姚霞^1,2，刘建华²，陈斌¹，王素梅³

摘要：针对低压电网TSC分组投切无功补偿控制过程中常见的问题进行讨论分析,尝试通过引

入复合开关结构、电容器分组编码优化以及分组容量优化配置等方式来进一步提高无功补偿控制的精确性和稳定性,以保障无功补偿电力系统的经济有效运行。并结合工程实例应用,为设计方案的可行性验证提供了强有力的数据支持和技术推广平台。

关键词：低压无功补偿; TSC+MSC复合开关;混合编码; 分组容量设计

0 引言

随着现代工业的飞速发展,大幅增加的无功负荷不仅增大供电系统的损耗,更有可能引发继电保护故障与计量误差。因此,选择合适的补偿方式,科学合理地在电网中装设无功补偿装置,依据分层分区、就地平衡和便于调整电压的原则进行配置,快速有效地补偿无功功率,在节能降损、提高电能质量乃至整个系统稳定性方面都有着非常重要的现实意义。

目前低压无功补偿多采用分散补偿和集中补偿相结合的方式:分散安装在用电端,主要用于提高功率因数、降低銭路损耗;集中安装在变电站内,有利于稳定电压水平2。近年来,TSC(双向反并联晶闸管投切电容器)低压无功补偿装置以其:1)设备投资小、结构紧凑、占地面积以及耗能小;2)无谐波污染、无投切振荡、不发生过补偿;3)动态跟踪无功变化、精确控制投切时刻实现晶闸管频繁快速投切, 对三相不平衡负荷可以分相补偿等优点,取代传统的并联电容器、串联电容器、并联电抗器、同步调相机和静止型动态无功补偿装置,在低压配电系统的无功补偿中获得快速发展和应用。

1 现有TSC补偿装置主要问题

现有的TSC无功补偿控制器以三相共补的方式进行无功补偿,主电路采用的是TSC三角形接线, 将并联补偿电容器分成若干组,由双向反并联晶闸管组成开关,以负荷无功的变化情况为投切依据

通过投入或切除电容器组来实现对无功补偿量的调节。其三相结构原理如图1所示。

 

 图1  TSC型补偿器原理

在图1中,串联小电感的形式用于抑制电容器投入电网过程中产生的冲击电流,但TSC本质上属于有级调节,存在暂态过程。实际投切过程中,容易出现以下问题:

1) 在实际配电网的应用中,无功功率无法实现连续调节,在无功变动时容易发生逆变现象,通常需要通过加大电感或大电容来形成无功。此外,由晶闻管导通压降产生的功耗以及温升还会降低装置的可靠性;

2) 在总补偿容量确定的情况下,无功补偿过程中存在如何保证提供尽可能多的无功补偿级数,减少控制盲区,提高设备的控制精度等问题;

3) TSC控制器以功率因数为基本的控制量时,在负载比较小时若电容器容量选择与编码方式不当,容易出现投切震荡现象;当控制器采用无功功率为控制物理量时,在负载比较小的时候容易出现补偿装置不能投入电容器,或达不到用户设置的目标功率因数等现象。

2 改善投切质量的优化措施

2.1 投切开关优化(TSC+MSC复合开关

补偿装置中选用由双相反并联晶阐管(TSC)主电路与接触器(MSC)主接点相并联形成的复合投切开关,共同实现补偿电容器组自动投切控制,接线结构如图2所示。

开关在接通和断开的瞬间具有可控硅过零投切的优点,由晶闸管精确控制电容器投切时刻,实现电容器的无涌流投入;而在正常接通期间又具有机械开关无功耗的优点,由接触器来保持电容器的连续运行。此结构集成了两者该应用领域中两代传统产品(MSC和TSC)各自的优点[6],并完全克服了二者原理性和结构性的缺点,满足了电力系统无功补偿电容器在“投入一运行一切除”全过程对开关产品的特殊功能需要,大大延长了电容器的使用寿命。

图2  TSC+MSC接线形式

结合整个无功补偿装置来讲,控制器根据系统电压和无功情况作出投切决策,并将投切指令传达给晶闸管触发电路,由触发信号来控制晶闸管的开通和关断,分别作为TSC投人和切除电容的时刻[7]。工作时动作次序为：

1)投入时:投入电容时复合开关的工作过程如图3所示。

图3  投入电容时复合开关工作过程

2) 切除时:切除电容时复合开关的工作过程如图4所示。

图4  切除电容时复合开关工作过程

3) 缺相指示:运行前运行中,电压或电流缺相, D闪烁告警。

2.2 电容器分组方式优化

依据JB/T9663-1999《低压无功功率自动补偿控制器》中有关规定,在380V的低压无功补偿的应用中,常见的分组类别及相应的投切方式大致分为:等值分组循环投切、等差分组投切和二进制分组温度计式投切等几类。每种编码方式下分别存在不同的优势和控制盲区,各分组结构的特点及性能的优劣对比见表1。减小这些控制盲区,可以避免投切振荡,有利于提高TSC控制系统的可靠性与经济性。表1中:n为补偿电容组数;d为等差制编码分组补偿电容级差;Qo为二进制编码分组首位电容器容量与分组容量级差。

表1  无功补偿分组投切特点及性能对比

在实际分组过程中,补偿精度和投切控制之间存在着一定矛盾。为了达到较高补偿精度,同时避免过补偿,宜考虑二进制编码分组,且分组容量级差应尽可能的小;为了延长电容器寿命,降低各组电容器投切频率,同时避免单组电容器投切过频,宜考虑等容分组且加大分组容量。经综合考虑,补偿电容组投切时,拟采用等容分组循环投切与二进制编码温度计式投切相结合的混合分组模式。

2.3 分组容量的优化设计

为了提高电容器的效率,延长电容器使用寿命,需要选择合理的分组容量。并联电容器分组容量的确定应符合下列规定：

1)在电容器分组投切时,母线电压波动应满足国家现行有关标准的要求,并应满足系统无功功率和电压调控要求。

2)当分组电容器按各种容量组合运行时,应避开谐振容量,不得发生谐波的严重放大和谐振,电容器的接入支路所引起的各侧母线的任何一次谐波量均不应超过现行国家标准GB/T14549《电能质量公用电网谐波》的有关规定^[12-15]。

就目前的无功补偿技术而言,通常会依照“加大分组容量,减少组数”这一原则来满足规定1)和2)。加大分组容量可以减少投切次数,避免电容器因投切过频而缩短使用寿命;减少电容器组数,可以有效地避开谐振点区域,降低谐波干扰。但是,分组容量选择过大有可能会出现过补偿，导致母线电压抬高超出限值。而对于谐波的影响可依据电网现有背景谐波次数，通过串联电抗器来解决。因此，通过“加大分组容量，减少组数“并不能实现分组容量最优”。

本装置采用混合分组实现自动投切,确定其分组容量应考虑遵循如下原则：

1)为避免过补偿,分组容量应尽可能地小；

2)为避免控制复杂、造价过高,分组容量值档位设置不宜过多;

3)为避免投切过频,可考虑小容量电容器实现循环投切,分担投切次数。

需要指出的是,电容器串联电抗器后的实际输出容量应符合

式中:Q1为未串联电抗器时输出的无功功率;Q2为串联电抗器后输出的无功功率;K为电抗率。

因此,在分组容量设计方面,可结合上述原则, 依据补偿装置混合分组设定规律把所需电容器分成两类:一组包含若干等容量的电容器组,另一组包含若干二进制比例的电容器组。例如,补偿装置的总补偿容量为135kvar,若采用混合分组模式,可将电容器组分成5组,每组容量分别为,15kvar,15kvar, 15kvar,30kvar,60kvar。其中前3组电容器组容量最小、投切频率高,设置等容量分组分担投切次数、提高其使用寿命,后3组电容器组(15:30:60)为二进制分组,即可以达到表2所示补偿效果。

表2  混合分组投切电容量

3 工程实例应用

3.1 背景分析

本文设计的无功补偿装置优化方案于2014年3月份在徐州居民小区变电站进行了工业运行

试验。该小区变电站的配变容量为800kVA,单母线段结构,中间设母联,运行方式为2路进线,允许并列运行。未装设无功补偿装置前,通过连续监测得到单段母线的实际负荷情况为平均有功功率:P=264.7kW；平均无功功率:Q=163.8kvar;平均功率因数:cosφ=0.854。补偿前主变380V侧实际负荷情况测算结果分见表3。

表3  补偿前主变380V侧实际负荷情况测算

3.2 传统补偿方案

原先采用的无功补偿方案中:选用双向反并联晶间管作投切开关,设8组16kvar补偿电容实现循环投切,由于长期运行设备损耗严重,通过连续监测得到单段母线的实际负荷情况为平均有功功率P=282.3kW;补偿平均无功功率:Q=128kvar;平均功率因数:cosφ=0.910。配网(O.4kV)低压无功补偿状态下电压质量统计见表4。

表4  配网(0.4kV)低压无功补偿状态下电压质量统计表

根据规定:“电力用户应根据其负荷特点,合理配置无功补偿装置,并达到以下要求:100kVA及以上高压供电的电力用户,在用户高峰负荷时变压器高压侧功率因数不宜低于0.95”^[9]。依据该小区変电站原先补偿装置投运后低压侧无功监测现状,无功补偿容量可计算为当前补偿现状cosφ=0.9106；若要满足规定中cosφ≥0.95的要求,得无功补偿容量增量最小值为∆QCmin=Scosφ-cosφ'=310x(0.95-0.9106)=12.2 kvar。

3.3 补偿方案优化实施

结合以上补偿容量的推算,新补偿方案共设7组三相补偿,各组三相电容器分别为:10kvar补偿容量2组,12kvar补偿容量2组,24kvar补偿容量2组,48 kvar补偿容量1组,总补偿容量为140 kvar。

无功补偿装置7组全投最大补偿容量为QCmax=140kvar；单组投切最小补偿容量为QCmin=10kvar；分组补偿级差可达2kvar。

由于电容补偿装置会对谐波有放大作用,实际测试结果中3次谐波较为明显,因此补偿装置各支路应抑制3次及以上谐波,选择电抗率为14%的电抗器,用于抑制谐波同时降低涌流。无功补偿装置的电气接线如图5所示。

3.4 方案优化效果对比

可以从4个效果方面进行比较:

1) 复合开关。复合开关取代传统的单一的晶闸管投切开关,精准地把握控制过程,降低了开关在工作过程中的能耗和空间,提高了装置的安全系数；

2) 补偿精度。等容编码补偿精度为16kvar,混合编码的常规补偿精度为10kvar,甚至可达2kvar。同时, 混合分组可以实现更多的容量组合,实现智能投切;

3) 设备投入。传统补偿方案采用了8组补偿电容实现循环投切,已接近设备空间的上限,同时成本也是必须考虑的因素。实施方案优化后,省去了1组电容,节约了设备空间和成本;

4) 单组容量投切率。混合编码中的最小单组容量(10k)与构成组合使用率高的单组电容(12kwar、24kwar),分别设2组等容来分担投切频率,控制精度与稳定性得到保障。

图5  居民小区变电站无功补偿设备电气接线图

3.5 调试与运行

经过2周的现场调试与近1年的运行,结果表明设计的无功补偿装置起到了很好的补偿效果,功率因数设定在0.95以上,运行结果表明在096-098范围内波动,记录没有发生投切涌流,节能效果显著达到了预期目标。

补偿方案优化后的主变380V侧实际负荷情况测量及相关计算值见表5。

表5  新方案补偿后主变380V侧实际负荷情况测算

4 结束语

在目前低压电网TSC无功补偿控制过程中,在安全可靠、经济适用的前提下,补偿精度与投切速度是不断追求攻克的两大难题。本文对无功补偿装置的投切开关结构、分组编码方式以及容量设计等方面进行了研究总结,提出采用可控硅与接触器并联作为投切开关的主电路结构,选择二进制分组与等容分组相结合的混合电容分组形式,科学合理地设计分组容量值等方式来把握投切时刻,降低开关工作能耗,提高补偿精度以及元件及设备安全系数。整套低压TSC无功补偿装置经过1年的试运行,结果表明,控制精度高、设备投入小、系统稳定性强,完全满足了电力系统无功补偿电容器投入、运行、切除全过程对开关产品的特殊功能需要,延长了电容器的使用寿命,具有广阔的应用前景。