静止无功补偿装置治理电力系统污染方法的探讨.pdf

2 0 0 6 年第 2 4卷第 2期 内 蒙古电力技术 I NNER MONGOU A EI J ECTRI C POW ER 7 静 止无 功补偿 装置 治理 电力 系统 污染方法 的探 讨 Me t h o d Di s c u s s i o n o n Ha n d l i n g Po l l ut i o n o f El e c t r i c Po we r S y s t e m wi t h S VCs 魏哲 明 ( 乌海 电业局 ， 内蒙古 海勃湾0 1 6 0 0 0 ) 【 摘 要分析 了 内蒙古 西部 电 网的现 状 ， 提 出 了 改善 电 力 系统 电能质 量 的方 法 ， 明确 了其 发展 方向 。 关键词】电力系统污染； 高耗能； S V C； 治理 中图分 类号】 T M7 3 2 文献标 识码】 B 文章编 号】 1 o o 8 6 2 1 8 ( 2 0 0 6 ) 0 2 0 0 0 7 0 3 随着我 国科 学技 术和 国 民经 济 的发展 ，用 户对 电能的需求量 日益增加，对电能质量 的要求也越来 越高。 尤其随着信息技术的发展， 一方面用 电负荷 日 趋复 杂化 ， 多样化 ， 另 一方 面用户 对供 电可 靠性 的要 求越来越高。 本文结合 内蒙古西部电网( 以下简称蒙 西电网) 负荷现状及对 电网的影响 ， 提出了治理 电力 系统污染的方法， 阐明提高电能质量 的重要意义。 1 蒙西 电网负荷现状 1 1 送 电情 况 蒙西 电网是华北电网的组成部分 ，是主要的送 电端 ， 西起 阿拉 善 盟 ， 东 至乌 兰 察 布市 ， 承担 着 西 电 东送 的重要任务 。2 0 0 5年 ， 内蒙古地区装机容量达 到 1 1 5 6 5 3万 k w ( 其 中西 部地 区装 机容量 为 1 1 2 5 1 万 k W) ， 全年完成发电量 5 9 4 5 8 亿 k Wh 。 内蒙 古是 国内最早 实施 西 电东送 的省 区之一 ， 从 1 9 9 0年 至今 已 累计 向北 京送 电 8 7 1 9 8亿 k Wh 。 1 2 供 电范 围 主 要 供 电区 域 为呼 和浩 特 市 、 包 头 市 、 乌 海 市 、 鄂尔多斯市 、 巴彦淖尔市 、 乌兰察布市 、 阿拉善盟东 部 地 区 、 锡林 郭勒 盟西南 部地 区。 2 0 0 5年 ， 呼和 浩特 国 内生 产 总值 7 0 0 4 3亿 元 ，包 头 国 内生 产 总值 8 0 0 8 1 亿元 ， 乌海 国内生产总值 1 2 0 1 亿元。 这 3个 地方是蒙西地 区用 电量最多的地区。 1 _ 3 电力 需求 蒙西地区工业经济的发展在国民经济的发展 中 起着举足轻重的作用，同时也左右着电力需求及用 电量 的变化。 由表 1 可知 ： 蒙西工业用电占总行业用 电的 8 5 左右 。高耗 能企业 用 电 占工业用 电主导地 位 ， 在前十大工业用户中， 高耗能企业 占 8家。 表 1 蒙西 地 区工 业 用 电 量 对 比情 况 万 k Wh 2 高耗能用户对 电网的影响 2 1 对安 全 运行 的影 响 高耗能负荷的快速增长已经对蒙西电网造成污 染 ， 对 电 网的安 全稳定 运行 造成 如下 影 响 ： ( 1 )无 功 功率 大 量从 电源 侧 送 出 ， 造 成 无 功 功 率 的不合理流动 ， 增加了线损 ； ( 2 )电网电能质量下降 ； ( 3 )电网电压偏低， 对系统 的安全构成威胁 ； ( 4 )电源侧发 电机因发送无功功率过大 ， 在系 统 电压偏低 时 ， 限制 了有 功功 率 的发送 。 2 2 污 染 的原 因 ( 1 )大量的无功功率需求和电网无功功率电源 的缺少 ，造成蒙西 电网局部地 区电压 明显偏低 ， 谐 波 、 闪变等电能质量问题较为突出。 ( 2 )高耗能用户通常按炉变容量 2 0 - 3 0 过 负荷生产 ，因此每台炉在没有无功补偿的情况下平 【 收稿 15 1 期】 2 0 0 6 - 0 2 2 7 【 作者简介】魏哲 明( 1 9 一 ) ， 男 ， 内蒙古人 ， 毕业于东北 电力学院 ， 硕 士学位 ， 教授级高级工程师 ， 现从事行政管理工作。 维普资讯 8 内蒙古电力技术 2 0 0 6 年第 2 4卷第 2期 均 功率 因数 为 0 7 5 0 9 0 ， 在生 产过 程 中会 造成 三 相 不平衡 ， 产生负序分量 ， 如果生产工艺控制不当会造 成电压波动和闪变较大等问题 。蒙西电网高耗能用 户大都是精炼炉 ， 在生产过程中产生谐波， 是蒙西电 网主要 的谐波 源 。 3 静止无功补偿装置治理 电力污染 的方法 传统 的改善电能质量的方法主要有加装并联 电 容器 、 有载调压变压器 、 静止补偿器、 同步调相机等 ， 但 这些 方法 不能完 全解 决 以上 电能质量 问题 。近 年 来 ， 随着 电力 电子技术 、 计算机技术和 自动控制技术 的快速发展 ，利用高性能的电力电子装置来改善 电 能质量成为可能。这些装置主要有静止无功补偿装 置 ( S V C ) 、 无源滤波器 、 有 源滤波装置 ( A P F ) 、 静止 无功 发生器( S V G) 、 静止 同步补偿器 ( S A T A C O M) 、 统一潮流控制器 ( U P Q C ) 、 动态电压恢 复器 ( D V R) 、 固态断路器( S S B) 、 固态转换开关 ( S S T S ) 等。其中由 于使用 晶闸管 的静止无功补偿装置具有优 良的性 能 ， 已经在 工业 系统 得到 了广泛 的应 用 。 3 1 S V C的特点 S V C是指能够用无机械传动部件而达 到提供 无功出力的装置，它 由静电电容器和晶闸管等部件 组合而成。S V C采用晶闸管装置取代有触点开关 ， 从而使无功出力能平滑地 、 连续性地 、 快速地调节控 制。 无功功率是瞬时变化的 ， 其变化频率 、 幅度、 速率 称之为无功变化三要素 ， 根据其变化的大小 ， 对无功 补偿装置提出不同的要求 。 ( 1 ) 随着现代工业 的发展 ， 电力网中出现了冲 击性有功负荷 ，这些冲击性有功功率带来了冲击性 无 功功 率 。 例 如在 电弧 炉金属 熔 化期 间 ， 需要 的无功 功率急剧变化 ，要求监测其所需的无功功率，采用 S V C， 使其发 出急剧变化的等量的无功 出力 ， 以保持 电弧炉持续在高功率因数状态下运行。冲击性无功 负荷的变化幅度 、 速率很大 ， 以轧钢机为例 ， 新加坡 钢厂的两套热轧机和冷轧机，其平均有功负荷与无 功负荷为 5万 k W 与 5万 k v a r ，最大有功负荷与无 功负荷为 1 O万 k W 和 1 O万 k v a r 。这种 冲击性负荷 的特点是功率因数低 ，冷轧机与热轧机的功率 因数 在 O 7左右 ， 大型电弧炉平均功率因数也只有 0 8 5 - O 8 7 。而且当温度升高时，功率 因数还要进一步下 降 。 ( 2 ) 一般来说 ， 电力系统 中的枢纽变电站或无 冲击负荷 的变电站 ，其无功功率三要素的变化范围 很小。只要其变化周期在 1 S以上， 或其变化频率每 小 时不 到 1 O次 ， 此 时采 用调 相机 就可 满足补 偿 无功 功率的要求 ； 如果无功负荷的变化周期在 1 S 以下 ， 或其变化频率在每小时十几次至几十次之多，调相 机没有适应能力 ，而必须采用静止无功补偿装置 S V C进行无 功补 偿 。 ( 3 ) 同步调 相机 和投切 电容器 ， 只能 补偿 负荷 的低功率因数 ，没有能力稳定冲击性无功功率的变 动 ， 更无能力消除高次谐波 电流 ； 但采取 S V C能解 决 这些 新 的问题 。 3 2 S V C一 次 系统 S V C一 次 系统 由滤波 器组 和 T C R支路构 成 。 3 2 1 滤 波 器组 滤波器组主要由电力电容器、电抗器 、放电线 圈、 避雷器 、 刀闸、 电流互感器 、 断路器等主要一次元 件组成，其 中电抗器与电容器串联在特定谐波频率 下产 生谐振 ， 对 特定 谐波 呈现 低阻抗 ， 实 现谐波 滤 除 功 能 ； 同时 ， 对 5 O H z 工 频 呈现 容性 ， 在 S V C系统 中 提供 容性 无功 。 3 2 2 T C R 支路 T C R 支路 主要 由相 控 电抗 器 、 穿 墙 套 管 、 避 雷 器 、 晶闸管阀组 、 刀闸、 断路器 、 线电流互感器 、 相 电 流互感器等主要一次元件组成 。T C R由晶闸管构成 的可控阀体与电抗器串联 ， 采用三角形连接。 这样 的 电路并联 到 电 网上 ，相 当于电感 负载 的交流 调压 电 路 ，吸收的谐波电流和无功功率随着控制角的增大 而减小 ， 达到实现调节无功功率的 目的。 负载的变化 正是 由 T C R所产生 的变化无功功率进行平衡使得 两者之和总是维持为常数 ，此常数感性无功功率被 F C的容性无功功率抵消 ， 最终使得电网的功率因数 保持在设定值( O 9 5 ) 附近。 图 1为 T C R 晶 闸管 控制 电抗 器 的原 理 和 电 流 波形 图 ， T h 。 、 ，I 1 h ： 为 2个反 并联 的晶 闸管 组 ，分 别在 电源 电 压波 的 2个 半 周 内导 通 ，控 制 角 a在 9 O 。 一 1 8 0 。 范 围内调 节 。9 O 。 时吸 收 的感性 无 功最 大 ( 短路 功率 ) ， 1 8 0 。 时吸收的感性无功最小( 空载无功 ) 。由 于电抗器是纯感性负荷 ， 因此电流滞后 电压 9 O 。 ， 电 流产 生之 后是 感性 无功 。 O 。 。 图 1 TCR接 线 原 理 和 电 流 波 形 图 维普资讯 2 0 0 6 年第 2 4卷第 2期 内蒙古电力技术 9 T C R 相控 电抗 器 由 晶 闸管 相 控 阀 与 电抗 器 串 联构成 ， 三相接线形式大都采用三角形连接 ， 这种接 线形式比其他形式电流中谐波含量小 。 另外 ， 当容量 较大 时 ， 将 电抗 器分 为等 容量 的两部 分 ， 串接在 晶 闸 管相控阀的两端 ，这样可以使晶闸管在电抗器损坏 时得到额外的保护 ， 见图 2所示。 图 2 T CR三相接线 图 S V C采用单独 的一相控制通 过调节三相的容 抗和感抗来补偿不平衡线性稳定负荷 ，使不平衡负 荷 变成 三相平 衡 负荷 ，而不需 要 改变 负荷 和 电源 间 的有功功率的交换值， 这样 ， 电网负荷不对称产生的 负序 电压可以消除， 通过平衡不对称负荷， 整个电网 的损失 就会 降低 。 4 S V C在 国外 的应用 经 过 3 0多年 的 发展 ， S VC在 国外 已相 对成 熟 ， 至今全世界有近 4 0 0套 S VC ，总容量约 3 0 G v a r 的 S V C在输 配电系统运行 ； 超过 5 0 0套 、 总容 量约 2 5 G v a r 的 S V C在工业部门使用 ， 其 中英国国家电网就 有 3 2套各种 S V C装置在输 电网运行 ，用 以提高北 爱尔兰向南部伦敦等负荷中心输送电力的能力 ， 稳 定受端 电网。 目前 ， S V C仍作为输配 电系统动态无 功 补偿 的主要 实 用技 术 手段 ， A B B公 司 已给世 界 各 国提供近 4 0 0套 S V C装置( 其 中输 电网 S V C约 1 5 0 套左右) 。近几年 ，每年仍提供约 8套左右 S V C装 置 ， 仅 1 9 9 9年就提供给输 电网 l 0套。 5 S V C在 国内的研究 开发 与应用 ( 1 ) 国内 的理论研 究及 探讨 的文 章不 少 ， 但 国 产化 产 品的开 发 、 生 产 缺少实 质性 的工作 。 原 机械 部 于 1 9 8 5年 从 瑞 士 B B C公 司引 进 T C R 型 S V C制 造 技术 ， 但控制器仍采用模拟控制技术， 在国内钢铁行 业应用 l 0套左右，未能得到广泛推广。早在 1 9 9 9 年 ， 原国家电力公司有关领导以敏锐的洞察力， 预见 到今 后 中 国电 网将 面 临动 态无功 电源 紧张 的被 动局 面 ， 要求 中国电力科学研究院进行“ 静止无功补偿器 实用 化技 术 的研究 ” 。中 国电科 院通过 自主研发 ， 于 2 0 0 2年推 出了T C R型 S V C新平台，采用 了全数字 化控制 、 封闭式 纯水冷却 、 综合 自动化 、 光 电触发等 系列 新技 术 ， 并成 功地 应用 到 电弧炉 治理 工程 中 ， 在 一 系列关 键技 术上 已经 同国外各 大公 司处 于 同等 水 平 。就输 电 网而言 ， 对 于高压 大容 量 的 S V C， 国内 尚 不具备制造能力 ， 特别是关键技术的系统集成能力。 通过 近 3 a的技 术 储 备 和用 户 端 2 0多套 S V C的工 程应 用 ， 具备 了开展 输 电 网 S V C应 用 技术 开 发 和工 程实 施 的基础 条件 。 ( 2 )国内某公司通过引进乌克兰高压交直流电 及电网互联 领域用 高压大功率动态无功补偿 S V C 技术 ，开发出适合中国国情的高压交直流输电及电 网互联用高压大功率动态无功补偿装置( S V C) 国产 化产品， 不仅打破了国外企业在高压交 、 直流输 电及 电 网互联 领域 对 S V C的技 术垄 断 ， 以最 小 的投 入 和 最 短 的周期 ，迅 速掌 握 了这一 具有 国 际领