静止型动态无功补偿装置MSVC在煤矿系统的应用.doc

静止型动态无功补偿装置MSVC在煤矿系统的应用 技术资料静止型动态无功补偿装置MSVC在煤矿系统的应用北京三得普华科技有限责任公司2010年3月北京三得普华科技有限责任公司 41目 录一、概述2二、补偿容量的确定方法41、计算方法42、计算实例5三、提高煤矿供电系统电能质量的相关标准和重要性6四、应用静止型动态无功补偿装置MSVC的优越性81、传统电容器固定补偿方式存在的问题82、MSVC装置的优越性113、MCR型SVC的基本构成194、MCR介绍235、MCR在电网中的实际应用32五、结束语39附件：工程概算、相关一次、二次、控制、保护设计图纸一、 概述我国自70年代开始推广机械化采煤后，煤矿用电负荷逐年激增。近年来，出于采煤工艺和节能两方面的需求，大量非线性负荷在煤矿供电系统中被广泛使用，类如竖井提升机的整流装置（近年来变频器呈逐步取代直流的趋势），绞车、盘车启动用变频装置，综采机、刮板机变频装置，露天矿的大型电铲、洗选煤厂的水泵变频设备等等。煤矿供电系统通常远离城市供电负荷中心，存在供电距离长、供电容量相对较小的客观问题。在这样的供电客观条件下，用电负荷激增和非线性负荷的使用带来了一系列的电能质量问题，不利于煤矿的安全生产和经济运行，其主要表现在以下两个方面：1、 大量无功功率和电网的交换及无功的反复冲击1.1 对经济性的影响主要表现在：煤矿用电负荷绝大部分由电动机及变压器这些感性无功负荷构成，其工作时需要大量的无功功率。煤矿生产不同于流水线固定模式，存在很大的随机性，负荷波动相对较为频繁。而目前煤矿供电系统的无功补偿装置较为落后，还停留在固定电容器有级补偿的技术层面上，无法应对频繁波动的无功功率，往往存在过补偿和欠补偿的现象。对经济运行的影响表现为传递无功功率时引起的额外线路损耗和电力部门的力率罚款。1.2 对安全性的影响主要表现在：冲击性无功引起电压波动。由电力系统分析可知，总压降是有功功率在电阻上产生的压降和无功功率在电感上产生的压降的合成。又因为线路电感远大于电阻，所以无功功率是影响电压的主要方面。 U=（QX+PR）/ U2由上式可知：冲击性无功波动会引起煤矿供电电压波动，严重时，可造成精密设备欠压或过压保护动作，如果一类供电负荷跳闸，将影响煤矿安全生产。2、 谐波危害由非线性负荷的使用引起的谐波已经成为电网公害。其主要表现为电流畸变以及由其引发的电压畸变。1.1 对经济性的影响主要表现在：电流谐波产生的“集肤效应”和“邻近效应”使线路的通流损耗激增。电流谐波通过变压器时，增加了变压器的铜损和漏磁损耗，其产生的谐波电压能增加铁损。变压器的发热程度直接影响了变压器使用容量的降低程度。1.2 对安全性的影响主要表现在：1.2.1 谐波引起旋转电机的附加损耗和发热，严重时将烧毁旋转电机；1.2.2 煤矿供电系统为不接地系统，当单相接地故障发生时，谐波会使接地电流增大，扩大故障范围;1.2.3 谐波引起供电系统继电保护和自动装置的误动，严重时会造成大面积停电事故;1.2.4 谐波对电能计量和测量仪表造成干扰，产生误差;1.2.5 高次谐波对通讯线路和控制信号产生电磁和射频干扰；1.2.6 研究数据表明，谐波是电力电缆损坏的主要原因，其主要表现为：引起电力电缆的介损、泄露电流、温升及局部放电增加，单相接地故障的可能性增加二、 补偿容量的确定方法1、 计算方法确定补偿容量的方法是多种多样的，有以提高功率因数为目的的，有以降低线损为目的的，有以提高运行电压为目的的、有用补偿当量来确定补偿容量的，但其目的都是要提高配电网的某种运行指标，下面我们以煤矿供电系统经典设计方案为例，从提高功率因数需要来确定补偿容量。（图一、煤矿供电经典设计图例）如果煤矿供电网络最大负荷的平均有功功率为Ppj，补偿前的功率因数为COS1，补偿后的功率因数为COS2，则补偿容量可用下式计算：Qc=Ppj（tg1-tg2）=Qpj（1-tg2tg2） （2-1）或写成：QC=Ppj1COS21-1-1COS22-1 （2-2）式中： QC所需补偿容量，kVar Qpj最大负荷日平均无功功率，kVar Ppj最大负荷日平均有功功率，kW2、 计算实例如图一所示，假设两台主变容量相等，为8000kVA，主变高压侧电压为35kV，主变低压侧电压为10kV，母联开关除检修时，永远在合位，两台主变一用一备，井上通风机、提升机、空压机，井下综采机、刮板机、皮带机等用电设备最大负荷日平均有功功率为4000kW，给井下供电的10kV 电缆长度2km，系统自然功率因数为0.8（这个值通常是按照感应式电动机自然功率因数，考虑到电动机和变压器设计余量而确定的），目标功率因数0.95，求在目前条件下，达到目标功率因数0.95的需补无功总量。应用式（2-2）QC=Ppj1COS21-1-1COS22-1 =400010.82-1-10.952-1 = 2568kVar 在精确计算中，以上这个值QC，还应该要减去电缆充电功率QCD，充电功率的大小与运行电压的平方和线路的长度成正比：QCD=2fC0U2L （2-3）式中： QCD线路的充电功率，kVar； f电网频率，HZ； U运行线压，kV； L线路长度，102km； C0线路的充电电容，F/102km。为了简化计算，C0可按经验数据确定，一般取0.00097F/102km。 QCD=2fC0U2L=23.14500.000971020.02=0.61kVar通过以上计算，我们可以看出，当电压小于35kV，电缆长度小于50km时，所得电缆充电功率通常很小，所以煤矿需补无功计算，可以忽略电缆的充电功率。最后确定的需补无功总量为2568kVar。三、 提高煤矿供电系统电能质量的相关标准和重要性l 电能质量 公用电网谐波GB/T1454993；l 电能质量 电压波动和闪变GB123262000；l 电能质量 三相电压允许不平衡度GB/T1554395；l 电能质量 供电电压允许偏差GB/T1232590；l 电能质量 电力系统频率允许偏差GB/T1594595；l 暂时过电压和瞬态过电压GB/T18481-2001l 全国供用电规则国网公司关于颁发电网电能质量技术监督管理规定的通知中写到：”电网供电电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及发、供、用各方面投资者、经营者的权益，优良的电能质量对保证电网和广大用户的电气设备和各种用电器具的安全经济运行、保障国民经济各行各业的正常生产和产品质量以及提高人民生活质量具有重要意义。同时，电能质量有些指标受某些用电负荷干扰影响较大。全面保障电能质量是电力企业和用户共同的责任和义务。国家在电力法中已作了相应的要求，因此，各级电网经营企业都要重视不断提高电能质量，结合本网实际，认真贯彻执行该规定。”由于煤矿开采生产特殊性，防火、防爆、防电气事故，因此对供电电能质量有更为苛刻要求和限制，谐波和电压波动是造成电气火灾和爆炸的最重要因素之一，煤炭行业从供电安全上来说治理电能质量及谐波已势在必行。表 2.11 电能质量主要类型波形或RMS变化电能质量特征描述引起扰动的主要原因解决方法表现形式类别暂态冲击暂态扰动1、峰值2、上升时间3、持续时间1、雷电2、电焊机3、负荷开关4、电容器开关1、装避雷器2、装滤波器3、装隔离变压器短时波动暂态扰动1、波形2、峰值3、频率分量1、线路或电缆开关2、电容器开关3、负荷开关1、避雷器2、滤波器3、隔离变压器骤降/骤升RMS扰动1、RMS及对应时间2、RMS值3、持续时间远端系统故障1、调压变压器2、能量存储技术（抽水蓄能）3、不停电电源UPS电力中断RMS扰动持续时间1、系统保护2、断路器3、熔断器4、定期检修1、能量存储技术（抽水蓄能）2、UPS3、备用发电低电压/过电压稳态变化1、RMS及相对时间2、统计1、马达起动2、负荷增加3、负荷减少1、电压调节器2、调压变压器谐波稳态变化1、谐波频谱2、总谐波畸变率3、统计1、非线性负荷2、系统谐振滤波器电压闪变稳态变化1、Pst和Plt2、变化频度3、调制频率1、间隙性负荷2、马达起动3、电弧炉静态无功补偿器表 2.12 国内外电能质量监测指标序号监测指标国 标EN50160（欧共体）CEA（加拿大）1频率偏差2电压偏差3电压波动4电压骤降5短时断电6长时断电7暂时工频过电压8瞬态过电压9电压不平衡10谐波11间谐波12电源信号电压13波形畸变指标14电压骤升上表中，EN50160是欧洲共同体在英国标准的基础上形成的一个电能质量标准，拟作为欧洲共同市场对中、低压电能质量的统一标准。CEA是加拿大测量电能质量指标的基准协议，该协议中的11项指标是从25类质量指标中筛选出来的，该协议成为加拿大全国电能质量指标监测的准则。各国对电能质量关注程度和范围决定了考核指标的不同，相应的电能质量标准也正在逐步完善中。四、 应用静止型动态无功补偿装置MSVC的优越性1、 传统电容器固定补偿方式存在的问题1.1 补偿电容器引起异步电动机自激现象当补偿电容器和异步电动机直接在开关的负载侧时，在开关断开后，电路内的电压不能立刻降为零，反而有所升高，需经过一定时间后才能降下来，这种现象称为自激现象。异步电动机发生自激现象时，电动机将产生数值很高、持续时间较长的过电压，这将对电动机和电容器产生极为有害的影响。对电动机而言，电压升高不仅威胁电动机的绝缘，降低其使用寿命，而且当电源很快再次重合时，由于自激电压与电源电压相位、频率不同，相当于非同期并列。电动机将受到过大的电流和力矩的冲击，易使电动机轴和连接部件损坏。对电容器而言，不仅受异常电压的冲击，同时，由于电容器的工作容量与电压的平方成正比，所以将导致电容器因过负荷而发热，甚至烧毁。1.2 投入电容器时产生的涌流并联电容器组投入时，不仅会产生过电压，而且会同时产生幅值很大、频率很高的涌流。它分为两种情况：一是单独一组电容器投入；二是已经有并联电容器正在运行，又投入一组电容器。计算实例：假设煤矿电网10kV侧，装有容量为1000kVar的并联电容器，电容器安装处的短路容量为500MVA，试计算合闸涌流ICm：K=ICmIm=1+ PDLSCe =1+50010=8.1Im=2 I=2QC3Ue=21000310=810ICm=KIm=8.1810=6600（A）这样巨大的合闸涌流必须加以抑制，通常串联一小值电抗器，经过抑制的合闸涌流依然达到额定电流的8倍以上！更为巨大的合闸涌流发生在第一组电容器运行时，第二组，或者第N组电容器投入时。其值是额定电流的40倍左右，而且这个涌流的频率非常高，具有非常大的破坏力。1.3 电容器组投入或切除时产生的暂态过电压电容补偿回路断路器合闸、分闸时都会产生过电压，而合闸时的弹跳和分闸时的重燃，都会增加过电压的概率和倍数。尽管串接电抗器的并联电容补偿装置有限制合闸涌流、短路电流、谐波的作用，但有了串接电抗器，特别是品质因数较高的电抗器，常使断路器重燃概率和过电压幅值增加。由电容器投入或切除时产生的暂态过电压，是系统内部过电压，对共网所有设备有效，危害很大。因此，国网公司在事故反措方案中明文规定“对于高压电容器补偿，应尽量减少投、切次数“。1.4 电容器固定补偿精度差以上介绍的是电容器组固定补偿因投、切工作方式带来的安全危害，同时，电容器固定补偿是有级差调节，补偿精度也比较差，不能做到线性跟踪补偿，无法应对煤矿无功负荷的变动。1.5 电容器固定补偿无法同时做到既补偿基波无功又滤除谐波煤矿电网大量非线性负荷的使用，造成网内谐波污染严重，如不加以滤除，将对煤矿安全生产构成了严重威胁。电容器补偿支路，同时也可设计成滤波通道，有针对性的滤除相应谐波，但是，这种方式在固定电容器组投、切补偿模式下无效，原因很简单，控制器为了应对基波无功的波动，必须切除一定容量的电容器组，这样一来，等于同时也切除了相对应滤波通道。无论切除那次谐波的滤波通道，势必使这次谐波继续污染电网。2、 静止型动态无功补偿装置MSVC的优越性在早期的并联补偿技术中，动态无功补偿设备一般采用同步调相机。至今在一些地方还有应用，并且随着控制技术的进步，其整体性能也有较大的提高。虽然它在功能作用上具有得天独厚的优势。但是，由于其运行过程中存在运动部件，使得操作、维护困难，另外，还存在结构复杂、投资高、电力损耗大等缺点，使其推广应用受到制约。逐渐被静止式动态无功补偿设备所取代。静止式动态无功补偿装置(Static Var Compensate)应用于电力系统中,对系统产生的作用有：增强系统的暂态稳定性。SVC安装于中长距离输电线路中点可以改善系统的暂态稳定性。有力的支持系统电压，防止电压崩溃。系统发生故障或者负荷电流(尤其是无功电流)急剧增高的瞬间，SVC 能够对系统进行瞬时无功补偿来支撑电压以抑制电压崩溃的趋势。有效的阻尼系统振荡。SVC可以用极高的速度平滑地调节无功和电压，具有调制状态工作的可能。可以根据系统需要发出容性无功和感性无功。抑制负荷侧电压波动和闪变，校正功率因数。有效改善电压质量，节能降耗静止式动态无功补偿设备被描述为：“通过对其感性或容性电流的调整，来维持或控制其与电网连接点的某种参数（典型情况为控制母线电压）的一种并联连接的静止无功发生器或吸收器。” 随着电力电子技术的不断进步和成熟，及其对供电网络系统优异的动态补偿性能，逐渐被人们关注，得到了长足的发展。这里所说的“静止”是相对同步调相机而言，主要指设备在运行过程没有运动的机构。按照静止式动态无功补偿设备的结构特点，其型式主要有以下几种： 自饱和电抗器型（SR） 饱和电抗器型 直流励磁控制饱和电抗器型 可控饱和电抗器型 （FC+DSR） 磁阀式可控电抗型（FC+MCR） 静止式动态无功 晶闸管投切电容器型（TSC）补偿设备（SVC） 可控硅控制 相控电抗器型（FC+TCR） 相控电抗器型 相控高阻抗变压器型（FC+TCT） 混合型（TSC+TCR、MSC+TCR、TSC+MCR、MSC+MCR）采用机械投切并联电容器（MSC）或可控硅投切并联电容器（TSC）控制技术进行动态无功补偿，具有结构简单、成本低、占地面积小、维护方便等特点。而且在调节效果相近的情况下，实现了按负荷变化规律有级投切电容器组，完全可以取代同步调相机，因此而发展迅速。并且在目前的静止型动态无功补偿设备中占主导地位。例如：某变电站的负荷曲线如图（2）所示，经分析计算，并联电容器自动补偿设备的总容量设计为7500kvar，分5组等容投切，每组容量为1500kvar，通过对图（2）、（3）的对比分析可以看出：补偿设备根据系统负荷变化，自动跟踪实时投入电容器组，使系统容性和感性无功功率趋于平衡。从而达到了平衡系统无功、稳定系统电压的综合目的。虽然，有级投切电容器补偿设备实现了跟踪负荷变化动态补偿无功功率，但从其运行曲线可以看出，其补偿特性并不平滑，补偿精度也不高。因此，该类补偿设备主要适用于负荷变化相对较平稳，补偿精度要求不高的场合。对于负荷波动大的用电负载，跟随效果较差，不能够实现完全连续的动态补偿。图（2） 某变电站24小时负荷曲线图（3） 并联电容器自动补偿设备按负荷变化自动投切示意图为了解决对电压闪变、不对称，电流与电压谐波等电网问题的快速动态治理，目前，通常采用无功发生器（以下简称“SVG” ），相控电抗器型SVC（以下简称“TCR型SVC” ）以及磁阀式可控电抗器型SVC（以下简称 “MCR型SVC” ）三种补偿设备。由于SVG采用了有源运行方式，不再需要并联电容器输出容性无功，而且开关元件采用了可关断的高频开关器件，所以SVG补偿设备具有体积小、响应速度快、无谐波污染、对电网呈现电流源特性（电网电压对设备容量，尤其是无功容量的影响呈线性关系）等优点，是目前世界上最先进的无功补偿与谐波治理设备。但是由于设备复杂程度高、开关器件可靠性差、价格昂贵等原因，使得这种设备的性价比较低，还不具备工业现场运行条件。所以，在电能质量高污染行业，解决非线性、高冲击负荷带来的各种问题，主要还是采用TCR型SVC和MCR型SVC这两种静止型动态无功补偿设备。图（4） TCR型SVC无功分量变化曲线八十年代以来，TCR型SVC经过不断的发展，成为主要应用的动态无功补偿设备，解决了大量的动态无功补偿问题，其补偿效果见图（4）所示。它以响应速度快，技术相对成熟以及可控硅（SCR）器件可靠性高于可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（IGBT、IGCT等）。但是，即使经过了20多年以来的发展，还是无法摆脱自身难以克服的固有缺陷，阻碍了它广泛推广应用的步伐，归纳起来总结如下： 可靠性、稳定性不高。虽然SCR技术发展迅速，性能得到了很大的提高；但是，由单只SCR串联组成的阀组，因为SCR特性的制造离散性以及SCR串联均压问题等致命因素，降低了阀组的整体可靠性。而且，接入系统电压等级越高这种情况也就越严重。造成运行过程中任何一只SCR击穿，都会使阀组整体损坏。图（5） 10kV/3000kVar的TCR型SVC晶闸管阀组运行时产生的谐波污染严重。由TCR型SVC的工作方式可以看出，其运行过程中，必定会向系统注入大量谐波。实践证明，所产生的谐波电流总畸变率THDI应在20%左右。即使采用了减轻谐波的主接线方式，5、7次谐波的含量依然相当丰富。因此，即便是用电负载自身不产生谐波，也需要加装滤波设备，并且增加了系统产生谐振的可能性。 在TCR中除可控硅全导通或关断之外，其它工况下电流都是非正弦的，所以它是一个谐波源。TCR的谐波电流由下式决定I1Im= 1 2-sin（-）I1Im= 1 2 n sinn-1-n-1-sinn+1-n+1N = 2k+1式中：K正整数； I1基波电流幅值； Inn次谐波电流幅值； Im电抗器全导通时的电流幅值，由上图可以看出各次谐波的振幅随引燃角而变化的情况。当忽略设备和电网参数不对称因素时，各次谐波最大幅值分别如 表所示：谐波幅值最大电流幅值（以全流幅值为基准）3(13.78)55.0572.599(1.57)111.05130.75设备复杂，造价高。为保证阀组中每只SCR都能够正确可靠导通，其触发、监控和保护等系统必须稳定可靠，从而造成了控制系统的复杂性。从它的发展历程不难看出，早期的电磁触发到目前的光触发，虽然设备的整体可靠性在增加，但换来的却是高额的设备投资。另外，由于SCR阀组的容量与相控电抗器容量相同，需采用有效的冷却措施，保证SCR阀组的正常工作，且容量越大冷却方式越显得重要；进一步增加了系统的复杂程度和设备造价。体积庞大，增加建设费用。由于相控电抗器采用了“干式空心”结构形式，安装时需考虑对其他设备和设施的影响而单独放置，SCR阀组也需要有一定要求的安装厂房，而且滤波设备的占地面积也居高不下，等等。使得诸TCR型SVC的占地面积非常庞大。不但占用了珍贵的土地资源，而且增加了项目建设资金。 图（6） 10kV/3000kVar的TCR型SVC相控电抗器维护工作量大，运行费用高。因设备复杂、可靠性、稳定性不高等原因，造成设备故障点多、故障率高，给维护、维修工作带来一系列的麻烦；工作量大不说，随之而来的是维护、维修费用的消耗甚大。而且，由于辅助设备的耗电，进一步增加了运行费用。 图（7） 10kV/3000kVar的TCR型SVC纯水冷却系统随着控制技术的不断发展和对电抗器材料与结构的突破性改进，在克服了传统饱和电抗器响应速度慢、损耗高、噪音大、谐波丰富等缺点之后，一种新型的基于磁阀式可控电抗器（MCR）的SVC设备，在具备了响应速度快的特点的同时，克服了TCR型SVC的上述诸多缺陷。这种MCR 型SVC最主要的特征就是SCR安装在控制回路中，SCR所需要承受的电压仅为主回路的1%左右；因此，MCR 型SVC具有极高的可靠性。并且产生的谐波含量较低，三相角接系统的THDI小于5%；安装体积小，MCR体积仅为TCR的1/5左右等等一系列显著特点。正是由于MCR 型SVC具有在可靠性、电压等级、容量、谐波等关键技术指标上，比其它动态无功补偿设备具有无以争议的优越性，将是我国电能质量治理行业，动态无功补偿设计与改造的最理想选择。3、 MCR型SVC的基本构成 图（8）表示了一个典型的MCR型SVC系统构成示意图；从图中可以看出它的系统结构。为方便介绍，我们将整个系统分为一次回路和控制回路两大部分，分别介绍其组成结构和基本工作原理。3.1 一次回路MCR型SVC的一次回路结构与TCR型SVC基本相同，都是由FC支路和可控电抗器两部分组成。区别仅在于，在TCR型SVC里，可控电抗器为“相控电抗器”，而在MCR型SVC里，可控电抗器为“磁阀式可控电抗器”。如图（5）所示，主接线由供电系统母线通过补偿出线开关柜向补偿母线供电，MCR支路和FC支路再通过各自的隔离开关与补偿母线连接。其工作原理是：FC支路向系统提供固定容性无功，MCR支路则按系统负荷变化吸收多余容性无功，使系统感性和容性无功趋于平衡。图中FC支路与MCR支路共用一套出线柜，各支路设置的隔离开关供检修或停用时与系统隔离。TV1为系统母线电压互感器，用来检测系统母线电压值；TV2为补偿母线电压互感器，用来检测补偿母线电压信号，供MCR支路作触发脉冲同步信号使用。各支路均配备过流保护检测用的电流互感器。图（8）MCR型SVC系统构成示意图3.2 控制回路二次控制回路主要由MCR支路控制保护系统、FC支路保护系统和控制电源系统组成。1） MCR支路控制保护系统MCR支路控制保护系统主要由控制保护、励磁和监控三大部分构成。a、 控制保护部分是一个基于80C196芯片的多CPU控制器，分别由数据采集CPU、通讯CPU、主控CPU及相应外围电路组成，相互间通过多口RAM实现数据共享；控制算法以及保护逻辑由主控CPU实现，系统参数（电压、电流、有功、无功、功率因数等等）采集、计算由数据采集CPU实现；专门负责通讯的CPU用来与上位监控机和其他监控系统交换数据，提供了RS232、RS485以及CAN总线等通讯接口，便于实现无人值守和远程控制。系统具有高度的可靠性、稳定性，而且运算速度快，能够实现复杂的控制算法。其大致工作原理是：首先，由数据采集CPU采集到系统母线电压、负载电流和MCR支路电流模拟量信号，经A/D转换并计算出系统功率因数、有功和无功功率等实时值，存储于多口RAM中；主控CPU按程序要求从RAM中读取所需参数；经过控制算法的计算，得出可控硅触发角给定值；再经过电光转换接口转换为光信号，通过光纤传送到MCR现场控制箱内的励磁部分。其次，励磁部分再将触发脉冲和可控硅的工作情况转换为光电信号回传给控制保护部分，用以实现对励磁部分的状态监测。控制保护器的自动运行模式判断和保护输出由图中DI、DO部分承担。在控制算法上可按不同要求实现分相控制、三相控制、闪变治理、功率因数控制、无功控制、恒电压控制。 b、 励磁部分由光电接口电路、触发脉冲电路、脉冲放大电路和可控硅组成；光电接口电路接收到光给定信号后，经光电转换生成模拟量给定信号，形成控制可控硅导通角的触发脉冲，再将信号进行整形放大，对可控硅的导通状态进行移相控制，实现动态调节MCR支路感性无功电流的目的。c、 监控部分由上位监控机、人机显示界面和其他相应终端器件构成；上位监控机可选择工控机、工业平板计算机和触摸屏。通过RS232、RS485以及CAN总线等通讯接口，与控制保护器的通讯CPU单元连接，上传或下载在各种数据。上位监控软件运行于Windows XP操作系统，具有良好的人机界面，配置键盘、鼠标、打印机等外设。实现了系统参数设置、运行状态实时监测、运行趋势显示、保护报警信息及处理、历史数据查询和运行报表打印等各种功能。可以对系统的电能质量(包括电压、电流瞬时值，电压、电流有效值，有功功率，无功功率，有功电度，无功电度，功率因数，电流141次谐波，电压141次谐波，电压闪变，电压、电流不平衡，电压跌落，电压过高，电压丢失等)进行实时、连续的监测。d、 MCR支路的过流保护分为硬保护和软保护两种措施；硬保护由励磁部分的脉冲电路实现，属于强制性过载保护，当MCR支路电流超过设定值时，脉冲电路直接封锁脉冲输出关断可控硅，同时向光电接口电路发送保护报警信号，通知控制保护部分MCR支路出现过流保护。软保护由控制保护部分通过软件实现，当控制保护部分检测到MCR支路或负载回路电流超过其一段或二段过流定值时，通过DO接口向各支路的出线开关发出分闸指令，并将保护报警信号上传至监控部分发出报警信息，其中，过流一段保护为速断保护，过流二段保护为带时限保护。除此以外，系统还提供了其他一些保护和报警功能，在此不再一一赘述。2） FC支路保护系统FC支路保护系统是一个以80C196芯片为核心的微机保护单元，其内部主要由数据采集、CPU和保护输出等电路组成；通过采集FC支路和补偿出线柜电流和FC支路零序电压（也可采集不平衡电流、差压等电容器保护信号），按各种保护算法实现FC支路过流一段、过流二段、补偿出线柜过流一段、过流二段、不平衡电压（零序电压）、不平衡电流等保护功能。出现保护故障时，微机保护单元首先通过保护输出向补偿出线开关发送分闸指令，然后再通过RS232、RS485以及CAN总线等通讯接口向监控部分上传保护、报警信息。3） 控制电源系统为了使控制回路正常工作，不但需要提供工作电源，而且，即使控制电源故障，还要保证全部设备受到保护；因此，控制电源系统必须具有掉电保护功能。控制电源系统是一个基于UPS的电源分配网络，在完成为各功能电路提供工作电源的前提下，同时保证电源的不间断供应。用来对控制电源保护动作后，提供整个系统进行相应故障保护的处理时间，保证系统按规定顺序退出运行，保护设备不受到损坏。从以上介绍可以看出，MCR型SVC与TCR型SVC相比，无论是一次回路还是控制回路，甚至连实现的功能作用上，几乎完全相同；只是因为采用了不同的可控电抗器，引起了相应的局部改动；但是，正是因为这些局部改动，引起了他们在工作性能上的巨大差距。MCR型SVC几乎完全克服了TCR型SVC的所有缺点，保留了TCR型SVC优良的功能品质；它不但可以解决电力用户对电压波动、电压闪变等电能质量问题的处理，而且能够更好的解决供电网络需要解决的供电稳定问题。它的出现必将会给动态无功补偿技术带来新的活力，成为目前动态无功补偿技术的首选设备。在它的推动下，SVC也将在更多的领域内得到广泛的应用。具有非常广阔的应用前景。4、 MCR介绍从“静止式动态无功补偿设备概述”的介绍可以看出，饱和电抗器（SR）型SVC在静止式动态无功补偿设备的发展历程中占据着相当重要的位置，其典型代表是自饱和电抗器（SR）和以直流励磁控制饱和电抗器（DSR+FC）为主的可控饱和电抗器型SVC。60年代后期的1967年，世界上第一套基于饱和电抗器型SVC诞生于英国的GEC公司，此后，才有了其它不同结构形式的各种SVC出现，其作用不外乎我们现在所讨论的内容。虽然饱和电抗器型SVC的问世，为当时供配电技术的进步带来了举世瞩目的业绩，但是由于它在实际应用中响应速度慢、损耗大、噪音大、谐波大等缺点，长期以来没有得到广泛的应用。随着变压器制造技术的发展，变压器铁心制造工艺也得到了很大的改进，一种在铁心中添加“磁阀”，用以改善铁心饱和特性的新技术的应用，大大改善了饱和电抗器在损耗、噪音以及谐波等方面存在的问题，使饱和电抗器的性能得到了突破性的改进。而控制技术与电力电子在饱和电抗器中的创新应用，使饱和电抗器响应速度慢的主要缺点得到了根本性的改进，大大扩展了MCR在动态无功补偿领域应用。这一应用，改变了动态无功补偿技术的格局，使得一种可靠性更高、基本无谐波污染、体积更小、对环境适应能力更好的动态无功补偿设备，在越来越多的场合替代TCR型SVC。4.1 MCR的结构特点和工作原理1） 结构如图（9）所示，MCR的外形结构与油浸式变压器基本相同，主要由壳体、磁阀式铁心、绕组和变压器油等部分组成。壳体采用与油浸变压器相同的设计结构，壳体内部并排安装三组相同的单相磁阀式可控电抗器，组成三角形接线方式，其高压进线和控制绕组进出线，由壳体顶部通过绝缘瓷瓶连接，励磁控制箱安装固定在壳体外部。图（9）安装于工程现场的10kV 4000kvar MCR外形图片每个单相磁阀式可控电抗器的结构如图（10）所示，采用四柱式结构，由两个等截面（面积为S）的主铁心和为使电抗器的电流正负半波对称的两个等截面旁轭组成，旁轭的截面等于心柱的截面。中间两柱的每柱中间部分有一段小截面的铁心段构成磁阀，并将两柱分别分为上下两段，每段上各套有一个绕组，上段的上部两个绕组端和下段的下部两个绕组分别并接在一起，上段的下部两个绕组端和下段的上部两个绕组端则交叉串联连接，每柱上绕组的下部和下绕组的上部均设有中间抽头，每柱上、下两个中间抽头见接有一支SCR，且两柱上的SCR极性相反，中间交叉连接点的两端之间接有一支二极管。图（10） 单相磁阀式可控电抗器结构示意图2） 工作原理中间两根立柱的每柱中间有一段面积大约为主截面的三分之一的小截面铁心段，当链过的磁通不大时，小截面段不饱和，磁通顺利通过整个铁心，当磁通增大至某一数值时，小截面段饱和，磁阻增大，阻止磁通继续增大，因而小截面段起到了磁阀的作用。在中间两铁心柱上，套上四个绕组，并在中间进行交叉串联连接，同时在各绕组中间引出中间抽头，其匝数比按下式确定：一般情况下= 5%左右；图（11）是单相MCR的接线简图，每柱上、下两绕组的中间抽头通过T1、T2两只SCR相连，而且连接方向相反，二极管D跨接在交叉端点，作用是提供续流通道，有利于T1、T2关断和提高整流效率；m、n为电抗器的两个接线端。图（11） 单相磁阀式可控电抗器接线图如图（12）所示，当外加电压 e(t) 为正极性时（见图（12）a)所示），四个中间抽头的电压降也是正极性；此时，如果T1被触发导通，上、下绕组内将分别产生直流电流，在它们的作用下使右铁心柱去磁左铁心柱增磁，从而使左铁心柱产生饱和，降低了总的电感量，增加了电抗器的容量。反之，当外加电压e(t) 和为负极性时，T2被触发导通电流回路如图（12）b)所示，使右铁心柱增磁左铁心柱去磁，降低了总的电感量，增加了电抗器的容量，得到与正极性工作状态相同的结果。在交变电压e(t) 的作用下，使T1、T2轮流导通，形成了一个全波整流电路。此时，改变T1、T2导通角的大小，便调整了励磁电流的大小，进一步改变了电抗器铁心的饱和程度，从而达到平滑调节电抗器容量的目的。图（13）示出了电抗器的磁通波形和磁化曲线，横坐标为励磁电流Ii，纵坐标为磁通，为饱和度，图中给出了（120）和（180）两种情况下的磁通波形。图（12） 外加e(t)交流电压时的两种工作状态图（13） MCR的磁通波形和磁化曲线可以看出，在所有工作情况下，励磁回路所产生的直流控制磁通在两个半铁心柱内形成闭环，不向外流出；再者，电抗器的工作绕组和控制绕组合二为一，以自耦形式工作，使得电抗器的总体结构大为简化并有利于减小电抗器的运行损耗。4.2 MCR的基本特性1） 伏安特性图（14） MCR电流电压特性曲线MCR的电流电压特性如图（14）所示，图中横坐标为基波电流幅值标幺值，基准值为额定电压下的基波电流幅值，纵坐标为电压幅值标幺值，基准值为额定电压。由图可见可控电抗器输出电流随控制角增加而减少，而且很重要的一点，在相同的控制角度下，电压与电流的比基本相同，也就是说MCR与饱和电抗器的特性不同，呈现出了良好的恒阻抗特性，这大大简化了控制的复杂性，提高了控制性能。 2） 控制特性图（15）给出了控制角与额定电压下基波电流标幺值的对应曲线，虚线为计算值，实线为实际值。图中横坐标为SCR的控制角度，纵坐标为电抗器在额定电压下的基波电流标幺值，基准值为额定基波电流幅值。随着控制角的增大，电抗器电流减小，电感增大，电抗器的电流值与控制角具有明显的非线性。由此可见，可控电抗器输出电流（容量）随控制角增加而减少。图（15） MCR控制特性曲线3） 响应时间从图（15）、图（16）可以看出，电抗器从空载到满载或从满载到空载，有一个调整过程，经实测，正常情况下，从零电流直接给定到额定电流，大约需要0.3s左右。如果不采用合理的励磁方法，将无法满足快速补偿无功冲击负荷的需求。所以采取合理的励磁方法，成为提高响应速度的关键问题。为提高MCR的控制响应时间，有两种方案可供择选，一是提高励磁回路的工作电压，提高励磁系统容量，达到快速调节一次系统电流的目的；但是这样做会增加控制系统的负担，损耗也会随之增加，而且励磁电流与电压成平方的关系增长，随着MCR容量的增加，励磁系统的设计制造难度增大，成本增加，运行可靠性下降，一般不采取这种励磁方式。二是设计专门的快速励磁系统，比如LC快速励磁电路，利用电容器中存储的电荷，半个周期内就可以转换到励磁绕组上的工作原理，可以达到快速励磁的理想效果；用这种电路设计的快速励磁系统，其响应时间已达到了20ms，完全满足因负荷无功冲击造成电压闪变的治理响应速度要求。MCR响应速度实拍波形1通道为电容器切除电流波形，2通道为MCR电流波形，响应速度为20msMCR响应速度实拍波形1通道为电容器投入电流波形，2通道为MCR电流波形，响应速度为20ms图（16） MCR加载和减载过渡过程一次电流实测波形4） 谐波特性MCR产生的谐波如图（17）所示，横坐标为磁饱和度，纵坐标为谐波电流标么值。可以看出，电抗器电流的第n 次谐波分量具有n 个零值点和(n-1)个极值点，且各次谐波的最大极值点均靠近。由图可以看出最大3 次谐波电流为额定基波电流约7%，5次谐波电流为2.5左右。在三相对称系统里，通过构成三角形接法，3次谐波不会流向电力系统，而且，如果采用多重化接法，THDI可以降低到1.2%左右，甚至更低；在合适的饱和度下，谐波电流的含量还会进一步降低。完全能够达到电网对动态无功补偿设备的要求。图（17） MCR的谐波特性5、 MCR在电网中的实际应用从MCR的结构特点、工作原理和基本特性可以看出，无论是工作性能还是系统构成，与TCR相比都有着得天独厚的巨大优势；另外，现代电网的无功补偿，正向着优化、动态和平滑调节方向发展，MCR顺应了时代的潮流，为其提供了一个优异的发展平台。MCR的出现改变了无功补偿技术、设备的现有格局，必将对该行业的发展带来划时代的技术革命。i. 利用MCR改造变电站固定式或集合式并联电容器（FC+MCR）在早期的无功补偿设备中，因负荷背景和控制技术等原因，采用固定电容器组或集合式电容器的补偿方式较多。补偿容量动辄几十甚至上百兆乏，固定运行于供电中。由于其补偿容量无法自动调节，引起系统高负荷时欠补低负荷时过补的现象时有发生，给系统的稳定运行带来很大的影响；而且，随着现代工业技术的发展，生产设备的容量在不断增大，它们的投入和退出对电网造成的无功波动也越来越严重，进一步加重了补偿设备在系统运行中造成的被动局面。有些补偿设备由于这种情况的存在，不得已退出运行，形成了严重的资源浪费。利用MCR快速动态调节感性无功输出这一特点，抵消因负荷变动形成过补偿的容性无功，始终保持电网无功平衡，可以弥补固定电容器组或集合式电容器的功能缺陷。图（18）描述了利用MCR改造固定电容器组或集合式电容器的主接线原理图。从图中可以看出，MCR并接于原有并联电容器支路上，与电容器支路共用一个出线开关，MCR支路设置进线隔离开关，便于检修和维护；MCR本体可以安装于户外或户内适当位置，通过电缆与系统连接，由于MCR的安装要求与油浸式变压器基本相同，具有结构紧凑、安装方便等优点，占用的安装空间不大，改造工程量很小；控制部分视情况安装于主控室或其他户内位置，系统信号由于采用了光纤传输，抗干扰能力较强，安装距离对系统的影响也不大。其详细设计方案请参见附录中的应用案例。综上所述，利用MCR改造固定电容器组或集合式电容器不但技术上成熟可靠，同时还具备施工简单、投资小等一系列特点，与其他类型的SVC相比具有无与伦比的强大优势。这种改造不但使闲置的资源得到充分的利用，从深远意义上讲能够对电网的安全、稳定、经济运行起到举足轻重的重要作用。图（18）FC+MCR型SVC主接线图ii. MCR与PF支路组成滤波型SVC（PF+MCR）由电容器、电抗器和电阻器等无源元件组成的电力系统滤波设备，对减小非线性负载产生的谐波污染，具有显著的作用；无源滤波设备的设计基本原则之一，就是针对特定次数谐波提供一个比系统阻抗还要小的通道，使得谐波通过这些低阻抗通道被消耗，不会向供电系统内传播。PF在设计时不但要充分考虑系统供电特征，还要认真分析负荷用电规律，同时兼顾电容器经济设计容量，设计计算工作量可想而知，这只是建立在理论分析基础上的设计，实际工程情况往往要复杂的多。实践证明，虽然经过反复的计算求证，实际应用时的效果也只能满足在某一设定范围内符合系统要求。为保证取得较好的滤波效果，有些设计方法的原则是：在保证系统无功平衡的基础上，尽可能加大PF支路基波补偿容量，使PF支路在完成滤波功能的基础上同时兼顾对系统的无功补偿。此时PF支路输出的基波容性无功是固定不变的，效果与固定补偿相同，无法与负荷变动相匹配，形成欠补和过补现象，谐波得到了治理，同时又带来更加严重的无功问题，对系统来说得不偿失。图（19）PF+MCR型SVC主接线图为了避免这种问题的发生，如图（19）所示，利用MCR快速动态平滑调节感性无功输出的特性，吸收多余的基波容性无功，使系统无功达到平衡，能够从根本上解决上述问题，同时也简化了PF的设计复杂性。采用MCR组成的PF+MCR型SVC在实际应用中的各项运行参数，证明了以上分析，取得了良好的滤波和补偿效果。iii. MCR与MSC组成实用型SVC（MSC+MCR）前面提到了机械投切电容器组（MSC），实现了有级动态补偿无功的补偿方式，不能根据负荷变化情况进行快速、平滑调节；在负荷成缓慢周期性变化的场合应用尚可，一旦遇到变化周期快或负荷波动频繁的供电系统，则明显的感到无能为力，不是因为频繁投切导致开关设备故障率高，就是由于跟不上负荷的变化速度，起不到应有的补偿作用。因此，电网的无功补偿方式应根据系统供电特征和负荷变化情况进行有目的的选择，一是避免不应有的功能过剩，二是避免设备达不到预期的补偿性能。利用MCR与MSC组成的MSC+MCR型SVC设备，既保持了MSC的补偿特点，又有快速、平滑动态调节系统无功的功能优势，补偿方式灵活多变；更值得一提的是，由于MSC部分容量可变，MCR的容量只需接近MSC部分单组最大容量，就能达到合理的补偿要求，MCR容量的降低使得设备的总体造价降低，同时运行损耗也大大降低，可以说一举多得。图（20）MSC+MCR型SVC主接线图图（20）为MSC+MCR型SVC主接线图，可以看出，与FC+MCR和PF+MCR相比，在电容器组的每个支路中都采用了投切开关，控制系统按规定的算法投入或退出电容器组，MCR支路始终保持吸收多余的容性无功。MSC部分按系统特点既可以使等容分配也可以是比容分配。iv. TSC与MCR组成快速型SVC（TSC+MCR）为了适应更加快速的动态补偿，在上述MSC+MCR的基础上，将MSC部分设计为可控硅投切方式（TSC），组成了TSC+MCR型SVC，具有快速跟踪补偿系统无功的特点，适