混合型SVG系統(tǒng)在非線性負(fù)載臺區(qū)中的應(yīng)用

黃權(quán)飛，張沖標(biāo)

（國網(wǎng)浙江嘉善縣供電有限公司，浙江 嘉善 314100）

混合型SVG系統(tǒng)在非線性負(fù)載臺區(qū)中的應(yīng)用

黃權(quán)飛，張沖標(biāo)

（國網(wǎng)浙江嘉善縣供電有限公司，浙江 嘉善 314100）

針對農(nóng)村電網(wǎng)公變非線性負(fù)載臺區(qū)的無功現(xiàn)狀和傳統(tǒng)電容補償方式及其存在的問題，介紹了混合型SVG的結(jié)構(gòu)、原理，指出了混合SVG電容補償?shù)膬?yōu)點，并以此為基礎(chǔ)對沖擊性、非線性負(fù)載臺區(qū)提出了提高供電質(zhì)量的改造方案。以混合型SVG系統(tǒng)在嘉善縣農(nóng)網(wǎng)非線性負(fù)載臺區(qū)南西港臺區(qū)的應(yīng)用為例，通過現(xiàn)場的實際應(yīng)用表明能大幅提高用戶的供電質(zhì)量。

SVG；非線性負(fù)載臺區(qū)；電壓無功；電能質(zhì)量

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，農(nóng)村配電網(wǎng)的運行特點也相應(yīng)發(fā)生了改變。嘉善縣配電網(wǎng)的部分特性為：同一公變臺區(qū)內(nèi)普通居民用電以及大量的沖床、小五金工業(yè)低壓用戶用電并存，其中小五金工業(yè)低壓用戶用電設(shè)備為沖擊性、非線性負(fù)載，在工作過程中易產(chǎn)生高次諧波反饋到主線路，由此造成臺區(qū)供電電能質(zhì)量下降，無功難以就地平衡、線路無功流動增大，相鄰地區(qū)或不同電壓層間無功穿越增多，導(dǎo)致配變過載以及居民用戶的低電壓，同時大量的諧波上送到上級電網(wǎng)會危及設(shè)備和電網(wǎng)安全運行。

為研究農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)中非線性沖擊負(fù)荷下配變臺區(qū)的電能質(zhì)量的控制，以嘉善縣電網(wǎng)典型的西塘鎮(zhèn)新勝村南西港臺區(qū)為試點，研究應(yīng)用混合型SVG（靜止無功發(fā)生器）的可行性。

1 配電臺區(qū)電能質(zhì)量分析

1.1 配變臺區(qū)無功補償現(xiàn)狀

通過現(xiàn)場的排查調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村電網(wǎng)配電臺區(qū)傳統(tǒng)電容補償柜的投切開關(guān)大部分為接觸器、少量為可控硅和無限流電抗器。這些傳統(tǒng)電容補償柜已經(jīng)無法滿足臺區(qū)配電網(wǎng)的無功補償需求，普遍存在問題：

（1）部分臺區(qū)傳統(tǒng)電容補償柜處于未自動投切使用狀態(tài)，沒有給供配電運行帶來經(jīng)濟(jì)效益。

（2）部分臺區(qū)傳統(tǒng)電容補償柜投入后倒送容性無功，尤其是在節(jié)假日期間加劇線路容性無功冗余，期間需要大量人力通過人工切除電容柜，造成了不必要的人力物力浪費。

（3）傳統(tǒng)電容補償柜為分級投切，無法實現(xiàn)連續(xù)補償，功率因數(shù)補償精度不高。特別是小五金工業(yè)低壓用戶的非線性沖擊性負(fù)載所帶來的系統(tǒng)無功變化較快，傳統(tǒng)電容補償柜跟不上無功變化需求，造成長期處于過補或欠補，增加了配電網(wǎng)損耗。

（4）電力電容器每年的容量均會有所下降，重度諧波污染環(huán)境下更為嚴(yán)重。電容器運行年限過長使容量過低，將會影響補償效果，而且隨著介質(zhì)的惡化，其可靠性也會隨之降低。

1.2 南西港臺區(qū)供電質(zhì)量分析

嘉善縣西塘鎮(zhèn)新勝村南西港臺區(qū)變壓器容量為160 kVA，無功補償容量為60 kvar，用電負(fù)荷在10～150 kVA區(qū)間波動，共接有61戶用戶。其中：工業(yè)27戶、居民照明33戶、排灌1戶。其中工業(yè)用戶多為有多個沖床、小五金、鐵場等沖擊非線性低壓工業(yè)負(fù)荷用戶。表1為臺區(qū)工業(yè)用戶清單。

表1 西塘鎮(zhèn)新勝村南西港臺區(qū)工業(yè)用戶

通過臺區(qū)實際運行分析發(fā)現(xiàn)，非線性用戶負(fù)荷的畸變率大，短時沖擊電流大，具有時間短、變化快等特點，對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊。實測了現(xiàn)場的電流和電壓波形如圖1所示。

對電流和電壓波形跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，負(fù)載電流大小劇烈變化是由臺區(qū)小工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備從空載到滿載過程中功率的變化所引起，如圖1（a）所示負(fù)載變化時間在ms級。由于這些非線性的沖擊性生產(chǎn)設(shè)備使用并無周期性，對臺區(qū)的無功補償提出了更高的要求。

檢測臺區(qū)功率因數(shù)變化情況如圖2，臺區(qū)功率因數(shù)在0.1～0.8跳變，長期考核不合格。正是由于功率因數(shù)低下，大大影響了臺區(qū)變壓器的有功帶載容量。

為進(jìn)一步分析功率因數(shù)的變化過程，從配變終端系統(tǒng)中抽取了臺區(qū)配變15 min功率因數(shù)數(shù)據(jù)以及日功率因數(shù)數(shù)據(jù)，如圖3—4所示。

圖1 實測電流電壓波形

圖2 功率因數(shù)變化

從圖3的15 min功率因數(shù)數(shù)據(jù)分析，功率因數(shù)在0.2～0.9跳變，日合格率僅為17.7%，高峰、低谷均存在突變現(xiàn)象，且功率因數(shù)均很低；隨著負(fù)載電流的跳變，功率因數(shù)變化均較快。

圖3 15 min功率因數(shù)

圖4 日功率因數(shù)

從圖4的日功率因數(shù)數(shù)據(jù)分析，功率因數(shù)大部分處于0.65左右浮動，日功率因數(shù)合格率僅為29%，相對節(jié)假日期間，負(fù)荷較輕時功率因數(shù)較高。

由于臺區(qū)功率因數(shù)躍變較快，無功缺額較大，而常規(guī)電容器的無功投切裝置投切的速度慢，且投切有階梯級差，往往跟不上其負(fù)荷的變化，無法進(jìn)行有效的動態(tài)補償，容易出現(xiàn)欠補或過補情況，使得無功補償效果并不明顯。

此外，受沖擊非線性負(fù)荷的影響，電流畸變率也較大，電流畸變率為24.9%，不滿足9%的標(biāo)準(zhǔn)要求。由于區(qū)非線性負(fù)荷的影響，臺區(qū)的電容器故障率較高，多次出現(xiàn)電容器以及控制器故障。

綜合南西港臺區(qū)電能質(zhì)量情況：受沖擊性負(fù)荷影響，其功率因素長期處于不合格狀態(tài)，引起無功設(shè)備頻繁投切，導(dǎo)致電容器故障，同時大量的無功損耗，配變存在超過載風(fēng)險；非線性負(fù)荷所引起的電流畸變，對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，影響正常供電質(zhì)量，極易造成電容器的損壞。

面對嘉善西塘鎮(zhèn)新勝村南西港臺區(qū)無功補償面臨的系列問題，選擇了混合型SVG以解決無功補償?shù)膯栴}。

2 混合型SVG系統(tǒng)

SVG是由全控型電力電子器件組成的動態(tài)無功補償?shù)难b置，其基本接線如圖5。將自換相橋式電路通過電抗器直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路主動吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)無功補償。

圖5 SVG接線

如果將SVG與電容器補償單元（FC）兩部分，由中央控制單元進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配、有效控制（如圖6所示），就形成一套新的混合型SVG系統(tǒng)，在進(jìn)行動態(tài)連續(xù)無功補償?shù)耐瑫r考慮系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性，以此達(dá)到高效無級差的無功補償和改善電能質(zhì)量的目標(biāo)。

圖6 混合SVG系統(tǒng)工作原理

SVG部分完全響應(yīng)時間≤15 ms，實時跟蹤電網(wǎng)及負(fù)載相位，無級差線性連續(xù)輸出無功，精度高、響應(yīng)快，補償精度大幅提升。

由專用控制器控制單元電容器的投切開關(guān)，在系統(tǒng)需求無功量小于電容柜內(nèi)單組電容器的補償容量時，控制器切除所有電容器，SVG自身輸出高精度無功電流；當(dāng)檢測到快速無功變化時，SVG將首先進(jìn)入補償狀態(tài)，待無功平穩(wěn)后，再逐組投入電容器。解決了電容補償跟不上劇烈變化的無功過/欠補償?shù)膯栴}。

3 混合SVG系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 混合SVG系統(tǒng)的接線

針對南西港臺區(qū)負(fù)荷和現(xiàn)場情況，改造現(xiàn)有電容柜，增設(shè)SVG設(shè)備，電容柜的運行由SVG的中央控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)?？紤]SVG的補償精度高，同時具備分相補償功能，更改了電容器的投切方式。直接將電容補償控制信號接入到SVG中央控制器，由SVG統(tǒng)一控制電容投切。

為實現(xiàn)臺區(qū)功率因數(shù)達(dá)到0.85以上的考核要求，無功缺額將達(dá)到160 kvar左右，從經(jīng)濟(jì)性和有效性角度出發(fā)，采用2臺50 kvar的SVG以及60 kvar固定式電容器混合補償方式。

SVG采用壁掛式安裝，圖7為南西港臺區(qū)現(xiàn)場改造后混合SVG系統(tǒng)的接線。

圖7 現(xiàn)場混合SVG系統(tǒng)接線

混合SVG系統(tǒng)投入穩(wěn)定運行后進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，記錄了運行時電流波形，如圖8所示。通過波形圖得出，SVG能夠?qū)崟r動態(tài)的跟蹤負(fù)載無功電流變化，在負(fù)載快速變化時，能夠迅速響應(yīng)，并輸出無功電流。

圖8 南溪港臺區(qū)SVG系統(tǒng)運行時波形

3.2 運行調(diào)整

SVG配合控制電容器補償穩(wěn)定運行，在額定容量滿足的情況下，補償后功率因數(shù)大部分提高到0.85以上，由于現(xiàn)場負(fù)載的影響，SVG在現(xiàn)場運行后主要遇到以下問題：

（1）由于電網(wǎng)電壓偏高，負(fù)載電流沖擊頻繁等原因，導(dǎo)致設(shè)備頻繁報過流、直流過壓提示信息，引起SVG過壓保護(hù)動作頻繁，短時進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，無法進(jìn)行補償。

（2）當(dāng)電網(wǎng)電壓超過SVG能輸出的電壓時，會出現(xiàn)無功往SVG回流的現(xiàn)象。從后臺統(tǒng)計的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，存在補償后電網(wǎng)功率因數(shù)反而低于負(fù)載功率因數(shù)的現(xiàn)象，觀察可發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種情況時，電網(wǎng)電壓往往偏高，過高的電網(wǎng)電壓使無功電流往SVG方向回流，導(dǎo)致功率因數(shù)降低。

針對SVG上述運行遇到的問題，對SVG的控制輸出部分以及保護(hù)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了改進(jìn)，提高設(shè)備內(nèi)IGBT開關(guān)頻率運行參數(shù)定值、修改SVG與電容器配合控制軟件以及保護(hù)軟件。

3.3 應(yīng)用效果

混合SVG系統(tǒng)在南西港臺區(qū)現(xiàn)投入運行后，能夠?qū)崟r動態(tài)的跟蹤負(fù)載無功電流變化，在負(fù)載快速變化時，能夠迅速響應(yīng)，并輸出相應(yīng)的無功電流。經(jīng)過混合SVG系統(tǒng)補償后的功率因數(shù)均在0.9以上，達(dá)到功率因數(shù)0.85以上的考核要求。

（1）通過采樣配變終端系統(tǒng)南西港臺區(qū)15 min及日功率因數(shù)數(shù)據(jù)，對比補償前后功率因數(shù)的變化如圖9—10所示。

對比情況：補償后15 min功率因數(shù)合格率由17.7%提升至100%，最低為0.93，其中0.95以上達(dá)到94.8%；日功率因數(shù)合格率由29%提升至100%，其中功率因數(shù)達(dá)到1的占比90.3%。

（2）補償后由于無功功率減少，視在功率明顯減少；平均負(fù)載率由原26.04%下降至12.66%，最高負(fù)載率由原72.77%下降至39.91%。

（3）取樣補償前后電網(wǎng)電流波形，如圖11—12所示。電流畸變率由補償前的24.9%下降至7.6%，滿足9%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

混合SVG系統(tǒng)應(yīng)用后，配電網(wǎng)功率因數(shù)大幅提高到0.93以上，電能質(zhì)量得到了提高，同時配變的負(fù)荷大幅下降，節(jié)約了配變資源。實踐表明，通過對非線性負(fù)載臺區(qū)引入混合型SVG系統(tǒng)動態(tài)實時補償電容，臺區(qū)的供電質(zhì)量改善效果明顯，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

圖9 補償前后的15 min功率因數(shù)對比

圖10 補償前后的日功率因數(shù)對比

4 結(jié)語

針對低壓非線性負(fù)載臺區(qū)，混合SVG系統(tǒng)利用正反無功補償以及抑制諧波的功能，發(fā)揮其快速、動態(tài)響應(yīng)的優(yōu)點，及時滿足快速變化的無功補償需求，能有效控制沖擊性負(fù)載帶來的功率因數(shù)突變，減少電流畸變對配變的影響，提高了用戶的供電質(zhì)量，保證了配電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性。SVG設(shè)備為模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可方便的安裝于電容補償柜柜內(nèi)，也可以應(yīng)用于臺區(qū)戶外柱上變壓器的無功補償。

圖11 補償前的電流波形

圖12 補償后的電流波形

[1]高頌九.靜止無功補償發(fā)生器在變電站的運行分析[J].浙江電力，2012（6）:17-20.

[2]江少成，常宇.幾種靜止型動態(tài)無功補償（SVC）裝置的性能及應(yīng)用場合分析[J].浙江電力，2009（5）:32-36.

（本文編輯：楊 勇）

Application of Hybrid SVG System in the Nonlinear Load Area

HUANG Quanfei，ZHANG Chongbiao
（State Grid Jiashan Power Supply Company，Jiashan Zhejiang 314100，China）

Based on status quo of reactive power in nonlinear load area of common transformer in rural power networks and conventional capacitance compensation mode as well as its problems，the paper introduces the structure and principle of hybrid SVG device and points out the advantages of hybrid SVG device capacitance compensation.On this basis，reconstruction scheme and suggestions are proposed for the impact and nonlinear load areas to improve the power supply quality.By taking the application of hybrid SVG device in Nanxigang nonlinear load area of Jiashan county as an example，the paper，through field application of the device，shows that the device can greatly improve power supply quality.

SVG；nonlinear load area；reactance voltage；power quality

TM714.3

B

1007-1881（2016）06-0021-05

2015-09-11

黃權(quán)飛（1981），男，助理工程師，從事電力生產(chǎn)運行管理工作。