一種應用于電網的混合型動態無功補償系統的制作方法

專利名稱：一種應用于電網的混合型動態無功補償系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于電網無功優化和改善供電電壓質量的混合型動態無功 補償系統，本實用新型尤其涉及一種適用于風電場的動態無功補償和靜態可調無功補償相 結合的混合型動態無功補償系統。
背景技術：
隨著世界各國對潔凈能源發展利用的不斷重視，風力發電技術的應用和推廣都得 到了很大的提升，但是以自然風為原動力的風力發電機組在提供清潔能源的同時，會因為 自然風的隨機性和不可控性成為不穩定的間歇性能源。尤其是大型風電場接入電網后會對 電力系統的安全穩定運行造成不可忽視的影響。這種情況下，風電功率的注入不僅不能改 變系統的負荷特性，反而會使其惡化，使峰谷差增大，增加了電網調度的難度。除風電場之 外，半導體芯片加工業、電力系統變電站以及各種大型負荷設備的生產運營中，各種電感性 設備、變壓器、超出規定范圍的供電電壓也會對功率因素造成很大的影響。因此，為保證電力系統的安全運行和經濟效益，通常需在部分母線上投入無功補 償。目前電力系統中的無功補償形式主要有動態無功補償和靜態無功補償兩種，其中動態 無功補償反應速度快，精度高，但設備相對昂貴，損耗較高，通常在2%左右。靜態無功補償 損耗較低，價格也相對較低，但反應速度慢，精度較低。兩種方式互有優劣性。
發明內容本實用新型的目的在于融合上述兩種方式的優點，提供一種反應速度快，精度高， 損耗低的新型無功補償系統。1、本實用新型的解決方案是一種應用于電網的混合型動態無功補償系統，該系 統由動態無功補償裝置、靜態可調無功補償裝置、包括主控制器、動態補償從控制器、靜態 補償從控制器在內的主從分布式控制系統組成，其中動態無功補償系統和靜態可調無功補 償系統分別和主從分布式控制系統連接，并連于電網中。采用一套控制系統同時控制動態無功補償裝置和靜態無功補償裝置，其中從控制 器將自身的狀態值提交給主控制器，主控制器根據所采集的電網與控制裝置數據融合了從 控制器提交的狀態值進行輸出功率的分配計算，將結果下送從控制器控制各自的裝置動作。該系統中的靜態可調無功補償裝置，可選用調壓調容型無功補償裝置DWZT，也可 選用固定投切電容器組TBB。該系統的組成見附圖1，其結構特點是動態無功補償裝置及靜態可調無功補償裝 置(其中固定投切電容器組TBB見附圖2)均由一套系統綜合控制，系統能夠根據電壓量、 電流量和狀態對變電站高壓側220kV側功率因數及電壓進行調整，從而達到整個電網的無 功優化、改善供電電壓質量的目的。控制系統主要有主控制器、動態補償從控制器、靜態補 償從控制器在內的控制系統組成。
3[0009]動態無功補償裝置Statcom可歸類于柔性輸電(FACTS)裝置，可精確的注入容性 或感性的無功到需要的補償點來實現瞬時補償電壓偏差。無功功率由專有的四象限的、可 在1個周波內完全輸出容性或感性無功的IGBT逆變器產生。靜態可調無功補償裝置是在投切電容基礎上，通過調壓器調節電容器上端電壓來 實現無功調節，解決了分組投切所帶來的涌流及過電壓問題，實現25% 100%間九級調 節精度。在穩態狀態下可向系統注入穩定、高容量的無功功率，同時具有低損耗功能。本實用新型與現有技術相比具有如下優點1、響應速度快。傳統補償裝置的響應速度均在一個周波以上，如投切電容的響應 速度受投切開關的動作影響為秒級；速度較快的SVC，采用晶閘管投切電容器(TSC)或晶 閘管控制電抗器(TCR)，可在一個周波內發生動作，但從額定感性功率轉換到額定容性功率 (或相反)，必然需要4 5個周波才能完成；而晶閘管磁控電抗器(MCR)則需要15-25個 周波才能完成從額定感性功率轉換到額定容性功率(或相反)。只有在本系統中集成的 TATC0M才能在一個周波內完成從額定感性功率到額定容性功率(或相反)的轉換，完全滿 足補償沖擊性負荷的需要及對故障電網電壓的支撐，相對傳統補償裝置能夠更好的控制電 壓波動，更好的解決瞬時發生的故障問題，同時抑制電壓三相不平衡問題。2、諧波含量低。本系統采用了優化的高頻脈寬調制(PWM)技術，一個周波內開關 近百次，自身產生的諧波含量很低，且大部分均為高次諧波，完全符合IEEE-519標準。而其 它如SVC等同類產品一個周波內通常開關1次，產生含量很高的低次諧波，必須匹配合適的 濾波裝置，在電網阻抗特性發生變化時造成諧振故障的風險很高，這是SVC等裝置無法避 免的缺陷。3、運行范圍寬，短時強過載能力。本系統通過調節無功電流來實現無功功率補償， 無功電流輸出不依賴于電壓，在滿負荷狀態下可以表現為恒流源特性，可以在額定的最大 容性和感性范圍內，獨立控制其輸出電流，而與交流系統的電壓值無關。因此可以在任何電 壓下提供全額的容性無功功率(最低可以在系統電壓到0. 15pu時)這一特性在系統電壓 發生崩潰時作用突出。而SVC等同類裝置是通過調節等值阻抗來實現無功功率補償，其輸 出電流和電壓成線性關系，輸出容量與電壓成平方關系，電網電壓降低會導致SVC實際無 功功率降低，在系統發生塌陷時輸出能力以電壓平方的關系急劇減低，無法在系統電壓崩 潰時有效支撐電壓，因此為實現控制目標，SVC通常需要比本系統多出一倍的容量。4、節能效果明顯。本系統中集成的DWZT不采用投切方式，電容器投切中無投切引 起的充放電問題，調節可隨系統無功變化隨時進行，不需要延時，本系統能將變站功率因數 提高至0. 95-0. 98之間，減少發熱損耗，降低線損。

圖1為系統組成圖圖2為固定投切電容器組TBB原理圖圖3為動態無功補償裝置原理圖圖4為靜態可調無功補償裝置一次原理圖圖5為動態裝置動作特性具體實施方式
本實用新型是一種動態無功補償與靜態可調無功補償相結合的系統。可應用于 電力系統220kV及以下電壓等級的各級降壓變電站中，根據電壓量和狀態對變電站高壓側 220kV側電壓進行調整，達到整個電網的無功優化的目的，滿足電網無功功率的供需平衡， 改善供電電壓質量。系統的主要組成有兩部分由動態無功補償裝置和靜態可調無功補償 裝置構成的數據采集及執行單元，以及由主從分布式控制系統構成的管理及計算單元。該 系統的具體結構及實施方式如下1、動態無功補償裝置動態無功補償裝置是由智能化，高功率密度，直流母線疊排，完全集成設計的四象 限功率轉換器模塊構成。每個模塊包含的固態功率逆變器數目是靈活配置的，這些逆變器 采用IGBT半導體開關器件轉換能量，如DC-AC，AC-DC或DC-DC。每個模塊由一組開關器 件連接到直流總線，共用電容器，合適的傳感器，驅動和隔離電路以及基于DSP的控制板組 成。動態無功補償裝置是由大功率可控開關器件IGBT構成的電壓源逆變器，見附圖 3。其自身輸出電壓較低(lkv以下)，需要通過適當變比的升壓變連接到所補償的母線 上。如圖所示，動態無功補償裝置相當于電壓可控的電壓源，輸出電壓&，X相當于升壓
變壓器等效阻抗，&是電網母線電壓。A> =《-&施加在等效電抗X上，流過電抗的電流
7=(Fd"Fs) , 與 相位基本一致，所以通過調節 的大小就可以改變.的大小與方向，當 jX VD VsVDI
vD > vs時，電流)領先^ 90°，此時動態無功補償裝置相當于線性可調電容，向電網注入容 性無功，反之，當vD < vs時，電流)落后^ 90° ,動態無功補償裝置相當于線性可調電感，向 電網注入感性無功。由于動態無功補償裝置可以連續快速地調節輸出電壓&，因此可以連 續快速平滑地向電網補償容感性無功功率。動態無功補償裝置是一種標準模塊化的功率變頻器，可以架裝。其有能力輸出容 性或感性無功，并可持續輸出2. 67倍的超載電流達2秒鐘。這一特別過載能力在發生瞬時 短路情況下非常有用。2、靜態可調無功補償裝置靜態可調無功補償裝置通過電壓調節器將電容器和母線連接起來，在保證母線電 壓穩定的前提下，改變電容器輸出端電壓，以保證電容器輸出容量滿足系統要求。根據Q =2 Ji f⑶2原理，電容器C值不變，端電壓從100% U降到50% U時，其輸出容量就可以在 (100% 25% ) XQn下進行調節。如果將并聯電容器換成并聯電抗器就可實現感性無功功 率的輸出，附圖4為靜態可調無功補償裝置的一次原理圖。3、主從分布式控制系統本系統采用主從分布式控制系統，由主控制器和從控制器組成，主控制器負責 HYC0M的整體控制策略，從控制器負責執行并具備一定智能，其原理可參見圖1。3. 1主控制器主控制器是控制動態部分和靜態部分協調工作的核心，主控制器與從控制器間通
5過以太網接口互聯。從控制器將所采集的電網與所控制裝置數據與狀態提交給主控制器， 主控制器根據控制策略進行輸出功率的分配計算，將結果下送從控制器控制各自的裝置動作。控制系統可以提供本地和遠程控制方式。在同一時間只有一種控制方式可以被激 活作為主控制點運行。可以監控或察看系統狀況，控制設置，和所有控制點中的其他無功補 償裝置參數。主控制器采用人機交互界面(⑶I)程序，由界面程序顯示該裝置運行狀態并可以 通過此程序設置或改變系統控制參數。3. 2動態無功補償裝置從控制單元動態部分的從控制單元(SD⑶)主要用于指導整個動態部分的運行，同時進行數 據分析與處理，并從HYC0M其他組件中獲取信息，按命令將數據發送到主控制器和接收主 控制器發送的指令。3. 3靜態無功補償裝置從控制單元特點靜態部分的從控制單元采用高性能的DSP，自動識別靜態部分的運行方式，自動確 定控制策略和控制對象。靜態部分的從控制單元接收主控制器下發的指令，根據指令實時 控制靜態部分動作，同時向主控制器上報電網基本參數、靜態裝置的狀態等信息。3. 4電壓調節正常工作時，本系統監測調節母線的三相電壓，由動態裝置注入進行連續調節所 需的超前或滯后無功功率。另外，靜態裝置可按穩態電壓調節方案執行，用于補充動態輸 出o動態裝置采用斜率可變的動作特性。如附圖5所示，該控制系統可按0. 5%的步進 速度選擇i-io%的獨立增減斜率，并選擇可調參考目標電壓以及參考電壓的可選死區。所 有這些參數均可調整，并可通過主控制器進行設置。
權利要求一種應用于電網的混合型動態無功補償系統，其特征在于該系統由動態無功補償裝置、靜態可調無功補償裝置、包括主控制器、動態補償從控制器、靜態補償從控制器在內的主從分布式控制系統組成，其中動態無功補償系統和靜態可調無功補償系統分別和主從分布式控制系統連接，并聯于電網中。
2.如權利要求1所述的無功補償系統，其特征在于一套控制系統同時控制動態無功 補償裝置和靜態無功補償裝置。
3.如權利要求1所述的無功補償系統，其特征在于從控制器將自身的狀態值提交給 主控制器，主控制器根據所采集的電網與控制裝置數據融合了從控制器提交的狀態值進行 輸出功率的分配計算，將結果下送從控制器控制各自的裝置動作。
4.如權利要求1所述的無功補償系統，其特征在于其中的靜態可調無功補償裝置，可 選用調壓調容型無功補償裝置DWZT，也可選用固定投切電容器組TBB。
專利摘要本實用新型公開一種用于電網無功優化和改善供電電壓質量的混合型動態無功補償系統。系統采用主從分布式控制系統對動態無功補償裝置(Statcom)及靜態可調無功補償裝置(調壓調容型無功補償裝置DWZT或固定投切電容器組TBB)進行集中控制，電網處在穩態運行狀態時靜態可調無功補償裝置運行，當沖擊性負荷啟動或電網出現故障時動態無功補償裝置可瞬間啟動，穩定電網電壓，當沖擊性負荷平穩運行期或電網故障排除后動態無功補償裝置可自動退出系統，使該系統同時具有動態無功補償的高速性和靜態無功補償的低損耗的特點。
文檔編號H02J3/26GK201608533SQ20092017069
公開日2010年10月13日 申請日期2009年8月13日 優先權日2009年8月13日
發明者鄭元彬 申請人:北京思能達節能電氣股份有限公司