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10kV动态无功补偿装置(SVC)

 基本定义及基础知识

领域内关键词语的基本概念

¨ 谐波:(harmonic)对周期性交流量进行傅立叶级数分解,得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量。我国供电系统频率为50Hz,所以5次谐波的频率为250Hz, 7次谐波的频率为350Hz11次谐波的频率为550Hz, 13次谐波的频率为650Hz
¨ 公共连接点:(PCC用户接入公用电网的连接处。
¨ 总谐波畸变率:(HTD周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比(用百分数表示)。电压总谐波畸变率以THDu表示,电流总谐波畸变率以THDi表示。
¨ 谐波源:(harmonic source):向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。
¨ 感性无功:电动机、变压器在能量转换过程中建立交变磁场,在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等,这种功率叫做感性无功功率。
¨ 容性无功:电容器在交流电网中接通时,在一个周期内,上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等,不消耗能量,这种充放电功率叫做容性无功功率。
¨ 功率因数:有功功率与视在功率的比值称为功率因数。
¨ 功率因数调整电费:实行两部电价制度的用电企业,供电部门根据用户月平均功率因数而加收或减免的电费,称为功率因数调整电费。

谐波的产生和危害

谐波的产生
谐波主要是由于大容量整流或换流设备以及其他非线性负荷,导致电流波形畸变造成的。我们对这些畸变的交流量进行傅立叶级数分解,即可得到频率为50Hz的基波分量和频率为基波频率整数倍的谐波分量。
谐波的危害
¨   影响供电系统的稳定运行:供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁继电器、感应式继电器或者新式的微机保护进行检测保护,在系统中这些都属于敏感元件,继电器受到高次谐波的影响容易产生误动作,微机保护由于采用了整流采样电路,也极易受到谐波的影响导致误动或拒动,这样谐波严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。
¨   影响电网的质量:高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变,另外相同频率的谐波电压和谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率,从而降低电网电压,增加线路损耗,浪费电网容量。
¨   影响供电系统的无功补偿设备:供电系统变电站均有无功补偿设备,当谐波注入电网时容易造成变电站高压电容过电流和过负荷,使电容异常发热;另外谐波的存在还会加快电容器绝缘介质的老化,缩短电容的使用寿命。
¨   影响电力变压器的使用:谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加,直接影响变压器的使用容量和使用效率;还会造成变压器噪声增加,缩短变压器的使用寿命。
¨   影响用电设备:谐波的存在会造成异步电动机效率下降,噪声增大;使低压开关设备产生误动作;对工业企业自动化的正常通讯造成干扰,影响电力电子计量设备的准确性。

治理谐波及补偿无功功率的重要性

采用专门的滤波装置能够有效的滤除高次谐波,同时向电网提供容性无功功率,其重要性主要表现在以下方面:
¨       滤除高次谐波能够净化用电环境,降低视在功率,减少谐波电流在用电设备和输配电设备中的发热,直接节省有功功率;消除由于谐波产生的震动,延长电器设备的使用寿命;有效的消除对敏感元件的的影响。
¨       由于滤波回路是由电抗器和电容器串联形成的,所以在滤波的过程中能向电网中注入容性无功,提高了功率因数,这样就能避免供电部门高额的功率因数调整电费,由于无功电流的抵消,也相当于提高了配电设备的容量,减少了线损。无功功率得到补偿还能提升末端电网电压。

滤波补偿装置工作的基本原理

工程上采用的滤波器接线形式主要有两种:
① 单调谐滤波器
② 高通滤波器
单调谐滤波器是针对某次谐波频率的。即主要滤除该次频率的谐波电流,作成在某次频率下串联电压谐振回路。
当在谐波频率下串联电压谐振时,Xcn-Xln=0。即Xcn=Xln,等值回路阻抗Zfn=Rn+j(Xcn-Xln)=Rn。串联回路的相位角Φ=0,即电流与电压同相位。串联谐振回路的品质因数Qn=Xcn/Rn=Xln/Rn。
高通滤波器作成对于某次谐波频率以上的各次谐波电流都能起到一定的过滤作用,所以它的阻抗——频率特征曲线要求在no次以上为一通带式阻抗特征曲线,这种要求比较平滑的特征曲线由在电感两端并联电阻R构成。高通滤波器的阻抗,在频率等于无穷大时,其阻抗最大也只有并联电阻R。即高通滤波器在高通频率范围内,其阻抗值变化较小,不会由于等值频率失谐而产生特大的阻抗,而单调谐滤波器的阻抗受等值频率失谐δ的影响很大。但高通滤波器对特征谐波电流的滤波效果不如单调谐滤波器,且高通滤波器的损耗较大。高通滤波器的等值串联阻抗为:
Zhp=R2+Xln2(RXln)+j(R2+Xln2(R2Xln)-Xcn)
高通滤波器的品质因数为:QHP=R/Xln。
单调谐滤波器的原理:
 
流入系统的谐波电流为:Isn=In×Xfn/(Xfn+Xsn)
其中:
In——谐波电流发生量;
Isn——流入系统的谐波电流;
Xsn——系统的谐波阻抗;
Xfn——滤波器的总谐波阻抗。
滤波器的总谐波阻抗为:Xfn=Rfn+j(2πfL-1/(2πfC))
其中:
Xf——滤波器的总阻抗;
Rfn——滤波器的总电阻;
f——流过滤波器的电流的频率;
L——电抗器的电感量;
C——电容器的电容量
当在某次谐波下2πfL-1/(2πfC)=0时,
Isn=InRfn/(Rfn+Xsn)。
一般地,Rfn<<Xsn,此时Isn<<In。
即谐波电流绝大部分流入滤波器,极小部分流入系统。
同时,在基波(50HZ)时2πfL<1/(2πfC),即滤波器为容性负载,它输出无功功率可进行功率因数补偿。
所以滤波装置同时可起的两个作用:
(1)滤除高次谐波电流,达到国家公用电网的谐波标准。
(2)进行功率因数补偿,达到供用电规则对用户的力率要求。

SVC装置工作的基本原理

SVC的工作原理简述如下:
上图中Ql为无功负荷曲线,Qr为SVC中电抗器吸收的无功功率曲线。随Ql成反比例变化。Qc为滤波器提供的无功功率曲线,Qr-Qc为动态无功补偿装置SVC输出的无功功率曲线,与Ql反向变化,即实现随机性无功补偿。Ql+Qr-Qc为补偿后母线无功冲击。
结合本工程,SVC的功能说明如下:
当可控硅全导通时,电抗器吸收由滤波器产生的无功功率。这种情况对应于负荷工作前的准备时间,即此时负荷不需要任何无功功率。
一旦负荷开始运转,所需瞬时无功功率将随时改变。在此期间,补偿装置的调节器按比例自动减少电抗器电流。即电抗器吸收的无功功率是滤波器发出的无功功率与负荷的无功功率之差。
通过极快速地改变可控硅触发角,我们可以使系统中的无功功率达到完美的平衡。
动态无功补偿装置(SVC)的平均响应时间(无功功率变化输入和SVC控制装置输出脉冲之间的时间)≤10ms。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

谐波治理及动态无功补偿设计方案

设计要求

动态无功补偿装置(SVC)投入电网后,供电系统要求达到如下效果:
¨ 平均功率因数达到0.95以上。
¨ 电能质量符合国标。
¨ SVC装置具有低耗能、高效率的特点。
¨ SVC装置具有完善的控制、保护及报警功能,免维护运行方式。

谐波治理及无功补偿方式选择

为保证负荷正常运行和可靠供电,减少高次谐波对电网的污染,改善设备的运行条件,需要采取滤除谐波电流的措施,同时考虑补偿基波无功功率,根据负荷的运行特性,要求谐波治理及无功补偿装置必须具有自动调节功能,本设计方案在供电母线上安装一套SVC装置的方式: 

基波补偿容量确定

按实际最大负荷计算补偿容量。
计算公式为:
式中:
—功率(kW
 —  为无功补偿前的功率因数角;
—  为无功补偿后的功率因数角。 
根据计算,10kV补偿容量为xxxxxkVar

安装容量确定

由于滤波器需要吸收大量的高次谐波,所以滤波电容器必须有足够的过载能力,才能承受谐波注入后的电流冲击,这就要求必须人为提高电容器的额定电压,运行过程中降容使用,才能保障电容器长期使用。
由于电容器容量比存在(额定电压÷使用电压)2的关系,所以电容器电压的选择至关重要,电压过高,容量大量损失,经济性难以保障;电压过低,如果谐波大量注入,又不能保障电容器的使用寿命。
根据计算,10kV滤波装置总安装容量为4500kVar。

6滤波支路的确定

根据整流部分所产生的谐波为12K±1次奇次谐波,确定本次设计的滤波支路为5次、7次、11次。
SVC装置的主接线图如下:
7主要技术性能
    1. 电压畸变率和高次谐波电流限制《GB/T14549-1993 公用电网谐波》标准范围内。
2.补偿后功率因数不低于0.95。
3.SVC装置能运行在1.1Ue或1.3Ie下。
4.SVC装置设有限时速断、过流、操作过电压、欠压、不平衡电压保护。

8设备选型及设备清单

8.1 滤波电容器的主要技术条件

a) 型号:AAM型全膜;
b) 类型:内置熔丝、内置放电电阻;
c) 环境温度:45℃;
d) 出线方式:双套管;
e) 温度系数:绝对值不超过0.0004/K;
f) 电容器的损耗正切角值小于0.0005;
g) 电容器外壳的耐爆裂能量大于12KJ;
h) 成组电容器间误差小于1%,每相电容器值与额定值偏差小于1%;
i) 过压能力:1.1倍额定电压;
   过流能力:1.3倍额定电流。

8.2 滤波电抗器主要技术条件

a ) 型号:LKGKL-10;
b) 型式:空气自冷、干式、空芯、铝导线、双线圈结构(每相)、电感值连续可调±5%、电感值制造偏差小于1%;
c) 绝缘耐热等级:B级;
d) 长期过流倍数1.3倍额定电流;
e) 环境温度:45℃;
f) 损耗:小于0.8%额定容量。

8.3  TCR(晶闸管控制的相控电抗器)

8.3.1 相控电抗器  

相控电抗器在电气上接成三角形,相控电抗器分为上、下两部分,电感值相等,晶闸管串在相控电抗器中间,使相控电抗器短路时对晶闸管运行有利。
a)类型:空气自冷、干式、空芯,铝导线、双线圈(每相)、环氧树脂浇灌、外涂抗紫外线涂层;
b)绝缘耐热等级:F级;
c)环境温度:45℃;
d)损耗:小于0.8%额定容量。

8.3.2 晶闸管单元

1)晶闸管
晶闸管为国内优质产品;
dv/dt≥1000V/μs;
di/dt≥200A/μs;
连接方式7串/相,正、反向并联,元件数量42只。
2)晶闸管功率单元柜系统: 
    晶闸管阀组:
晶闸管阀组由晶闸管串联而成,每对反并联的晶闸管都有相应的阻容吸收回路,均压回路,晶闸管换向过电压保护电路及晶闸管击穿保护。晶闸管触发采用光电触发,性能可靠、成本低。
阻容保护:每一对反并联晶闸管两端并有阻容元件,以吸收晶闸管过电压,对晶闸管起到保护作用,避免发生击穿及损坏。同时起动态、静态均压作用,使一相中每只晶闸管的电压差小于5%。
晶闸管丢脉冲保护:一相脉冲丢失时将引起相控电抗器三相电流不平衡。每相中的正向或反向脉冲丢失时,将引起相控电抗器中出现直流电流,使晶闸管及相控电抗器严重过载,所以一旦出现丢脉冲时,控制系统立即封锁脉冲同时给出本地及远方报警信号。
 

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