無(wú)功混合補(bǔ)償裝置在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

引言

電能是一種清潔能源，具有使用靈活、可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和人民生活的各個(gè)方面都得到了廣泛應(yīng)用。電能質(zhì)量的好壞不但會(huì)直接影響到發(fā)電、送電和用電等電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)也和人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)[1—2]。而隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)中用電設(shè)備的總?cè)萘恳苍诓粩嘣黾?，與此同時(shí)電網(wǎng)中的無(wú)功功率與日俱增。自然條件下，配電網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功功率由上級(jí)電網(wǎng)提供，這樣就會(huì)有大量的無(wú)功電流在輸配電線路中流動(dòng)，一方面會(huì)增加輸配電線路的損耗，并使線路的末端電壓降低，另一方面還降低了輸配電線路傳輸有功功率的容量，降低了系統(tǒng)的利用率。進(jìn)行合理有效的無(wú)功功率補(bǔ)償可以減少因傳輸無(wú)功電流造成的能量損耗，最大限度發(fā)揮輸配電線路傳送電能的能力，同時(shí)也可以提高線路末端電壓，進(jìn)而提高終端電氣設(shè)備的運(yùn)行性能和利用率。因此，選擇合理的無(wú)功補(bǔ)償方式就顯得非常重要。

1補(bǔ)償方式

目前常用的無(wú)源無(wú)功補(bǔ)償裝置有CSC（接觸器投切電容器）和TSC（晶閘管投切電容器），這兩種補(bǔ)償裝置都是采用分級(jí)投切電容器組或者是電抗器加電容器組的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。這種補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低，但由于電容器的額定容量固定，補(bǔ)償時(shí)的無(wú)功容量是跳躍式的，會(huì)存在補(bǔ)償不足或者過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r；其次，投切裝置頻繁動(dòng)作也會(huì)縮短補(bǔ)償設(shè)備的使用壽命；同時(shí)，當(dāng)配電網(wǎng)的電壓發(fā)生變化時(shí)，實(shí)際輸出的無(wú)功功率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，這種變化是不可控的。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一種新型的無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)運(yùn)而生：靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）。SVG是一種有源的無(wú)功補(bǔ)償裝置，其輸出極性可調(diào)。根據(jù)負(fù)載的變化情況，SVG可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變流電路交流側(cè)輸出電壓或電流的相位和幅值，從而連續(xù)發(fā)出或者吸收無(wú)功功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速、動(dòng)態(tài)、連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?，無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч肹3]，且補(bǔ)償效果不受設(shè)備接入點(diǎn)系統(tǒng)電壓的影響，也不會(huì)和負(fù)載阻抗或系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振。但受限于功率半導(dǎo)體器件容量和價(jià)格，大容量的SVG成本較高，所以當(dāng)僅僅采用SVG對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償?shù)某杀据^高。

無(wú)功混合補(bǔ)償裝置采用TSC和SVG的組合方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償[4—5]，是一種結(jié)合了無(wú)源補(bǔ)償和有源補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置。其利用TSC對(duì)配電網(wǎng)中的無(wú)功功率進(jìn)行快速的分級(jí)補(bǔ)償，再利用SVG對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率和TSC輸出無(wú)功功率之間的差額以及系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。采用無(wú)功混合補(bǔ)償裝置的無(wú)功功率補(bǔ)償避免了單一無(wú)源補(bǔ)償時(shí)的補(bǔ)償不足或過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r，同時(shí)又降低了無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)某杀?，提高了補(bǔ)償?shù)男Ч詢r(jià)比較高。合理設(shè)置TSC和SVG的容量比可有效降低無(wú)功補(bǔ)償?shù)某杀?，是無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)發(fā)展方向，也是本文采用的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

根據(jù)無(wú)功混合補(bǔ)償裝置的安裝位置，補(bǔ)償可以分為三種類型，分別是集中補(bǔ)償、隨機(jī)補(bǔ)償和隨器補(bǔ)償[6]。

集中補(bǔ)償是在變電站中進(jìn)行的無(wú)功功率補(bǔ)償，集中補(bǔ)償可提高變電站中主變壓器的功率因數(shù)，降低主變壓器的無(wú)功損耗及其前級(jí)輸電線路的無(wú)功損耗，但對(duì)減少配電網(wǎng)絡(luò)整條線路的無(wú)功負(fù)荷和降低供電線路無(wú)功損耗的效果是有限的，集中補(bǔ)償多采用的是高壓補(bǔ)償。

通常情況下，隨機(jī)補(bǔ)償是在用電設(shè)備處設(shè)置幾組適當(dāng)容量的電容器，采用分級(jí)投切的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。但由于電容器的額定容量是階躍式變化的，即使采用不同容量的電容器組的形式進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，也不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的無(wú)功功率補(bǔ)償目標(biāo)，會(huì)存在欠補(bǔ)償或過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r；同時(shí)，執(zhí)行投切操作時(shí)也會(huì)存在延時(shí)，導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч焕硐?，并且頻繁地執(zhí)行投切操作會(huì)縮短無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的使用壽命。當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)合理時(shí)，隨機(jī)補(bǔ)償可以獲得很好的無(wú)功補(bǔ)償效果，隨機(jī)補(bǔ)償多采用的是低壓補(bǔ)償。

隨器補(bǔ)償是通過(guò)對(duì)配電變壓器處供電質(zhì)量的分析，經(jīng)過(guò)綜合判斷后進(jìn)行的無(wú)功補(bǔ)償。隨器補(bǔ)償不但可以提高變壓器的功率因數(shù)，降低配電網(wǎng)無(wú)功損耗，還可以釋放變壓器的容量，具有較高的性價(jià)比，隨器補(bǔ)償多采用的也是低壓補(bǔ)償。

無(wú)功補(bǔ)償裝置的實(shí)際安裝位置需要根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)木唧w目標(biāo)要求來(lái)確定。

2無(wú)功混合補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

無(wú)功混合補(bǔ)償裝置采用TSC和SVG的混合配置方案，能根據(jù)用電現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)功需求進(jìn)行快速、無(wú)極差的無(wú)功功率補(bǔ)償，在獲得滿意的補(bǔ)償效果的同時(shí)降低無(wú)功補(bǔ)償?shù)某杀尽?

2.1無(wú)功混合補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)

無(wú)功混合補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置中SVG和TSC采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中SVG采用由絕緣柵雙極型集體管（IGBT）組成三相橋式變流電路，通過(guò)LC濾波器接入配電網(wǎng)中，可以采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）或者空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）控制IGBT的通斷，使SVG發(fā)出或吸收無(wú)功功率。根據(jù)接收到的補(bǔ)償指令信號(hào)，SVG在額定容量范圍內(nèi)可以快速連續(xù)地跟蹤補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功功率，輸出無(wú)功功率不受系統(tǒng)電壓的影響；TSC采用晶閘管投切電容器進(jìn)行無(wú)功分級(jí)補(bǔ)償：在電壓過(guò)零時(shí)投入電容器，在電流過(guò)零時(shí)切除電容器，從而減少在投切電容器過(guò)程中對(duì)配電網(wǎng)和補(bǔ)償裝置帶來(lái)的沖擊影響。無(wú)功混合補(bǔ)償裝置集合了兩種補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)負(fù)載無(wú)功功率的變化情況，適時(shí)做出合理的決策進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高配電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)。

無(wú)功混合補(bǔ)償裝置中SVG和TSC的容量配比及TSC中電容器的容量分配是影響補(bǔ)償效果及補(bǔ)償成本的重要因素。通過(guò)分析系統(tǒng)在不同時(shí)間段的無(wú)功需求可以得到系統(tǒng)無(wú)功缺額中的平均靜態(tài)容量及動(dòng)態(tài)容量的最大值，利用公式（1）則可以求得TSC及SVG的補(bǔ)償容量。

式中：Q_T為TSC的補(bǔ)償容量；Q_j為無(wú)功缺額的平均靜態(tài)容量，Q_j可通過(guò)公式（2）計(jì)算確定；Q_E為ESVG的補(bǔ)償容量；Q_dx為系統(tǒng)無(wú)功缺額的動(dòng)態(tài)容量最大值；K為系數(shù)，由電容器的額定工作電壓和系統(tǒng)電壓比值的平方確定。

TSC中電容器的容量分配由Q_T和系統(tǒng)無(wú)功缺額中的最小靜態(tài)值共同決定，可在對(duì)配電網(wǎng)的無(wú)功功率進(jìn)行檢測(cè)分析后確定。

2.2無(wú)功混合補(bǔ)償裝置的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用TMS320F28335作為控制單元。TMS320F28335是高速的數(shù)字信號(hào)處理器，圍繞該處理器設(shè)計(jì)相應(yīng)的指令檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)跟蹤控制電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等。

控制系統(tǒng)中軟件由主程序、中斷服務(wù)程序及采樣子程序構(gòu)成,主程序的作用是完成系統(tǒng)初始化以及片上相關(guān)外設(shè)及引腳的初始化,如ePwM、AD、GPIO等,同時(shí)完成各級(jí)中斷的功能設(shè)置。中斷服務(wù)程序調(diào)用AD采樣子程序,完成系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、補(bǔ)償電流和直流電壓的采樣,計(jì)算系統(tǒng)的相序、頻率、功率因數(shù)及無(wú)功功率等參數(shù),確定無(wú)功補(bǔ)償容量,根據(jù)SVG和TSC的容量配比確定補(bǔ)償方案。捕獲中斷的作用是計(jì)算電網(wǎng)a相的相位和電網(wǎng)電壓的頻率。故障中斷具有最高的優(yōu)先級(jí)，出現(xiàn)故障時(shí)，故障中斷被觸發(fā),設(shè)備進(jìn)入保護(hù)狀態(tài),閉鎖輸出。

無(wú)功混合補(bǔ)償裝置的工作程序流程如圖2所示。

在補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行前,先采集現(xiàn)場(chǎng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào),分析配電網(wǎng)的電能質(zhì)量,確定配電網(wǎng)的無(wú)功功率情況。如果配電網(wǎng)的功率因數(shù)已經(jīng)處在一個(gè)較高水平,則不進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償,而補(bǔ)償裝置會(huì)繼續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào),重新確定配電網(wǎng)的無(wú)功功率情況；如果配電網(wǎng)的功率因數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)值,則需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)會(huì)先將每組電容器的補(bǔ)償容量和配電網(wǎng)的無(wú)功缺額進(jìn)行比較匹配,若無(wú)功缺額小于最小容量的電容器,則投入SVG進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,否則投入一組或者幾組合適的電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,剩下的無(wú)功差額則由SVG進(jìn)行補(bǔ)償,以達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)男Ч?

2.3無(wú)功混合補(bǔ)償裝置的安裝位置

無(wú)功混合補(bǔ)償裝置采用并聯(lián)方式接入配電網(wǎng)。采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)的互感器可以安裝在圖3所示的位置處。

電壓互感器安裝在無(wú)功混合補(bǔ)償裝置接入配電網(wǎng)處,而電流互感器可以選擇安裝在不同的位置,分別如圖3（a）和圖3（b）所示。

2.4無(wú)功補(bǔ)償效果

費(fèi)曼電力生產(chǎn)車間有一臺(tái)容量為160 kVA的配電變壓器，對(duì)變壓器的負(fù)載情況進(jìn)行分析后，采用45 kvar的無(wú)功混合補(bǔ)償裝置對(duì)其進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，其中SVG容量為20 kvar，TSC容量為25 kvar。補(bǔ)償效果如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償后，配電變壓器的功率因數(shù)得到了有效提高，提升了變壓器的供電質(zhì)量，降低了變壓器和配電線路的無(wú)功損耗，減少了力調(diào)電費(fèi)。

3結(jié)束語(yǔ)

隨著配電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，無(wú)功功率的需求也在不斷增加，選擇合理的無(wú)功補(bǔ)償方式既能提高配電網(wǎng)的供電質(zhì)量，降低無(wú)功帶來(lái)的電能損耗和變壓器損耗，又可以提高配電變壓器的有效容量，提升用電設(shè)備的運(yùn)行效率。無(wú)功混合補(bǔ)償裝置集成了兩種無(wú)功補(bǔ)償方法的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行分級(jí)連續(xù)可調(diào)的無(wú)功補(bǔ)償，同時(shí)又降低了無(wú)功補(bǔ)償?shù)某杀?，是一種可靠的無(wú)功補(bǔ)償方案。