CN201608533U

CN201608533U - 一种应用于电网的混合型动态无功补偿系统

Info

Publication number: CN201608533U
Application number: CN2009201706952U
Authority: CN
Inventors: 郑元彬
Original assignee: BEIJING SNTA ENERGY-SAVING ELECTRICAL Co Ltd
Current assignee: BEIJING SNTA ENERGY-SAVING ELECTRICAL Co Ltd
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2019-08-13

Abstract

本实用新型公开一种用于电网无功优化和改善供电电压质量的混合型动态无功补偿系统。系统采用主从分布式控制系统对动态无功补偿装置(Statcom)及静态可调无功补偿装置(调压调容型无功补偿装置DWZT或固定投切电容器组TBB)进行集中控制，电网处在稳态运行状态时静态可调无功补偿装置运行，当冲击性负荷启动或电网出现故障时动态无功补偿装置可瞬间启动，稳定电网电压，当冲击性负荷平稳运行期或电网故障排除后动态无功补偿装置可自动退出系统，使该系统同时具有动态无功补偿的高速性和静态无功补偿的低损耗的特点。

Description

一种应用于电网的混合型动态无功补偿系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于电网无功优化和改善供电电压质量的混合型动态无功补偿系统，本实用新型尤其涉及一种适用于风电场的动态无功补偿和静态可调无功补偿相结合的混合型动态无功补偿系统。

背景技术

随着世界各国对洁净能源发展利用的不断重视，风力发电技术的应用和推广都得到了很大的提升，但是以自然风为原动力的风力发电机组在提供清洁能源的同时，会因为自然风的随机性和不可控性成为不稳定的间歇性能源。尤其是大型风电场接入电网后会对电力系统的安全稳定运行造成不可忽视的影响。这种情况下，风电功率的注入不仅不能改变系统的负荷特性，反而会使其恶化，使峰谷差增大，增加了电网调度的难度。除风电场之外，半导体芯片加工业、电力系统变电站以及各种大型负荷设备的生产运营中，各种电感性设备、变压器、超出规定范围的供电电压也会对功率因素造成很大的影响。

因此，为保证电力系统的安全运行和经济效益，通常需在部分母线上投入无功补偿。目前电力系统中的无功补偿形式主要有动态无功补偿和静态无功补偿两种，其中动态无功补偿反应速度快，精度高，但设备相对昂贵，损耗较高，通常在2％左右。静态无功补偿损耗较低，价格也相对较低，但反应速度慢，精度较低。两种方式互有优劣性。

发明内容

本实用新型的目的在于融合上述两种方式的优点，提供一种反应速度快，精度高，损耗低的新型无功补偿系统。

1、本实用新型的解决方案是：一种应用于电网的混合型动态无功补偿系统，该系统由动态无功补偿装置、静态可调无功补偿装置、包括主控制器、动态补偿从控制器、静态补偿从控制器在内的主从分布式控制系统组成，其中动态无功补偿系统和静态可调无功补偿系统分别和主从分布式控制系统连接，并连于电网中。

采用一套控制系统同时控制动态无功补偿装置和静态无功补偿装置，其中从控制器将自身的状态值提交给主控制器，主控制器根据所采集的电网与控制装置数据融合了从控制器提交的状态值进行输出功率的分配计算，将结果下送从控制器控制各自的装置动作。

该系统中的静态可调无功补偿装置，可选用调压调容型无功补偿装置DWZT，也可选用固定投切电容器组TBB。

该系统的组成见附图1，其结构特点是动态无功补偿装置及静态可调无功补偿装置(其中固定投切电容器组TBB见附图2)均由一套系统综合控制，系统能够根据电压量、电流量和状态对变电站高压侧220kV侧功率因数及电压进行调整，从而达到整个电网的无功优化、改善供电电压质量的目的。控制系统主要有主控制器、动态补偿从控制器、静态补偿从控制器在内的控制系统组成。

动态无功补偿装置Statcom可归类于柔性输电(FACTS)装置，可精确的注入容性或感性的无功到需要的补偿点来实现瞬时补偿电压偏差。无功功率由专有的四象限的、可在1个周波内完全输出容性或感性无功的IGBT逆变器产生。

静态可调无功补偿装置是在投切电容基础上，通过调压器调节电容器上端电压来实现无功调节，解决了分组投切所带来的涌流及过电压问题，实现25％～100％间九级调节精度。在稳态状态下可向系统注入稳定、高容量的无功功率，同时具有低损耗功能。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1、响应速度快。传统补偿装置的响应速度均在一个周波以上，如投切电容的响应速度受投切开关的动作影响为秒级；速度较快的SVC，采用晶闸管投切电容器(TSC)或晶闸管控制电抗器(TCR)，可在一个周波内发生动作，但从额定感性功率转换到额定容性功率(或相反)，必然需要4～5个周波才能完成；而晶闸管磁控电抗器(MCR)则需要15-25个周波才能完成从额定感性功率转换到额定容性功率(或相反)。只有在本系统中集成的TATCOM才能在一个周波内完成从额定感性功率到额定容性功率(或相反)的转换，完全满足补偿冲击性负荷的需要及对故障电网电压的支撑，相对传统补偿装置能够更好的控制电压波动，更好的解决瞬时发生的故障问题，同时抑制电压三相不平衡问题。

2、谐波含量低。本系统采用了优化的高频脉宽调制(PWM)技术，一个周波内开关近百次，自身产生的谐波含量很低，且大部分均为高次谐波，完全符合IEEE-519标准。而其它如SVC等同类产品一个周波内通常开关1次，产生含量很高的低次谐波，必须匹配合适的滤波装置，在电网阻抗特性发生变化时造成谐振故障的风险很高，这是SVC等装置无法避免的缺陷。

3、运行范围宽，短时强过载能力。本系统通过调节无功电流来实现无功功率补偿，无功电流输出不依赖于电压，在满负荷状态下可以表现为恒流源特性，可以在额定的最大容性和感性范围内，独立控制其输出电流，而与交流系统的电压值无关。因此可以在任何电压下提供全额的容性无功功率(最低可以在系统电压到0.15pu时)这一特性在系统电压发生崩溃时作用突出。而SVC等同类装置是通过调节等值阻抗来实现无功功率补偿，其输出电流和电压成线性关系，输出容量与电压成平方关系，电网电压降低会导致SVC实际无功功率降低，在系统发生塌陷时输出能力以电压平方的关系急剧减低，无法在系统电压崩溃时有效支撑电压，因此为实现控制目标，SVC通常需要比本系统多出一倍的容量。

4、节能效果明显。本系统中集成的DWZT不采用投切方式，电容器投切中无投切引起的充放电问题，调节可随系统无功变化随时进行，不需要延时，本系统能将变站功率因数提高至0.95-0.98之间，减少发热损耗，降低线损。

附图说明

图1为系统组成图

图2为固定投切电容器组TBB原理图

图3为动态无功补偿装置原理图

图4为静态可调无功补偿装置一次原理图

图5为动态装置动作特性

具体实施方式

本实用新型是一种动态无功补偿与静态可调无功补偿相结合的系统。可应用于电力系统220kV及以下电压等级的各级降压变电站中，根据电压量和状态对变电站高压侧220kV侧电压进行调整，达到整个电网的无功优化的目的，满足电网无功功率的供需平衡，改善供电电压质量。系统的主要组成有两部分：由动态无功补偿装置和静态可调无功补偿装置构成的数据采集及执行单元，以及由主从分布式控制系统构成的管理及计算单元。该系统的具体结构及实施方式如下：

1、动态无功补偿装置

动态无功补偿装置是由智能化，高功率密度，直流母线叠排，完全集成设计的四象限功率转换器模块构成。每个模块包含的固态功率逆变器数目是灵活配置的，这些逆变器采用IGBT半导体开关器件转换能量，如DC-AC，AC-DC或DC-DC。每个模块由一组开关器件连接到直流总线，共用电容器，合适的传感器，驱动和隔离电路以及基于DSP的控制板组成。

动态无功补偿装置是由大功率可控开关器件IGBT构成的电压源逆变器，见附图3。其自身输出电压较低(1kv以下)，需要通过适当变比的升压变连接到所补偿的母线上。如图所示，动态无功补偿装置相当于电压可控的电压源，输出电压

X相当于升压变压器等效阻抗，

是电网母线电压。

\overset{\cdot}{ΔV} = \overset{\cdot}{V_{D}} - \overset{\cdot}{V_{S}}

施加在等效电抗X上，流过电抗的电流

\overset{\cdot}{I} = \frac{(\overset{\cdot}{V_{D}} - \overset{\cdot}{V_{S}})}{jX},

与

相位基本一致，所以通过调节的大小就可以改变

的大小与方向，当V_D＞V_S时，电流

领先此时动态无功补偿装置相当于线性可调电容，向电网注入容性无功，反之，当V_D＜V_S时，电流落后

动态无功补偿装置相当于线性可调电感，向电网注入感性无功。由于动态无功补偿装置可以连续快速地调节输出电压

因此可以连续快速平滑地向电网补偿容感性无功功率。

动态无功补偿装置是一种标准模块化的功率变频器，可以架装。其有能力输出容性或感性无功，并可持续输出2.67倍的超载电流达2秒钟。这一特别过载能力在发生瞬时短路情况下非常有用。

2、静态可调无功补偿装置

静态可调无功补偿装置通过电压调节器将电容器和母线连接起来，在保证母线电压稳定的前提下，改变电容器输出端电压，以保证电容器输出容量满足系统要求。根据Q＝2πfCU²原理，电容器C值不变，端电压从100％U降到50％U时，其输出容量就可以在(100％～25％)×Qn下进行调节。如果将并联电容器换成并联电抗器就可实现感性无功功率的输出，附图4为静态可调无功补偿装置的一次原理图。

3、主从分布式控制系统

本系统采用主从分布式控制系统，由主控制器和从控制器组成，主控制器负责HYCOM的整体控制策略，从控制器负责执行并具备一定智能，其原理可参见图1。

3.1主控制器

主控制器是控制动态部分和静态部分协调工作的核心，主控制器与从控制器间通过以太网接口互联。从控制器将所采集的电网与所控制装置数据与状态提交给主控制器，主控制器根据控制策略进行输出功率的分配计算，将结果下送从控制器控制各自的装置动作。

控制系统可以提供本地和远程控制方式。在同一时间只有一种控制方式可以被激活作为主控制点运行。可以监控或察看系统状况，控制设置，和所有控制点中的其他无功补偿装置参数。

主控制器采用人机交互界面(GUI)程序，由界面程序显示该装置运行状态并可以通过此程序设置或改变系统控制参数。

3.2动态无功补偿装置从控制单元

动态部分的从控制单元(SDCU)主要用于指导整个动态部分的运行，同时进行数据分析与处理，并从HYCOM其他组件中获取信息，按命令将数据发送到主控制器和接收主控制器发送的指令。

3.3静态无功补偿装置从控制单元特点

静态部分的从控制单元采用高性能的DSP，自动识别静态部分的运行方式，自动确定控制策略和控制对象。静态部分的从控制单元接收主控制器下发的指令，根据指令实时控制静态部分动作，同时向主控制器上报电网基本参数、静态装置的状态等信息。

3.4电压调节

正常工作时，本系统监测调节母线的三相电压，由动态装置注入进行连续调节所需的超前或滞后无功功率。另外，静态装置可按稳态电压调节方案执行，用于补充动态输出。

动态装置采用斜率可变的动作特性。如附图5所示，该控制系统可按0.5％的步进速度选择1-10％的独立增减斜率，并选择可调参考目标电压以及参考电压的可选死区。所有这些参数均可调整，并可通过主控制器进行设置。

Claims

1.一种应用于电网的混合型动态无功补偿系统，其特征在于：该系统由动态无功补偿装置、静态可调无功补偿装置、包括主控制器、动态补偿从控制器、静态补偿从控制器在内的主从分布式控制系统组成，其中动态无功补偿系统和静态可调无功补偿系统分别和主从分布式控制系统连接，并联于电网中。

2.如权利要求1所述的无功补偿系统，其特征在于：一套控制系统同时控制动态无功补偿装置和静态无功补偿装置。

3.如权利要求1所述的无功补偿系统，其特征在于：从控制器将自身的状态值提交给主控制器，主控制器根据所采集的电网与控制装置数据融合了从控制器提交的状态值进行输出功率的分配计算，将结果下送从控制器控制各自的装置动作。

4.如权利要求1所述的无功补偿系统，其特征在于：其中的静态可调无功补偿装置，可选用调压调容型无功补偿装置DWZT，也可选用固定投切电容器组TBB。