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无功补偿不等容投切方案的优化设计与应用 |
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作者：天津威斯康 |
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引言
对感性负荷进行无功补偿是降低线路损耗、减少电压损失、提高供电设备效率和电能质量的重要举措，随着中国经济的快速发展，无功补偿滤波装置的市场需求也在快速的增长。无功补偿的设计容量随着变压器的装机容量增大而增加，目前，大多数在建和已建成的项目中无功补偿装置实际应用中均采用传统的等容补偿方式，由于单回路补偿容量设计过大，在负载发生频繁变化或轻载的时候容易引起投切振荡，使无功功率补偿无法得到预期的效果，降低无功补偿装置的运行能力，使无功补偿设备提前损坏乃至引发其它事故等。因此，无功补偿的线性补偿即优化投切在实际应用中显得至关重要。
案例分析
一般来说传统的补偿方案都只有一种编码方式即相等固定容量（1：1：1...:1) 循环投切，电网所需要补偿的容性无功功率的数值往往是连续的不分等级的，受硬件条件的限制补偿装置提供的容性无功功率通常都是有限的几种等级数值，这是一对供需矛盾，这对矛盾在系统负载比较小的时候表现更为突出，现举例说明如下：如某用户有一只630 KVA的变压器，设计补偿总容量为200Kvar, 用20Kvar的的电容器组共10只，控制器采用市面上常用的JKG型控制器，此控制器的控制物理量是功率因数，目标功率因数投入门限是滞后0.92，切除门限是滞后0.99，在晚上的某时刻发现系统功率因数为滞后0.60，视在功率为12.5KVA，感性无功功率为10Kvar，控制器不停的进行来回投切动作。分析其根本原因是由于负载很小，单组电容器的容量（20Kvar）远远大于系统所需补偿容量（10Kvar）所致，当控制器没有投入电容器组系统功率因数是0.6，根据JKG型控制器控制原理系统功率因数低于目标功率因数时控制器必须投入电容器组，当电容器组投入后多补偿了10Kvar的容性无功功率，使得补偿后的功率因数从感性的0.60变成了容性0.6，由于JKG型控制器的切除功率因数门限是滞后0.98，所以控制器又需切除刚投入的电容器组，这样就不停地来回重复动作。专业术语叫投切震荡，其弊端有两点：第一频繁而无意义的投切动作大大缩短了电容器组和电容器投切开关的使用寿命，第二电力系统虽然安装了无功补偿装置却达不到预期的补偿效果。
一台2000KVA的变压器补偿容量大致需要600千乏左右，按常规等容补偿设计为单路30+30千乏10路分主辅两台柜子由一台补偿控制器进行控制投切（有的用二台控制器分别投切），单回路投切电容器容量约在60千乏，电容器组的单回路容量相对比较大，当投入电网使用后往往会出现2种不正常的问题：
1、当补偿装置的控制器采用功率因数为控制物理量时，在负载比较小时很容易出现投切震荡现象；
2、当控制器采用无功功率为控制物理量时，在负载比较小的时候很容易出现补偿装置不能投入电容器，或达不到用户设置的目标功率因数等现象。实际上这些不正常的现象背后最根本的原因就是电容器的单回路容量设计过大造成的，很多经常深入生产一线的无功补偿工程设计人员在实际应用中也发现了这种现象，也明白了这现象发生的原因，他们在以后的无功补偿设计中也对电容器的容量设计都会考虑采用不等容的设计思路，也就是说在整个无功补偿滤波装置中既采用容量小的电容器也有容量大的电容器组，由具有容量搭配数法的补偿控制器进行容量的大小搭配来满足负荷对无功功率时刻变化的需求。
以上现象大部分用户都会遇上，不同的是情况有轻有重而已，这个问题也是每个用户不可回避的实际问题。
对于为了适合电网负载大小变化而进行电容器容量大小搭配的做法在这里被称为不等容补偿，实践证明，进行容量的大小搭配来满足负荷对无功功率时刻变化的需求方法是非常可行的。但如何能解决所有的问题，问题就出在如何搭配电容器容量的大小，关键还是控制器的搭配算法是否合适,目前市面上提供用户进行不等容设计的补偿控制器大致分为二大类：
1、每只电容器都需要通过控制参数进行预置，用户可以自行设置电容器容量的大小；
2、每只电容器之间都有严格的比例关系，这种关系叫编码，有多种编码可供用户选择，当第一只电容器容量确定后，其余的电容器容量也就确定了.所以用户只要通过控制参数预置第一只电容器容量即可。在这里输出编码的概念是指控制器输出电容器组投切控制信号的方式，而输出方式直接与电容器组容量的大小搭配方式有关。既然是编码那么电容器容量的大小就不能随意给定，它应符合一定的编码规则。
电力系统对无功功率的需求其大小变化是无法预知的，实际测量其可操作性也非常差。但我们可以以不变应万变，如果有一台补偿装置它可以输出任意大小的无功功率，那么不管电力系统对无功功率的需求如何变化，都可满足需求，这就是我们追求的理想补偿目标。然而就目前的无功补偿技术而言，大致存有以下几点情况：
1、采用等容量补偿在经济性，可靠性，自身功率消耗及维护的方便性方面其综合指标是最高的，由于等容方案因为容量的组合、元件采购、制作工艺、售后服务等因数的简便便原因，这也是为什么这种方法被广泛应用的主要原因。任何事物都是俩面性的，它的缺点就是不能连续的线性的输出无功功率，
2、采用自行搭配设置电容器容量的大小的不等容投切补偿方案和传统的等容补偿方案相比补偿精度得到了提升，但运算过程速度相对没有编码投切功能来得快；
3、采用编码投切由于每只电容器之间都有严格的比例关系，电容器容量设计必须严格按照比例定义的关系进行搭配，一方面比例关系是由小到大，最常用的编码投切关系有以下几种：
Pr-1=＞1:2:2:2:2...:2 Pr-2=＞1:2:4:4:4...:4
Pr-3=＞1:2:4:8:8...:8 Pr-4=＞1:1:2:2:2...:2
Pr-5=＞1:1:2:4:4...:4 Pr-6=＞1:1:2:4:8...:8
Pr-7=＞1:2:3:3:3...:3 Pr-8=＞1:2:3:6:6...:6
Pr-9=＞1:1:2:3:3...:3 Pr-10=＞1:1:2:3:6...:6
以上几种编码投切关系在容量搭配、补偿精度，投切路数都已经很是不错了，但在实际应用中还是存有一定的不足，比如这种比例关系当第一只电容器容量确定后，其余的电容器容量也就确定了，因此当第一只电容器容量设计过大则按比例关系后面补偿容量要么过大，当第一只电容器容量设计过小则按比例关系后面补偿容量要么过小，难以达到补偿容量的设计要求。由于编码的关系总容量很难和设计图纸标注的补偿容量整值相吻合，使得成套厂很难做到和招标文件中规定的补偿容量值。
但我们可以通过科学合理的设计来弥补这些方面的不足。我们通过高新技术，将上面二大类不等容的设计思路进行了兼容，推出了无功补偿滤波装置的核心控制中心，无功补偿谐波综合测控终端VPFE3的不等容补偿优化投切方案能创造性地解决以上问题，编码投切+随意搭配电容器容量大小的组合优化投切功能，实现了精细投切和快速投切的完美结合。该补偿方案弥补了现有等容投切和二大类不等容投切方案的不足。
要解决以上问题我们认为只要做到三点即可：
第一补偿装置的控制器投切物理量必须取无功功率；
第二所有电容器组不能取等容量，应进行大小搭配；
第三控制器应具有自动挑选合适电容器容量，能连续的输出线性无功功率的能力。
而VSK品牌的VPFE型控制器的优化投切方案就具备这三点，在实际应用中发挥着意想不到的效果。
案例解决1、我们用VPFE3型控制器的不等容优化补偿方案用来解决上面提到的案例问题，根据案例电网参数的特点，补偿总容量为200Kvar，采用编码比例关系+随意设置容量的综合补偿方案：1：2：4：8：X：X：X：X（X为随意设置搭配容量值），第一回路取5kvar,第二回路取10kvar,第三回路取20kvar,第四回路取40kvar，第五回路至第九路取20kvar,,第拾回路取25kvar,共10只电容器组总容量为200Kvar。当电网需要10kvar时控制器只要投入第二回路即可，当需要15kvar时只要投入第一第二回路即可，当需要20kvar时只要投入第三回路即可。投入容量的选择VPFE3可自动一不完成。由于VPFE3采用无功功率控制电容器组的投切，所以他没有投切震荡问题。
案例解决2、我们用VPFE3型控制器的不等容优化补偿方案用来解决上面提及常用的2000KVA变压器补偿容量为600Kvar 的案例问题，二种补偿方案容量搭配见下表：
两种补偿模式对比不难发现：采用常规等容循环投切补偿方案的投切精度最小单位为60kvar,等容循环投切不管负载如何变化则每个回路投入和切出的阶级都将保持在60kvar, 而采用编码+随意设置容量的综合补偿方案的投切精度最小为10kvar, 使无功补偿系统能跟随负载的频繁变化而真正做到快速平滑的无功补偿。
VPFE3不等容补偿方案每个输出回路的电容器值的容量设计关系
VPFE3-12型控制终端共有12回路输出，分别编号为21、22、23、…32；按规则控制输出端子的对应容量设计关系如表2所示。
VPFE-12D控制器的工作原理
VPFE采用功率因数和无功功率两个控制参数控制电容器组的投切，当电网的功率因数低于目标功率因数时，VPFE便计算将当前的电网的功率因数提升到目标功率因数时所需要补偿的无功功率，当所需无功功率大于单组最小电容器组容量的0.65倍时就决定投入电容器组，经过用户定义的延时时间后，如投入条件仍然成立，控制器马上投入控制信号；当所需无功功率远远大于最小电容器容量时，控制器可能一次性投入多只电容器组，为了满足电磁兼容的要求，一次性投入多只电容器组的总容量不大于补偿系统最大单只电容器容量，一次性的到位补偿，避免了多余的投切环节提高了电容器投切开关和电容器的寿命；当补偿无功功率小于单组电容器最小值的0.65倍时，VPFE3将拒绝投入。为了应对电网负载变化比较快的场合，VPFE3使用延时时间内的无功功率平均值作为投切电容器组时的无功依据。
方案一、采用常规等容循环输出补偿方案:
上图为补偿总容量360Kvar，采用传统的等容循环投切，补偿精度最小为30Kvar，要达到补偿容量为360 Kvar时需要投入12步补偿回路。
方案二、采用不等容编码补偿输出补偿方案:
采用编码方案后补偿精度明显得到提升，并可大大减少补偿的回路数（可节省电容器组投切开关），但由于编码的关系，单回路容量设计时要么过大要么过小，总容量很难和设计图纸标注的补偿容量整值相吻合，使得成套厂在设计中很难做到和招标文件中规定的补偿容量值相一致。
方案三、采用编码+任意容量组合的补偿输出。（推荐不等容优化补偿方案比以上几种方案更为合理）
补偿方案采用编码+随意设置电容器组容量后补偿精度可达到5kvar～15kvar，12步补偿回路，补偿容量设计不受局限，可跟据用户容量大小的要求设置不同的容量组合并大大减少补偿的回路数（可节省电容器组投切开关）。
本方案的最大优点：运算投切速度快，补偿精度高和电容器容量可任意灵活设计，可满足任何场合的无功补偿的要求，做到大小容量皆宜，平滑线性补偿效果，节能性和可靠性更高。
动态快速及谐波滤波补偿方案应用图
图1 动态无功快速补偿装置接线图
天津威斯康电能质量整体解决方案
中压就地调谐型无功补偿+低压集中调谐型无功补偿+无源滤波器低压侧滤波+有源滤波器低压侧滤波整体方案
调谐型的无功功率补偿，补偿功率因数的同时，可以有效抑制滤除系统中谐波对电容器的影响，保护电容器。
图2 电能质量整体解决方案
(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(7/11/2014) |
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| 天津威斯康电能补偿系统有限公司联系方式：
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http://www.vsk-cn.com
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电话：86-022-27277999 |
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