MCR与TCR型SVC的性能比较与应用分析

[摘　要] 文章分析了MCR与TCR型两种SVC的基本原理,设备构成及其特点,并从响应速度、损耗、谐波发生量、占地面积等方面进行了比较;基于MCR与TCR型的SVC不仅可进行动态无功补偿,还有利于提高电能质量和节能降耗,在各领域具有广泛的应用前景,文章针对不同行业、不同负荷的无功功率变化特点,提出了SVC配置的建议。

[关键词] 磁控电抗器MCR　晶闸管控制电抗器TCR 动态无功补偿装置SVC

0　引言

无功补偿及谐波治理技术在改善电网电能质量、提高电能输送能力方面发挥着重要作用。负荷的复杂性和多变性导致传统的固定电容器补偿及谐波抑制装置难以满足实时要求。以电力电子器件无触点开关为核心的静止型动态无功补偿装置(简称SVC),在抑制电压波动与闪变、平衡三相电流、提高和稳定功率因数、谐波电流吸收等方面起到了越来越显著的作用,可控硅控制电抗器(简称TCR)型和磁控电抗器(简称MCR)型SVC装置是目前典型的应用最广泛的两种SVC装置,有必要作分析比较。

1　MCR型SVC的原理

MCR就是一种通过改变电抗器铁心的磁通密度来实现自身电抗值调节的电抗器。其基本原理可以追溯到磁放大器和普通的饱和电抗器,但其结构模式有很大的区别。MCR型SVC由电容器提供最大无功补偿功率,而由磁阀控制相控电抗器,实时吸收固定电容器组提供的无功补偿功率与系统需要的无功功率的差额,做到实时调节无功的目的。

MCR的原理示意图如图1所示,从图1中可以看出,MCR由一个四柱铁心和绕组组成,中间两个铁心柱为工作铁心,NK为控制绕组,N为工作绕组。由于可控硅接于控制绕组上,其电压很低,约为系统额定电压的1%左右,从而大大提高了运行可靠性。当工作绕组两端接上交流电压时,在控制绕组上就会感应出相应的电压。以Nk的匝数为N的1%计,可控硅上的电压仅为工作电压的1%,通过控制导通角即可控制直流激磁,导通角越小,铁心饱和度越高,电抗器的感抗就越小。因此,只要控制导通角大小,就可以平滑地调节MCR的容量。从图1中可以看出MCR具有自耦励磁功能,省去了单独的直流控制源;MCR的另一特点是小截面铁心处于极限饱和状态,而其他铁心则处于不饱和状态,降低了有功损耗,降低了谐波含量,噪声也比较小。

MCR型SVC的关键技术在于磁控电抗器采用小截面铁心和极限磁饱和技术,在交流磁路的工作铁心上分布着多个小截面段,在电抗器的整个容量调节范围内,仅有小截面铁心磁路工作在饱和区,而大截面段始终工作在未饱和线性区。该技术的特点为交、直流正交磁化、局部饱和技术。两个铁心柱及上下轭为交流主磁路,不受直流磁通的影响;而铁心中柱的直流控制线圈与边柱的交流线圈成正交布置,直流线圈亦不受交流磁通的影响。交直流磁通在中柱磁路的局部交汇形成局部饱和区,调节直流电流的大小改变磁阻即可调节交流线圈的输出电流。

2　MCR型SVC系统的构成

基于MCR的SVC装置由MCR主体及其励磁系统、FC滤波器、控制保护与监控系统等组成。

MCR磁控电抗器用于平衡系统中由于负载的波动所产生的感性无功功率,并稳定负载冲击所产生的电压波动。FC滤波器用于提供系统所需要的容性无功功率、滤除负载及MCR系统本身所产生的少量谐波。

MCR的励磁系统工作电压极低,只有几百伏,功率很小,仅为MCR功率的0.3%左右,励磁系统中的电力电子器件的触发系统采用光电触发方式,主回路与控制回路隔离性能好,具有较强的抗干扰能力,励磁系统自身具有完备的保护系统,以保证其运行的可靠与安全。控制系统采用全数字控制系统,响应时间快,可靠性高,监控系统可对装置中相关模拟量与开关量进行集中监控,用户可在监控系统卜实现对所有相关信息的监测,并可通过监控系统实现对SVC装置的远程操作,监控系统提供通讯接口,接入现有自动化控制系统。

保护系统负责对整个系统的无功功率控制提供指令并对整个系统提供相应的保护。保护系统在硬件上完全独立于控制系统,其与控制系统的连接通过I/O口及串行通信形式来实现,具有高度的可靠性与独立性,包括以下几个方面:

(1)磁阀式可控电抗器保护系统:过电流、过负荷、过电压、轻瓦斯、重瓦斯、温度、压力、励磁单元故障。

(2)滤波电容器组:过电流、电流速断、过电压、欠电压、熔丝保护、操作过电压保护、中性点不平衡电流保护、中性点避雷器过电压保护。

(3)控制系统:控制器故障、通信故障、电源故障、频率保护等。

3　TCR型SVC性能分析

TCR一般与固定电容器组(或FC)配合使用,固定电容器组提供最大无功补偿功率,而由晶闸管控制相控电抗器实时吸收固定电容器组提供的无功补偿功率与系统需要的无功功率的差额,做到实时调节无功的目的。

由可控硅控制的电抗器装置是SVC的主要组成部分。相控电抗器TCR的控制器根据母线上无功功率的变化,控制可控硅的导通角调节电抗器的感性无功,从而改变电抗器吸收的无功功率,实现功率因数的动态补偿,TCR型SVC装置的TCR部份通常设计成三角形接线,可单独对每相TCR支路的触发延时角进行控制,从而可以达到分相调节无功的目的。而且TCR调节速度快,因此对非线性负荷引起的电压波动及闪变、负序、电压不平衡有很好的抑制效果。其无功平衡原理如下:

设Q_c为并联滤波电容器组提供的总无功功率(当母线电压稳定时,可视为恒定的无功功率);Q_ll为电网负荷侧所需的无功功率;_l为电抗器吸收无功功率;Q_s真为电网供给的无功功率。不难知:

Q_c+Q_s=Q_H+Q_l　(1)

为了保证电压稳定,希望通过SVC系统的调节使QS做到恒定不变。由(1)式得出:

Q_s=Q_H+Q_L-Q_c=常数　(2)

由于电压稳定时Q_c可视为常数,故有:

Q_H+Q_L:常数　(3)

由(3)式表明,电抗器所消耗的无功功率Q_L的变化值与电网负荷无功功率Q_H的变化值大小相等,方向相反时,电网供给的无功功率Q_s为恒定值。因此,只要不断调整电抗器所消耗的无功功率Q_L,使之与负荷无功功率Q_H数值相等方向相反,即可实现电网供给的无功功率Q_s

稳定。

谐波滤波器是SVC系统的另一主要组成部分,它是由电容器串联电抗器而组成。基波时,产生超前无功功率以符合改善功率因数的要求。而其电抗器电感量的选定是基于谐波频率时形成串联谐振,使滤波器组成在谐波频率时,其阻抗趋近于零,从而吸收大部分的谐波电流,达到改善电压、电流波形,改善谐波畸变率,并提高功率因数的目的。

4　性能比较

4.1　谐波发生量

TCR装置自身为谐波源,晶闸管通过控制相控电抗器的导通时刻,达到控制通过相控电抗器电流的目的,对该电流波形进行傅立叶分解,可得到所含谐波电流的次数及其所占比例。特定次数的谐波电流在不同触发角度下,其所占比例不同。

MCR装置自身也是谐波源。电抗器线圈中流过的电流为直流与工频交流的叠加,故铁心的饱和度在不同时刻实际是不同的,铁心饱和度的变化导致电抗器对外表现的感抗也是一个变化的值,因而通过电抗器的电流不是标准的正弦波,试验结果表明,磁控电抗器产生的谐波含量较相控电抗器要小,同等容量下的MCR的谐波发生量约为TCR的1/3～1/2。

4.2　损耗

负荷轻载或退出运行时,SVC能耗最大,因为此时TCR装置完全吸收FC部分的容性无功功率,通过TCR的电流最大,故电抗器、晶闸管阀组耗能大。据统计,TCR型SVC的最大能耗功率大约为补偿容量的3%。以一套补偿容量100MVA的TCR型SVC为例,其最大能耗功率约为3MVA,如果负荷有30%的时间处于轻负荷状态,年消耗的电费达到300多万人民币,这是一个非常可观的数字。

对于MCR型SVC装置,也是在负荷轻载或退出运行时,SVC能耗最大,此时通过电抗器感抗的变化吸收电容器提供的多余的无功功率,电抗器工作在最大电流状态。但MCR装置的功耗要比同等容量、同电压等级的TCR装置小很多,原因在于,磁控电抗器采用的晶闸管承受的电压仅为系统电压的1%～3%,在MCR的调节过程中只有磁阀小部分达到饱和,在这样的铁心结构下,MCR的损耗大幅度下降,目前10kV等级的MCR整体损耗在0.8%-1.0%,35kV的损耗在0.5%～0.7%。

4.3　占地面积与电磁辐射

用于相控的电抗器为了满足其线性输出感性无功功率的目的,通常采用干式空心电抗器结构,这些电抗器体积较大,需要占据较大的面积。同时,幅值达到或接近SVC装置额定值的电流经常流过电抗器,电抗器的电感值较大,故电抗器附近的区域存在很强的电磁场,可能干扰周围用电设备。

与空心电抗器不同,MCR装置的电抗器的磁心由高导磁率的硅钢片组成,电抗器的磁通绝大多数通过硅钢构成磁通回路,仅有极少数的漏感磁通通过空气构成磁通回路,由于磁路导磁效率高,故电抗器设计较为紧凑,占地面积少,且通过电抗器周围空气的漏磁通比例甚小,故MCR电抗器运行时对周围环境的电磁影响较小。

4.4　晶闸管数目

MCR型SVC晶闸管阀的工作电压为系统电压的1%-3%,因此晶闸管一般不需要串连或只需要很少的串连数,故MCR型SVC可直挂于110kV及以上电压等级,TCR型SVC装置在35kV电压以上系统一般需要降压变压器。

4.5　响应速度

TCR在保证控制器计算调节处理速度的前提下,控制器的响应时间一般不超过15ms。MCR是控制通过线圈的直流电流达到改变电抗器等效电感值的目的。尽管线圈的电感不影响稳定的直流电流,但在电流值改变调整时,电感值却对其稳定时间有很大影响,调节变化信号至MCR输出容量调节到计算值的90%的稳定时间为80～200ms,比TCR装置的稳定时间慢。

另外,MCR型SVC的特点还表现在:一是维护成本低,由于励磁系统的电压等级低,控制功率不高,每相只用两只可控硅,且容量不大;即使损坏影响面也很小,大幅度降低了维护、维修成本。二是调节范围大,可以达到几十倍的调节范围;三是过载能力强,可实现100%过载30s,40%过载半小时。

5 SVC应用领域

5.1　电力系统

由于电网中用电负荷种类多、数量大,且运行状态各不相同。特别是由于系统庞大,发生各种故障的概率也大。为了提高因用电负荷的运行状态变化和各种故障造成的电网运行隐患,在关键位置安装SVC装置,能大幅提高电网运行稳定性。当控制器监测到电网存在运行隐患时,迅速改变SVC的等效阻抗,从而改变电网系统阻抗,使其远离故障隐患的阻抗点,提高系统运行稳定性。对于普通变电站,通过装设合适容量的SVC,实现变电站无功的动态、连续调节,避免断路器的频繁动作、显著改善功率因数,实现无功配置分层分区平衡。

5.2　冶金系统

以炼钢电弧炉和轧钢机为代表的冶金企业负荷在运行中,对无功的需求是在一个最小值和最大值之间连续无规律的变化,这类负荷性质为高度非线性,不仅表现为无功需求的急剧变化,同时还伴随着大比例的负序电流和频谱很宽的谐波电流产生。SVC能够有针对性地提高功率因数,降低电压波动和闪变,抑制谐波污染,改善电能质量,提高了系统的安全系数,降低了单产能源消耗,提高产品质量。

对于电弧炉负荷,由于对响应要求高,属于无功需求无规律、迅速变化的用电负荷,推荐TCR型SVC装置。对于以轧机和矿井提升机为代表的负荷,这类负荷的电机大都采用整流供电,相对属于无功需求近似于阶梯状迅速变化的负荷,推荐MCR型SVC装置。

5.3 电气化铁路

电气化铁路牵引变电站的负荷具有单相冲击性负荷的特点,负荷波动频繁,负序分量高的问题甚至会导致发电厂与变电站的负序保护动作;而且谐波含量高,采用简单的固定补偿方式根本无法有效实现功率因数补偿。需要合理选择SVC型式,采取分相控制的策略可以妥善地解决这一问题。而MCR型SVC可以直接在110kV系统接入进行补偿,无需中间变压器过渡,占地面积会更小。

5.4 风力发电

随着越来越多的风力发电设备接入电网,风机的并网与退网运行对电网稳定性的影响受到了越来越多的重视,在风力发电机组内部,该类负荷对无功功率的需求变化与风速、风向等有密切关系。因为风速、风向有一定惯性,变化较为缓慢,对无功功率的需求变化相对较慢,采用MCR型高压动态无功补偿装置的补偿精度可以达到0.5kvar,从而可以实现变化风速下的高功率因数补偿和快速的电压支撑。而在风力发电厂变电站,更强调易维护性和较小的占地面积,以及对恶劣环境的极高适应能力,所以MCR型SVC装置更有应用前景。

6 结束语

具有双向调节能力的MCR与TCR型动态无功补偿装置,安装在变电站可以有效地减少电容器组的频繁投切操作,提高电力设备运行效率和安全性能,实现无功的动态调节,改善电压质量,减少有载调压开关的调节动作;在负荷侧安装SVC后,向随机变动、非线性、甚至不平衡负荷提供连续可调节的无功补偿,改善电压质量。随着快速调节技术的改进,磁控电抗器已经发展成为一种具有优异的工业性能和控制性能的电磁元件,为广大的工业用户提供可靠、高效的动态无功补偿。

7 参考文献

[1] 陈振虎,梁继勇,基于磁控电抗器的电力系统动态无功补偿装置的设计及应用[J],电网技术,2005,26(7):82—84

[2] 田广青,晶闸管控制型静止补偿器的损耗评价[J],电力电容器,1995(2):28-35

[3] 曹中科,MCR型SVC无功补偿装置,煤炭工程,2009(9)

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