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        靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器在變電站的運(yùn)行分析

        2012-05-29 06:00:10高頌九
        浙江電力 2012年6期
        關(guān)鍵詞:調(diào)幅電容器諧波

        高頌九

        (鄞州供電局,浙江 鄞州 315020)

        1 SVG應(yīng)用背景

        鄞州區(qū)面積1346 km2,2010年電網(wǎng)最高負(fù)荷1200 MW,售電量63.5億kWh,負(fù)荷年增長率15%以上。在全區(qū)27450個工業(yè)用戶中,有重大諧波產(chǎn)生可能的冶煉及壓延加工企業(yè)273個,年用電量為6.2339億kWh,達(dá)總用電量的10%左右,比例還是相當(dāng)高的。

        2008年10月30日,位于鄞州集中了大量冶煉企業(yè)區(qū)域的110 kV錢岙變電站1號主變壓器投產(chǎn),該變電站10 kVⅠ段母線上的1號和3號常規(guī)并聯(lián)補(bǔ)償電容器裝置在投產(chǎn)當(dāng)日晚間即有多個電容器的熔斷器熔絲燒毀,造成電容器開關(guān)柜開口三角電壓保護(hù)動作而跳閘。更換熔絲重新投運(yùn)后,又出現(xiàn)類似情況,致使電容器開關(guān)柜無法正常投運(yùn)。由于該變電站未安裝故障錄波儀,也沒有安裝諧波在線監(jiān)測裝置,因此無法確認(rèn)熔絲燒毀的確切原因。根據(jù)該區(qū)域周邊存在諧波企業(yè)的事實,懷疑錢岙變電站的負(fù)荷存在諧波超標(biāo)問題,并于2008年11月3日會同廠方技術(shù)人員對10 kVⅠ段母線進(jìn)行現(xiàn)場諧波實際測量,測量結(jié)果表明22∶00后110 kV錢岙變電站的10 kVⅠ段母線諧波嚴(yán)重超標(biāo)。

        研究表明,根據(jù)并聯(lián)電容器裝置的阻抗與系統(tǒng)阻抗組合的不同比例,電容器裝置對諧波有放大或抑制作用。如果使用常規(guī)并聯(lián)電容器裝置(未考慮諧波影響),因在電抗器配置時僅考慮防止涌流,電抗率一般選0.1%~1%,這種配置將對諧波有放大作用,嚴(yán)重時會引起系統(tǒng)諧振,這也是導(dǎo)致錢岙變電站并聯(lián)電容器熔絲熔斷[1]的原因。

        由于靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器(SVG)既能動態(tài)補(bǔ)償無功、又能補(bǔ)償諧波[2-5],因此,鄞州供電局選擇SVG先對110 kV錢岙變電站10 kVⅡ段母線進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理,對10 kVⅠ段母線的諧波治理留待Ⅱ段母線治理見效后再作考慮。表1為110 kV錢岙變電站電容器裝置的配置參數(shù)。

        2 SVG選擇

        110 kV錢岙變電站10 kV側(cè)短路容量小方式下為220 MVA,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中的折算公式,其允許的諧波電流值應(yīng)放大2.2倍。表2為晚間負(fù)荷高峰時在錢岙變電站2號主變壓器10 kV側(cè)實測的諧波電流數(shù)值,此時1號、2號主變壓器分列運(yùn)行,2號、4號電容器均未投運(yùn),此時檢測出來的諧波電流為負(fù)荷的實際諧波電流。表中為未超標(biāo),×為超標(biāo)。

        從表2可以看出,在實測當(dāng)時,主變壓器負(fù)載率約50%的情況下,5次諧波和7次諧波超標(biāo),其他合格。實際上,在錢岙變電站雖然有一定的諧波量,但并不嚴(yán)重,導(dǎo)致諧波超標(biāo)嚴(yán)重的原因是常規(guī)并聯(lián)電容器的存在使諧波放大,而隨著負(fù)荷的增加,諧波電流的總量也增加,二者共同作用,使流過普通電容器的電流過大,最終使并聯(lián)電容器燒毀。所以,采用SVG并不會放大諧波,卻可以根據(jù)需要來發(fā)出諧波以消除諧波負(fù)荷,并使無功得到補(bǔ)償。根據(jù)無功需求和諧波分析,與廠家協(xié)商后,錢岙變電站2號電容器裝置選擇容量為3 Mvar的SVG裝置。

        3 電流互感器及諧波儀安裝

        SVG采樣電流互感器(TA)的安裝位置有兩種:安裝于網(wǎng)側(cè),即主變壓器10 kV側(cè),采樣電流為系統(tǒng)電流;另一種是安裝于負(fù)荷側(cè),采樣電流為負(fù)荷電流。當(dāng)安裝于網(wǎng)側(cè)時,SVG會根據(jù)該采集點實際采集到的諧波值,即系統(tǒng)中剩余的諧波電流,加上SVG補(bǔ)償發(fā)出的諧波電流后,計算并顯示負(fù)荷側(cè)諧波電流。安裝于負(fù)荷側(cè)時,在采集點采集到的諧波電流就是實際的負(fù)荷諧波電流,并據(jù)此來發(fā)出諧波補(bǔ)償電流,系統(tǒng)中剩余多少諧波電流無法檢測,如果靠計算,則忽略電容器的放大因素。同時,安裝在負(fù)荷側(cè)就只能檢測一路負(fù)荷的諧波電流,若要檢測和補(bǔ)償母線上的負(fù)荷諧波,只能安裝在網(wǎng)側(cè)。安裝在網(wǎng)側(cè)時,須注意在諧波未全額補(bǔ)償時,SVG顯示的負(fù)荷側(cè)諧波是通過計算獲得的,實際上已包含該段母線上常規(guī)并聯(lián)電容器放大后的諧波電流,實際負(fù)荷中的諧波電流要比SVG計算出來的小。

        由于SVG在鄞州供電局是初次應(yīng)用,運(yùn)行經(jīng)驗不足。為了能對SVG的運(yùn)行情況進(jìn)行實時在線監(jiān)控,掌握并研究SVG運(yùn)行數(shù)據(jù),在SVG與10 kV母線連接處的TA上安裝了以色列產(chǎn)的G4諧波在線監(jiān)測儀。通過對諧波監(jiān)測儀數(shù)據(jù)的分析,可以更清晰地了解SVG發(fā)出的諧波電流、無

        表1 110 kV錢岙變電站電容器配置

        表2 110 kV錢岙變電站2號主變壓器10 kV側(cè)諧波電流數(shù)值及超標(biāo)情況

        功電流、有效電流、母線諧波電壓畸變率等情況。

        4 運(yùn)行狀態(tài)及分析

        用SVG進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償時,其諧波補(bǔ)償容量受到雙重限制:

        (1)在實際諧波補(bǔ)償過程中,補(bǔ)償諧波電流受調(diào)幅系數(shù)限制,其最大補(bǔ)償電流為:

        式中:Kh為調(diào)幅系數(shù)(取值0~4);In為n次諧波電流;IN為SVG額定電流(錢岙變電站的SVG額定電流為165 A);n為諧波次數(shù)。例如,對于5次、7次諧波,在調(diào)幅系數(shù)取2的時候,其最大補(bǔ)償電流分別為 I5=2×165×(1/5)=66 A,I7=2×165×(1/7)=47 A。

        (2)SVG補(bǔ)償時優(yōu)先補(bǔ)償基波無功功率,剩下的容量再補(bǔ)償諧波;也可以事先分配好無功補(bǔ)償容量和諧波補(bǔ)償容量,但這種方式有可能會浪費(fèi)部分無功補(bǔ)償容量(在不需要進(jìn)行諧波補(bǔ)償時,由于事前已經(jīng)進(jìn)行容量分配設(shè)置,無功補(bǔ)償容量被設(shè)置了限值)。也就是說,各次諧波的補(bǔ)償電流既受調(diào)幅系數(shù)的限制,也受無功分配容量的限制。

        4.1 無功補(bǔ)償容量1 Mvar、調(diào)幅系數(shù)1.0

        在SVG剛投入運(yùn)行時,選擇運(yùn)行模式是無功補(bǔ)償容量1 Mvar,調(diào)幅系數(shù)1.0,補(bǔ)償5次和7次諧波。表3為無功補(bǔ)償容量1 Mvar及調(diào)幅系數(shù)1.0時的系統(tǒng)諧波數(shù)值(晚間,4號電容未投運(yùn))。

        表3 無功補(bǔ)償容量1 Mvar、調(diào)幅系數(shù)1.0時的系統(tǒng)諧波值

        此時SVG對5次諧波的最大補(bǔ)償電流是32 A、7次諧波的最大補(bǔ)償電流是23 A,當(dāng)負(fù)荷諧波電流超過此限額時,SVG的補(bǔ)償電流維持不變,而低于此數(shù)值時,SVG對諧波電流進(jìn)行全額動態(tài)補(bǔ)償。即SVG的諧波補(bǔ)償電流受到了調(diào)幅系數(shù)的限制,I5=1.0×165×(1/5)=33 A,I7=1.0×165×(1/7)=23.6 A。

        經(jīng)過補(bǔ)償之后,系統(tǒng)依然存在較大諧波電流,如5次諧波電流達(dá)55.7 A,仍然超標(biāo),此時系統(tǒng)的10 kV母線電壓畸變率最大約為4%,勉強(qiáng)達(dá)到4%以內(nèi)的要求。

        4.2 無功補(bǔ)償容量1 Mvar、調(diào)幅系數(shù)1.8

        運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,SVG對諧波電流并未全額補(bǔ)償,而且5次諧波電流還處于未達(dá)標(biāo)狀態(tài),其原因是已達(dá)到調(diào)幅的限額。通常,總是希望能濾去更多的諧波,至少使諧波電流和諧波電壓畸變率符合要求。為此,將運(yùn)行方式設(shè)置為無功容量1 Mvar和調(diào)幅系數(shù)1.8,運(yùn)行情況如表4所示(4號電容器未投運(yùn))。

        此時SVG的5次、7次諧波補(bǔ)償電流分別為59.7 A和42.9 A,系統(tǒng)剩余諧波電流全部符合要求,母線電壓畸變率也在2%以內(nèi),符合要求。諧波儀檢測到的情況也表明:SVG發(fā)出的諧波電流為73 A、基波電流為63 A,母線諧波電壓畸變率在2%以內(nèi)。

        但補(bǔ)償諧波電流仍受調(diào)幅系數(shù)限制,即I5=1.8×165×(1/5)=59.4 A, I7=1.8×165×(1/7)=42.4 A, I諧波=73 A。

        雖然理論上通過增加調(diào)幅系數(shù),并在足夠的分配容量情況下,可以進(jìn)一步增加SVG發(fā)出的諧波補(bǔ)償電流,使流入系統(tǒng)的諧波電流進(jìn)一步減少,但事實上,在調(diào)幅系數(shù)為1.8的情況下,容易導(dǎo)致功率模塊燒壞,說明已達(dá)到了諧波補(bǔ)償能力的限值。設(shè)備生產(chǎn)廠家也認(rèn)為調(diào)幅系數(shù)在1.5以內(nèi)較為安全。據(jù)此分析,SVG的最大諧波補(bǔ)償能力為 I5=1.5×165×(1/5)=49.5 A, I7=1.5×165×(1/7)=35.36 A, 可補(bǔ)償?shù)闹C波電流=60.8 A,約占SVG額定電流165 A的38%。

        表4 無功補(bǔ)償容量1 Mvar、調(diào)幅系數(shù)1.8時的系統(tǒng)諧波值(晚間)

        在調(diào)幅系數(shù)為1.5,2號主變壓器負(fù)載率為50%、且4號電容器未投運(yùn)情況下,諧波治理已能滿足國標(biāo)要求, I5剩余=73-49.5=23.5≤44 A, I7剩余=43-35.25=7.75≤33 A。但這與理想的諧波補(bǔ)償容量仍有很大差距。這也再次說明,SVG適宜以無功動態(tài)補(bǔ)償為主,諧波補(bǔ)償為輔,如需要更多的諧波補(bǔ)償,建議選用有源濾波裝置APF。

        如果SVG僅能補(bǔ)償上述諧波容量,則當(dāng)2號主變壓器負(fù)荷增大時,電能質(zhì)量將達(dá)不到要求,4號電容器也會進(jìn)一步放大剩余的諧波電流,特別是當(dāng)2號主變壓器滿載時,負(fù)荷側(cè)5次諧波電流I5=146-49.5=96.5 A,不但大大超出國標(biāo)要求,并且在4號電容器投運(yùn)時,系統(tǒng)側(cè)諧波電流和流過并聯(lián)電容器的諧波電流將進(jìn)一步放大,不僅使電能質(zhì)量惡化,還會導(dǎo)致4號電容器燒毀。因此需要繼續(xù)與廠方協(xié)商,對SVG進(jìn)行改良,使其諧波補(bǔ)償能力達(dá)到最大容量,而在當(dāng)前情況下,在2號主變壓器容量超過50%時,必須加強(qiáng)對4號電容器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控,避免電容器燒毀。

        5 結(jié)語

        實際運(yùn)行表明,SVG主要適合用于無功動態(tài)補(bǔ)償,兼顧少量的諧波補(bǔ)償。進(jìn)行諧波補(bǔ)償時,只能補(bǔ)償?shù)皖l次的諧波,且補(bǔ)償能力僅為SVG額定容量的1/3左右,此時運(yùn)行效果較好。如果在諧波含量較大的場合,可采用有源濾波裝置APF進(jìn)行諧波治理,或有源濾波裝置APF與具備諧波抑制能力的并聯(lián)電容器裝置(選擇合適的電抗率)聯(lián)合應(yīng)用更好;如果諧波頻率較少(3種以內(nèi)),則可利用無源濾波,或SVG與無源濾波的組合。此外還有其他的組合方式,主要是利用最為經(jīng)濟(jì)合理的手段,達(dá)到無功補(bǔ)償和諧波治理的目的。但是,在設(shè)備類型和組合方式選擇時,必須充分考慮和驗證不同運(yùn)行方式、不同投切方式對設(shè)備和電能質(zhì)量的影響,應(yīng)該讓各類投切方式均能夠適應(yīng)各種運(yùn)行方式,至少在各種運(yùn)行方式下,保證設(shè)備的投切不會造成設(shè)備本身損壞或電能質(zhì)量進(jìn)一步惡化,從而使電網(wǎng)運(yùn)行方式的安排更為靈活、安全、可靠。

        [1] 何颋,傅光祖.10 kV電容器組熔絲群爆分析[J].電力電容器與無功補(bǔ)償,2008(6)∶57-59.

        [2] 陳強(qiáng),黎小彬.SVG無功補(bǔ)償與諧波治理裝置的工程應(yīng)用[J].福建電力與電工,2008(12)∶50-53.

        [3] 莊文柳,張秀娟,劉文華.靜止無功發(fā)生器SVG原理及工程應(yīng)用的若干問題[J].華東電力,2009(8)∶1295-1299.

        [4] 王玉斌,呂燕,田召廣,等.諧波抑制與無功補(bǔ)償裝置控制技術(shù)的進(jìn)展[J].電測與儀表,2006(4)∶1-4.

        [5] 陳青華,李群湛.靜止無功發(fā)生器在牽引供電系統(tǒng)中的分析[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2007(12)∶36-40.

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