CN112467756A - 一种无功补偿装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种无功补偿装置，包括：主电路，所述主电路为补偿电流的发生回路，包括依次连接的LCL单元和三电平变流模组；通过依次连接的LCL单元和三电平变流模组连接在电网上；通过实时调节输出电压的相位和幅值，可改变电路吸收或发出的无功电流，实现动态无功补偿；通过控制***实时跟踪动态补偿，采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流补偿技术实时检测谐波电流，通过瞬时电流跟踪控制，实现谐波电流动态补偿，自动跟踪负载谐波变化，具有高度可控性和快速响应性；优异的补偿特性，补偿性能不受***阻抗影响，可消除与***阻抗发生谐振的危险，也可以用来抑制供电***中因谐波引起的***谐振。
Description
技术领域
本公开为涉及配电网的用电安全领域，具体涉及一种无功补偿装置及方法。
背景技术
近年来电力公司不断加大配网投资建设，全面推进配网精益化管理，提高配电网自动化/智能化水平，总体形成了结构坚强、运行方式灵活、供电能力和供电可靠性较高的特色配电网。但由于某些原因，配电网目前仍存在局部区域配变损耗高、负载过高或过轻的问题，同时还存在着低压台区无功相对不足、线损高等问题，具备进一步挖潜增效的空间。负载率对变压器效率的影响非常大。高效运行的变压器，必须选择合适的损耗比值。发达国家选购变压器时，常考虑变压器运行时的实际负载率，来决定它的损耗比。
发明人发现配电变压器存在的问题：
从统计数据中的配变类型看，高损耗S9及以下配电变压器，包含S7配电变压器仍有约几千台。从负载率看，部分配电变压器负载存在着一定的不均衡性，如市区等负荷密度较高区域存在着配变负载率较高的问题，部分甚至达到了80％以上，造成过载、过热问题，既增大了损耗也不利于运行安全。
目前10千伏配电网络及其线路广泛采用大树干、多分支的单向辐射型供电方式。这些线路的特点是：供电半径长，无功功率消耗多，功率因数低，线路损耗大，末端电压质量差。
根据统计数据，重载线路、低电压线路仍占有相当比例，通过电容器进行补偿，改善电能质量、降低损耗是必要的；无功补偿容量不足，目前各地区各地市县公司10千伏线路配置无功补偿装置相对不足，无功损耗大，电压合格率等相对较低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本公开提供了一种无功补偿装置及方法。
第一方面，本公开提供了一种无功补偿装置，包括：主电路，所述主电路为补偿电流的发生回路，包括依次连接的LCL单元和三电平变流模组。
第二方面，本公开提供了一种无功补偿装置的使用方法，
通过依次连接的LCL单元和三电平变流模组连接在电网上；
通过实时调节输出电压的相位和幅值，可改变电路吸收或发出的无功电流，实现动态无功补偿。
与现有技术对比，本公开具备以下有益效果：
1、本公开采用依次连接的LCL单元和三电平变流模组，通过控制***实时跟踪动态补偿，采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流补偿技术实时检测谐波电流，通过瞬时电流跟踪控制，实现谐波电流动态补偿，自动跟踪负载谐波变化，具有高度可控性和快速响应性；优异的补偿特性，补偿性能不受***阻抗影响，可消除与***阻抗发生谐振的危险，也可以用来抑制供电***中因谐波引起的***谐振。
2、本公开采用三电平变流模组，具体灵活的补偿方式，一机多能，不仅能治理谐波，而且能补偿无功，提高功率因数。即可对单个谐波源独立补偿，也可对多个谐波源集中补偿。治理谐波时还可以实现对指定次谐波进行处理。
3、本公开的控制***可以实现DSP智能监控，DSP高速检测和运算确保谐波检测和补偿精准有效：兼具智能监控功能，装置操作灵活，运行参数、工作状态一目了然，故障自动诊断：具备远程通讯接口，可通过PC机实时监控。提高功率因数，降低线损、克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动、抑制谐波污染。
4、本公开针对配电网存在的问题，综合考虑可靠性、经济性、可行性、运维等因素，本公开的成果应用主要体现在：将高损耗配变更换为非晶合金变压器或S13变压器，将负载率较高的配变更换为容量较大的配变；针对性改造公变台区，新增无功补偿装置，提高功率因数，提升电压质量，重点解决三相不平衡问题；10千伏配电线路，安装线路自动无功补偿装置，提升电能质量，降低线损。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开的无功补偿装置构成与控制示意图；
图2为本公开的无功补偿方式图；
图3为本公开的无功补偿装置主回路连接示意图；
图4为本公开的无功补偿装置与***的连接示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
如图1所示，一种无功补偿装置，包括主电路和控制***，所述主电路为补偿电流的发生回路，包括依次连接的LCL单元和三电平变流模组；所述控制***包括计算板和控制板；计算板用于数据采集和处理，并将计算数据传输至控制板；控制板根据接收到的计算数据，产生有源与无源单元的控制信号，并将控制信号传输至主电路，对主电路的各个单元进行控制。
进一步的，所述主电路包括母线，以及接入母线的共补电容器、分补电容器、LCL单元和三电平变流模组。所述LCL单元一端连接熔断器后接入主电路的母线，另一端与三电平变流模组连接。所述共补电容器和分补电容器均通过连接接触器后接入母线。
所述LCL单元包括串联的第一电抗器L1和第二电抗器L2，在第一电抗器和第二电抗器之间的电路接入第一电容和第一电阻后接地。
所述三电平变流模组包括依次连接的IGBT模块、第一电解电容和第二电解电容；所述第一电解电容和第二电解电容之间的电路接地；IGBT模块的第一端与LCL单元的第二电容连接，IGBT模块的第二端与第一电解电容连接，IGBT模块的第三端与第二电解电容连接。
所述母线上还接入避雷器，避雷器的一端与母线连接另一端接地；
所述母线上还接入电流传感器；
所述母线通过断路器接入待补偿电路中。
所述共补电容器包括依次连接的构成三角形的三个薄膜电容器，其中两个薄膜电容器之间的电路与母线连接。
具体的，所述母线包括第一母线和第二母线，第一母线与第二母线通过熔断器连接，第一母线与共补电容器、分补电容器连接；第二母线与LCL单元、三电平变流模组、电流传感器和避雷器连接。
还包括辅助电路，所述辅助电路包括通讯电路，具有GPRS通信功能，可以远程对无功补偿装置信息的采集和控制，实现多级联调；具备多种外部通信接口，可以实现与台区等的通信；低压无功模块既可单台使用，也可通过RS485 多台组网构成补偿***使用。
主电路是指补偿电流的发生回路，其主要构成包括总进线断路器，各单元的快速熔断器、充电回路、LCL滤波模组及三电平变流模组与直流电容，投切接触器，共补、分补电容器等组成。
控制***采用集中控制方式，控制单元根据实际需要，控制有源与无源部分单独或共同输出待补偿电流。通过计算板实现数据采集功能，并对***的电流进行采样，分析计算***中的三相不平衡、无功、谐波等状况，同时与控制板进行数据交换。控制板根据接收到的计算结果，产生有源与无源单元的控制信号，同时监测单元内部的工作参数，将监测到的结果反馈回控制信号中，形成一个闭环控制***，控制各单元运行；并通过接口实现人机交互(触摸屏) 与远程通讯(DTU)功能。
控制功能和投切原则：1、复合开关采用“过零投切”技术，确保电容器投切无涌流，无过压，无电弧，提高装置的使用寿命。2、容量相同的电容器按循环投切原则，容量不同的电容器则按适补原则投切。遵循“合适优先、三相优先、均衡使用”的原则。
手动/自动转换功能，通过操作按键，可将模块在“手动”和“自动”投切之间切换。
通讯功能，具备GPRS通信功能，可以远程对无功补偿装置信息的采集和控制，实现多级联调；具备多种外部通信接口，可以实现与台区等的通信；低压无功模块既可单台使用，也可通过RS485多台组网构成补偿***使用。
电容器保护和报警功能，当出现过电压或欠电压、缺相、过温时，低压无功补偿模块可自动切除投入的电容器，以保护电容器，同时电压或温度项会闪烁显示以报警。当测量值恢复到正常范围内，电容器可恢复正常投切，并退出报警状态。
具体的，补偿方式：三相共补，依据低压供电***的负荷为三相基本平衡的原理，补偿电容器采用三角形接法，以交流接触器或晶闸管作电容器的投切执行元件，由功率因数控制单元控制投切的无功静态补偿装置。分相补偿，在广大农网中，其三相负荷的不对称性。如果采用共补方式对农网进行补偿，将造成对其余两相可能会出现过补或欠补的问题。其次，三相不对称负载共补方式进行补偿，将使变压器的容量得不到充分的利用。同时，三相不对称负荷，将使线路的损耗增加。新型智能无功补偿装置实现了共补和分补的智能自动控制，解决了农网中存在的过补和欠补的问题。分相补偿电路如图4所示。
针对性改造公变台区，新增无功补偿装置，采用SVG静止无功发生器方法进行补偿，以提高功率因数，提升电压质量，有效解决三相不平衡问题。
所采用的无功补偿方法是由电力半导体器件(IGBT)构成的桥式逆变器电路，通过电抗器并联在电网上，由计算机软件控制调节桥式逆变电路交流侧输出电流的相位和幅值，使该电路输出与电网电能质量问题相反的电流，达到改善电能质量的目的，并且有显著的节能效果。
无功补偿可以实时连续大范围无功调节，能进行分相调节，吸收滤波能力较强，噪声小、损耗小，响应时间小于10ms，具有三相不平衡电流补偿能力。装置采用复合开关实现电容器的过零投切，减小动作冲击电流，提高装置的使用寿命；具备GPRS通信功能，可以远程对无功补偿装置信息的采集和控制，实现多级联调；具备多种外部通信接口，可以实现与台区等的通信；内置多组电容器，可以分组投入，防止出现过补偿，提高电网***的安全；
无功补偿装置具备分补与共补功能；采用电容投切优化算法，循环使用装置内电容器，提高***使用寿命；优化的柜内设计，方便现场安装与维护。
(三)无功补偿在变电站和配电线路协调控制研究
在变电站和配电线路中，确定最优配合运行方式，在10kV配电线路中安装线路自动无功补偿装置，提升电能质量，降低线损。根据配电网的特点，可采取以下四种补偿方式，如图2所示。
1、变电站内集中补偿
在变电站10kV侧采用自动无功补偿装置，按设定功率因数分组控制电容器的投切，并保证负荷最小时，不向变压器倒送无功。
2、10kV配电网线路补偿
在10kV线路进行无功补偿主要采用“三分之二法则”：把均匀分布在一段仅有首端一个电源的线路上的无功负荷，分为3等份，无功补偿设备最佳安装地点为线路的2/3处，最佳配置无功补偿容量为总无功负荷的2/3。
3、台区低压侧无功补偿
在台区低压侧进行无功补偿，按照国家电网公司《电力***无功补偿配置技术原则》：补偿到变压器最大负荷时其高压侧功率因数不低于0.95，或按照变压器容量的20％～40％进行配置。
4、用户侧分散补偿
用户分散就地补偿可以从根本上解决用户无功的自给自足，达到节能的目的。对于低压用户，目前有考核功率因数，考核不达标要罚款，因此大部分用户自身都配置了无功补偿装置，所以在配网节能改造中一般不考虑这种补偿方式。
典型台区变压器及无功补偿改造方案：1、典型台区变压器改造结合实际情况，现有S7高能耗变压器基本为10年前安装，考虑到时间长能耗高及无法满足负荷高峰安全用电需求，故将S7型高耗能配变全部更换为非晶合金变压器。对运行中的S7高能耗配变，根据其年负荷考虑增容的情况更换为非晶合金变压器。
表1 S7变压器增容替换方案表
(2)设备性能
非晶变是采用非晶合金带材制作铁心的变压器，其最大优点是空载损耗非常低。原因是非晶变的磁通密度一般设计为1.35T左右，单位损耗约0.16W/Kg；硅钢片变压器的磁通密度设计一般在1.65T左右，单位损耗在1W/Kg，适用于平均负载率较低的农网，还适用于公路、桥梁、隧道、住宅区、市政照明等低负载率场合，通过在各地区更换非晶合金变压器，可明显降低变压器的损耗，与 S7同容量变压器相比，空载电流下降70％，空载损耗下降80％，变压器整体损耗下降超过30％。与S9同容量变压器相比，空载电流下降50％，空载损耗下降75％。
变压器低压线圈采用铜箔绕制，采用最新隔音技术，有效降低噪声，另也增强了变压器承受突发短路的能力；变压器联结组采用Dyn11，减少谐波对电网的影响，改善供电质量；油箱采用全密封结构，使用真空注油技术，可完全排除线圈中气泡，同时取消传统结构中的储油柜和呼吸器，变压器油与外界大气隔绝不受污染，可长期确保绝缘性能的稳定，最大程度延长设备使用寿命，免维护。
典型台区无功补偿改造：根据国家规定有关技术标准，结合实际情况，按照无功补偿以“配电变压器低压侧无功补偿为主、10千伏线路补偿以及10kV母线侧集中补偿为辅”的原则，对供电电压质量、功率因数不达标的配电线路、台区以及补偿不足的10kV母线侧装设自动无功补偿装置。
(1)对功率因数在0.9-0.93、供电半径超过10千米和对功率因数小于0.9、供电半径超过6千米的10千伏配电线路，安装线路自动无功补偿装置。
(2)根据配变容量的大小，给每个改造的台区配置1台低压智能无功补偿装置。
(3)在功率因数偏低，无功补偿不足的110kV或35kV终端变压器的10kV 母线侧增加1～2套自动无功补偿装置。
新增或更换低压台区无功补偿装置；10kV线路自动无功补偿装置；增加 10kV母线侧集中自动无功补偿装置。
表2配变低压侧无功补偿配置方案表
实施例2
本公开还提供了如上述实施例所述的无功补偿装置的使用方法，通过依次连接的LCL单元和三电平变流模组连接在电网上；通过实时调节输出电压的相位和幅值，可改变电路吸收或发出的无功电流，实现动态无功补偿。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种无功补偿装置，其特征在于，包括：主电路，所述主电路为补偿电流的发生回路，包括依次连接的LCL单元和三电平变流模组。
2.如权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述主电路包括母线，以及接入母线的共补电容器、分补电容器、LCL单元和三电平变流模组。
3.如权利要求2所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述LCL单元一端连接熔断器后接入主电路的母线，另一端与三电平变流模组连接。
4.如权利要求2所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述共补电容器和分补电容器均通过连接接触器后接入母线。
5.如权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述LCL单元包括串联的第一电抗器L1和第二电抗器L2，在第一电抗器和第二电抗器之间的电路接入第一电容和第一电阻后接地。
6.如权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述三电平变流模组包括依次连接的IGBT模块、第一电解电容和第二电解电容；所述第一电解电容和第二电解电容之间的电路接地；IGBT模块的第一端与LCL单元的第二电容连接，IGBT模块的第二端与第一电解电容连接，IGBT模块的第三端与第二电解电容连接。
7.如权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述母线上还接入避雷器，避雷器的一端与母线连接另一端接地。
8.如权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，所述母线上还接入电流传感器。
9.如权利要求1所述的一种无功补偿装置，其特征在于，还包括控制***，所述控制***包括计算板和控制板；计算板用于数据采集和处理，并将计算数据传输至控制板；控制板根据接收到的计算数据，产生有源与无源单元的控制信号，并将控制信号传输至主电路。
10.一种无功补偿装置的使用方法，其特征在于，
通过依次连接的LCL单元和三电平变流模组连接在电网上；
通过实时调节输出电压的相位和幅值，可改变电路吸收或发出的无功电流，实现动态无功补偿。
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