榮俊鋒 楊圣利

（杭州銀湖電氣設(shè)備有限公司，浙江 富陽 311400）

1 引言

電力系統(tǒng)電壓、無功、諧波三大指標(biāo)對全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益和改善供電質(zhì)量至關(guān)重要，并且是實(shí)現(xiàn)智能化電網(wǎng)的基礎(chǔ)。根據(jù)電力工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展以及智能化電網(wǎng)建設(shè)的需要，新型無功補(bǔ)償裝置的研制和應(yīng)用成為我國電網(wǎng)系統(tǒng)解決電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)課題。磁閥式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置和無源濾波器結(jié)合使用，能夠有效濾除系統(tǒng)中諧波污染、動態(tài)連續(xù)補(bǔ)償系統(tǒng)中的無功功率使功率因數(shù)穩(wěn)定在定值、一定程度上穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，平衡系統(tǒng)電壓波動，是未來補(bǔ)償濾波領(lǐng)域中不可或缺的高端產(chǎn)品。

目前，無功補(bǔ)償主要裝置是電容器、電抗器和少量的動態(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[1]；開關(guān)投切電容所造成的涌流和過電壓對系統(tǒng)和設(shè)備本身都十分有害。

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磁磁化鐵心，改變鐵心磁導(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)動部件，工作可靠性高。

可控電抗器采用小截面鐵心和極限磁飽和技術(shù)，柱鐵心結(jié)構(gòu)，在中間兩工作鐵心柱上分布著多個(gè)小截面段，在電抗器的整個(gè)容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，僅有小截面段鐵心磁路工作在飽和區(qū)，而大截面段始終工作于未飽和線性區(qū)，其上套有線圈。

圖1為鐵心磁化曲線示意圖，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)亦能大幅降低鐵心磁滯損耗，電抗器鐵損控制在理想狀態(tài)[2]。

圖1 鐵心磁飽和特性（B-磁通量，單位韋伯；H-電感，單位亨利）

3 磁閥式可控電抗器特性

3.1 電器特性

（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小50%，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]。

（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）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]。

（4）響應(yīng)時(shí)間

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0.3s。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。

3.2 MCR型SVC的特點(diǎn)

電感平衡部分的結(jié)構(gòu)由1臺磁控電抗器組成，其優(yōu)缺點(diǎn)大致表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）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)[3]。

（2）磁控電抗器本身就像一臺變壓器，可以采用不同的冷卻方式，在35kV電壓等級以下均采用風(fēng)冷和油冷兩種自然冷卻方式，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。

（3）由于可控硅部分工作在支流運(yùn)行方式，所以不會產(chǎn)生諧波電壓，近乎于相控電抗器型所產(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。

（4）磁控電抗器的缺點(diǎn)是反應(yīng)速度相對較慢，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。

（5）磁控電抗器免維護(hù)，占地面積小，安裝方便[2]。

3.3 可靠性

（1）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)自動控制；

（2）其控制系統(tǒng)從輸電線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行自動控制，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，從最小容量到最大容量的過渡時(shí)間很短，可以真正實(shí)現(xiàn)柔性輸電[4]；

（3）網(wǎng)側(cè)繞組不需要抽頭，所有繞組的聯(lián)接也很簡單，保證了高壓或特高壓可控電抗器的可靠性；

3.4 安全性

（1）MCR每項(xiàng)僅僅需要1只二極管、2只晶閘管，晶閘管不需要串、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]。

（2）晶閘管動作，整流控制產(chǎn)生的諧波不流入外交流系統(tǒng)。

即使晶閘管或二極管損壞，磁控電抗器也僅相當(dāng)于1臺空載變壓器，不影響系統(tǒng)其他裝置的運(yùn)行。

（3）接入三相系統(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。

3.5 經(jīng)濟(jì)性

（1）采用低電壓水平的電子器件（晶閘管）控制，就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)電壓級別電壓的自動調(diào)整，保持電壓的穩(wěn)定。

（2）在相同電壓下可提高30%的輸電容量。（3）降低輸電線路的損耗。

（4）提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（5）在系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)情況下均能最大限度地傳輸功率。

（6）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。

（7）磁控電抗器結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，基礎(chǔ)投資大大壓縮。

（8）磁閥式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，自身有功損耗低[2]。

4 使用范圍

磁閥式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置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所。

4.1 冶金

（1）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，會對電網(wǎng)造成很大的沖擊破壞，如造成電網(wǎng)電壓波動、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[1]。

（2）軋鋼系統(tǒng)

系統(tǒng)的功率因數(shù)都比較的低，一般的無功補(bǔ)償裝置，都存在沒有動態(tài)調(diào)整部分的問題，對于這類設(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，不會出現(xiàn)過補(bǔ)現(xiàn)象[1]。

（3）原料及高爐系統(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。

（4）有色冶金

冶煉銅和鋁：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)定波動系數(shù)更大，所以也存在電壓波動大、諧波豐富及功率因數(shù)很低等方面的問題[1]，是推廣應(yīng)用MCR型SVC的另一個(gè)對象。

電解銅和鋁：大量采用整流裝置，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，設(shè)備的調(diào)節(jié)系統(tǒng)會進(jìn)一步加劇這種波動，穩(wěn)定供電一直是電解系統(tǒng)的一大難題，采用MCR型SVC將會很好的解決此類問題[4]。

4.2 煤炭

煤炭企業(yè)主要的生產(chǎn)工藝過程為采掘和運(yùn)輸（提升），工輔系統(tǒng)為通風(fēng)和排水，百分之九十的動力設(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)備起動頻繁等特點(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，投資與其他類型SVC有較大競爭的磁控型靜補(bǔ)設(shè)備。

4.3 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。

4.4 電力系統(tǒng)

（1）可用于并聯(lián)電抗器：長距離高壓輸電線路，在一定條件下，末端會造成容升電壓升高，可調(diào)電抗器并接入線路，可自動調(diào)節(jié)電感，吸收無功電流，防止電壓升高[4]。

（2）用于消弧線圈：中壓輸電系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，對地電容電流會嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全[4]。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[3]。

（3）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[4]。

（4）保證高功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，有效濾除諧波，為智能化電網(wǎng)建設(shè)提供了基礎(chǔ)環(huán)境的保障。

5 同類其他技術(shù)特性

國內(nèi)常見無功補(bǔ)償裝置其他特性對比見表1。

6 應(yīng)用實(shí)例——平遙煤化木家莊煤礦項(xiàng)目

6.1 系統(tǒng)概況

本站兩路進(jìn)線，正常情況下一用一備，35kV母線采用單母線分段接線，分段開關(guān)閉合，1號主變運(yùn)行，6kV母線并列運(yùn)行，兩段各有1440kvar的補(bǔ)償電容器。針對以上情況，2006年8月23日至24日對系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行了綜合測量，選取電網(wǎng)1#進(jìn)線點(diǎn)進(jìn)行了測量，數(shù)據(jù)見圖2、圖3、圖4。

圖2 補(bǔ)償前有功功率變化曲線

表1 幾種無功補(bǔ)償裝置比較表

由以上測試數(shù)據(jù)分析可以知道，電網(wǎng)1#功率因數(shù)波動很大，變化規(guī)律如下：

絞車啟動時(shí)，要吸收較大的有功功率和無功功率，造成功率因數(shù)很低，且變化速度很快。

圖3 補(bǔ)償前無功功率變化曲線

圖4 補(bǔ)償前功率因素變化曲線

6.2 方案設(shè)計(jì)

通過計(jì)算及分析補(bǔ)償總?cè)萘窟x定為4500kvar。

從測試所得無功變化曲線可知，系統(tǒng)存在過補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象，過補(bǔ)償?shù)娜萘科骄鶠?300kvar，考慮補(bǔ)償電容器容量的增加，選定磁控電抗器容量為1800kvar。

6.3 補(bǔ)償后效果

2007年2月份MSVC設(shè)備正式安裝投運(yùn)，3月15日對投運(yùn)MSVC設(shè)備后的系統(tǒng)再次進(jìn)行電能質(zhì)量測試，測試結(jié)果如見圖5、圖6、圖7。

由測試前后的測試結(jié)果可看出，MSVC投運(yùn)之后無功功率的變化比投運(yùn)之前有很大的緩解，不再有很大幅度和頻繁的變化；特別是功率因數(shù)，MSVC投運(yùn)前，功率因數(shù)頻繁變化，最小只有0.20左右，在0.90以下的時(shí)間也非常多；MSVC投運(yùn)后，功率因數(shù)基本穩(wěn)定在0.98以上，無大幅度波動。

圖5 補(bǔ)償后有功功率變化曲線

圖6 補(bǔ)償后無功功率變化曲線

圖7 補(bǔ)償后功率因素變化曲線

可見，MSVC在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定系統(tǒng)功率因數(shù)，動態(tài)調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償功率等功能方面達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)很好的動態(tài)補(bǔ)償效果。

7 結(jié)論

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。

[1] 王兆安.諧波抑制及無功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:1,4.

[2] 陳柏超．新型可控飽和電抗器理論及應(yīng)用[M].武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社,1999:2,4,7.

[3] 劉虹,伊忠東,陳柏超,陳維賢.新型可控自動消弧成套裝置的應(yīng)用研究[J].電力系統(tǒng)自動化.1998,22(2).

[4] T.J.E米勒主編,胡國根譯.電力系統(tǒng)無功功率控制[M].北京:水利電力出版社,1990.