无功补偿装置的研究

2022-01-07邢新波梁冯平

上海电气技术 2021年4期

邢新波梁冯平

上海电气输配电集团上海 200042

1 研究背景

无功功率对供电系统和负载的运行而言都十分重要,电网的无功功率状况是衡量电网运行水平的重要指标之一[1]。目前,电力系统中非线性设备逐渐增多,运行时会产生大量谐波。由于这些设备驱动大量低功率因数冲击性负载,会产生大量变化大且急剧的无功功率,使电网质量恶化,造成电压波动、谐波过大等。由此,迫切需要对电力系统进行快速、动态无功补偿[2-3]。

电力系统无功功率分布的合理与否直接影响电力系统的安全稳定运行,并与经济效益直接相关联。电网的无功功率容量不足,会造成负荷端供电电压低,影响正常生产和生活用电。无功功率容量过剩,会造成电网运行电压过高,电压波动率过大,降低电网功率因数,进而造成大量电能损耗。因此,解决好无功补偿问题,具有十分重要的意义。选择合理的无功补偿方式,应遵循三个原则[4],即就地补偿原则、分级补偿原则、防止过补原则。

2 无功补偿装置现状分析

在电网实际运行中,对无功功率的需求量很大。为了保证电能质量,无功补偿装置的市场需求潜力巨大,国内各种无功补偿装置产品层出不穷。目前市面上能够实现无功补偿功能的设备大致分为无源无功补偿装置和有源无功补偿装置两类[5-6]。

2.1 无源无功补偿装置

无源无功补偿装置主要包括固定电容器、同步调相机、同步电动机、静止无功补偿器等[7-8]。

固定电容器通常由电抗器与电容器串联而成,优点是结构简单,经济实惠,运行安全可靠,缺点是无功功率容量不能随意调节大小,不能立即响应及快速跟随系统无功功率的变化节奏。

同步调相机实际上是一台不带机械负载运行的同步电动机。根据电网负载情况的不同,适当调节同步调相机的励磁电流,可以改变同步调相机汲取的无功功率,使电网的功率因数接近1,起到无功补偿的作用。同步调相机的优点是可以实现连续平滑的无功补偿,缺点是响应速度慢、噪声大、损耗大、技术陈旧,属于淘汰技术。

国际大电网会议将静止无功补偿器定义为七个子类:机械投切电容器、机械投切电抗器、自饱和电抗器、晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器、晶闸管投切电抗器、自换向或电网换向转换器。其中,晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器是国内主流静止无功补偿器产品。

晶闸管控制电抗器由一组固定的电容器和一组用晶闸管控制的电抗器组成,电容器和电抗器都并联在线路中。晶闸管控制电抗器的优点是动态快速跟踪无功功率变化,不发生过补偿,无投切振荡,无冲击投切,缺点是结构复杂、功耗大,投切产生谐波。

晶闸管投切电容器通过晶闸管的导通和关断控制电容器的投切,从而达到控制系统输出无功功率大小的目的。晶闸管投切电容器的优点是结构简单、易于控制、价格较低,缺点是只能分组投切,即有级差的补偿,不能实现连续可调,并且对负荷波动的跟踪补偿速度较慢[9-10]。

2.2 有源无功补偿装置

能够进行有源无功补偿的设备主要是静止无功发生器,工作原理为控制电力电子桥式逆变器来产生无功电流,进而实现动态无功补偿。静止无功发生器相对于各种无源无功补偿装置有诸多优势。静止无功发生器不仅能够补偿感性无功,而且能够调节容性无功,并且调节过程平滑连续、反应迅速,还能够抑制电力系统中的谐波[10]。

3 静止无功发生器

静止无功发生器的基本原理是利用可关断、大功率、高频率电力电子器件组成自换相桥式电路,经过电抗器并联在电网上,实时调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或直接控制桥式电路交流侧电流,使桥式电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿和电压控制的目的。全控型器件构成的三电平三相半桥结构静止无功发生器电路拓扑如图1所示。

图1 静止无功发生器电路拓扑

图1属于三相四线制电路,其中绝缘栅双极晶体管型号为F3L100R07W2E3_B11[11-12]。静止无功发生器无功补偿时,通过调节绝缘栅双极晶体管的开关导通状态,就可以控制直流逆变到交流的电压幅值和相位。通过检测系统中所需的无功功率,可以快速发出大小相等、相位相反的无功功率,实现无功功率的就地平衡,保持电力系统实时高功率因数运行。

静止无功发生器的主要功能特点如下:① 具有快速响应能力,瞬时响应时间短于100μs,完全响应时间短于10 ms;② 具有大容量补偿能力,单个功率单元最大补偿能力为100 kvar;③ 具有简单的操作方法和结构,模块化结构设计,易于安装和维护;④ 能够快速提供变化的无功电流,以抑制负荷变化引起的电压波动和闪变;⑤ 能够快速补偿负载不平衡产生的负序电流,始终保证流入电网的电流三相平衡,大大提高电能质量。

4 混合静止无功发生器

采用混合静止无功发生器是一种将无源晶闸管投切电容器和有源静止无功发生器组合为整体的混合补偿方案,突破传统无功补偿技术,实现对负载的无级快速补偿,在有效降低成本的同时,达到最佳的谐波治理与无功补偿效果。系统采用先进控制算法,满足无功功率和谐波变化较快的场合,容量灵活调配订制,满足各类场合使用要求,占地面积较小,安装维护便捷。

主流混合静止无功发生器的容量一般可以分为360 kvar、300 kvar、240 kvar三种。其中,静止无功发生器的最大容量为35 kvar。混合静止无功发生器电路拓扑如图2所示。

图2包括静止无功发生器控制器、静止无功发生器功率单元和晶闸管投切电容器支路。静止无功发生器控制器计算系统需要的无功功率,利用静止无功发生器动态响应速度快的特性,及时抑制电压波动和闪变。在负荷稳定后,再投入晶闸管投切电容器支路,减少静止无功发生器发出的无功功率。在负荷退出后,静止无功发生器迅速动态响应,吸收掉过补的无功功率,然后再逐步将晶闸管投切电容器支路切除。混合静止无功发生器既可以发挥静止无功发生器动态响应速度快的特性,抑制电压波动和闪变,又能够弥补静止无功发生器容量不足的缺陷,使静止无功发生器工作在轻负荷状态,延长静止无功发生器的使用寿命,更加精确地进行补偿。