PLC在无功补偿自动补偿控制中应用

近年来,我国电力装机容量速度增加,大大缓解了供电紧张的局面。随着供电量的增加,系统线损也将增大。据统计,电力系统的无功功率损耗最多可达总发电容量的20%~30%,也就是说大约1/4 的发电容量都将用来抵消输配电过程中的功率损耗。所以功率因数越低, 对电力系统运行越不利, 主要原因有如下两方面:

1)发电机、变压器的额定视在功率为它代表设备的额定容量, 在数值上等于允许发出的最大功率。因为发电机在额定工作状态下发出的有功功率为

当负载的功率因数 得到了充分利用。当负载的功率因数cosφ<1 时, 发电机的电压和电流又不容许超过额定值, 显然, 这时发电机所能发出的有功功率较小, 而无功功率则较大。无功功率越大, 电路与电源之间能量交换的规模越大, 发电机发出的能量得不到充分利用。同时, 与发电机配套的原动机及变压器等设备也不能充分利用。

2)在电压一定的情况下, 对负载输送一定的有功功率时,功率因数愈低, 输电线路的电流就愈大。不仅增大线路上的压降, 同时也加大了线路上的功率损耗。由此可见, 提高电网的功率因数即无功补偿, 对国民经济的发展有着极为重要的意义。

第一章 绪论

1.1无功补偿概述

1.1.1 无功补偿的基本原理

由于配电网中大多数为感性用户。所有电感负载均需要补偿适量的无功功率，提供这些无功功率主要有两条途径：一是输电系统提供;二是补偿电容器提供。如果由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。而配电网中装设补偿电容器提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低电网无功损耗，提高系统的传输功率，达到提高系统电压和降损节能的目的。

如图所示：P1= S1COSφ1 因为φ1=φ2+φc且φ1>φ2 P2= S2COSφ2 因为φ1=φ2+φc且φ1>φ2 因此，为了保证有功功率P1 = P2不变，必须装设补偿容量为φc的无功的电容补偿装置。式中COSφ1-改善前的功率因子COSφ2 -改善后的功率因子 S1-功率因子改善前视在功率S2-功率因子改善后视在功率

图1 无功功率补偿原理图

 

1.1.2无功补偿的作用

一、 减少电力损失，一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗约2%--3%左右，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失。

二、 改善供电品质，提高功率因数，减少负载总电流及电压降。于变压器二次侧加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。

三、 延长设备寿命。 改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可以降低温升增加寿命(温度每降低10°C，寿命可延长1倍)

四、 最终满足电力系统对无功补偿的监测要求，消除因为功率因数过低而产生的罚款。

1.1.3无功补偿的特点与发展前景

静止无功补偿装置(SVG)近年来获得了很大的发展，已广泛应用于负载无功补偿。其典型代表是固定电容器+晶闸管控制电路控制电抗器(Fixed Capacitor+Thyristor Controlled Reactor——FC+TCR)。晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor——TSC)也获得了广泛的应用。静止无功无功补偿装置的一个重要特性就是它能连续调节补偿装置的无功功率。这种连续调节是依靠调节TCR中的晶闸管的触发延迟角得以实现的。TSC只能分组投切，不能连续调节无功功率，它只能和TCR配合使用，才能整体调整无功功率的连续调节。由于具有连续调节的性能且响应迅速，因此SVG可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点电压接近维持不变.

无功补偿是无功补偿电源的简称，指为满足电力网和负荷端电压水平及经济运行的要求，必须在电力网内和负荷端设置无功电源，如电容器、调相机等。无功补偿的配置应采取基本上就地平衡、分级补偿和便于调整电压的原则。在接近负荷端分散补偿，可减少无功功率的输送，从而降低损耗，减少压降，有较好的经济效果;集中安装在变电站内，则便于控制操作，有利调整电压。变电站安装的无功补偿设备容量，一般是以在高峰负荷时，其主变压器的功率因数达到一定数值 (如 35～ 110kV变电站达到 0.9～0.95)来考虑的，其值根据计算确定。不同变电站，视需要和可能，可安装调相机、并联电抗器、自动分组投切的电容器组或静止无功补偿器等无功补偿设备。有的送电线路也采用中间 (串联 )电容补偿。

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性电抗，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备以后，可以供给感性电抗消耗的部分无功功率小电网电源向感性负荷提供无功功率。也即减少无功功率在电网中的流动，因此可以降低输电线路因输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行条件。这种做法称为无功补偿。

我国电容器无功补偿装置的发展70年代初期,参照前苏联引进的电容器无功补偿装置,我国第一代电容无功功率补偿装置由刀熔开关和电力电容器组成。电容器的投切完全依靠手动,无法随需量变化而调节。到 80 年代末,一种专为投切电容器所设计的交流接触器(如CJ 16、CJ 19 、CJ X - 2C 等) 研制成功 ,该种接触器及配合电容器切除后的放电回路 (放电后使电容器端电压不超过额定电压 10 %) 保证电容器再次投入时,合闸涌流被限制到电容器额定电流的 20倍以下。电容器分组设置,各组电容器采用循环投切,以保证接触器投切机会均等 ,从而延长了装置的使用寿命,这种有触头补偿装置一直延用至今。

随着电子技术的发展,在 90 年代中期,一种新型的控制模式出现,那就是应用晶闸管取代交流接触器控制电容器的投切。该类型装置的主电路结构为 :“保护开关 + 晶闸管 + 电力电容器。”这一技术的应用 ,解决了接触器的机械寿命短的问题,大大提高了对无功需求变化的动态响应,使电容无功补偿装置对变化大,且变化速度快的负载得以较好的应用。

近几年,结合有触点装置和无触点装置各自的优势,混合型控制投切电容器的无功补偿装置被逐渐采用。与晶闸管投切方式相同 ,该种方式的无功补偿装置也只能进行分级断续补偿。

从国际范围来讲，目前SVG与STATCOM都已得到普遍的应用。国外(主要指西欧,美国和日本)的SVG技术已经比较成熟了。SVG出现早，应用时间长，仅ABB公司，其目前在全世界投运的SVG就已超过370套，ABB与西门子两个公司已安装的SVG总容量约为9万Mvar(包括已退役装置)。STATCOM装置在20世纪主要以示范工程为主，从上世纪90年代末到本世纪初，STATCOM在日本及欧美得到了广泛应用，尤其是在冶金、铁道等需要快速动态无功补偿的场合。2001—2003年，美国在输电网接连投运了百Mvar级的大容量STATCOM，表明STATCOM在输电网中已完全进入实用阶段。由于都是基于电压源换流器技术，这些STATCOM装置仅通过改变母线接线方式，就可以变成背靠背的直流输电，能对电网的潮流进行更有效的控制。据ABB公司2001的统计，目前全世界SVG的投运容量超过32000 Mvar，STATCOM的投运容量已超过1 500Mvar。

随着电网的不断发展，对无功功率进行控制与补偿的重要性与日俱增：①输电网络对运行效率的要求日益提高，为了有效利用输变电容量，应对无功进行就地补偿;②电源(尤其水电)远离负荷中心，远距离的输电需要灵活调控无功以支撑解决稳定性及电压控制问题;③配电网中存在大量的电感性负载，在运行中消耗大量无功，使得配电系统损耗大大增加;④直流输电系统要求在换流器的交流侧进行无功控制;⑤用户对于供电电能质量的要求日益提高。因此，对电网的无功进行就地补偿，尤其是动态补偿，在输配电系统中十分必要。