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姚霞^1,2，劉建華²，陳斌¹，王素梅³

摘要：針對低壓電網TSC分組投切無功補償控制過程中常見的問題進行討論分析,嘗試通過引

入復合開關結構、電容器分組編碼優化以及分組容量優化配置等方式來進一步提高無功補償控制的精確性和穩定性,以保障無功補償電力系統的經濟有效運行。并結合工程實例應用,為設計方案的可行性驗證提供了強有力的數據支持和技術推廣平臺。

關鍵詞：低壓無功補償; TSC+MSC復合開關;混合編碼; 分組容量設計

0 引言

隨著現代工業的飛速發展,大幅增加的無功負荷不僅增大供電系統的損耗,更有可能引發繼電保護故障與計量誤差。因此,選擇合適的補償方式,科學合理地在電網中裝設無功補償裝置,依據分層分區、就地平衡和便于調整電壓的原則進行配置,快速有效地補償無功功率,在節能降損、提高電能質量乃至整個系統穩定性方面都有著非常重要的現實意義。

目前低壓無功補償多采用分散補償和集中補償相結合的方式:分散安裝在用電端,主要用于提高功率因數、降低銭路損耗;集中安裝在變電站內,有利于穩定電壓水平2。近年來,TSC(雙向反并聯晶閘管投切電容器)低壓無功補償裝置以其:1)設備投資小、結構緊湊、占地面積以及耗能小;2)無諧波污染、無投切振蕩、不發生過補償;3)動態跟蹤無功變化、精確控制投切時刻實現晶閘管頻繁快速投切, 對三相不平衡負荷可以分相補償等優點,取代傳統的并聯電容器、串聯電容器、并聯電抗器、同步調相機和靜止型動態無功補償裝置,在低壓配電系統的無功補償中獲得快速發展和應用。

1 現有TSC補償裝置主要問題

現有的TSC無功補償控制器以三相共補的方式進行無功補償,主電路采用的是TSC三角形接線, 將并聯補償電容器分成若干組,由雙向反并聯晶閘管組成開關,以負荷無功的變化情況為投切依據

通過投入或切除電容器組來實現對無功補償量的調節。其三相結構原理如圖1所示。

 

 圖1  TSC型補償器原理

在圖1中,串聯小電感的形式用于抑制電容器投入電網過程中產生的沖擊電流,但TSC本質上屬于有級調節,存在暫態過程。實際投切過程中,容易出現以下問題:

1) 在實際配電網的應用中,無功功率無法實現連續調節,在無功變動時容易發生逆變現象,通常需要通過加大電感或大電容來形成無功。此外,由晶聞管導通壓降產生的功耗以及溫升還會降低裝置的可靠性;

2) 在總補償容量確定的情況下,無功補償過程中存在如何保證提供盡可能多的無功補償級數,減少控制盲區,提高設備的控制精度等問題;

3) TSC控制器以功率因數為基本的控制量時,在負載比較小時若電容器容量選擇與編碼方式不當,容易出現投切震蕩現象;當控制器采用無功功率為控制物理量時,在負載比較小的時候容易出現補償裝置不能投入電容器,或達不到用戶設置的目標功率因數等現象。

2 改善投切質量的優化措施

2.1 投切開關優化(TSC+MSC復合開關

補償裝置中選用由雙相反并聯晶闡管(TSC)主電路與接觸器(MSC)主接點相并聯形成的復合投切開關,共同實現補償電容器組自動投切控制,接線結構如圖2所示。

開關在接通和斷開的瞬間具有可控硅過零投切的優點,由晶閘管精確控制電容器投切時刻,實現電容器的無涌流投入;而在正常接通期間又具有機械開關無功耗的優點,由接觸器來保持電容器的連續運行。此結構集成了兩者該應用領域中兩代傳統產品(MSC和TSC)各自的優點[6],并完全克服了二者原理性和結構性的缺點,滿足了電力系統無功補償電容器在“投入一運行一切除”全過程對開關產品的特殊功能需要,大大延長了電容器的使用壽命。

圖2  TSC+MSC接線形式

結合整個無功補償裝置來講,控制器根據系統電壓和無功情況作出投切決策,并將投切指令傳達給晶閘管觸發電路,由觸發信號來控制晶閘管的開通和關斷,分別作為TSC投人和切除電容的時刻[7]。工作時動作次序為：

1)投入時:投入電容時復合開關的工作過程如圖3所示。

圖3  投入電容時復合開關工作過程

2) 切除時:切除電容時復合開關的工作過程如圖4所示。

圖4  切除電容時復合開關工作過程

3) 缺相指示:運行前運行中,電壓或電流缺相, D閃爍告警。

2.2 電容器分組方式優化

依據JB/T9663-1999《低壓無功功率自動補償控制器》中有關規定,在380V的低壓無功補償的應用中,常見的分組類別及相應的投切方式大致分為:等值分組循環投切、等差分組投切和二進制分組溫度計式投切等幾類。每種編碼方式下分別存在不同的優勢和控制盲區,各分組結構的特點及性能的優劣對比見表1。減小這些控制盲區,可以避免投切振蕩,有利于提高TSC控制系統的可靠性與經濟性。表1中:n為補償電容組數;d為等差制編碼分組補償電容級差;Qo為二進制編碼分組首位電容器容量與分組容量級差。

表1  無功補償分組投切特點及性能對比

在實際分組過程中,補償精度和投切控制之間存在著一定矛盾。為了達到較高補償精度,同時避免過補償,宜考慮二進制編碼分組,且分組容量級差應盡可能的小;為了延長電容器壽命,降低各組電容器投切頻率,同時避免單組電容器投切過頻,宜考慮等容分組且加大分組容量。經綜合考慮,補償電容組投切時,擬采用等容分組循環投切與二進制編碼溫度計式投切相結合的混合分組模式。

2.3 分組容量的優化設計

為了提高電容器的效率,延長電容器使用壽命,需要選擇合理的分組容量。并聯電容器分組容量的確定應符合下列規定：

1)在電容器分組投切時,母線電壓波動應滿足國家現行有關標準的要求,并應滿足系統無功功率和電壓調控要求。

2)當分組電容器按各種容量組合運行時,應避開諧振容量,不得發生諧波的嚴重放大和諧振,電容器的接入支路所引起的各側母線的任何一次諧波量均不應超過現行國家標準GB/T14549《電能質量公用電網諧波》的有關規定^[12-15]。

就目前的無功補償技術而言,通常會依照“加大分組容量,減少組數”這一原則來滿足規定1)和2)。加大分組容量可以減少投切次數,避免電容器因投切過頻而縮短使用壽命;減少電容器組數,可以有效地避開諧振點區域,降低諧波干擾。但是,分組容量選擇過大有可能會出現過補償，導致母線電壓抬高超出限值。而對于諧波的影響可依據電網現有背景諧波次數，通過串聯電抗器來解決。因此，通過“加大分組容量，減少組數“并不能實現分組容量最優”。

本裝置采用混合分組實現自動投切,確定其分組容量應考慮遵循如下原則：

1)為避免過補償,分組容量應盡可能地小；

2)為避免控制復雜、造價過高,分組容量值檔位設置不宜過多;

3)為避免投切過頻,可考慮小容量電容器實現循環投切,分擔投切次數。

需要指出的是,電容器串聯電抗器后的實際輸出容量應符合

式中:Q1為未串聯電抗器時輸出的無功功率;Q2為串聯電抗器后輸出的無功功率;K為電抗率。

因此,在分組容量設計方面,可結合上述原則, 依據補償裝置混合分組設定規律把所需電容器分成兩類:一組包含若干等容量的電容器組,另一組包含若干二進制比例的電容器組。例如,補償裝置的總補償容量為135kvar,若采用混合分組模式,可將電容器組分成5組,每組容量分別為,15kvar,15kvar, 15kvar,30kvar,60kvar。其中前3組電容器組容量最小、投切頻率高,設置等容量分組分擔投切次數、提高其使用壽命,后3組電容器組(15:30:60)為二進制分組,即可以達到表2所示補償效果。

表2  混合分組投切電容量

3 工程實例應用

3.1 背景分析

本文設計的無功補償裝置優化方案于2014年3月份在徐州居民小區變電站進行了工業運行

試驗。該小區變電站的配變容量為800kVA,單母線段結構,中間設母聯,運行方式為2路進線,允許并列運行。未裝設無功補償裝置前,通過連續監測得到單段母線的實際負荷情況為平均有功功率:P=264.7kW；平均無功功率:Q=163.8kvar;平均功率因數:cosφ=0.854。補償前主變380V側實際負荷情況測算結果分見表3。

表3  補償前主變380V側實際負荷情況測算

3.2 傳統補償方案

原先采用的無功補償方案中:選用雙向反并聯晶間管作投切開關,設8組16kvar補償電容實現循環投切,由于長期運行設備損耗嚴重,通過連續監測得到單段母線的實際負荷情況為平均有功功率P=282.3kW;補償平均無功功率:Q=128kvar;平均功率因數:cosφ=0.910。配網(O.4kV)低壓無功補償狀態下電壓質量統計見表4。

表4  配網(0.4kV)低壓無功補償狀態下電壓質量統計表

根據規定:“電力用戶應根據其負荷特點,合理配置無功補償裝置,并達到以下要求:100kVA及以上高壓供電的電力用戶,在用戶高峰負荷時變壓器高壓側功率因數不宜低于0.95”^[9]。依據該小區変電站原先補償裝置投運后低壓側無功監測現狀,無功補償容量可計算為當前補償現狀cosφ=0.9106；若要滿足規定中cosφ≥0.95的要求,得無功補償容量增量最小值為?QCmin=Scosφ-cosφ'=310x(0.95-0.9106)=12.2 kvar。

3.3 補償方案優化實施

結合以上補償容量的推算,新補償方案共設7組三相補償,各組三相電容器分別為:10kvar補償容量2組,12kvar補償容量2組,24kvar補償容量2組,48 kvar補償容量1組,總補償容量為140 kvar。

無功補償裝置7組全投最大補償容量為QCmax=140kvar；單組投切最小補償容量為QCmin=10kvar；分組補償級差可達2kvar。

由于電容補償裝置會對諧波有放大作用,實際測試結果中3次諧波較為明顯,因此補償裝置各支路應抑制3次及以上諧波,選擇電抗率為14%的電抗器,用于抑制諧波同時降低涌流。無功補償裝置的電氣接線如圖5所示。

3.4 方案優化效果對比

可以從4個效果方面進行比較:

1) 復合開關。復合開關取代傳統的單一的晶閘管投切開關,精準地把握控制過程,降低了開關在工作過程中的能耗和空間,提高了裝置的安全系數；

2) 補償精度。等容編碼補償精度為16kvar,混合編碼的常規補償精度為10kvar,甚至可達2kvar。同時, 混合分組可以實現更多的容量組合,實現智能投切;

3) 設備投入。傳統補償方案采用了8組補償電容實現循環投切,已接近設備空間的上限,同時成本也是必須考慮的因素。實施方案優化后,省去了1組電容,節約了設備空間和成本;

4) 單組容量投切率。混合編碼中的最小單組容量(10k)與構成組合使用率高的單組電容(12kwar、24kwar),分別設2組等容來分擔投切頻率,控制精度與穩定性得到保障。

圖5  居民小區變電站無功補償設備電氣接線圖

3.5 調試與運行

經過2周的現場調試與近1年的運行,結果表明設計的無功補償裝置起到了很好的補償效果,功率因數設定在0.95以上,運行結果表明在096-098范圍內波動,記錄沒有發生投切涌流,節能效果顯著達到了預期目標。

補償方案優化后的主變380V側實際負荷情況測量及相關計算值見表5。

表5  新方案補償后主變380V側實際負荷情況測算

4 結束語

在目前低壓電網TSC無功補償控制過程中,在安全可靠、經濟適用的前提下,補償精度與投切速度是不斷追求攻克的兩大難題。本文對無功補償裝置的投切開關結構、分組編碼方式以及容量設計等方面進行了研究總結,提出采用可控硅與接觸器并聯作為投切開關的主電路結構,選擇二進制分組與等容分組相結合的混合電容分組形式,科學合理地設計分組容量值等方式來把握投切時刻,降低開關工作能耗,提高補償精度以及元件及設備安全系數。整套低壓TSC無功補償裝置經過1年的試運行,結果表明,控制精度高、設備投入小、系統穩定性強,完全滿足了電力系統無功補償電容器投入、運行、切除全過程對開關產品的特殊功能需要,延長了電容器的使用壽命,具有廣闊的應用前景。