試論10KV動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償兼諧波綜合治理
摘要：電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，電力建設(shè)的發(fā)展直接影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)速度。事實(shí)上，未來(lái)電力工業(yè)的發(fā)展更注重解決供電可靠性差、線損高、電壓不穩(wěn)定、電能質(zhì)量不合格、諧波多，無(wú)功因數(shù)低等一系列問(wèn)題，做為輸變電配套重要設(shè)備之一的電容器及無(wú)功補(bǔ)償濾波裝置是電力發(fā)展中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。本文論述了余姚供電局35KV汪家變0KV動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償兼諧波綜合治理，對(duì)諧波污染等問(wèn)題得到了很好的治理，以期為其他項(xiàng)目和部門提供參考�！�
關(guān)鍵詞：電力，TSC，電壓波動(dòng)，諧波
1、項(xiàng)目應(yīng)用背景
余姚供電局35KV汪家變，其下所帶主要負(fù)荷屬于一種特殊的非線性沖擊負(fù)荷，在運(yùn)行中會(huì)向電網(wǎng)輸出大量的諧波并且對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生頻繁的沖擊，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行及其他正常負(fù)荷的用電造成嚴(yán)重影響，同時(shí)也影響自身生產(chǎn)效率的提高，根據(jù)電能質(zhì)量實(shí)際測(cè)試表明，10KV側(cè)電壓總諧波畸變率為17.9％，遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)標(biāo)4.0％，諧波電流以5次和7次為主導(dǎo)，10KV側(cè)諧波電流分量95％概率值分別為:I5=145A.I7=87A.遠(yuǎn)高于公用電網(wǎng)連接點(diǎn)國(guó)標(biāo)允許值。10kV動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償（TSC）兼諧波治理裝置是輸、配電系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，主要目的是用于補(bǔ)償電力系統(tǒng)的無(wú)功容量，消除高次諧波，對(duì)于降低系統(tǒng)的故障率，提高運(yùn)行可靠性等具有十分重要的作用。
電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和電能質(zhì)量與無(wú)功功率有重大的關(guān)系。大量的感性負(fù)荷和電網(wǎng)中的無(wú)功功率損耗以及由于含有大量的電力電子裝置產(chǎn)生豐富的各次諧波，都要求系統(tǒng)既能提供足夠的無(wú)功功率又要消除各次諧波，否則電網(wǎng)電壓將下降，電能質(zhì)量得不到保證。同時(shí)，無(wú)功功率的不合理分配，也將造成線損增加，降低電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。無(wú)功補(bǔ)償是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它是保證電能質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本手段。
2、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著研究的進(jìn)一步加深出現(xiàn)了一種靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。這種技術(shù)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新、發(fā)展完善的過(guò)程。所謂靜止無(wú)功補(bǔ)償是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無(wú)功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)和消除各高次諧波，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等功能。目前這種靜止開關(guān)主要分為兩種，即斷路器和電力電子開關(guān)。由于用斷路器作為接觸器，其開關(guān)速度較慢，約為10～30s，不可能快速跟蹤負(fù)載無(wú)功功率的變化，而且投切電容器時(shí)常會(huì)引起較為嚴(yán)重的沖擊涌流和操作過(guò)電壓，這樣不但易造成接觸點(diǎn)燒焊，而且使補(bǔ)償電容器內(nèi)部擊穿，所受的應(yīng)力大，維修量大。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)SCR、GTR、GTO等的出現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)，速度可以提高500倍（約為10μs），對(duì)任何系統(tǒng)參數(shù)，無(wú)功補(bǔ)償和濾波都可以在一個(gè)周波內(nèi)完成。現(xiàn)今所指的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置一般專指使用晶閘管的無(wú)功補(bǔ)償濾波設(shè)備，主要有以下三大類型，一類是具有飽和電抗器的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SR：SaturatedReactor）；第二類是晶閘管控制電抗器（TCR：ThyristorControlReactor）、晶閘管投切電容器（TSC：ThyristorSwitchCapacitor），這兩種裝置統(tǒng)稱為SVC（StaticVarCompensator）；第三類是采用自換相變流技術(shù)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置——高級(jí)靜止無(wú)功發(fā)生器（ASVG：AdvancedStaticVarGenerator）。
3、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和實(shí)施方案
為了解決電容器濾波支路隨負(fù)荷變化頻繁投切的問(wèn)題，TSC裝置應(yīng)運(yùn)而生。兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器濾波支路并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)的電抗器和電容器用于消除諧波和電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流。TSC用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)采用星形連接，負(fù)荷不對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)采用三角形連接。不論是星形還是三角形連接都采用電容器濾波支路分組投切。TSC的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是投切電容器時(shí)刻的選取。經(jīng)過(guò)多年的分析與實(shí)驗(yàn)研究，其最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時(shí)刻。此時(shí)投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補(bǔ)償濾波裝置為了保證更好的投切電容器，必須對(duì)電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。TSC濾波器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無(wú)功功率和快速跟蹤負(fù)荷變化，如果級(jí)數(shù)分得足夠細(xì)化，基本上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。這種濾波器三次諧波不能流入電網(wǎng)，同時(shí)又設(shè)有5次、7次等諧波濾波器，大大減小了諧波含量，使諧波含量控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。
研究?jī)?nèi)容：基于DSP處理的電力諧波與功率因數(shù)綜合質(zhì)量控制系統(tǒng)的研制，傳統(tǒng)無(wú)功功率理論和瞬時(shí)無(wú)功功率理論及無(wú)功功率的實(shí)時(shí)檢測(cè)與快速補(bǔ)償,對(duì)無(wú)功功率補(bǔ)償濾波裝置的關(guān)鍵技術(shù)展開的研究。對(duì)基于頻域分析的FFT檢測(cè)算法與基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)算法行進(jìn)行的分析和比較。針對(duì)目前電容器補(bǔ)償方法(包括傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器組和靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置中的容性無(wú)功補(bǔ)償)的普遍性,在對(duì)傳統(tǒng)的電容器投切方案的研究的基礎(chǔ)上,應(yīng)提出的一種基于模糊控制的電壓-無(wú)功功率綜合控制方案。對(duì)TSC開關(guān)閥及其觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行的分析,并對(duì)其開關(guān)控制的關(guān)鍵技術(shù)—無(wú)沖擊性浪涌電流投入技術(shù)進(jìn)行的理論分析,閥端電壓零值檢測(cè)方法,并應(yīng)討論了開關(guān)閥控制系統(tǒng)相關(guān)的安全及可靠性措施。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方面對(duì)檢測(cè)算法、模糊控制算法、TSC電容器分級(jí)補(bǔ)償算法等任務(wù)的實(shí)現(xiàn)思路的研究。
實(shí)施方案比較：
�。�1）常規(guī)的并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置
常規(guī)的并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，即并聯(lián)電容器組補(bǔ)償方式，這是傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式，適用于低壓配電系統(tǒng)，也適用于中高壓系統(tǒng)。主要特點(diǎn)是：簡(jiǎn)單，占地少，造價(jià)低廉。主要作用是：補(bǔ)償設(shè)備或電網(wǎng)中的無(wú)功，對(duì)中、低壓用電設(shè)備可實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償；提高功率因數(shù)，減少無(wú)功的遠(yuǎn)距離輸送，降低線損；提高電壓。達(dá)到節(jié)能降損的目的。主要缺點(diǎn)是：對(duì)有諧波存在的系統(tǒng)中，電容器因?yàn)橹C波過(guò)載、諧振等原因，造成電容器組不能正常投運(yùn)或燒損。如果保戶配置不當(dāng)，還會(huì)引起事故擴(kuò)大。
由電力電容器、電抗器(常用空心的)和電阻器適當(dāng)組合成若干濾波器支路的“無(wú)源型”交流濾波裝置。該裝置和諧波源并聯(lián)運(yùn)行。
這種方式以濾波和無(wú)功補(bǔ)償兼顧的方式，以濾波為主�？梢詾V除由于用電設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生諧波污染，保證公共母線和電網(wǎng)電能質(zhì)量；同時(shí)實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償；提高功率因數(shù)，減少無(wú)功的遠(yuǎn)距離輸送，降低線損；達(dá)到節(jié)能降損的目的。
主要特點(diǎn)是：濾波和無(wú)功補(bǔ)償簡(jiǎn)單，占地較多，造價(jià)較高。
主要作用是：濾除諧波電流，降低諧波污染造成的各種影響，提高供電電能質(zhì)量。補(bǔ)償設(shè)備或電網(wǎng)中的無(wú)功，對(duì)中、低壓用電設(shè)備可實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償；提高功率因數(shù)，減少無(wú)功的遠(yuǎn)距離輸送，降低線損；提高電壓。達(dá)到節(jié)能降損的目的。
主要缺點(diǎn)是：設(shè)備造價(jià)較高，占地較多；運(yùn)行中各濾波支路的投運(yùn)和切除要有一定的順序，對(duì)于功率變化速度較快的負(fù)荷，不能快速跟蹤。
（2）利用TSC型SVC解決電能質(zhì)量問(wèn)題
輸電線路開關(guān)切換、線路出現(xiàn)故障、非線性設(shè)備如晶閘管控制設(shè)備、快速變化的有功及無(wú)功負(fù)荷等，將會(huì)對(duì)正常運(yùn)行的輸電線路及工業(yè)電網(wǎng)造成干擾。然而也潛在諧波、需要額外的無(wú)功功率、電壓波動(dòng)、電壓閃變現(xiàn)象、負(fù)荷不平衡以及無(wú)功功率的快速變化等問(wèn)題。為此，我們采用靜態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置（SVC）來(lái)解決。具體為：諧波造成的干擾用諧波濾波器來(lái)消除。作為濾波器的電容器組可提供無(wú)功功率，因此濾波器可以補(bǔ)償功率因數(shù)并吸收諧波。電壓波動(dòng)使用晶閘管控制的電抗器及電容器便可消除。電壓閃變現(xiàn)象是由快速變化的負(fù)荷造成的，由晶閘管控制的電抗器加以解決。不平衡的負(fù)載可通過(guò)的晶閘管控制的電容器及電抗器改善得到平衡。無(wú)功負(fù)荷的快速波動(dòng)，例如中頻爐、電弧爐，可用與上述類似的方法加以補(bǔ)償。具體實(shí)施過(guò)程中，每一套SVC是根據(jù)每個(gè)客戶所遇到的問(wèn)題，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備組件進(jìn)行設(shè)計(jì)的。上述問(wèn)題中的一些可能會(huì)同時(shí)產(chǎn)生，從技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的雙重考慮上，作最佳的解決方案。
靜補(bǔ)裝置除了綜合改善電能質(zhì)量這一直接效果外，在電力系統(tǒng)中已成為控制無(wú)功、電壓，提高輸電穩(wěn)定性，限制系統(tǒng)過(guò)電壓，增加系統(tǒng)阻尼的重要技術(shù)措施。靜補(bǔ)的應(yīng)用還可以給諧波源用戶帶來(lái)多方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
用晶閘管開關(guān)取代普通有接點(diǎn)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是，在投切過(guò)程中沒(méi)有沖擊電流和過(guò)電壓，這是由于電容器的接入是在晶閘管兩端電壓過(guò)零瞬間完成，而電容器的切斷是由晶閘管在電流過(guò)零時(shí)完成。
余姚供電局35KV汪家變，其下主要負(fù)荷屬于一種特殊的非線性沖擊負(fù)荷，在運(yùn)行中向電網(wǎng)輸出大量的諧波并且對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生頻繁的沖擊，我們采用設(shè)置2組2400Kvar同容量5次補(bǔ)償濾波器和1組2400kvar的7次濾波器，全部采用TSC控制方式，能快速跟蹤負(fù)荷變化而隨之產(chǎn)生的各高次諧波含量，保證設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。
4、小結(jié)
本項(xiàng)目既符合國(guó)家“十五”規(guī)劃中電力節(jié)能行業(yè)高科技化的發(fā)展方向，通過(guò)本項(xiàng)目的運(yùn)作能極大地提高供電局的核心競(jìng)爭(zhēng)力，無(wú)論在產(chǎn)品質(zhì)量還是生產(chǎn)管理上都能產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)的飛躍，同時(shí)也為供電局找到了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
我們采用10kV動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償（TSC）兼諧波治理裝置新產(chǎn)品將提高汪家變的無(wú)功補(bǔ)償和濾波水平及設(shè)備的安全運(yùn)行水平，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比在許多方面已達(dá)到技術(shù)領(lǐng)先，達(dá)到了當(dāng)今世界的先進(jìn)水平，另外該產(chǎn)品在精簡(jiǎn)變電站設(shè)備數(shù)量﹑節(jié)約占地、運(yùn)行維護(hù)等方面，節(jié)約了大量維護(hù)經(jīng)費(fèi)。
在應(yīng)用效果上，余姚市供電局35KV汪家變使用了10kV動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償（TSC）兼諧波治理裝置后，大大提高了變電所功率因素，諧波污染得到了很好的治理，在運(yùn)行中向電網(wǎng)輸出大量的諧波并且對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生頻繁的沖擊的問(wèn)題得到了很好的解決，確保了當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的正常安全運(yùn)行及其他正常負(fù)荷的用電。
