雜、功耗大,投切產生諧波。

晶閘管投切電容器通過晶閘管的導通和關斷控制電容器的投切,從而達到控制系統輸出無功功率大小的目的。晶閘管投切電容器的優點是結構簡單、易于控制、價格較低,缺點是只能分組投切,即有級差的補償,不能實現連續可調,并且對負荷波動的跟蹤補償速度較慢[9-10]。

2.2 有源無功補償裝置

能夠進行有源無功補償的設備主要是靜止無功發生器,工作原理為控制電力電子橋式逆變器來產生無功電流,進而實現動態無功補償。靜止無功發生器相對于各種無源無功補償裝置有諸多優勢。靜止無功發生器不僅能夠補償感性無功,而且能夠調節容性無功,并且調節過程平滑連續、反應迅速,還能夠抑制電力系統中的諧波[10]。

3 靜止無功發生器

靜止無功發生器的基本原理是利用可關斷、大功率、高頻率電力電子器件組成自換相橋式電路,經過電抗器并聯在電網上,實時調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位,或直接控制橋式電路交流側電流,使橋式電路吸收或者發出滿足要求的無功電流,實現動態無功補償和電壓控制的目的。全控型器件構成的三電平三相半橋結構靜止無功發生器電路拓撲如圖1所示。

圖1 靜止無功發生器電路拓撲

圖1屬于三相四線制電路,其中絕緣柵雙極晶體管型號為F3L100R07W2E3_B11[11-12]。靜止無功發生器無功補償時,通過調節絕緣柵雙極晶體管的開關導通狀態,就可以控制直流逆變到交流的電壓幅值和相位。通過檢測系統中所需的無功功率,可以快速發出大小相等、相位相反的無功功率,實現無功功率的就地平衡,保持電力系統實時高功率因數運行。

靜止無功發生器的主要功能特點如下:① 具有快速響應能力,瞬時響應時間短于100μs,完全響應時間短于10 ms;② 具有大容量補償能力,單個功率單元最大補償能力為100 kvar;③ 具有簡單的操作方法和結構,模塊化結構設計,易于安裝和維護;④ 能夠快速提供變化的無功電流,以抑制負荷變化引起的電壓波動和閃變;⑤ 能夠快速補償負載不平衡產生的負序電流,始終保證流入電網的電流三相平衡,大大提高電能質量。

4 混合靜止無功發生器

采用混合靜止無功發生器是一種將無源晶閘管投切電容器和有源靜止無功發生器組合為整體的混合補償方案,突破傳統無功補償技術,實現對負載的無級快速補償,在有效降低成本的同時,達到最佳的諧波治理與無功補償效果。系統采用先進控制算法,滿足無功功率和諧波變化較快的場合,容量靈活調配訂制,滿足各類場合使用要求,占地面積較小,安裝維護便捷。

主流混合靜止無功發生器的容量一般可以分為360 kvar、300 kvar、240 kvar三種。其中,靜止無功發生器的最大容量為35 kvar。混合靜止無功發生器電路拓撲如圖2所示。

圖2包括靜止無功發生器控制器、靜止無功發生器功率單元和晶閘管投切電容器支路。靜止無功發生器控制器計算系統需要的無功功率,利用靜止無功發生器動態響應速度快的特性,及時抑制電壓波動和閃變。在負荷穩定后,再投入晶閘管投切電容器支路,減少靜止無功發生器發出的無功功率。在負荷退出后,靜止無功發生器迅速動態響應,吸收掉過補的無功功率,然后再逐步將晶閘管投切電容器支路切除。混合靜止無功發生器既可以發揮靜止無功發生器動態響應速度快的特性,抑制電壓波動和閃變,又能夠彌補靜止無功發生器容量不足的缺陷,使靜止無功發生器工作在輕負荷狀態,延長靜止無功發生器的使用壽命,更加精確地進行補償。

圖2 混合靜止無功發生器電路拓撲

靜止無功發生器功率單元電壓為400 V,容量為35 kvar,頻率為50 Hz,開關頻率為12.8 kHz,靜止無功發生器發出50 A三相無功電流,無功電流波形如圖3所示。

圖3 靜止無功發生器功率單元發出無功電流波形

圖3中,黃色A相電流為52.1 A,綠色B相電流為52.2 A,紫色C相電流為52.29 A,紅色N相電流為2.28 A。三相電流波形正弦度完好。

靜止無功發生器功率單元補償負載B相無功電流為50 A,無功電流波形如圖4所示。

圖4中,黃色網側B相電流為1.89 A,綠色負載B相電流為50.22 A,紫色靜止無功發生器功率單元B相電流為52.68 A。網側B相電流基本為零,負載B相無功電流完全由靜止無功發生器功率單元補償,同相位,同幅值,正弦度好,補償效果良好。

圖4 靜止無功發生器功率單元補償無功電流波形

5 結束語

筆者對多種無功補償裝置的原理和方法進行研究,對優缺點進行分析和比較。混合靜止無功發生器將成為未來無功補償技術發展的主要趨勢。正確合理選擇無功補償裝置,不但能減少設備故障,提高運行效率,而且能降低設備投入成本,減少對電網的污染,節約能源。