试论10KV动态无功补偿兼谐波综合治理
摘要：电力工业是国民经济的命脉，电力建设的发展直接影响国民经济的增长速度。事实上，未来电力工业的发展更注重解决供电可靠性差、线损高、电压不稳定、电能质量不合格、谐波多，无功因数低等一系列问题，做为输变电配套重要设备之一的电容器及无功补偿滤波装置是电力发展中不可缺少的重要环节。本文论述了余姚供电局35KV汪家变0KV动态无功补偿兼谐波综合治理，对谐波污染等问题得到了很好的治理，以期为其他项目和部门提供参考。
关键词：电力，TSC，电压波动，谐波
1、项目应用背景
余姚供电局35KV汪家变，其下所带主要负荷属于一种特殊的非线性冲击负荷，在运行中会向电网输出大量的谐波并且对电网电压产生频繁的冲击，对电网的安全运行及其他正常负荷的用电造成严重影响，同时也影响自身生产效率的提高，根据电能质量实际测试表明，10KV侧电压总谐波畸变率为17.9％，远超过国标4.0％，谐波电流以5次和7次为主导，10KV侧谐波电流分量95％概率值分别为:I5=145A.I7=87A.远高于公用电网连接点国标允许值。10kV动态无功补偿（TSC）兼谐波治理装置是输、配电系统的重要设备之一，主要目的是用于补偿电力系统的无功容量，消除高次谐波，对于降低系统的故障率，提高运行可靠性等具有十分重要的作用。
电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗以及由于含有大量的电力电子装置产生丰富的各次谐波，都要求系统既能提供足够的无功功率又要消除各次谐波，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。无功补偿是电力系统的重要组成部分，它是保证电能质量和实现电力系统经济运行的基本手段。
2、国内外现状和技术发展趋势
20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数和消除各高次谐波，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为10～30s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。
随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍（约为10μs），对任何系统参数，无功补偿和滤波都可以在一个周波内完成。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿滤波设备，主要有以下三大类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置（SR：SaturatedReactor）；第二类是晶闸管控制电抗器（TCR：ThyristorControlReactor）、晶闸管投切电容器（TSC：ThyristorSwitchCapacitor），这两种装置统称为SVC（StaticVarCompensator）；第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置——高级静止无功发生器（ASVG：AdvancedStaticVarGenerator）。
3、项目研究内容和实施方案
为了解决电容器滤波支路随负荷变化频繁投切的问题，TSC装置应运而生。两个反并联的晶闸管只是将电容器滤波支路并入电网或从电网中断开，串联的电抗器和电容器用于消除谐波和电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接都采用电容器滤波支路分组投切。TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿滤波装置为了保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。TSC滤波器可以很好的补偿系统所需的无功功率和快速跟踪负荷变化，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。这种滤波器三次谐波不能流入电网，同时又设有5次、7次等谐波滤波器，大大减小了谐波含量，使谐波含量控制在国家标准范围之内。
研究内容：基于DSP处理的电力谐波与功率因数综合质量控制系统的研制，传统无功功率理论和瞬时无功功率理论及无功功率的实时检测与快速补偿,对无功功率补偿滤波装置的关键技术展开的研究。对基于频域分析的FFT检测算法与基于瞬时无功功率理论的检测算法行进行的分析和比较。针对目前电容器补偿方法(包括传统的并联电容器组和静态无功补偿装置中的容性无功补偿)的普遍性,在对传统的电容器投切方案的研究的基础上,应提出的一种基于模糊控制的电压-无功功率综合控制方案。对TSC开关阀及其触发系统进行的分析,并对其开关控制的关键技术—无冲击性浪涌电流投入技术进行的理论分析,阀端电压零值检测方法,并应讨论了开关阀控制系统相关的安全及可靠性措施。在系统的软件设计方面对检测算法、模糊控制算法、TSC电容器分级补偿算法等任务的实现思路的研究。
实施方案比较：
（1）常规的并联无功补偿装置
常规的并联无功补偿装置，即并联电容器组补偿方式，这是传统的补偿方式，适用于低压配电系统，也适用于中高压系统。主要特点是：简单，占地少，造价低廉。主要作用是：补偿设备或电网中的无功，对中、低压用电设备可实现就地补偿；提高功率因数，减少无功的远距离输送，降低线损；提高电压。达到节能降损的目的。主要缺点是：对有谐波存在的系统中，电容器因为谐波过载、谐振等原因，造成电容器组不能正常投运或烧损。如果保户配置不当，还会引起事故扩大。
由电力电容器、电抗器(常用空心的)和电阻器适当组合成若干滤波器支路的“无源型”交流滤波装置。该装置和谐波源并联运行。
这种方式以滤波和无功补偿兼顾的方式，以滤波为主。可以滤除由于用电设备在生产过程中产生谐波污染，保证公共母线和电网电能质量；同时实现就地补偿；提高功率因数，减少无功的远距离输送，降低线损；达到节能降损的目的。
主要特点是：滤波和无功补偿简单，占地较多，造价较高。
主要作用是：滤除谐波电流，降低谐波污染造成的各种影响，提高供电电能质量。补偿设备或电网中的无功，对中、低压用电设备可实现就地补偿；提高功率因数，减少无功的远距离输送，降低线损；提高电压。达到节能降损的目的。
主要缺点是：设备造价较高，占地较多；运行中各滤波支路的投运和切除要有一定的顺序，对于功率变化速度较快的负荷，不能快速跟踪。
（2）利用TSC型SVC解决电能质量问题
输电线路开关切换、线路出现故障、非线性设备如晶闸管控制设备、快速变化的有功及无功负荷等，将会对正常运行的输电线路及工业电网造成干扰。然而也潜在谐波、需要额外的无功功率、电压波动、电压闪变现象、负荷不平衡以及无功功率的快速变化等问题。为此，我们采用静态无功功率补偿装置（SVC）来解决。具体为：谐波造成的干扰用谐波滤波器来消除。作为滤波器的电容器组可提供无功功率，因此滤波器可以补偿功率因数并吸收谐波。电压波动使用晶闸管控制的电抗器及电容器便可消除。电压闪变现象是由快速变化的负荷造成的，由晶闸管控制的电抗器加以解决。不平衡的负载可通过的晶闸管控制的电容器及电抗器改善得到平衡。无功负荷的快速波动，例如中频炉、电弧炉，可用与上述类似的方法加以补偿。具体实施过程中，每一套SVC是根据每个客户所遇到的问题，采用标准设备组件进行设计的。上述问题中的一些可能会同时产生，从技术及经济的双重考虑上，作最佳的解决方案。
静补装置除了综合改善电能质量这一直接效果外，在电力系统中已成为控制无功、电压，提高输电稳定性，限制系统过电压，增加系统阻尼的重要技术措施。静补的应用还可以给谐波源用户带来多方面的技术经济效益。
用晶闸管开关取代普通有接点开关的优点是，在投切过程中没有冲击电流和过电压，这是由于电容器的接入是在晶闸管两端电压过零瞬间完成，而电容器的切断是由晶闸管在电流过零时完成。
余姚供电局35KV汪家变，其下主要负荷属于一种特殊的非线性冲击负荷，在运行中向电网输出大量的谐波并且对电网电压产生频繁的冲击，我们采用设置2组2400Kvar同容量5次补偿滤波器和1组2400kvar的7次滤波器，全部采用TSC控制方式，能快速跟踪负荷变化而随之产生的各高次谐波含量，保证设备安全可靠的运行。
4、小结
本项目既符合国家“十五”规划中电力节能行业高科技化的发展方向，通过本项目的运作能极大地提高供电局的核心竞争力，无论在产品质量还是生产管理上都能产生一个质的飞跃，同时也为供电局找到了新的经济增长点。
我们采用10kV动态无功补偿（TSC）兼谐波治理装置新产品将提高汪家变的无功补偿和滤波水平及设备的安全运行水平，与国外同类产品相比在许多方面已达到技术领先，达到了当今世界的先进水平，另外该产品在精简变电站设备数量﹑节约占地、运行维护等方面，节约了大量维护经费。
在应用效果上，余姚市供电局35KV汪家变使用了10kV动态无功补偿（TSC）兼谐波治理装置后，大大提高了变电所功率因素，谐波污染得到了很好的治理，在运行中向电网输出大量的谐波并且对电网电压产生频繁的冲击的问题得到了很好的解决，确保了当地电网的正常安全运行及其他正常负荷的用电。
