磁阀式静止型动态无功补偿装置在智能电网中的应用

荣俊锋 杨圣利

（杭州银湖电气设备有限公司，浙江 富阳 311400）

1 引言

电力系统电压、无功、谐波三大指标对全网经济效益和改善供电质量至关重要，并且是实现智能化电网的基础。根据电力工业的现状和发展以及智能化电网建设的需要，新型无功补偿装置的研制和应用成为我国电网系统解决电能质量的关键技术课题。磁阀式静止型动态无功补偿装置和无源滤波器结合使用，能够有效滤除系统中谐波污染、动态连续补偿系统中的无功功率使功率因数稳定在定值、一定程度上稳定系统电压，平衡系统电压波动，是未来补偿滤波领域中不可或缺的高端产品。

目前，无功补偿主要装置是电容器、电抗器和少量的动态无功补偿装置,其技术存在明显不足之处:如开关（断路器）投切电容器组的调节方式是离散的，不能取得理想的补偿效果[1]；开关投切电容所造成的涌流和过电压对系统和设备本身都十分有害。

2 磁阀式可控电抗器工作原理

无功补偿设备采用直流助磁式可控电抗器，其原理是利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。

可控电抗器采用小截面铁心和极限磁饱和技术，柱铁心结构，在中间两工作铁心柱上分布着多个小截面段，在电抗器的整个容量调节范围内，仅有小截面段铁心磁路工作在饱和区，而大截面段始终工作于未饱和线性区，其上套有线圈。

图1为铁心磁化曲线示意图，曲线中间部分为未饱和线性区，左、右两边为极限饱和线性区。若使电抗器工作在极限饱和线性区，不仅可以减小谐波含量，同时亦能大幅降低铁心磁滞损耗，电抗器铁损控制在理想状态[2]。

图1 铁心磁饱和特性（B-磁通量，单位韦伯；H-电感，单位亨利）

3 磁阀式可控电抗器特性

3.1 电器特性

（1）谐波特性

磁阀式可控电抗器产生的谐波比相控电抗器小50%，最大3次谐波电流为额定基波电流的7%左右，5次谐波电流为2.5%左右[2]。

（2）伏安特性

在一定控制导通角下，磁阀式可控电抗器伏安特性近似线性[2]。

（3）控制特性

可控电抗器输出电流（容量）随控制角增加而减少[2]。

（4）响应时间

可控电抗器从空载到额定或从额定到空载容量的电流过渡过程波形，时间约为0.3s。例如，额定容量为300MVA的可控电抗器，紧急情况下可在0.3秒内可提供300MVA的无功功率。

3.2 MCR型SVC的特点

电感平衡部分的结构由1台磁控电抗器组成，其优缺点大致表现在以下几个方面：

（1）磁控电抗器控制部分的可控硅一般工作在系统额定电压的百分之几的水平上，由于是在控制磁阀的饱和度，所以无需很大的控制功率，晶闸管工作在低电压小电流的工况下，大大提高了系统的稳定运行系数[3]。

（2）磁控电抗器本身就像一台变压器，可以采用不同的冷却方式，在35kV电压等级以下均采用风冷和油冷两种自然冷却方式，没有辅助冷却设备，可以为无人值守的变配电系统配套使用。

（3）由于可控硅部分工作在支流运行方式，所以不会产生谐波电压，近乎于相控电抗器型所产生谐波量一半以下的谐波是因为磁化的非线性过程造成的。

（4）磁控电抗器的缺点是反应速度相对较慢，在0.3s左右，与饱和速度成反比。目前正在开发反应速度更快的产品。

（5）磁控电抗器免维护，占地面积小，安装方便[2]。

3.3 可靠性

（1）这种可控电抗器不需要外接电源，完全由电抗器的内部绕组来实现自动控制；

（2）其控制系统从输电线路进行数据采集，通过控制晶闸管的导通角进行自动控制，可实现连续可调，从最小容量到最大容量的过渡时间很短，可以真正实现柔性输电[4]；

（3）网侧绕组不需要抽头，所有绕组的联接也很简单，保证了高压或特高压可控电抗器的可靠性；

3.4 安全性

（1）MCR每项仅仅需要1只二极管、2只晶闸管，晶闸管不需要串、并联，承受电压只有系统总电压的1%～2%，运行稳定可靠[2]。

（2）晶闸管动作，整流控制产生的谐波不流入外交流系统。

即使晶闸管或二极管损坏，磁控电抗器也仅相当于1台空载变压器，不影响系统其他装置的运行。

（3）接入三相系统的MCR采用角形连接，并不是将磁控电抗器取代滤波电容中的串联电抗器，因此与电容器不会产生谐振[2]。当MCR容量与电容器容量相等时，发生并联谐振，等效阻抗无穷大，相当于从系统中断开。

3.5 经济性

（1）采用低电压水平的电子器件（晶闸管）控制，就可以实现各个电压级别电压的自动调整，保持电压的稳定。

（2）在相同电压下可提高30%的输电容量。（3）降低输电线路的损耗。

（4）提高电力系统的稳定性。

（5）在系统的静态和动态情况下均能最大限度地传输功率。

（6）电网中采用这种可控电抗器可取消自耦变压器第三绕组以及相配套的补偿电容器，工程总造价降低。

（7）磁控电抗器结构简单，占地面积小，基础投资大大压缩。

（8）磁阀式静止型动态无功补偿装置，自身有功损耗低[2]。

4 使用范围

磁阀式静止型动态无功补偿装置广泛适用于电力无功变化迅速，电压、无功、谐波需控制或综合治理的供用电场所。

4.1 冶金

（1）工业用电炉和铁合金炉

电炉(铁合金电炉)在工业上用途非常广泛，炼钢、炼铁、炼铁合金都需要很大功率的电炉。电炉的工作特性特殊性，会对电网造成很大的冲击破坏，如造成电网电压波动、电压的闪变、三相严重不平衡、无功功率快速变化、产生大量的高次谐波等[1]。

（2）轧钢系统

系统的功率因数都比较的低，一般的无功补偿装置，都存在没有动态调整部分的问题，对于这类设备，采用磁控电抗器组成的SVC是十分合适的，咬钢的过程都在数秒的惯性范围内，完全可以适应系统的要求，甩钢后又能及时地由电抗器保持平衡，不会出现过补现象[1]。

（3）原料及高炉系统

一般区域变电系统的功率因数都很低，同时电机的工作负荷也很不稳定，所以可以大量的采用MCR型SVC作为补偿装置。

（4）有色冶金

冶炼铜和铝：般都采用电炉冶炼，其过程比钢铁冶炼炉稳定，也是高耗能的化学反应过程，但稳定波动系数更大，所以也存在电压波动大、谐波丰富及功率因数很低等方面的问题[1]，是推广应用MCR型SVC的另一个对象。

电解铜和铝：大量采用整流装置，产生的谐波和槽内电流变化的不稳定性都导致了电压的无序波动，设备的调节系统会进一步加剧这种波动，稳定供电一直是电解系统的一大难题，采用MCR型SVC将会很好的解决此类问题[4]。

4.2 煤炭

煤炭企业主要的生产工艺过程为采掘和运输（提升），工辅系统为通风和排水，百分之九十的动力设备为旋转电机，而且以交流电机为主。煤炭企业最大的特点是单机容量都较大，独立分布和一些设备起动频繁等特点，由此造成了系统供电品质因素很低，稳定性很差等诸多问题，改善这类问题的很好办法也是采用反应速度要求不高，但运行可靠，投资与其他类型SVC有较大竞争的磁控型静补设备。

4.3 建材水泥

大部分水泥企业都采用活性水泥生产工艺，与煤炭企业唯一不同的就是它基本在地表以上操作，通风变成了除尘，也存在大量的皮带运输的问题，所以与煤炭企业相似。

4.4 电力系统

（1）可用于并联电抗器：长距离高压输电线路，在一定条件下，末端会造成容升电压升高，可调电抗器并接入线路，可自动调节电感，吸收无功电流，防止电压升高[4]。

（2）用于消弧线圈：中压输电系统发生单相接地时，对地电容电流会严重威胁电网的安全[4]。传统的方法是在系统的中性点处装设电感不可调的消弧线圈，用以抵消电容电流，达到灭弧的目的。由于电感不可调，灭弧效果并不理想。用可调电抗器作成消弧线圈，可任意调节电感，灭弧可靠性更高[3]。

（3）用于输电线路：可调电抗器和电容器串联接入输电线路，可以补偿输电线路的电感，提高线路输电能力；改善系统的稳定性；降低系统的损耗，改善线路的电压分布；优化线路间的负荷分配[4]。

（4）保证高功率因数，稳定系统电压，有效滤除谐波，为智能化电网建设提供了基础环境的保障。

5 同类其他技术特性

国内常见无功补偿装置其他特性对比见表1。

6 应用实例——平遥煤化木家庄煤矿项目

6.1 系统概况

本站两路进线，正常情况下一用一备，35kV母线采用单母线分段接线，分段开关闭合，1号主变运行，6kV母线并列运行，两段各有1440kvar的补偿电容器。针对以上情况，2006年8月23日至24日对系统电能质量进行了综合测量，选取电网1#进线点进行了测量，数据见图2、图3、图4。

图2 补偿前有功功率变化曲线

表1 几种无功补偿装置比较表

由以上测试数据分析可以知道，电网1#功率因数波动很大，变化规律如下：

绞车启动时，要吸收较大的有功功率和无功功率，造成功率因数很低，且变化速度很快。

图3 补偿前无功功率变化曲线

图4 补偿前功率因素变化曲线

6.2 方案设计

通过计算及分析补偿总容量选定为4500kvar。

从测试所得无功变化曲线可知，系统存在过补偿的现象，过补偿的容量平均为1300kvar，考虑补偿电容器容量的增加，选定磁控电抗器容量为1800kvar。

6.3 补偿后效果

2007年2月份MSVC设备正式安装投运，3月15日对投运MSVC设备后的系统再次进行电能质量测试，测试结果如见图5、图6、图7。

由测试前后的测试结果可看出，MSVC投运之后无功功率的变化比投运之前有很大的缓解，不再有很大幅度和频繁的变化；特别是功率因数，MSVC投运前，功率因数频繁变化，最小只有0.20左右，在0.90以下的时间也非常多；MSVC投运后，功率因数基本稳定在0.98以上，无大幅度波动。

图5 补偿后有功功率变化曲线

图6 补偿后无功功率变化曲线

图7 补偿后功率因素变化曲线

可见，MSVC在实现稳定系统功率因数，动态调节无功补偿功率等功能方面达到了设计要求，实现很好的动态补偿效果。

7 结论

目前，MCR型SVC已经在煤炭、电气化铁路、冶金行业及输变电系统得到了广泛的应用，并取得了显著效果且形成了成熟的技术方案[2]。现在MSVC的发展研究主要集中于控制策略上，如引入了模糊控制、人工神经网络和专家控制系统到MSVC控制系统[4]，使MSVC系统的性能更加提高。

[1] 王兆安.谐波抑制及无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998:1,4.

[2] 陈柏超．新型可控饱和电抗器理论及应用[M].武汉:武汉水利电力大学出版社,1999:2,4,7.

[3] 刘虹,伊忠东,陈柏超,陈维贤.新型可控自动消弧成套装置的应用研究[J].电力系统自动化.1998,22(2).

[4] T.J.E米勒主编,胡国根译.电力系统无功功率控制[M].北京:水利电力出版社,1990.