1無功功率對電網(wǎng)的影響

在交流電路中,功率分為有功功率和無功功率兩種,無功功率不等于無用功率,相反無功功率用處很大,它是為了建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率,主要用來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和電網(wǎng)電壓的平衡。

在電力系統(tǒng)計(jì)算和分析中,無功功率是一個(gè)非常重要的參數(shù),很多網(wǎng)絡(luò)元件不僅消耗有功功率,而且也消耗著無功功率。無功功率不消耗能量,它可以讓電力系統(tǒng)的各個(gè)元件完美配合,但存在大量的無功功率傳遞,必然會(huì)影響到有功損耗,進(jìn)而導(dǎo)致電壓降,對電能質(zhì)量產(chǎn)生一定影響,同時(shí)對輸電、發(fā)電、變電、配電、用電產(chǎn)生不良影響。

2配電網(wǎng)無功補(bǔ)償基本原理

無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)從而提高電能的利用率,其基本原理如圖1所示。

用戶端所消耗的功率為P+jQ,為了補(bǔ)償無功功率Q,我們在配電變壓器低壓側(cè)配置無功補(bǔ)償裝置,則用電設(shè)備所需的無功功率由無功補(bǔ)償裝置就地提供,這就使輸電線路中傳輸?shù)臒o功功率大大減少,系統(tǒng)的功率因數(shù)得以提高。

3無功補(bǔ)償仿真模型

了解無功補(bǔ)償基本原理后,以中低壓配電網(wǎng)為補(bǔ)償對象進(jìn)行研究,分析其補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)過程及效果,并搭建無功補(bǔ)償模型驗(yàn)證可行性。圖1為無功補(bǔ)償仿真模型,其中TSC、TCR及控制模塊封裝于節(jié)點(diǎn)B3前的SVCTSC+TCR模塊內(nèi)部。

圖2中電源側(cè)通過串聯(lián)一個(gè)三相負(fù)載,模擬出一個(gè)10kV、600MVA的電力系統(tǒng),負(fù)載端為一個(gè)由外部信號(hào)控制其功率的三相動(dòng)態(tài)負(fù)載,線路上則通過并聯(lián)一個(gè)3Mk、0A2Mwa.的負(fù)載來模擬輸電線路的線損、雜散損耗、電暈損耗等系統(tǒng)本身的特性。B1與B3節(jié)點(diǎn)內(nèi)封裝了三相測量元件,用以測量補(bǔ)償前后電網(wǎng)的電壓電流變化情況。其核心模塊SVCTSC+TCR內(nèi)部示意圖如圖3所示。

為了使得補(bǔ)償效果最大化,本文設(shè)計(jì)了v個(gè)TSC型補(bǔ)償器和1個(gè)TCR補(bǔ)償器,以便在補(bǔ)償時(shí)進(jìn)行切換,同時(shí)對容量進(jìn)行了設(shè)置:TSC補(bǔ)償器容量為5Mwa.,TCR補(bǔ)償器容量為20Mwa.。這5個(gè)補(bǔ)償器和控制器互相關(guān)聯(lián),通過控制器的調(diào)節(jié)來發(fā)出觸發(fā)信號(hào),然后實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償器的切換。

3.1TSC模塊的仿真建模

TSC模塊仿真圖如圖4所示,可以看到,在每一組電路中,除配置了靜電電容器外,還加設(shè)了一個(gè)電感-電阻并聯(lián)支路,這是由于在仿真中難以實(shí)現(xiàn)對電容器進(jìn)行預(yù)充電,所選的觸發(fā)角都采樣自相電壓的自然換相點(diǎn),所以在給出觸發(fā)信號(hào)后,晶閘管導(dǎo)通瞬間流過晶閘管的電流會(huì)很大,所加設(shè)的電感支路就是為了起到保護(hù)限流的作用,此外,它也能一定程度上消除電網(wǎng)中的諧波。

由于TSC型靜止無功補(bǔ)償裝置在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生諧波,所以通常用三角形接法消除3、9次等零序電流分量,減少諧波對系統(tǒng)的影響。每相電路都為電感串聯(lián)了一個(gè)電阻,模仿的是實(shí)際電抗器的阻感特性。

作為SVC中的核心部分,TCR通常在系統(tǒng)投入TSC后發(fā)生過補(bǔ)償時(shí)觸發(fā)運(yùn)行,以此來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功,維持系統(tǒng)穩(wěn)定。TCR6個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖由控制單元統(tǒng)一提供,每組的兩個(gè)晶閘管分別在一個(gè)周期內(nèi)(0.02S)輪流導(dǎo)通。

3.2固定感性負(fù)載的補(bǔ)償仿真

運(yùn)行仿真后得到圖5所示電壓電流波形圖。

圖5(a)中,電流波形在經(jīng)過0.24S這一點(diǎn)時(shí)發(fā)生了畸變,此點(diǎn)即無功負(fù)載的投入點(diǎn)。0.24S之后的電流幅值明顯變大,且其滯后于電壓一個(gè)相位。補(bǔ)償后波形如圖5(b)所示,電流波形于0.24S后經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間(0.02S)基本恢復(fù)了正常幅值,與電壓的相位差也顯著縮小,波形在0.28S時(shí)趨于穩(wěn)定。

圖6可以更加直觀地看出補(bǔ)償情況:從0.24S開始,到0.28S,歷經(jīng)約兩個(gè)周期的時(shí)間,無功功率基本實(shí)現(xiàn)了全補(bǔ)償。

在示波器中可以清楚地看到各組TSC的投切情況。圖7中,TSC1在0.244S時(shí)導(dǎo)通,TSC2在0.252S時(shí)導(dǎo)通,可見反映時(shí)間非常短,具有很好的速動(dòng)性。根據(jù)設(shè)定的閾值,當(dāng)無功功率Q>3Mvar時(shí),導(dǎo)通第一組TSC:Q>9Mvar時(shí),導(dǎo)通第二組TSC:第三組TSC的導(dǎo)通條件為Q>15Mvar。負(fù)載設(shè)定的無功值為14.9Mvar,應(yīng)投入兩組TSC,結(jié)合圖7可知,TSC實(shí)現(xiàn)了正確投切。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種合理可行的控制方式和控制策略,來實(shí)現(xiàn)對無功補(bǔ)償裝置自動(dòng)投切的控制,并通過參數(shù)計(jì)算設(shè)置了無功補(bǔ)償器的分組及容量。

基于Matlab軟件中的Simulink庫來仿真模擬補(bǔ)償效益,以最后導(dǎo)出的波形為最終結(jié)果來驗(yàn)證控制原理和算法的可行性。

仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的SVC具有很好的速動(dòng)性和可靠性,基本實(shí)現(xiàn)了無功全補(bǔ)償。