CN111181171A - 一种无功补偿装置 - Google Patents

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CN111181171A CN202010159096.1A CN202010159096A CN111181171A CN 111181171 A CN111181171 A CN 111181171A CN 202010159096 A CN202010159096 A CN 202010159096A CN 111181171 A CN111181171 A CN 111181171A
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capacitor
voltage
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capacity
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孔玲玲
曹云强
王三桃
徐武
徐天奇
范菁
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Yunnan Minzu University
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    • Y02E40/40—Arrangements for reducing harmonics

Abstract

本发明提出了一种无功补偿装置，包括：互感器、高压真空接触器、电容器保护装置、一级电容器组、二级电容器组、真空断路器、二次控制装置、功率因数控制器、电抗器、避雷器。本发明装置能有效提供一种变电站场地受限制时10千伏无功补偿的解决方案；也可应用高压真空接触器投切电容器组，优化了无功补偿的动态调节，提高了系统的可靠性能。

Description

一种无功补偿装置
技术领域
本发明涉及一种无功补偿装置，具体涉及一种用于变电站的无功补偿装置。
背景技术
无功功率补偿Reactive power compensation，简称无功补偿，在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少电网的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。
现有的变电站变供区内供电负荷的增长及现有两台主变运行情况较差，但空间有限，很难实现有限场地内的无功补偿的动态调节。
发明内容
为了解决现有技术中存在的传统动态无功补偿过程中存在的功率因数和母线电压波动偏大的问题，本发明提出一种变电站场地受限制时10千伏无功补偿的解决方案，具体是通过以下技术方案来实现的：
一种无功补偿装置，包括：互感器、高压真空接触器、电容器保护装置、一级电容器组、二级电容器组、真空断路器、二次控制装置、功率因数控制器、电抗器、避雷器；
所述无功补偿装置补偿容量为6000千乏，所述一级电容器组为固定容量3600千乏的电容器组，所述二级电容器组为调节容量2400千乏的电容器组，所述一级电容器的投切由真空断路器实现，所述二级电容器组利用高压真空接触器进行投切，所述避雷器接在导线和地之间，与被保护设备并联，限制电容器切断瞬时产生危险的过电压，所述电抗器在无功补偿装置中用来抑制电容投入时的涌流、抑制谐波、与电容配比滤除谐波电流功能，所述一级电容器组和二级电容器组分别配备有电容保护装置，用于过流保护和不平衡电压保护，所述一级电容器的投切开关真空断路器具有过流保护的功能，所述功率因数控制器输入端连接母线端的电压互感器和电流互感器，输出端连接真空接触器。
进一步的，所述高压真空接触器型号为VSC-12/400。
进一步的，所述真空断路器型号为3AH5。
进一步的，所述功率因数控制器采集10千伏的母线电压及电流，经A/D转换器将所得电压电流转换为数字信号，推入DSP进行计算，可以得到10千伏侧的功率因数值，并通过判断，当处于预先设定的投切范围时，发出控制信号给二级电容器真空接触器的执行机构，完成二级电容器的投切。
进一步的，所述二级电容器投入和退出点之间有一段隔离区，以避免在投入退出点时真空投切器频繁动作，降低设备的使用寿命。
进一步的，所述退出点需要经过计算，优化选取，最优退出点的选取应按照设定二级电容器投入保证的功率因数为
Figure BDA0002405131000000021
退出点为
Figure BDA0002405131000000031
退出后并且考虑裕度的功率因数为
Figure BDA0002405131000000032
三者满足如下关系：
Figure BDA0002405131000000033
经计算，可以得到
Figure BDA0002405131000000034
之间的关系为：
Figure BDA0002405131000000035
其中：S为主变的运行容量，按额定容量的67％来选取，
Figure BDA0002405131000000036
为二级电容器与一级电容器容量之比，SC2为二级电容器的额定容量，这样，确定了系统的电能质量要求
Figure BDA0002405131000000037
取裕度得到系统在二级电容器退出后的运行点
Figure BDA0002405131000000038
再通过式上述公式便可以计算得到二级电容器的退出点
Figure BDA0002405131000000039
进一步的，所述装置的过流保护由一级电容器保护装置完成，一旦由于短路故障装置过流，断路器将切除整套电容器装置，所述保护装置在整定电流时采取改变定值区的方法来实现实时更新，具体为：在无功补偿装置初始调试时，选用装置的两个定值区，分别设定二级电容器投入与否的整定值，后台系统根据实时监测投切器的位置信号将对应的定值区号下装到保护装置即可。
进一步的，一级电容器不平衡动电压作于断路器，切除整套装置，二级电容器不平衡电压动作于真空投切器，仅切除本级电容器，以此来实现不平衡电压保护。
本发明的有益效果是：
(1)该装置能有效提供一种变电站场地受限制时10千伏无功补偿的解决方案；
(2)该装置应用高压真空接触器投切电容器组，优化了无功补偿的动态调节，提高了系统的可靠性能。
附图说明
图1为为本发明的无功补偿装置主接线图；
图2为无功补偿装置功率因数控制原理图；
图3为无功功率最优退出点选取计算电路图；
图4为继电保护动作方案(切除外部故障的过流保护和切除内部故障的不平衡电压保护)电路图；
图5为采用6Mvar的并联电容器组投切功率因数仿真结果图；
图6为优化方案采用3.6+2.4(Mvar)电容器投切功率因数仿真结果图；
图7为常规方案下母线电压波动仿真结果图；
图8为优化方案下母线电压波动仿真结果图；
具体实施方式
以下将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，一种无功补偿装置，包括：互感器、高压真空接触器、电容器保护装置、一级电容器组、二级电容器组、真空断路器、二次控制装置、功率因数控制器、电抗器、避雷器；
所述无功补偿装置补偿容量为6000千乏，所述一级电容器组为固定容量3600千乏的电容器组，所述二级电容器组为调节容量2400千乏的电容器组，所述一级电容器的投切由真空断路器实现，所述二级电容器组利用高压真空接触器进行投切，所述避雷器接在导线和地之间，与被保护设备并联，限制电容器切断瞬时产生危险的过电压，所述电抗器在无功补偿装置中用来抑制电容投入时的涌流、抑制谐波、与电容配比滤除谐波电流功能，所述一级电容器组和二级电容器组分别配备有电容保护装置，用于过流保护和不平衡电压保护，所述一级电容器的投切开关真空断路器具有过流保护的功能，所述功率因数控制器输入端连接母线端的电压互感器和电流互感器，输出端连接真空接触器。
进一步的，所述高压真空接触器型号为VSC-12/400。
进一步的，所述真空断路器型号为3AH5。
进一步的，所述功率因数控制器采集10千伏的母线电压及电流，经A/D转换器将所得电压电流转换为数字信号，推入DSP进行计算，可以得到10千伏侧的功率因数值，并通过判断，当处于预先设定的投切范围时，发出控制信号给二级电容器真空接触器的执行机构，完成二级电容器的投切。
进一步的，所述二级电容器投入和退出点之间有一段隔离区，以避免在投入退出点时真空投切器频繁动作，降低设备的使用寿命。
进一步的，所述退出点需要经过计算，优化选取，最优退出点的选取应按照设定二级电容器投入保证的功率因数为
Figure BDA0002405131000000051
退出点为
Figure BDA0002405131000000052
退出后并且考虑裕度的功率因数为
Figure BDA0002405131000000053
三者满足如下关系：
Figure BDA0002405131000000054
经计算，可以得到
Figure BDA0002405131000000055
之间的关系为：
Figure BDA0002405131000000056
其中：S为主变的运行容量，按额定容量的67％来选取，
Figure BDA0002405131000000057
为二级电容器与一级电容器容量之比，SC2为二级电容器的额定容量，这样，确定了系统的电能质量要求
Figure BDA0002405131000000061
取裕度得到系统在二级电容器退出后的运行点
Figure BDA0002405131000000062
再通过式上述公式便可以计算得到二级电容器的退出点
Figure BDA0002405131000000063
进一步的，所述装置的过流保护由一级电容器保护装置完成，一旦由于短路故障装置过流，断路器将切除整套电容器装置，所述保护装置在整定电流时采取改变定值区的方法来实现实时更新，具体为：在无功补偿装置初始调试时，选用装置的两个定值区，分别设定二级电容器投入与否的整定值，后台系统根据实时监测投切器的位置信号将对应的定值区号下装到保护装置即可。
进一步的，一级电容器不平衡动电压作于断路器，切除整套装置，二级电容器不平衡电压动作于真空投切器，仅切除本级电容器，以此来实现不平衡电压保护。
实施例
110千伏广场变位于温州市城市中心核心区，于1992年建成投运。广场变是温州市第一座110千伏全户内GIS变电站，供电给鹿城区府、温州日报社、五马商业中心、医学院附属第一医院等单位，属电网中地位特别重要、供电可靠性要求特别高的变电站。变电站先后于2003年、2006年进行了10千伏开关柜及110千伏GIS等设备改造。变电站现有主变为2×31.5兆伏安。10千伏出线20回，采用单母线分段接线；10千伏无功补偿装置2组，容量为2×3900千乏。
考虑到广场变供区内供电负荷的增长及现有两台主变运行情况较差，本期将广场变主变容量增加到2×50兆伏安。按照常规110千伏变电站无功补偿设置惯例，一台50兆伏安的主变，通常配置两组4000千乏电容器组。但是，广场变现有的10千伏开关室内已经没有空余的开关柜间隔接入10千伏母线，且电容器室的面积也不足以设置2组4000千乏的电容器组。
一、如图1所示，整套装置内利用固定量的并联电容器(3600KVar)组来主要补偿变压器的无功损耗及适当补偿部分线路无功。当在电网运行过程中，出现各类感性负荷，固定的电容器组提供的容性无功不能完全补偿掉时，则需通过控制设备，将待工作的电容器组投入电网，来补偿随机出现的感性无功，从而稳定地保持电网的无功消耗在一个预定的值上。其固定的电容器组即一级电容器组通过安装于10千伏开关柜内(每套装置包含一组固定容量为3600千乏的电容器组与一组调节容量为2400千乏的电容器组是根据实地情况变压器容量及在10KV电压等级下设置的)的真空断路器(真空断路器的型号选定条件是要满足系统过电流保护)投切，可调的电容器组(2400Kvar)即二级电容器组通过安装于10千伏电容器成套装置内的真空接触器控制投切。
利用真空接触器投切小容量的并联电容器组具有寿命长、操作频繁、造价低和良好的开断性能等一系列优点。随着高压真空接触器向系列化、大容量、小型化、智能化等方向迅速发展，真空接触器投切电容器技术在最近几年得到了进一步发展和推广应用。
本工程真空接触器选用全进口ABB中压真空接触器，其适合用于频繁操作场合。具有免维护，适于频繁操作，低功耗、节能环保等优点。其额定电流下的电气寿命及机械寿命可以达到100万次。该真空接触器在特定配置下(安装避雷器等防止过电压设备)能投切的最大电容器组容量为4800千乏。
二、二次系统配置
1、概述
无功补偿装置优化方案的实现，除了要求性能良好的一次设备外，一套与之相适应的二次控制装置也必不可少。在本优化方案的二次配置中主要分为两大块：一是通过采集实时的功率因数控制二级电容器的投切；二是整套装置的保护测控。
2、功率因数控制策略
I、系统构建
功率因数控制系统，如图2所示，系统采集(母线进线端设有电压互感器和电流互感器，电压互感器和电流互感器分别与功率因数控制系统相连接，电压互感器和电流互感器转换成可测量的电压信号和电流信号通过比较器进行过零比较，变成方波信号，经过触发器构成的鉴相电路得到输出信号，然后再将输出信号输入单片机，运算得到功率因数。)所内10千伏的母线电压及电流，经A/D转换器将所得电压电流转换为数字信号，推入DSP进行计算，可以得到10千伏侧的功率因数值。而功率因数的控制逻辑也可以在DSP中通过编程实现，比如：计算得功率因数值小于DSP中设定值时，DSP则通过I/O口出控制信号给二级电容器真空投切器即真空接触器的执行机构，最终完成二级电容器的投入。
II、控制策略
对于二级电容器的投入，所需的控制策略并没有太大的复杂，只需在系统功率因数下降到设定值时动作，便可以有效的保证充足的无功。但是对于二级电容器的退出，则有需要注意的地方：
(1)二级电容器投入和退出点之间必须有一段隔离区，设置电网的功率因数的投入门限和切除门限，低于某个数值(比如0.9)时，就投入电容器；功率因数高于某个数值(比如0.98)时，就切除电容器，以避免在投入退出点时真空投切器频繁动作，降低设备的使用寿命。
(2)二级电容器的退出点必须优化选取，首先应保证二级电容器退出后，系统功率因数仍然满足要求并且留有一定裕度；另一方面，也需要避免二级电容器在无功充足的情况下没有必要地运行。
综上所述，二级电容器的退出点应经过计算，优化选取。
III、最优退出点的选取
假设，设定二级电容器投入保证的功率因数为cos；退出点为cos；退出后并且考虑裕度的功率因数为cos，不难推出有如下关系成立：
cos＜cos＜cos (3-1)
对于大多数情况来说，变电站的负荷可以用电感和电阻来代替，因此可以得到系统的计算电路，如图3所示：
经计算，可以得到之间的关系，为：
Figure BDA0002405131000000101
其中：
S为主变的运行容量，可按额定容量的67％来选取。
Figure BDA0002405131000000102
为二级电容器与一级电容器容量之比。
SC2为二级电容器的额定容量。
这样，确定了系统的电能质量要求
Figure BDA0002405131000000103
取以一定的裕度得到系统在二级电容器退出后的运行点
Figure BDA0002405131000000104
再通过式(3-2)便可以计算得到二级电容器的退出点
Figure BDA0002405131000000105
3、继电保护策略
在常规的并联电容器无功补偿装置中，对于整套系统的保护主要有两个方面的故障，一个是装置的外部故障，一个是内部故障。基于优化方案的可行性与易推广性考虑，对于本装置的保护不进行特殊化配置，仍然采取切除外部故障的过流保护和切除内部故障的不平衡电压保护，在此基础上，再做一些与本装置相适应的更改。
I、过流保护
由于二级电容器的真空投切器并不具备切除故障电流的能力，因此过流保护的主要执行机构就只能是串接在整套装置上的断路器。
如图4所示，为本优化方案的保护系统构建图：
如图1所示，整套装置的过流保护由一级电容器保护装置完成，一旦由于短路故障装置过流，断路器将切除整套电容器装置。整个保护策略与常规无异，只是保护装置的整定电流时存在一个实时更新的问题。
本套装置随着系统运行的功率因数不同，所投入的电容器容量也不一样，因此过流保护的整定电流也应随之变化。经过对于一些继电保护装置的调研，该问题可采取改变定值区的方法来实现。
首先，在系统初始调试时，选用装置的两个定值区，分别设定二级电容器投入与否的整定值。后台系统根据实时监测投切器的位置信号将对应的定值区号下装到保护装置即可。
II、不平衡电压保护
对于反映电容器内部故障的不平衡电压保护其配置基本与常规方案一致。只是一级电容器不平衡动电压作于断路器，切除整套装置；二级电容器不平衡电压动作于真空投切器，仅切除本级电容器，如图3所示。
四、基于PSCAD的系统仿真
为了能够更好地说明本方案的可行性和优越性，特别在PSCAD仿真平台上，对本系统进行了仿真模拟，得出了一些比较具有说服力的结果。
仿真过程中将无功补偿装置的常规方案与优化方案进行对比，查看二者在运行系统中对于功率因数以及母线电压的影响。
仿真条件：仿真时间60s，主变容量选取50MVA，有功负荷为29.82MW，无功负荷为9.21Mvar(按主变容量67％选取负荷)。仿真时，附加一组可调的无功负荷，用于调节功率因数触发断路器投切，无功负荷随时间按正弦函数平滑变化。
差异条件：(1)常规方案采用6Mvar的并联电容器组投切；(2)优化方案采用3.6+2.4(Mvar)电容器投切。二者投切功率因数整定值均保持一致，选取
Figure BDA0002405131000000121
(常规方案无此值)。
基于以上条件，可以得到：由图5-6对比可以看出，对于同样容量的无功补偿装置，优化方案的功率因数波动明显比常规方案小，并且能够在负荷变化较大的情况下保证功率因数在一个较高的水平(大多数时间大于0.92)。
在图7-8的对比中我们可以看到，优化方案的母线电压随负荷以及补偿装置投切的变化相对平滑的多，并且电压水平也较常规方案更接近于1(标幺值)。
据仿真数据计算可得常规方案的电压波动为1.074％，优化方案的电压波动为0.425％，在变电站设计过程中，要求并联电容器投切的电压波动小于2.5％，可以计算得本方案的优化率为：
Figure BDA0002405131000000122
可见，本方案有其可选之处。
结论：(1)该系统能有效提供一种变电站场地受限制时10千伏无功补偿的解决方案；
(2)该系统应用高压真空接触器投切电容器组，实现了无功补偿的动态调节，提高了系统的可靠性能；
(3)运用计算机软件模拟系统真空接触器控制不同容量的电容器组投切，验证了该系统在解决无功补偿的动态调节及系统稳定性上具有可选之处。

Claims (8)

1.一种无功补偿装置，其特征在于，包括：互感器、高压真空接触器、电容器保护装置、一级电容器组、二级电容器组、真空断路器、二次控制装置、功率因数控制器、电抗器、避雷器；
所述无功补偿装置补偿容量为6000千乏，所述一级电容器组为固定容量3600千乏的电容器组，所述二级电容器组为调节容量2400千乏的电容器组，所述一级电容器的投切由真空断路器实现，所述二级电容器组利用高压真空接触器进行投切，所述避雷器接在导线和地之间，与被保护设备并联，限制电容器切断瞬时产生危险的过电压，所述电抗器在无功补偿装置中用来抑制电容投入时的涌流、抑制谐波、与电容配比滤除谐波电流功能，所述一级电容器组和二级电容器组分别配备有电容保护装置，用于过流保护和不平衡电压保护，所述一级电容器的投切开关真空断路器具有过流保护的功能，所述功率因数控制器输入端连接母线端的电压互感器和电流互感器，输出端连接真空接触器。
2.根据权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述高压真空接触器型号为VSC-12/400。
3.根据权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述真空断路器型号为3AH5。
4.根据权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述功率因数控制器采集10千伏的母线电压及电流，经A/D转换器将所得电压电流转换为数字信号，推入DSP进行计算，可以得到10千伏侧的功率因数值，并通过判断，当处于预先设定的投切范围时，发出控制信号给二级电容器真空接触器的执行机构，完成二级电容器的投切。
5.根据权利要求4所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述二级电容器投入和退出点之间有一段隔离区，以避免在投入退出点时真空投切器频繁动作，降低设备的使用寿命。
6.根据权利要求5所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述退出点需要经过计算，优化选取，最优退出点的选取应按照设定二级电容器投入保证的功率因数为
Figure FDA0002405130990000021
退出点为
Figure FDA0002405130990000022
退出后并且考虑裕度的功率因数为
Figure FDA0002405130990000023
三者满足如下关系：
Figure FDA0002405130990000024
经计算，可以得到
Figure FDA0002405130990000025
之间的关系为：
Figure FDA0002405130990000026
其中：S为主变的运行容量，按额定容量的67％来选取，
Figure FDA0002405130990000027
为二级电容器与一级电容器容量之比，SC2为二级电容器的额定容量，这样，确定了系统的电能质量要求
Figure FDA0002405130990000028
取裕度得到系统在二级电容器退出后的运行点
Figure FDA0002405130990000029
再通过式上述公式便可以计算得到二级电容器的退出点
Figure FDA00024051309900000210
7.根据权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述装置的过流保护由一级电容器保护装置完成，一旦由于短路故障装置过流，断路器将切除整套电容器装置，所述保护装置在整定电流时采取改变定值区的方法来实现实时更新，具体为：在无功补偿装置初始调试时，选用装置的两个定值区，分别设定二级电容器投入与否的整定值，后台系统根据实时监测投切器的位置信号将对应的定值区号下装到保护装置即可。
8.根据权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，一级电容器不平衡动电压作于断路器，切除整套装置，二级电容器不平衡电压动作于真空投切器，仅切除本级电容器，以此来实现不平衡电压保护。
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CN116454908A (zh) * 2023-06-20 2023-07-18 广东电网有限责任公司佛山供电局 一种电容器组投切次数统计方法及装置

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