电压无功综合控制装置的比较与选择

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节能与环保是我国经济持续发展所面临的两大难题,是制约我国国民经济持续发展的重要因素。电力系统中,线损是构成输电过程中能量损失的主要部分。由理论分析可知,功率因数由cos Φ1提高到cos Φ2,线路发热损耗可降低[1-(cos Φ1/cos Φ2)2]×100%,节能效果显著。

我国电力系统的线路损耗与发达国家的差距很大,根据中国电力杂志公布的2004年全国综合线损每年约为6.5%,而发达国家线损不到3%,是发达国家2.17倍。在不同电压等级,不同的电能质量要求和环境下,如何选择合适的电压无功综合控制装置就至关重要。选择合适的方案可以事半功倍,以很少的投资获得很高的收益;反之,盲目配置的装置往往成为摆设,浪费资金。

电网电压的损耗调整主要以改变流经电网的无功功率为主。通过电网输送的无功功率越小,则电压损耗越小,相应的功率损耗也会减小。因此,本文将侧重讨论通过无功补偿实现电压的调整。发电机、调相机等电源侧实现的无功功率有其优点:可以同时发出无功功率,也可以用于吸收无功功率;调节比较灵活,不但可以用来控制系统的电压,而且可以用于提高系统的稳定性。但这类设备投资和维护费用高,只有在十分必要时才会采用。另外一种减少电压损耗的方式是通过变压器的有载调压实现。但有载调压也并不能够完全解决无功不足,因为有载调压只是改变了无功在电网中的分布,并没有产生新的无功源。无功功率若经过长距离的输送,电压损耗同样会比较大。因此,分层、分压、就地、适时地达到平衡无功,减少无功功率的异地传输是降低线损的最有效方法。相比较而言,并联电容器因其费用比较低廉,能量损耗小,而且可以分散在用户、变电所和配电所中进行就地补偿在社会中得到了广泛的应用。

根据不同的方法,目前广泛应用的无功补偿装置可以按照以下几个方面进行分类。

1 按照实现补偿容量的原理不同划分

1.1通过投切并联电容器,实现无功电源容量的变化的装置

这种电容器的投切依靠于接触器的动作或者通过控制器对高压开关的控制实现。用于投切电容的接触器具有抑制电容的涌流作用;延时投切的目的在于防止接

触器过于频繁的动作时,对电容器造成损坏,同时防止电容不停的投切导致供电系统振荡。

并联电容器成套装置通常由主电容器、串联电抗器、放电线圈、熔断器、断路器、继电保护和控制屏等部分组成。为避免电容器击穿造成相间短路而引发箱壳爆炸的恶性事故发生,高压并联电容器装置通常采用星形接线,选用单相、额定电压为线电压的1/3的电容器作为主电容。低压并联电容器在电容器内连接成三角形,带内部熔丝。

并联电容器装置中加入串联电抗器,防止输配电系统中因直接投入并联电容器组而引起谐波分量增大。此外,还可以有效地抑制电容器投入电网时产生的涌流,以及有助于防止和减轻开断电容器组时发生重燃。

另外,电容器组内部设置放电电阻,此电阻能在短时间内把电容器上的残留电压降得更低。

这种投切并联电容器的装置广泛应用于各种就地补偿无功,调整负荷侧电压的场合;往往根据负荷侧的特性选择相应的无功补偿控制器。实际应用中可根据网络电压、功率因数、无功功率或者系列参数进行自动投切电容器,也可按规定的时间表进行自动投切或手动投切。

1.2通过调节电容器两端的电压,实现无功电源容量的变化

这种装置根据电容器无功功率输出与电容量、频率、电压参量的关系,即Q=2πfc 2u ,无功功率的调节可以通过改变电容器两端的电压来实现,从而达到对系统无功功率的调节、稳定电压、提高功率因数、降低线损的目的。作为控制核心的微机控制器是采用32位DSP 处理器,大容量的RAM 和Flash Memory,其数据处理,逻辑运算和信息存储能力强,运行速度快,可靠性高。按照九区图原理对系统电压无功进行适时控制,同时具有并联电容器保护功能,实现电压无功补偿与电容器保护一体化,保证并联电容器的可靠运行。

装置的构成及各部分的作用如下。装置由调压器、电容器、微机控制器三部分组成。

(1)调压器:有载自耦调压变压器,主要的作用是调节电容器端电压,并且保证在调节过程中并联电容器不脱离系统母线。自耦调压器的一次电压为6kV(或10kV 、35kV)母线电压二次输出电压(并联电容器端电压)在(100～60)%母线电压内可以调节,从而实现在(100～36)%×额定容量内调节无功。选择自耦变压器调压可以有效降低设备造价,减少附加损耗。

(2)电容器:容性无功功率源(和其它无功补偿装置作用一样)。

(3)控制器:是电压无功自动控制的核心。微机控制器采集系统参数,不平衡电流和电压信号,调压器档位及瓦斯信号输入控制器,经算法处理、分析判断后,按九区图原理要求调节母线电压及电容器电压,实现电压无功的自动调节,并具有异常闭锁及记录功能,同时具有完善的电容器保护功能,当故障发生时,可快速切除故障。标准通信规约,方便与微机控制联网通讯,通过232和485可接口到综自或远动系统接口,实现信号远传及远方控制。

装置的优点如下。

(1)一组电容器固定接入即可实现多档输出,补偿精度高,可满足系统无功功率变化要求。

(2)采用有载自耦调压器调压方式,调节速度快,可以实现适时自动调节,提高补偿效果。

(3)调节电压极差小,大大减少了合闸涌流对系统及电容器的冲击。

(4)电容器在额定电压以下运行,无投切过电压和涌流问题,大大地延长了电容器的使用寿命。

(5)装置自动化程度高,且有完善的保护功能,数字通讯和远程维护功能,可以满足无人值班及免维护的需要。

(6)附加损耗小。

(7)电容器无需分组投切,减少了投切开关等设备及设备的占地面积,节约了基建投资成本。

(8)装置不产生谐波,不会对系统造成谐波污染。

(9)有滤波电抗器时,而且可以保证每个档位的电抗率恒定不变。

适用范围如下。

这种装置可广泛应用于电力系统,冶金、石油、化工和矿山等行业。装设于35kV ～110kV 变电站的6kV ～35kV 侧低压母线上或者直接装设于6kV ～35kV 配电线

电压无功综合控制装置的比较与选择

唐元璋

(临安市供电局 浙江临安 311300)

摘 要:本文对实现电压无功综合控制的装置从补偿原理和控制原理两个方面进行了分类,分别介绍了各种类型装置的原理、特点及适用范围,有助于用户根据自己的实际需求进行分析、比较、选择。关键词:无功 补偿 控制中图分类号:TM53文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)12(b)-0113-02

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路上,实现自动调节容性无功功率,保证电压合格率且控制功率因数在0.95～0.98之间,可有效降低线路损耗。

1.3通过调节装置中电感的输出容量,实现无功电源容量的变化

这种装置的代表是可控电抗器动态无功补偿系统。它由由并联固定电容器组(兼滤波)和磁控电抗器组成,磁控电抗器容量无级可调,能自动快速跟踪补偿负荷无功、稳定母线电压。这种系统控制器一般采用16位微电脑芯片,能实时检测电网无功和电压参数,对磁控电抗器实施快速、准确控制。

系统工作原理如下。

无功自动跟踪补偿装置采用固定电容器配合磁控电抗器的方式,当系统无功过剩时,固定补偿电容器发出的容性无功由电抗器吸收;当缺乏无功时,电抗器容量减小,由补偿电容提供容性无功。磁控电抗器控制装置实时测量计算系统有功功率、无功功率、功率因数和母线电压,并调整电抗器的输出容量,使系统在保证母线电压合格的条件下,无功最小。

装置的特点如下。

对电网而言。

(1)提高功率因数,降低网损,可以使功率因数达到0.9～0.99的要求。

(2)阻尼系统振荡,提高阻尼极限,提高输电线传输能力。

(3)提高电网的电压稳定能力。

对用户而言。

(1)稳定端点电压(防止电压过高或过低),提高变压器与输电线以及其他电器设备的寿命。安装与不安装这种装置,对端点电压的波动幅度有很大的影响。

(2)提高功率因数。可以使功率因数达到0.9～0.99的要求,降低网损,降低无功损耗,节省电费开支,适用于电力系统庞大网损非常严重的用户。

(3)消除谐波污染,提高系统安全系数,延长设备寿命,降低系统损耗。

(4)降低异步机启动、电弧炉运行等本地电网的冲击,提高系统安全性,对于弱电网尤其如此。

(5)消除电压闪变,专门针对闪变设计的算法,将电压闪变降至最低水平,提高用户电能质量。

(6)扩容。在很多场合安装动态无功补偿装置,可以实现1.2～1.5倍的扩容,大幅节约扩容开支。

2 按照控制回路的原理不同划分

2.1自带输入／输出系统的无功补偿装置

控制器是无功补偿装置的指挥系统。它不仅包括了采样、运算、发出投切信号,而且包含参数设定、测量、元件保护等功能。十几年来无功补偿控制器经历了由分立元件—集成线路—单片机—DSP芯片一个快速发展的过程,其功能也愈加完善。独

立无功补偿设备不依赖于其他装置,数据

采集和控制输出都是自身功能的一部分,

集I／O系统和计算判断于一身。

通常这种无功功率补偿控制器有三种

采样方式,功率因数型、无功功率型、无功

电流型。选择那一种物理控制方式实际上

就是对无功功率补偿控制器的选择。

(1)功率因数型控制器。

功率因数用cosΦ表示,它表示有功功

率在线路中所占的比例。当cosΦ=1时,线

路中没有无功损耗。提高功率因数以减少

无功损耗是这类控制器的最终目标。这种

控制方式也是很传统的方式,采样、控制也

都较容易实现。

当cosΦ超前且>0.98,滞后且>0.95,在

这个范围内,此时控制器没有控制信号发

出,这时已投入的电容器组不退出,没投入

的电容器组也不投入。当检测到cosΦ不满

足要求时,如cosΦ滞后且<0.95,那么将一

组电容器投入,并继续监测cosΦ如还不满

足要求,控制器则延时一段时间(延时时间

可整定),再投入一组电容器,直到全部投

入为止。当检测到超前信号如cosΦ<0.98,

即呈容性载荷时,那么控制器就逐一切除

电容器组。要遵循的原则就是:先投入的那

组电容器组在切除时就要先切除。如果把

延时时间整定为300s,而这套补偿装置有十

路电容器组,那么全部投入的时间就为30分

钟,切除也这样。在这段时间内无功损失补

只能是逐步到位。如果将延时时间整定的

很短,或没有设定延时时间,就可能会出现

这样的情况。当控制器监测到cosΦ＜0.95,

迅速将电容器组逐一投入,而在投入期间,

此时电网可能已是容性负载即过补偿了,

控制器则控制电容器组逐一切除,周而复

始,形成震荡,导致系统崩溃。是否能形成

振荡与负载的性质有密切关系,所以说这

个参数需要根据现场情况整定,要在保证

系统安全的情况下,再考虑补偿效果。

(2)无功功率(无功电流)型控制器。

无功功率(无功电流)型的控制器较完

善的解决了功率因数型的缺陷。一个设计

良好的无功型控制器是智能化的,有很强

的适应能力,能兼顾线路的稳定性及检测

及补偿效果,并能对补偿装置进行完善的

保护及检测,这类控制器一般都具有以下

功能。

四象限操作、自动、手动切换、自识别各

路电容器组的功率、根据负载自动调节切换

时间、谐波过压报警及保护、线路谐振报警、

过电压保护、线路低电流报警、电压、电流畸

变率测量、显示电容器功率、显示cosΦ、U、

I、S、P、Q及频率。

由以上功能就可以看出其控制功能的

完备,由于是无功型的控制器,也就将补偿

装置的效果发挥得淋漓尽致。如线路在重

负荷时,那怕cosΦ已达到0.99(滞后),只要

再投一组电容器不发生过补,也还会再投

入一组电容器,使补偿效果达到最佳的状

态。采用DSP芯片的控制器,运算速度大幅

度提高,使得富里叶变换得到实现。当然,

不是所有的无功型控制器都有这么完备的

功能。国内的产品相对于国外的产品还存

在一定的差距。

2.2基于自动化系统后台机或自动化系统

网络无功补偿装置

基于自动化系统后台机的无功补偿装

置依附于变电站后台计算机,是后台监控

系统的一个子模块。无功补偿装置借助于

自动化系统进行数据采集与控制,其本身

并没有专用的I／O系统。采用这种方式实

现无功补偿装置功能省去了专用硬件设

备,不需要单独铺设电缆,降低了成本,减

少了工作量。人机界面友好,参数设置简

单,调试方便。

基于自动化系统网络无功补偿装置的

核心采用单独的CPU装置,但其I／O设备

仍由网络借助自动化系统实现,其本身不

带I／O系统。

采用后台软件实现无功补偿装置控制

功能,虽然能节约成本,不需增加额外设

备,工程量小。但它有一致命缺点:闭锁速

度不够。无功补偿装置没有完善的闭锁系

统或闭锁速度达不到运行要求,就会对变

电站的安全运行带来严重威胁。特别是无

功补偿装置对保护动作的闭锁响应。在保

护信号发生时,若无功补偿装置不及时闭

锁很可能带来严重后果。后台无功补偿装

置软件的闭锁速度依赖于自动化系统对变

位YX、YC突变量的响应速度,这样的响应

速度一般很难满足要求,如果本次变位YX、

YC量丢失,其闭锁速度更难满足要求。

采用自动化系统网络无功补偿装置采

用单独的CPU装置,需增加一定的成本。整

个无功补偿装置的可靠性取决于网络通

信、I／O和无功补偿装置主机的运行状态。

如果通信通道不好,闭锁速度将不能满足

要求;即使在通道良好的情况下,对保护信

号的响应速度仍然偏慢。

总的来说,用户必须根据自己负荷的

实际情况和可靠性、经济性等方面要求,对

各种电压无功综合控制装置进行比较选

择,找出最符合自己需要的设备。

参考文献

[1]王建华.电气工程师手册[M].北京:机

械工业出版社,2006.

[2]夏道止.电力系统分析[M].北京:中国

电力出版社,2004.

[3]杨剑,等.一种新型的电压无功综合控

制装置的研制[J].继电器,2004(18).

[4]周书同.NVC电压无功自动调节装置技

术研究[J].山东纺织经济,2009(3).

[5]刘志军,等.变电站电压无功控制装置

设计及实现[J].仪器仪表用户,2009(1).

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