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静态、动态补偿的比较
作者(来源):朱仁光    
【关联词】:节能 功率因数 电容补偿 技术方案比较
【摘要】:节能,这是国家的重大决策。随着煤矿的发展,煤矿技术装备越来越大,运行状况越来越复杂化,而功率因数一般都仅在0.8以下,达不到大于0.9以上的要求。沿革和套用传统的电容补偿方式、遇到了挑战。本文对目前国内电容补偿的诸多技术方案进行比较分析。提出了应用于煤矿的电容补偿的关键问题是:电容器的无功出力必须与负荷变化相匹配的观点。
一、概述
煤矿工业的电气负荷的特点是:
1、随着采煤技术的发展,采掘设备配置的单机容量越来越大大,例如:大功率的采掘设备、提升运输设备、排水设备、抽放设备、压风设备,这类设备的启动电流很大,启动频繁,启动时间长,冲击负荷大,冲击次数频繁。特别是煤矿的通风等抽放设备,主、副井的铰车采用交-交变频调速设备或直流调速设备。上述设备均属重负载、高转矩的直接启动,无功冲击较大,电压闪变严重,并伴随大量整数倍和非整数倍的谐波电流产生,功率因数低。
2、单机小负荷机组群。例如:选煤厂,综采、机采工作面。其特点是:非生产班次的负荷几乎为零,生产班次的负荷,在1~3分钟内就要求达到最大负荷,特别是选煤厂类。
因此煤矿的电气负荷变化很大,平均负荷/最大负荷仅为0.3~0.7,最大负荷/最低负荷为3~8倍。短路(容量)电流大,是工作负荷(容量)电流的7.8~18倍左右。运行环境恶劣,停电时间受到《煤矿安全规程》的严格限制。给电网的供用电造成如下问题:
1.1 无功冲击产生的不良影响
1) 使供电母线的电压产生波动,降低机电设备的运行效率。供电母线电压产生波动时,将使用户的异步电机类负荷转矩随之变化,输入负荷的有功功率下降,影响生产和设备的出力。
2) 特别是变蘋设备的率与电压平方成正比,当电压降低时,大大降低了设备的效率,生产效率下降,同时增加成本。
3) 快速无功冲击引起母线电压剧烈波动,严重时影响自动化装置的正常工作,闪变将造成设备的二次启动,产生比正常运行大十几倍的电流,危及人身及设备安全。
1.2 低功率因数将导致如下不良影响
1)根据《电力系统电压和无功电力技术导则》的规定,高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户,功率因数应大于0.9以上,否则,用户将遭受低功率因数罚款,直接影响企业的经济效益。
2)低功率因数负载从系统吸收大量无功功率,增加了线损和变压器的损耗。
3)由于供电变压器同时通过有功功率和大量的无功功率,降低了变压器的供电能力。
低功率因数运行的电网,增加了系统的有功功率、无功功率,增加了供用电成本。直接影响企业的经济效益。
1.3 谐波电流对电气设备的危害,
1) 谐波对旋转电机的影响谐波对旋转电机的主要影响是产生附加损耗,其
次产生机械振动,噪声和谐波过电压。
2) 谐波对供电变压器的影响谐波对供电变压器的影响主要是产生附加损耗,温升增加,出力下降影响绝缘寿命。
3) 谐波对变流装置的影响交流电压畸变可能引起不可逆变流设备控制角的时间间隔不等,并通过正反馈而放大系统的电压畸变,使变流器工作不稳定,而对逆变器则可能发生换流失败而无法工作,甚至损坏变流设备。
4) 谐波对电缆及并联电容器的影响,当产生谐波放大时,并联电容器,
将因过电流及过电压而损坏,严重时将危及整个供电系统的安全运行。
5) 谐波对通信产生干扰,使电度计量产生误差。
6) 谐波对继电保护自动装置和计算机等也将产生不良影响。
谐波及无功冲击导致的电压波动。严重影响用户本身及电网用电设备的安全运行,降低了供电电网的电能质量。特别是电压波动超标,引起供电系统电能质量的变化将会对其他动力负荷产生严重影响,甚至造成其不能正常工作。必须按电能质量有关标准的规定,应采取综合治理措施。
二、电容补偿原则及补偿方式
电容补偿原则
1、减少无功功率的流动、返送,就地补偿。
2、分级补偿,就地补偿与集中补偿。
3、防止低负荷时的过补偿,(不允许)对电网倒送无功功率。
补偿方式
1、静止无功电容补偿
2、同步调相机补偿
3、并联电容器补偿
4、并联电抗器补偿
5、无功自动调节—分组分段可控自动调节方案及固定投入电容器容量,自动调节电容器两端的电压以改变无功电容电流方案
6、动态无功电容补偿
三 方案比较分析及选择
过去的年代,应用于煤矿的是并联电容器方式,不论是就地补偿与集中补偿,固定电容器容量方式或是静态自动、手动调节电容器容量方式,都是通过改变电容器容量(将电容器分组分段分相安装布置,运用可控硅技术,自动调节改变电容器投入的数量、容量),或调节变压器的电压分接开关,来实现无功电流量及电压调节的,其问题在于:负载调节特性较差,不能连续平滑调节,不能随负载变化而调节电容器的无功电流(出力),特别是在煤矿,平均负荷/最大负荷为0.3~0.75,最大负荷/最低负荷为3~8倍的运行状况下,欠补偿和过补偿现象都同时存在,特别是在低负荷时,过补偿现象非常严重,由于过补偿而造成过电压及对电网倒送无功功率。投切电容器的操作过程会产生严重的操作过电压和合闸涌流,对系统中的高次谐波有放大现象,在谐波电流过大时可能引发电容器爆炸事故。采用串联电抗器的做法又提高了电容器的运行端电压,同时又需要增加电容器容量来直接补偿串联电抗器的无功损耗。过电压和过电流直接影响供电安全及电容器寿命。
现代科学技术的发展,传统的无功电容补偿方式已显得落伍了。代之的是无功自动调节及动态无功电容补偿。按设计的电容器容量,固定接入系统中,电容器分相,但不分组、不分段的技术方案—无功自动调节,动态无功电容补偿。
无功自动调节为固定投入电容器容量,按设计容量固定接入系统中。其中无功自动调节,采用自动调节电容器两端的电压以改变无功电容电流方式。
动态无功电容补偿:动态无功电容补偿为固定投入电容器容量,按设计容量固定接入系统中。晶闸管相控电抗器(TCR)型静止型动态无功补偿装置(SVC)方式由TCR(并联可调电抗器)+FC(补偿电容)两部分组成。其中TCR由DSP全数字控制系统、晶闸管功率阀组、相控电抗器、BOD保护模块等组成,通过晶闸管调整电抗器的电流,从而使TCR回路产生可变感性负载;FC回路由滤波电容器和滤波电抗器组成特定的滤波通道,向系统提供恒定容性无功功率,兼有滤除谐波的作用。
1). 固定电容补偿
①固定无功补偿方案是补偿无功功率的常规方法。装置具有结构简单、经济方便等优点,其补偿无功的容量是设计根据计算的平均负荷大小而确定的,是一个不可调的固定量,通常由电抗器和电容器串联组成,其功能主要是补偿负荷产生的感性无功,并对三次谐波有一定的抑制作用。一般采用机械开关控制电容器的投切,投切时的冲击电流和操作过电压大,易发生谐振,因此不能频繁投切。
由于固定补偿装置的补偿容量不能随负荷而变化,“欠补”和“过补”交替发生,计费方式又为“反转正计”,使得变电所平均功率因数达不到0.9的要求,造成力率罚款,并使供电设备的能力不能充分发挥。
目前我国普遍采用的方案是在变电所设置固定电容并联补偿。该方案主要问题是在无负荷和轻负荷的区段,过补偿十分突出,投入固定并联补偿电容后,功率因数比不投时还低,无法达到经济功率因数的要求,变电所因功率因数大幅下降,而遭受巨额罚款,固定电容器补偿还会导致空载时电压抬升,反而恶化电压质量。
②从以上分析结论可知,变电所采用固定补偿方案解决不了功率因数问题,不能随负荷的无功波动随机的调节补偿的容性无功,所以不具备抑制谐波和电压波动。要解决功率因数问题,抑制谐波和电压波动,必须放弃固定补偿方案,寻求新的补偿方案。
2)静态无功补偿(FC)
①静态无功补偿(FC)的功能是提高功率因数及滤除谐波,由于FC的补偿容量是固定的,一般适合负荷相对比较稳定的场合,对于负荷波动比较大的场合,补偿效果就很不理想。由于其补偿的无功容量设计是根据计算的平均负荷大小而确定的,在负荷较小时,造成过补,大量无功倒送,电业部门对无功的计量是“反转正计”,所以过补造成功率因数降低;在负荷较重时,补偿容量又不够,功率因数同样不能满足要求。目前国内,由于FC的设计容量往往偏大,造成FC不能投运或只部分投运的情况不少。
②由于FC的补偿容量固定,当系统无功变化时,不能跟随调节,所以FC不能克服电压波动。
③由于FC的滤波通道是按系统谐波电流发生量设置的,当不能全部投入时,必然切去其中某次滤波通道,对于切去的滤波通道相对应的谐波电流不能很好的滤除,达不到谐波治理的要求,而且频繁的投切滤波器容易形成系统振荡。
④投切滤波支路有一个暂态过程,会产生过电流、过电压,影响电容器及串联电抗器的可靠运行;切除滤波支路时,触头上恢复电压较高,有开关重燃的可能,多次重复击穿时,电容器上产生很高的过电压,致使设备损坏。对电容器组的投切冲击,IEC规定不超过1000次/年,加之开关寿命的限制,不能频繁投切,从而影响动态补偿效果。
3) 晶闸管分级投切电容器方案(TSC)
晶闸管分级投切电容器方案这里研究两个,一是带降压变压器的晶闸管投切电容器方案,二是带降压变压器及分接开关的晶闸管投切电容器方案。
1)、带降压变压器的晶闸管投切电容器方案
TSC分组可调补偿是根据负荷实际运行无功量,按照一定的投切策略跟踪负荷变化进行投切动作。该方案由若干组并联的晶闸管阀组控制,以实现快速无触点的投切。显然这种型式的补偿装置只能实现容性无功功率的阶跃调节,其调节的精度取决于电容器的分组数。为了提高运行的可靠性,防止电容器和晶闸管损伤,TSC均实现无过渡过程的操作。
TSC技术关键
无过渡过程投切电容器,理论上电容器在峰值时导通,在峰值时关断。晶闸管关断后,电容器保持峰值电压值,由于电源电压随时变化,电容器电压也在缓慢地放电,要做到安全、无过渡投切比较困难。具体控制有二种方法:
其一: 在需要投入电容器时,必须检测电容器的两端电压及电网电压。在电网电压与电容器两端电压相等瞬时,发出触发脉冲;当电容器接成星形时,这时必须有二个晶闸管导通才能构成通路。这种控制方式的难度很大,且电容器两端电压为直流,在高压环境下,检测困难,经常产生过渡过程过电压。严重的过度过程产生的振荡过电压,将达到电源峰值电压的两倍以上,如在低压侧整流变副边进行补偿,过渡过程过电压必然影响调速系统的安全运行。
其二: 晶闸管关断后,电容器两端电压从峰值电压,缓慢放电。等电容器两端电压放到小于50V时投入电容器,这时是比较安全的,但根据<<高压并联电容器放电线圈标准JB/T8980-1999>>规定放电时间为5s,电容器投入时必须考虑其放电情况,这样由于受电容器的放电时间的限制,在工程应用中实际的响应时间一般在3-5分钟左右。对于无功快速变动的系统是不适用的。
其三:TSC投切的电容器组分组越多,补偿效果越好,成本相对提高。且在频繁投切电容器时,由于阻抗曲线发生频繁变化,很有可能产生谐振,造成灾害性事故。(如去年湖南涟钢棒线厂轧钢系统中采用的TSC装置,由于产生谐振将TSC装置及传动系统全部烧毁,直接经济损失近3000万元,间接损失近2亿元。)
该方案的特点:
不产生谐波;理论上可以实现过零投切,不会产生像真空开关那样产生严重的过电压;结构简单。
2)、带降压变压器及分接开关的晶闸管投切电容器方案
该方案通过降压调压变压器,采用分接开关无载调压和晶闸管开关的有载分合直接调节无功元件(滤波器)的无功输出。
该方案的特点与带降压变压器的晶闸管投切电容器方案相似,但投资更少,只需一组晶闸管开关,但其过分依赖变压器分接开关,分接开关每天频繁调节,其寿命能否有保证还需进一步研究,另外目前国内尚无此类方案运行,需要研究开发。
3) 无功功率补偿装置(SVC)
晶闸管相控电抗器(TCR)型静止型动态无功补偿装置(SVC)是目前最先进的一种补偿技术,技术含量高,过去以进口产品居多,导致设备造价昂贵,同时,由于普遍采用的复杂的水冷系统,造成可靠性差以及日后的维护费用增加。
近年来,随着国内需求的高涨,在荣信公司在国家发改委、国家计委、国家科技部的大力支持下, TCR型动补已逐步实现了国产化,极大地降低了TCR型动补的生产成本;同时,具有自主知识产权的热管自冷技术已经成功地应用于大功率晶闸管的散热中,实现了动补的免维护运行,提高了系统可靠性。国内外冶金行业的电弧炉和轧机系统的大量成功应用也为动补的应用提供了宝贵的经验,因此,采用TCR型动补装置来进行无功补偿已成为一种比较切实可行的方案。
晶闸管相控电抗器(TCR)型静止型动态无功补偿装置(SVC)方式由TCR(并联可调电抗器)+FC(补偿电容)两部分组成。其中TCR由DSP全数字控制系统、晶闸管功率阀组、相控电抗器、BOD保护模块等组成,通过晶闸管调整电抗器的电流,从而使TCR回路产生可变感性负载;FC回路由滤波电容器和滤波电抗器组成特定的滤波通道,向系统提供恒定容性无功功率,兼有滤除谐波的作用。
根据恒无功功率理论,FC部分产生恒定的容性无功QC;TCR部分产生连续可变的感性无功QTCR,则进线变压器提供的无功QN为:QN=QV-QC+QTCR。因此,调节QTCR就可达到使QN≤某一给出值(常数),甚至可使QN=0,即从理论上使功率因数达到1。补偿效果好坏的关键是准确控制晶闸管的触发角,得到所需的流过补偿电抗器的电流。
装置特点和优点:
(1) 可解决供电系统的功率因数补偿、电压波动和闪变抑制、谐波治理等问题。
(2) 装置可平滑调节无功的输出。
(3) 动态补偿调节时,设备响应时间<10ms。
(4) 装置在高压侧直接挂网,不需降压设备,故自身损耗小。
(5) 在功率晶闸管的散热中成功地应用热管自冷技术,实现免维护运行,提高了系统可靠性。
(6) 设计选用的基于DSP全数字控制系统的TCR型动态无功补偿装置是世界先进水平的、成熟、可靠、实用的产品。
(7) 晶闸管触发装置采用光电触发,具有较强的抗干扰能力。
(8) 监控系统采用一体化工作站,人机界面友好,方便用户使用和维护。
三、补偿方案对比
表1 TCR型SVC和FC及电容补偿的比较
类 型电容补偿FCTCR+FC
无功功率控制分级分级连续
灵活性差差非常好
谐波性能差好好
三相平衡能力无无好
限制电压波动无无非常好
闪变改善状况无无很好

TCR型SVC和TSC型SVC比较
型 式
内 容TCR型TSC型
生产厂家荣信
平均功率因数0.95以上0.9以上
瞬时功率因数0.92以上无保证
装置响应时间<15ms高于电容器组充放电时间
抑制电压波动效果良好,优于国标无
闪变改善状况效果良好,优于国标无
谐波治理效果良好,优于国标效果不好
负序电流治理有,优于国标无
无功输出连续平滑阶段分级
补偿调节范围无限制有限制
损耗小小
运行噪声无无
冷却方式热管自冷小电流时风冷
保护完备、设计冗余有
运行维护免维护方便
供货方规模国内最大一般
出厂实验高压全载实验无
售后服务良好、无劣迹
既有业绩200余套

四:晶闸管相控电抗器(TCR)型静止型动态无功补偿装置(SVC)方式的技术特点:
² 设计选用成熟、可靠、先进、实用的TCR型动态无功补偿装置,DSP全数字控制系统,主要元器件选用国外著名公司的进口产品,主可控阀采用原装进口元件,因其压降小,热阻小,最适合于动补装置的长期可靠运行,阻容吸收采用德国ELECTRONICON公司产品、光纤采用美国HP公司产品。
² 冷却系统采用热管自冷散热装置,克服了水冷系统易漏水和结露造成设备损坏及纯水维护困难等问题,使动补设备做到了免维护。荣信公司这种技术受国家专利保护。
² 控制柜采用德国威图柜体,抗干扰能力强,控制系统响应时间快,可靠性高。
² 控制系统采用DSP全数字控制系统,人机界面友好,方便用户使用和维护。
² 具有全国唯一的动补全载试验中心,设备出厂前可进行48小时全载试验,保证设备运行的可靠性,大大缩短了现场调试时间。
² 产品质量贯彻ISO9001质量保证体系,所有元器件经严格筛选,所有电路板做高温和低温48小时、通工作电流老化试验。
² 晶闸管触发装置采用光电触发,具有较强的抗干扰能力。
² 全数字控制系统响应时间短,真正做到分相调节,有效解决三相负荷不平衡产生的电网负序电流的问题。; PADDING-BOTTOM: 0pt; BORDER-LEFT: medium none; WIDTH: 102.85pt; PADDING-TOP: 0pt; BORDER-BOTTOM: rgb(0,0,0) 0.5pt solid" vAlign=center width=137>

限制电压波动

非常好

闪变改善状况

很好

TCR型SVC和TSC型SVC比较

型 式

内 容

TCR型

TSC型

生产厂家

荣信

平均功率因数

0.95以上

0.9以上

瞬时功率因数

0.92以上

无保证

装置响应时间

<15ms

高于电容器组充放电时间

抑制电压波动

效果良好,优于国标

闪变改善状况

效果良好,优于国标

谐波治理

效果良好,优于国标

效果不好

负序电流治理

有,优于国标

无功输出

连续平滑

阶段分级

补偿调节范围

无限制

有限制

损耗

运行噪声

冷却方式

热管自冷

小电流时风冷

保护

完备、设计冗余

运行维护

免维护

方便

供货方规模

国内最大

一般

出厂实验

高压全载实验

售后服务

良好、无劣迹

既有业绩

200余套

四:晶闸管相控电抗器(TCR)型静止型动态无功补偿装置(SVC)方式技术特点:

² 设计选用成熟、可靠、先进、实用的TCR型动态无功补偿装置,DSP全数字控制系统,主要元器件选用国外著名公司的进口产品,主可控阀采用原装进口元件,因其压降小,热阻小,最适合于动补装置的长期可靠运行,阻容吸收采用德国ELECTRONICON公司产品、光纤采用美国HP公司产品。

² 冷却系统采用热管自冷散热装置,克服了水冷系统易漏水和结露造成设备损坏及纯水维护困难等问题,使动补设备做到了免维护。荣信公司这种技术受国家专利保护。

² 控制柜采用德国威图柜体,抗干扰能力强,控制系统响应时间快,可靠性高。

² 控制系统采用DSP全数字控制系统,人机界面友好,方便用户使用和维护。

² 具有全国唯一的动补全载试验中心,设备出厂前可进行48小时全载试验,保证设备运行的可靠性,大大缩短了现场调试时间。

² 产品质量贯彻ISO9001质量保证体系,所有元器件经严格筛选,所有电路板做高温和低温48小时、通工作电流老化试验。

² 晶闸管触发装置采用光电触发,具有较强的抗干扰能力。

² 全数字控制系统响应时间短,真正做到分相调节,有效解决三相负荷不平衡产生的电网负序电流的问题。

编辑:iamen  点击数:6201  录入时间:2008-7-8 13:14:12
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