MSVC技術(shù)原理及應(yīng)用(論文)--修改課件

1、磁閥式靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置原理及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用周晉中，許學(xué)亮（山西晉中供電分公司 山西晉中 030600）摘要：該文介紹了磁閥式靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（MSVC）的基本原理和應(yīng)用，并針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的幾種先進(jìn)補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了原理及性能比較。關(guān)鍵詞：MCR(磁閥式可控電抗器) SVC(靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置) 無功補(bǔ)償 諧波 1前言電力系統(tǒng)電壓、無功、諧波三大指標(biāo)對(duì)全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益和改善供電質(zhì)量至關(guān)重要。根據(jù)電力工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展，新型無功補(bǔ)償裝置的研制和應(yīng)用是我國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)解決電能質(zhì)量的重大關(guān)鍵技術(shù)課題。目前，無功補(bǔ)償主要裝置是電容器、電抗器和少量的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置,其技術(shù)存在明顯不足之處:如開關(guān)（斷

2、路器）投切電容器組的調(diào)節(jié)方式是離散的，不能取得理想的補(bǔ)償效果【4】；開關(guān)投切電容所造成的涌流和過電壓對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備本身都十分有害。本文主要介紹的磁閥式可控電抗器(MCR)型SVC，具有輸出諧波小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，價(jià)格低廉，占地面積小、免維護(hù)等顯著優(yōu)點(diǎn)，是高壓和超高壓電網(wǎng)理想的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，電壓調(diào)節(jié)，諧波治理設(shè)備。它由磁閥式可控電抗器、控制器、電容器(C) 或?yàn)V波器(FC) 、晶閘管閥柜構(gòu)成，下面集中對(duì)MCR作簡(jiǎn)介。2、磁閥式可控電抗器工作原理無功補(bǔ)償設(shè)備采用直流助磁式可控電抗器，其原理是利用附加直流勵(lì)磁磁化鐵芯，改變鐵芯磁導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)電抗值的連續(xù)可調(diào)，其內(nèi)部為全靜態(tài)結(jié)構(gòu)，無運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠性

3、高。圖1為單相可控電抗器的鐵芯、線圈結(jié)構(gòu)示意圖【1】。圖1 單相可控電抗器鐵芯、線圈示意圖可控電抗器采用小截面鐵芯和極限磁飽和技術(shù)，如圖四柱鐵芯結(jié)構(gòu)，在中間兩工作鐵芯柱上分布著多個(gè)小截面段，在電抗器的整個(gè)容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，僅有小截面段鐵芯磁路工作在飽和區(qū)，而大截面段始終工作于未飽和線性區(qū)，其上套有線圈。如圖1所示，電抗器中間兩工作鐵芯分別有小截面段，在整個(gè)工作過程中，大截面鐵芯段始終不飽和，僅小截面段飽和，且飽和的程度很高。圖3為鐵芯磁化曲線示意圖，曲線中間部分為未飽和線性區(qū)，左、右兩邊為極限飽和線性區(qū)。若使電抗器工作在極限飽和線性區(qū)，不僅可以減小諧波含量，同時(shí)亦能大幅降低鐵芯磁滯損耗，電抗器鐵

4、損控制在理想狀態(tài)【2】。圖2 磁閥式可控電抗器鐵芯結(jié)構(gòu)圖3鐵芯磁飽和特性可控電抗器原理接線圖如圖4所示。在可控電抗器的工作鐵芯柱上分別對(duì)稱地繞有匝數(shù)為的兩個(gè)線圈，其上有抽頭比為的抽頭，它們之間接有可控硅、，不同鐵芯的上下兩個(gè)主繞組交叉連接后并聯(lián)至電源，續(xù)流二極管接在兩個(gè)線圈的中間。圖4 磁控電抗器原理接線圖3磁閥式可控電抗器特性3.1諧波特性磁閥式可控電抗器產(chǎn)生的諧波比相控電抗器（TCR）小50%。如圖5所示。可見最大3次諧波電流為額定基波電流的7%左右，5次諧波電流為2.5%左右【2】。圖5可控電抗器諧波電流分布3.2伏安特性在一定控制導(dǎo)通角下，磁閥式可控電抗器伏安特性近似線性【2】。 3.

5、3控制特性可控電抗器輸出電流（容量）隨控制角增加而減少【2】。3.4響應(yīng)時(shí)間圖6示出可控電抗器從空載到額定或從額定到空載容量的電流過渡過程波形，時(shí)間約為0.3秒。例如，額定容量為300MVA的可控電抗器，緊急情況下可在0.3秒內(nèi)可提供300MVA的無功功率。圖6可控電抗器調(diào)節(jié)過渡過程波形4特點(diǎn) MCR型SVC的特點(diǎn) 電感平衡部分的結(jié)構(gòu)是由一臺(tái)磁控電抗器組成，其優(yōu)缺點(diǎn)大致表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：n 磁控電抗器控制部分的可控硅一般工作在系統(tǒng)額定電壓的百分之幾的水平上，由于是在控制磁閥的飽和度，所以無需很大的控制功率，晶閘管工作在低電壓小電流的工況下，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行系數(shù)【1】。n 磁控電抗器本

6、身就像一臺(tái)變壓器，可以采用不同的冷卻方式，在35KV電壓等級(jí)以下均采用風(fēng)冷和油冷兩種自然冷卻方式，所以沒有輔助冷卻設(shè)備，可以為無人值守的變配電系統(tǒng)配套使用。n 由于可控硅部分工作在支流運(yùn)行方式，所以不會(huì)產(chǎn)生諧波電壓，近乎于TCR型所產(chǎn)生諧波量一半以下的諧波是因?yàn)榇呕姆蔷€性過程造成的。n 磁控電抗器的缺點(diǎn)是反應(yīng)速度相對(duì)較慢，在0.3S左右，與飽和速度成反比。目前正在開發(fā)反應(yīng)速度更快的產(chǎn)品。n 磁控電抗器免維護(hù)，占地面積小，安裝方便【2】。5可靠性 這種可控電抗器不需要外接電源，完全由電抗器的內(nèi)部繞組來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； 其控制系統(tǒng)從輸電線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過控制可控硅晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行自動(dòng)控制，因

7、此可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，并且從最小容量到最大容量的過渡時(shí)間很短，因此可以真正實(shí)現(xiàn)柔性輸電【3】； 網(wǎng)側(cè)繞組不需要抽頭，所有繞組的聯(lián)接也很簡(jiǎn)單，保證了高壓或特高壓可控電抗器的可靠性； 從產(chǎn)品的運(yùn)行情況看，俄羅斯500kV及以下等級(jí)已大量采用該技術(shù)【2】，國(guó)內(nèi)750KV系統(tǒng)也在實(shí)際操作中，方案可見是先進(jìn)、成熟和可靠的。6安全性l MCR僅僅需要一只二極管、兩只可控硅，磁控電抗器，可控硅不需要串、并聯(lián)，承受電壓只有系統(tǒng)總電壓的1%-2%，運(yùn)行穩(wěn)定可靠【2】。l 可控硅動(dòng)作，整流控制產(chǎn)生的諧波不流入外交流系統(tǒng)。l 即使可控硅或二極管損壞，磁控電抗器也僅相當(dāng)于一臺(tái)空載變壓器，不影響系統(tǒng)其他裝置的運(yùn)行。l 接入

8、三相系統(tǒng)的MCR采用角形連接，并不是將磁控電抗器取代濾波電容中的串聯(lián)電抗器，因此與電容器不會(huì)產(chǎn)生諧振【2】。當(dāng)MCR容量與電容器容量相等時(shí)，發(fā)生并聯(lián)諧振，等效阻抗無窮大，相當(dāng)于從系統(tǒng)中斷開。7經(jīng)濟(jì)性 采用低電壓水平的電子器件（可控硅）控制，就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)電壓級(jí)別電壓的自動(dòng)調(diào)整，保持電壓的穩(wěn)定； 在相同電壓下可提高30%的輸電容量； 降低輸電線路的損耗； 提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 在系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下均能最大限度地傳輸功率； 電網(wǎng)中采用這種可控電抗器可取消自耦變壓器第三繞組以及相配套的補(bǔ)償電容器，工程總造價(jià)降低。 磁控電抗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，基礎(chǔ)投資大大壓縮。 MSVC自身有功損耗低【2】

9、。8使用范圍廣泛適用于電力無功變化迅速，電壓、無功、諧波需控制或綜合治理的供用電場(chǎng)所：冶金：A工業(yè)用電爐和鐵合金爐電爐(鐵合金電爐)在工業(yè)上用途非常廣泛，煉鋼、煉鐵、煉鐵合金都需要很大功率的電爐。電爐的工作特性特殊性，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊破壞，如造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)；電壓的閃變；三相嚴(yán)重不平衡；無功功率快速變化；產(chǎn)生大量的高次諧波等【4】。B軋鋼系統(tǒng)系統(tǒng)的功率因數(shù)都十分的低，一般的補(bǔ)償裝置，但都存在沒有動(dòng)態(tài)調(diào)整部分的問題，對(duì)于這類設(shè)備，采用磁控電抗器組成的SVC是十分合適的，咬鋼的過程都在數(shù)秒的慣性范圍內(nèi)，完全可以適應(yīng)系統(tǒng)的要求，甩鋼后又能及時(shí)地由電抗器保持平衡，不會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)現(xiàn)象【4】。C原料及

10、高爐系統(tǒng)一般區(qū)域變電系統(tǒng)的功率因數(shù)都很低，同時(shí)電機(jī)的工作負(fù)荷也很不穩(wěn)定，所以可以大量的采用MCR型SVC作為補(bǔ)償裝置。D有色冶金冶煉銅和鋁:一般都采用電爐冶煉，其過程比鋼鐵冶煉爐穩(wěn)定，也是高耗能的化學(xué)反應(yīng)過程，但穩(wěn)定波動(dòng)系數(shù)更大，所以也存在電壓波動(dòng)大、諧波豐富及功率因數(shù)很低等方面的問題【4】，是推廣應(yīng)用MCR型SVC的另一個(gè)對(duì)象。電解銅和鋁:大量采用整流裝置，由于會(huì)產(chǎn)生的諧波和槽內(nèi)電流變化的不穩(wěn)定性都導(dǎo)致了電壓的無序波動(dòng)，而設(shè)備的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作會(huì)進(jìn)一步加劇這種波動(dòng)，因此穩(wěn)定供電一直是電解系統(tǒng)的一大難題，采用MCR型SVC將會(huì)很好的解決此類問題【3】。煤炭：煤炭企業(yè)主要的生產(chǎn)工藝過程為采掘和運(yùn)輸

11、(提升)，工輔系統(tǒng)為通風(fēng)和排水，百分之九十的動(dòng)力設(shè)備為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，而且以交流電機(jī)為主。煤炭企業(yè)最大的特點(diǎn)是單機(jī)容量都較大，獨(dú)立分布和一些設(shè)備啟動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，由此造成了系統(tǒng)供電品質(zhì)因素很低，穩(wěn)定性很差等諸多問題，改善這類問題的很好辦法也是采用反應(yīng)速度要求不高，但運(yùn)行可靠，投資與其它類型SVC有較大競(jìng)爭(zhēng)的磁控型靜補(bǔ)設(shè)備。建材水泥：大部分水泥企業(yè)都采用活性水泥生產(chǎn)工藝，與煤炭企業(yè)唯一不同的就是它基本在地表以上操作，通風(fēng)變成了除塵，也存在大量的皮帶運(yùn)輸?shù)膯栴}，所以與煤炭企業(yè)相似。電力系統(tǒng)：a可用于并聯(lián)電抗器：長(zhǎng)距離高壓輸電線路，在一定條件下，末端會(huì)造成容升電壓升高，可調(diào)電抗器并接入線路，可自動(dòng)調(diào)節(jié)電感，

12、吸收無功電流，防止電壓升高【3】。b用于消弧線圈：中壓輸電系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，對(duì)地電容電流會(huì)嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全【3】。傳統(tǒng)的方法是在系統(tǒng)的中性點(diǎn)處裝設(shè)電感不可調(diào)的消弧線圈，用以抵消電容電流，達(dá)到滅弧的目的。由于電感不可調(diào)，滅弧效果并不理想。用可調(diào)電抗器作成消弧線圈，可任意調(diào)節(jié)電感，滅弧可靠性更高【1】。c用于輸電線路：可調(diào)電抗器和電容器串聯(lián)接入輸電線路，可以補(bǔ)償輸電線路的電感，提高線路輸電能力；改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性；降低系統(tǒng)的損耗，改善線路的電壓分布；優(yōu)化線路間的負(fù)荷分配【3】。9同類其他技術(shù)特性9.1 相控式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（TCR）：原理：相控式原理的可控電抗器的調(diào)節(jié)原理見圖7所示。通過對(duì)可控

13、硅導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行控制，控制角為，電流基波分量隨控制角的增大而減小，控制角可在090范圍內(nèi)變化【4】。圖7 相控式電抗器的結(jié)構(gòu)原理技術(shù)特點(diǎn)：電感平衡部分的結(jié)構(gòu)一般是由可控硅、平衡電抗器、控制設(shè)備及相應(yīng)的輔助設(shè)備組成，其優(yōu)缺點(diǎn)大致表現(xiàn)在以下幾方面：a.晶閘管要長(zhǎng)期運(yùn)行在高電壓和大電流工況下，容易被擊穿。 b.晶閘管發(fā)熱量大，一般情況采用純水冷卻，除了要有一套水處理裝置可靠的水源而外，還需配有監(jiān)護(hù)維修人員。c.由于調(diào)整主電抗電感量只能靠控制可控硅器件的導(dǎo)通角，關(guān)閉則需靠交流電的過零特性，所以必然會(huì)產(chǎn)生不同程度的諧波電壓污染電網(wǎng)。d.需要較大的設(shè)備安裝和運(yùn)行工作位置，即占地面積很大。e.反應(yīng)速度快9.2

14、 開關(guān)分組投切技術(shù)：原理：利用對(duì)系統(tǒng)無功功率的取樣，自動(dòng)控制開關(guān)分組投切電容器，其調(diào)節(jié)方式是離散式的，容易過補(bǔ)和欠補(bǔ)。技術(shù)特點(diǎn)：a.開關(guān)投切時(shí)產(chǎn)生的涌流至少在7倍以上，威脅設(shè)備的安全。b.為離散式調(diào)節(jié)，容易產(chǎn)生過補(bǔ)和欠補(bǔ)，同時(shí)引起電壓波動(dòng)。c.需要對(duì)濾波支路進(jìn)行自動(dòng)投切，雖然能調(diào)節(jié)無功功率的補(bǔ)償容量，但必然影響濾波效果。d.響應(yīng)時(shí)間為0.8S,難以跟蹤負(fù)載變化，影響補(bǔ)償效果。分組投切技術(shù)設(shè)計(jì)的濾波裝置，因無功功率需求的變化而引起濾波補(bǔ)償支路的投運(yùn)或切除。一旦系統(tǒng)所需補(bǔ)償無功功率較小而切除某個(gè)濾波補(bǔ)償支路，則該支路的濾波功能完全喪失，對(duì)諧波的治理非常不利，導(dǎo)致整個(gè)濾波設(shè)備不能達(dá)到設(shè)計(jì)的諧波治理功

15、效【4】。9.3 TSC型高壓補(bǔ)償濾波裝置：原理：利用串聯(lián)晶閘管代替真空接觸器作為投切開關(guān)，對(duì)無功補(bǔ)償進(jìn)行離散式調(diào)節(jié)。技術(shù)特點(diǎn)：a.晶閘管串聯(lián)在高壓回路，容易被擊穿。b.正常運(yùn)行時(shí)晶閘管承受高電壓、大電流，發(fā)熱量非常大，需要輔助冷卻設(shè)備和大量的維護(hù)工作。c.為離散式調(diào)節(jié)，容易產(chǎn)生過補(bǔ)和欠補(bǔ)，同時(shí)引起電壓波動(dòng)【3】。d.需要對(duì)濾波支路進(jìn)行自動(dòng)投切，雖然能調(diào)節(jié)無功功率的補(bǔ)償容量，但必然影響濾波效果【4】。9.4 調(diào)壓補(bǔ)償技術(shù)：原理：主要由電壓調(diào)節(jié)器，微機(jī)控制器，電力電容器組成。圖8 系統(tǒng)接線示意圖1電容器組開關(guān) 電壓調(diào)節(jié)器避雷器 并聯(lián)電容器 放電線圈采用電壓調(diào)節(jié)器來改變電容器端部輸出電壓，根據(jù)Q=

16、2fCU2改變電容器端電壓來調(diào)節(jié)無功輸出，從而改變無功輸出容量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù)，目前生產(chǎn)的裝置可實(shí)現(xiàn)容量從（10036）%分九級(jí)輸出【4】。技術(shù)特點(diǎn)：a.是離散型分級(jí)無功補(bǔ)償裝置，不是真正意義上的線性無功補(bǔ)償裝置，為階梯型無功補(bǔ)償裝置。b.調(diào)壓技術(shù)需要改變電容器端電壓，進(jìn)而改變電容器參數(shù)，無法實(shí)現(xiàn)濾波，甚至可能引起諧振的危險(xiǎn)。c.變壓器檢修規(guī)程要求分接開關(guān)每隔一二年需要換油和吊芯檢查。維護(hù)量比較大的。幾種技術(shù)比較簡(jiǎn)表：表1 幾種無功補(bǔ)償裝置比較表比較項(xiàng)目MCR型SVCTCR型SVC開關(guān)投切TSC投資中大中大運(yùn)行方式無級(jí)調(diào)節(jié)（連續(xù)）無級(jí)調(diào)節(jié)（連續(xù)）分級(jí)投切（離散）分級(jí)投切（離散）可靠性免維護(hù)，

17、使用壽命25年維護(hù)量大維護(hù)量很大維護(hù)量大諧波水平比TCR型小50%5次:6.5%,7次:3.7%無小投切涌流無無7倍以上無有功損耗比TCR小50%平均0.5%-0.8%很小小占地面積為TCR的1/10很大，難布置大大調(diào)節(jié)時(shí)間0.3S40ms0.8S40ms過載能力110%無無無電磁污染無輻射大量工頻磁場(chǎng)，對(duì)人體危害無無10結(jié)束語目前，MCR型SVC已經(jīng)在煤炭、電氣化鐵路、冶金行業(yè)及輸變電系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著效果且形成了成熟的技術(shù)方案【2】?，F(xiàn)在MSVC的發(fā)展研究主要集中于控制策略上，如引入了模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家控制系統(tǒng)到MSVC控制系統(tǒng)【4】，使MSVC系統(tǒng)的性能更加提高

18、。周晉中 男 河北徐水人，1999年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)自動(dòng)化專業(yè)，工程師許學(xué)亮 男 山西靈石人，1993年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)自動(dòng)化專業(yè)，工程師The theory and application of the static var compensation equipment on electic power system Zhou Jin-zhong Xu Xue-liang(Shanxi Jinzhong Power Supply Company,Jinzhong Electric Power Design instituteShanxi Jinzhong 030600，China)Abstract: This paper introduces the basic theory and application about MSVC,and make a comparison and analysis with several advanced domestic compensation technology .Key