电容器优化投切（共6篇）
电容器优化投切 篇1
0 引言
在近几年国家节能减排的政策鼓励下,区域小水电群以其丰富的能量来源及清洁无污染的运行方式,越来越受到地区电网的重视并得到大力发展。
小水电群与区域电网并网运行可以有效降低电力峰荷、缓解电压骤降、消除过负荷和堵塞、增加输电裕度,并且大大提高供电可靠性。但与此同时,并网的小水电群由于受自然环境而分丰、枯水期的不同运行方式及其可控性差不能很好地受调度运行的管理,致使部分小水电不能合理地满足并网运行条件,诸如电压等约束条件,有时为了满足并网约束,只能对小水电采取大量弃水,但这又不能很好地做到节能调度、发展清洁能源的政策号召。
因此,本文针对小水电群合理优化并网问题展开研究,通过电容器投切来改善电压越界,寻求在计及电容器投切次数限制、小水电弃水最少的约束下配电网的最经济运行方式。
1 含小水电群区域电网运行分析
在日常运行中,由于小水电无库容、调节能力差、季节性强等因素,大部分小水电不能随日负荷曲线的峰谷变化而调整出力,此外,很多梯级或流域内的多个小水电由于地理条件的限制,经常采用串T形式接入电网的某一馈线,远离负荷中心,这种结构进一步恶化了梯级和流域小水电群接入配电网后的运行条件,导致流域小水电站相互之间竞争发电上网,造成电网运行指标的大量越限;或是为了满足电网运行指标的限制而导致在低负荷下的大量弃水,这对电网的安全运行和电站的经济运行都是不利的。
由于小水电群运行具有季节性、同步性的特点,在丰水期基本上为送端系统,小水电群基本没有调节能力而同步开机满发,造成局部电网电压普遍偏高,在重负荷下,水电机端电压高,受无功封锁导致无功欠发,从电网吸收感性无功并投入电容器组;在枯水期为受端系统,由于地处整个电网末梢,送电距离远且电气联系弱,因此局部电网电压普遍偏低。
因此,小水电并网运行的主要问题来自于丰水期重、轻负荷日的峰谷差过大,而小水电的库容调节能力过低,导致了高峰负荷小水电满发、而电容器频繁投入;低谷负荷电容器退出而小水电弃水。
2 小水电群区域配网运行的改进优化模型
2.1 基本思想
小水电发电机在发有功的同时也作为一种无功电源,可在一定程度上缓解无功不足。但实际的情况是,水电站在丰水期往往存在着无功欠发,甚至还要从大电网吸收感性无功的现象,加重了电网的无功负担,在与电网进行无功交换中形成了大量的有功损耗。并且,在小水电群运行的丰水期,考虑峰谷负荷的差异需要投切电容器来控制电网电压,而很多水电站优化计算中,没有考虑电容器投切次数对设备寿命的影响,因此其结果经常出现电容器的频繁投切操作,并不符合实际运行和经济性的要求;同时在水电大发汛期,大量小水电冲击电网主网,低谷倒送电力,大大增加了电网调峰的负担,会受到电网限制其发电,造成水电站弃水浪费。
本文针对小水电并网位置和结构特点,以电容器投切代价及电站弃水最小为约束,电网经济运行费用最小为优化目标,提出了智能PSO优化方案,实现电网与区域小水电群的最优运行。
2.2 改进优化模型
2.2.1 目标函数
式中:PL为优化时刻的系统总网损;T为优化时间间隔,一般取T=1h;KE为单位电能损耗的费用系数;Δqj为补偿节点j处在优化前后两个时段电容器投入组数的变化量;Kq为电容器一次投切动作的代价系数;NC为系统中装有可投切电容器的节点数;n为优化时刻投入的小水电数;pie为水电站满发时对应的额定功率,pi为水电站实际弃水发电时对应的功率。
优化模型改进的关键就是在以往的目标函数中增加了对电容器投切代价及水电弃水进行量化的部分。电容器的频繁投切对设备寿命有很大影响,并且也不符合实际运行的要求,应将电容器投切次数采用功率指标计入到目标函数中处理,根据运行及约束要求,得出最小投切代价[1]。式(1)中的投切代价系数Kq,可按以下方法近似计算:假定一台电容器组的购买成本为FC元,正常寿命期内允许的投切次数为TC次,正常使用寿命为YC年,投切开关永远不动作时补偿装置的预期寿命是,则投切开关动作一次的代价(元/次)为:
若令Cq=Kq(KE⋅T),则目标函数可转化为如下形式:
式中,Cq为以功率形式表示的投切代价系数,单位为kW/次。
采用式(3)形式的目标函数,控制变量的变化量Δq及(pie-pi)过大会使目标函数值增大,优化结果将在降损量与投切代价、弃水之间达到平衡,从而能够避免过多的投切次数和过大的弃水量。此外,通过将总投切次数的约束转化为目标函数中的投切代价,将全局性的动态优化改造为解耦的逐时段静态优化,计算复杂度显著降低,且无须对负荷预测曲线进行等值和简化,保证了较高的计算精度[2]。
2.2.2 约束条件
(1)潮流约束
式中,X、q分别代表优化时刻系统的状态变量向量和控制变量向量。
(2)电容器投入组数约束(控制变量约束)
式中,qj和qj,max分别为节点j处可投切电容器的投入组数和最大安装组数。
(3)电压上下限约束
式中,、Vmin和Vmax分别为节点j的电压有效值、节点电压的下限和上限;N为系统的节点数。
(4)电容器安全约束(状态变量约束)
为了保证电容器的安全运行,各电容器的工作电流、工作电压和总的负荷应满足下式,即:
式中,IC,j、VC,j分别为电容器j的电流、电压;ICN,j、VCN,j分别为电容器j的额定电流、电压[3]。
2.2.3 PSO优化原理
式(1)~(7)属于不可微的非线性整数规划的范畴,其目标函数和约束条件都是离散控制量的非线性函数,难以用传统规划方法进行问题的精确求解,因而本文利用一种新的智能演化计算方法——微粒群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)来解决上述问题。
假若在D维搜索空间中有m个微粒,微粒i(i=1,2,…,m)的位置为Xi=(xi1,xi2,…,xiD)T,它所经历过的最优位置记为Pi=(pi1,pi2,…,piD)T,相应的适应度值称为个体最优解p Besti。整个微粒群经历过的最优位置记作Pg=(pg1,pg2,…,pgD)T,相应的适应度值称为全局最优解g Best。微粒i的移动速度用Vi=(vi1,vi2,…,viD)T表示。则微粒根据如下计算公式来更新自己的速度和位置[4]:
式中:ω为惯性权重;c1和c2为加速常数;r(0, c1)和r(0, c2)为两个相互独立的随机函数,分别产生[0, c1]和[0,c2]范围的随机数;t指迭代计算次数[5,6]。
根据PSO优化原理,结合本文小水电群区域配电网的优化目标,对配电网网损、电容器投切代价及小水电弃水进行逐时段优化迭代计算,寻找最优适应度值,得到全局最优解[7,8]。
3 算例分析
3.1 算例系统说明
本文以IEEE9节点算例系统为例,对小水电位于5、7、9节点时其优化计算情况及结果进行分析。该系统的固定电容器及可投切电容器组配置情况如表1所示,节点的电压限值为Vmax=1.10 p.u.和Vmin=0.90 p.u.。
根据负荷预测得到未来一天系统各节点负荷曲线来实现配电网电容器的优化投切和水电弃水优化。为便于计算,假定算例系统中的所有负荷节点都属于同一类型,其节点在未来一天的阶梯形日负荷曲线如图1所示(纵坐标是以24 h的平均功率为基准的标幺值功率,称负荷曲线系数)。
3.2 计算结果分析
在以电容器投切次数及水电弃水为约束的区域电网优化程序中,通过设置VC++编程中不同参数值,分别考虑小水电群运行中不计电容器投切代价、计及电容器投切和考虑电容器投切并使小水电机组进相运行时三种不同运行状态下电网的损耗、小水电的弃水代价和投切次数进行优化研究和比较。
(1)不计投切代价
将投切费用系数Cq设置为Cq=0,经程序解耦运行一天内24 h负荷曲线,得到的计算结果如表2所示。
(2)计及投切代价
将投切费用系数Cq设置为Cq=0.04,经程序解耦运行一天内24 h负荷曲线,得到的计算结果如表3所示。
(3)考虑机组进相运行及电容器投切代价
发电机正常运行时,向系统提供有功的同时还提供无功,定子电流滞后于端电压一个角度,此种状态即迟相运行。当系统供给的感性无功功率多于需要时,将引起系统电压升高,要求发电机少发无功甚至吸收无功,此时发电机可以由迟相运行转变为进相运行。同步发电机向量图如图2所示。
对于区域小水电群,由于其受到自然条件的限制,有丰、枯水期,在丰水期水电大发汛期,大量小水电冲击电网主网,负荷低谷时倒送电力,大大增加了电网调峰的负担,会受到电网限制其发电,造成水电站弃水浪费。这时应安排一些小容量水电机组进相运行,有利于在夏季无功充裕时降低系统过高电压,并对水电站的弃水问题得到很大改善。
此时,设置合理参数,适当考虑使发电机进相运行,由图2可知,机组进相运行时,无功功率为负。这里设置Cq=0.04,约束条件Qmax>Q>-0.3Qmax时运行程序得出计算结果如表4。
分析上述计算结果可知:
(1)与未考虑投切代价的结果相比,计及投切代价的目标优化中有功网损虽有所增加,但差别并不大。两者的最大差别体现在,前者为了追求每一时段的网损最小需要付出频繁投切的代价,后者则可以使电容器投切次数得到有效的控制,因此从工程实际的角度而言,后者的结果才是真正可操作的优化方案。
(2)在电容器投切代价的基础上,考虑发电机的进相运行,从程序的优化结果可以看出,有功网损略有增加,但幅度依然不大,而其水电群的弃水代价却有很大幅度的减小,这对丰水期低负荷时水电站的经济运行非常有利,并且电容器的投切次数也被控制的比较合理,符合工程实际。
4 结论
本文针对小水电群区域配电网的网损、电容器投切及小水电弃水问题建立模型并结合PSO智能算法进行优化方案研究。得出了在小水电丰水期重负荷情况下,合理控制电容器投切次数,从而减少投切代价;而在小水电丰水期轻负荷下,考虑机组进相运行,有效地减少了水电站弃水浪费,达到节能优化目标。算例分析表明,该优化方案使得小水电群与区域配电网能够更加合理经济地运行,具有一定的实用性和可行性。
参考文献
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电容器投切对无功补偿的影响 篇2
1 无功在供电系统中的影响
1) 接在电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的, 我们最常见的变压器就是通过磁场才能改变电压并且将能量送出去, 电动机才能转动并带动机械负荷。电容器在交流电网中接通时, 在一个周期内的, 上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等, 不消耗能量, 这种充放电功率叫做容性无功功率。
2) 无功功率增大, 即供电系统的功率因数降低将会引起:
(1) 增加电力网中输电线路上的有功功率损耗和电能损耗。若设备的功率因数降低, 在保证输送同样的有功功率时, 无功功率就要增加, 这样势必就要在输电线路中传输更大的电流, 使得此输电线路上有功功率损耗和电能损耗增大。
(2) 系统中输送的总电流增加, 使得供电系统中的电气元件, 如变压器、电气设备、导线等容量增大, 从而使用户的起动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大, 因而增大了初投资费用。
(3) 功率因数过低还将使线路的电压损耗增大, 结果负荷端的电压就要下降, 甚至会低于允许偏移值, 从而严重影响异步电动机及其它用电设备的正常运行。特别在用电高峰季节, 功率因数太低会出现大面积地区的电压偏低, 将给油田的生产造成很大的损失。
(4) 使电力系统内的电气设备容量不能充分利用, 因为发电机或变压器都有一定的额定电压、额定电流和额定容量, 在正常情况下, 这些参数是不容许超过的, 若功率因数降低, 则有功出力也将随之降低, 使设备容量不能得到充分利用。
2 减少无功, 提高功率因数的方法
2.1 提高自然功率因数
自然功率因数是指未装设任何补偿装臵的实际功率因数。提高自然功率因数, 采用科学措施减少用电设备的无功功率的需要量, 使供配电系统总功率因数提高。
(1) 合理选择用电设备的规格、型号; (2) 防止用电设备轻载运行; (3) 保证用电设备的维修质量; (4) 合理选择变压器的型号、容量。
2.2 人工补偿提高功率因数
并联电容器、并联电抗器、串联电容器、串联电抗器、同步补偿器、TCR、TSC、SR等, 目前, 在油田变电站中, 提高自然功率因数, 减少无功, 可能性不大, 是因为变电站建站初期, 设备的选型、设计决定了自然功率因数的提高。而人工补偿提高功率因数, 在不增加投资的情况下, 并联电容器是应用最直接、最明显的无功补偿技术方式, 也是油田变电站现有条件下, 能够做到的。
3 并联电容器补偿
并联电容器是目前国内外应用最为广泛的无功功率补偿装臵, 其优点是:投资省, 运行经济, 结构简单, 维护方便, 容量可以任意选择, 适应性强。
3.1 并联电容器提高功率因数的原理
在电力系统中感应电动机约占全部负荷的50%以上, 在电力系统的用户中还存在着大量无功源如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等, 因此总电流I将滞后电压一个角度, 如果将并联电容器与负载并联, 则电容器的电流IC将抵消掉一部分电感电流IL使总电流减小, 功率因数提高, 这就是并联补偿的原理。
并联电容器补偿无功不仅减小了网络的有功损耗, 还提高了电网的传送能力和负荷侧的功率因数。在负荷侧安装并联电容器, 不仅能改变网络中的无功分布, 提高负荷侧的功率因数, 还可以达到调压的目的。
3.2 补偿容量和电容器台数的确定
式中, Qcc为补偿容量;P为平均有功负荷, P=αPc或Wα/t, Pc为负荷计算得到的有功计算负荷, α为有功负荷系数, Wα为时间t内消耗的电能;tgф1为补偿前平均功率因数角的正切值;tgф2为补偿后平均功率因数角的正切值。
3.3 并联电容器组的接线
并联电容器的接线一般可分为△形和Y形。△形不受三相电容器容抗不平衡的影响, 可补偿不平衡负荷。但当电容器等发生短路事故时, 短路电流大, 可选用的继电保护方式少。采用Y形接线时, 不仅设备故障时短路电流较小, 继电保护构成也方便, 而且设备布臵清晰, 但对3n次谐波没有通路, 故广泛用于6k V及以上并联电容器组。
4 电容器补偿的投切方式
4.1 变电站常规开关投切
电容器采用开关投切的无功补偿, 不能根据无功需求的变化进行自动补偿, 导致低谷时段电压偏高电容器无法投入运行, 造成较大线损。
4.2 补偿装臵动态投切
实现对电力系统电压和无功补偿的动态控制、提高功率因数有以下意义:
(1) 维持监视点的电压水平;
(2) 实现系统中无功的最优分配, 保证系统的安全经济运行;
(3) 提高系统的稳定性。
采用模拟量或微电脑功率因数检测, 通过中间继电器 (或固态继电器) 接通断路器, 控制补偿电容器投入或切除。但存在的很多问题:
(1) 会产生很大的合闸涌流和电压闪变, 甚至引起系统振荡;
(2) 断开弧光大;
(3) 补偿电容器及接触器易损坏, 一年后90%以上不好用。
4.3 无功自动调节装置
采用特殊的自耦调压器通过调节电容器两端电压来改变无功出力, 满足系统对容性无功的要求, 达到提高功率因数减少线损的目的。
由电压调节器、微机控制器、电容器三部分组成。而它的微机控制器是将主变高压侧电流电压按九区图有理分析判断, 发出指令自动调节电容器端电压和主变分接开关使功率因数及电压都在合格范围内, 并且能够解决低谷时段电压偏高电容器无法投入的问题。和其他电容器无功补偿投切方式相比有以下优点:
(1) 电容器固定接入不分组投切即或有九档输出, 容量从100%-36%额定无功容量。
(2) 调切过程无过电压和涌流可保证电容器和系统安全运行。
(3) 可保证电容器运行在额定电压以下延长电容器使用寿命。
中区供电公司110k V辛四变6k VⅡ段母线采用无功自动调节装置, 在电容前串入电压调节器, 电压调节范围60%-100%额定电压, 容量为2000k Var, 电压等级为6k V。
经过现场运行表明:
(1) 采用无功自动调节装臵可有效地提高变电站的功率因数, 达到0.93以上。
(2) 在满足提高功率因数的基础上, 也能有效地提高网压水平, 降低变压器功率损失和网损, 增加了供电系统的输出能力。
5结论
电力电容器是电力系统无功补偿的手段, 运行中并联电容器的容性电流抵消感性电流, 使传输元件如变压器、线路中的无功功率响应减少, 因而, 不仅降低了由于无功的流向而引起的有功损耗, 还减少了电压损耗, 提高了功率因数。所以投切并联电容器进行各级电网的无功补偿是电力系统最广泛的应用方法。
摘要：电容器在原理上相当于产生容性无功电流的发电机。其无功补偿的原理是把具有容性功率负荷的装置和感性功率负荷并联在同一电容器上, 能量在两种负荷间相互转换。因此, 电容器作为电力系统的无功补偿势在必行。当前, 利用投切并联电容器来调节无功补偿已经非常普遍。
关键词：电容器,无功补偿,投切
参考文献
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电容器优化投切 篇3
关键词：配电网,无功优化,物理寻优,启发式规则
1 问题的提出
配电网电容器优化投切问题属于多约束非线性整数优化问题, 可以使用传统的数学规划方法和现代人工智能方法进行求解。二次规划法、非线性规划法、动态规划法都属于传统数学规划方法, 计算速度快, 但易陷入局部最优解。到了20世纪90年代, 开始使用RTS、粒子群算法以及遗传算法等人工智能方法解决配电网电容器优化投切问题。人工智能方法从理论上可以保证达到全局最优解, 但不足是计算效率较低。
2 快速投切的物理算法
本文算法有别于目前已有的数学算法, 它是基于电气基本定律, 从配电网放射状的特点出发, 利用运行经验进行启发从而得到的一种快速有效的电容器投切物理算法。
2.1 基本问题分析。
功率在线路上流动就会产生损耗, 同时也会产生电压降落, 如图1:
图1为配电网中一条简单的支路, 其中Vi、Vj为支路两端的电压幅值;R+j X为支路的阻抗;Sj=Pj+j Qj为支路末节点的负荷功率。支路末节点j的负荷功率由首节点i通过支路供给, 于是产生电压差:
以及有功网损:
从公式 (1) 及 (2) 可以看出:功率在线路上传输将产生电压降和功率损耗, 其值主要由两方面因素决定:流经线路的阻抗值以及线路上传输的功率值。
如果在节点j处进行无功补偿, 补偿量为QC, 假设i节点电压在补偿前后近似不变, 则节点j处电压为:
可以看出, 无功补偿可以对节点电压进行调整。但在实际配电网络中, 分布大量负荷节点, 当在某节点处进行无功补偿后, 其它节点的电压也要相应变化, 无法利用公式 (3) 快速、准确地求得节点电压值, 而需要进行潮流计算。
2.2 负荷功率传输路径。
针对2.1的问题所在, 即同一条线路上各负荷功率的相互影响使得调压计算变得困难, 可以设想, 如果一条线路上首节点为配电网的根节点, 而尾节点为负荷节点, 中间无任何其它负荷节点, 那么对该负荷节点进行调压计算就轻而易举。根据上述思路, 先探求获得此种单电源—单负荷支路的方法。
如图2所示, 在配电网的一个分支上, 分布着6个负荷点, S为根节点, 可以把这条支路按负荷节点数“撕”成6条并联的子支路, 图3给出了节点4和节点6的单电源—单负荷支路示意图:
把型如图3的单电源—单负荷支路叫做各负荷的“功率传输路径”。图2中其它负荷点的功率传输路径和节点4、6类似, 都是一条负荷的“单享”通道, 即这条路径上只有末节点一个负荷功率在传输, 无其它节点负荷功率传输。功率传输路径上的每段支路都是原支路的并联子支路, 对应原始网络上的的某一段支路, 如果共有n个节点的负荷功率流经此支路, 那么对应的功率传输路径上的子支路并联起来就是该原网络中的实际支路。以图2中支路3-4为例, 节点4、5、6的负荷功率流经此支路, 因此相应的负荷功率传输路径上的子支路34-44、35-45、36-46其并联阻抗值就是支路3-4的阻抗值。
求取负荷功率传输路径的基础是获取每条支路上对应的子支路, 下面给出子支路阻抗值的计算方法:
支路i-j的末节点j处有m个流出功率, 首先把支路分成两条并联的支路, 即一条支路上只有电阻R, 另一条支路上只有电抗X, 同时也可求出R支路以及X支路上的阻抗值SR (纯电阻) 和SX (纯电抗) 及电流值IR和IX。此时把末节点上的电流也正交分解上两个向量, 其相位与R支路和X支路相同, 假设电流Ik·按两条支路正交分解后的电流分量为IkR和IkX, 此时所有的流出电流正交分解量应满足下式:
因为所有的流出电流在R支路上的正交分解量相位都是相同的, 所以在电气量上就存在线性关系, 因而可以得到子支路上的正交分解阻抗值:
最后将两个支路的阻抗值并联起来就得到电流Ik·在支路i-j上对应的子支路:
不断采取上述方法来求得Ik·在各支路上的子支路, 直到根节点为止, 最终将这些子支路串起, 就得到如图3所示的功率传输路径图。因为配电网是一个单电源的放射状网络, 功率自上而下传输, 因而计算起来非常方便。
同时, 如果网络中负荷的功率因素相差不大, 利用电路理论进行数学推导, 可以采取如下的子支路阻抗近似求解方法:
式中:Zi-j=R+jx为支路原有阻抗;Si-j为支路i-j上流过的视在功率。
2.3 调压计算。
如果该补偿点附近都是重负荷, 附近区域的电压将偏低, 为使该区域的电压符合要求, 往往需加大无功补偿容量。那么节点i处需要补偿点j补偿的无功容量分量为:
式中:Vi为节点i当前电压幅值;ViE为节点i需要调到的电压幅值。
以上无功补偿容量的计算是针对于调压点与补偿点在一个节点上的情况, 实际网络中由于装设电容器补偿点的节点数有限, 所以每个电容器投放点都需要对周围的其它多个节点进行补偿-调压。当补偿点和调压点不在一个节点上时, 就需要在式 (8) 计算的容量基础上外加一个无功失配量, 具体按下面操作:
当补偿点位于调压点上游时, 此时无功补偿功率与有功功率在线路上的流动方向相同, 则失配量近似为
式中:S为补偿前线路上流过的视在功率;△QLOSS为线路上的无功损耗。
把失配量加到式 (8) 上则最终得到补偿点j对节点i处补偿的无功分量。
当补偿点位于调压点下游时, 此时有功功率是自上而下传输, 而无功补偿功率是自下而上传输, 此时该方向上只有无功在流动, 所以失配量的计算可对式 (9) 适当修改求得。
3 结论
电容器优化投切 篇4
真空度:我们再从投切电容器组的过程来分析发生重燃的原因:电容器组在被投入的瞬间有个短暂的充电过程, 此过程是一个相当于短路的暂态过程, 对于正好处于较高电压相位的相来说, 会有很大的冲击电流流过开关触头, 同时, 由于限流电抗器的存在, 又会因阻容震荡产生很高的谐波过电压, 这是造成电弧成倍增加的根本原因。电容器组在断开前已经被充电, 自身具有一定的电压, 开关接到分闸指令后断开, 电弧熄灭, 外部线路为随着时间而不断变化极性的交流电压, 因此开关断开后将受反向的电压, 使开关断口最大需要承受2倍的正常线路电压, 这是比一般的开断过程要严酷的地方;而且切合电容器组时的电流一般较小, 不超过数百安培, 电流开断过程本身并不存在困难, 因此切合电容器组时发生重燃主要是电压击穿的过程。
从以上分析可见, 真空开关自身的问题并不是其在投切电容器组时产生过电压的真正原因, 过电压的原因是由电容器组的特点造成的。因此, 我们可以想象一种理想的状态———在开关触头合、分的瞬间, 加在触头间的电压为零, 这样, 断口预击穿、截流等过电压产生的原因就会迎刃而解。但传统的操动机构 (弹簧机构和电磁机构) 是一个复杂的机械系统, 零部件多, 运动环节长, 因此运动时间分散性大, 响应速度慢, 且传统操动机构均为三相共轴运动方式, 因而难以在三相交流系统中按时序对各相分别进行精确控制。我公司通过广泛的考察和交流, 选择了锦州拓新电力电子有限公司的时间跟踪过零投切式电容器投切专用开关柜。该装置采用检测母线过零时刻接通电容器的控制方案, 从而消除电容器投切时产生的涌流和过电压。为准确做到过零控制, 设计了一种与分合闸线圈动作时间无关的永磁机构控制器。在该控制器的控制下, 断路器分合闸时间仅与断路器的机械运动时间有关。断路器选用永磁真空机构, 在环境条件相同的情况下, 永磁真空断路器的机械运动特性一致性较好, 保证了同步过零投切的准确性。同时电压无功测控、录波单元对断路器的每次动作进行跟踪分析, 计算每次动作的分合闸时间, 对永磁机构控制器的控制时间进行调整。
1智能式过零分合闸断路器
由可分相操作的真空永磁机构断路器本体与智能过零控制器组成。真空永磁机构断路器本体是一个由德国特瑞德的每相装有永磁机构的单相真空断路器。即A、B、C分相断路器, 为实现断路器过零分合闸操作, 提供了所需的开关设备。
2智能过零控制器
智能过零控制器是该公司自行研制的一种微机控制装置。内置了开关量采集电路, 可以识别断路器的运行状态及有无分合操作的请求;内置了分合闸时间测量电路, 可确知每相断路器的分合闸时间;内置了过零检测电路, 可确知每相断口电压差等于零时的发生时刻和每相断口通过电流过零时的发生时刻;内置了大功率无触点开关电路, 做为驱动断路器分合闸的执行元件, 可准确, 快捷, 保证断路器过零合闸与过零分闸。智能过零控制器采用在母线电压过零时合闸, 在电流过零时刻分闸的控制方案。由于真空永磁机构断路器具有分合闸动作时间一致性好的特点, 在一定的环境条件下断路器的机械运动时间趋于一个常数, 可由该装置的智能单元测量出来。设定其动作时间值为x, 当要投入电容器时, 按相关过零时刻起, 计时等于10- (x/10的余数) 时间时, 由智能过零控制器给出对应的操作指令, 便可以实现电容器过零投切的目的。
我公司于2012年4月利用大修停车机会完成了对电容器投切开关柜的改造, 经多次投切实验, 效果良好。通过改造可以极大的降低在投切电容器时, 发生操作过电压的可能性, 不仅减少电容器组修理维护费用, 延长电容器组使用寿命, 更重要的是有效保证供电系统安全和化工生产线的安全稳定性。
电容器优化投切 篇5
无功补偿装置在保证电力系统电能质量,降低电网损耗,提高电网的输送能力和设备利用率方面具有重要作用和意义。在无功补偿装置中,非常重要的是电容器投切过程,传统的投切开关存在涌流大(对电网及电容器有较大冲击及损害)、功耗大(接触器保持损耗、半导体器件导通损耗)等缺点[1],逐步被晶闸管加磁保持继电器的智能复合开关所代替,智能复合开关拥有较好的性能优势而被市场认可。
1 智能复合开关的基本原理
智能复合开关充分利用电力电子器件在开通与关断中可控以及无弧和磁保持继电器触头接触电阻小(即导通损耗小)和无保持损耗的优点。
智能复合开关的基本原理如图1所示。合闸过程是在开关两端电压为零时由过零触发电路触发导通晶闸管T1,接着吸合磁保持继电器,磁保持继电器触头K1闭合后撤除晶闸管触发信号,从而完成无涌流电容投切;分闸过程则首先给晶闸管施加触发信号,然后分断磁保持继电器,最后撤除晶闸管触发信号,晶闸管在电流过零时完成分闸过程即电容退出运行。
由于在开关两端电压接近零时接通电容,从而使电容投切回路不产生涌流。在开断过程中磁保持继电器触头电流转移到晶闸管是个无弧过程,因此,触头无弧开断,不会产生触头烧损,从而保证智能复合开关具有很长的电气寿命。
2 单相补偿投切分析与设计
采用Or CAD中的PSpice仿真软件对单相补偿投切过程进行仿真,其仿真原理图如图2所示。
图2中复合开关由理想电子可控开关S4替代,并由控制源V8控制。V8可以模拟控制复合开关的导通与分断;S4导通电阻按电流30 A时1.6 V晶闸管导通压降设置,即电阻为0.053Ω;V7为电网交流电源,其电压峰值设置为311 V、50 Hz;电容C4为投切电容,其容量按15 kvar,即取301μF;R100为模拟放电电阻,取100 kΩ。图3为复合开关电压过零合闸与电流过零分闸仿真结果图,其中图3 a)为复合开关两端电压波形即图2中S4输出端电压波形;图3 b)是流过S4输出端的电流波形;图3 c)是V8的输出用于控制S4导通与关断合分时序波形,当V8输出1 V时S4导通,而输出0 V时S4关断。
从图3可知,分闸过程因电流过零分断后,电容两端电压保持电源电压峰值,因而在复合开关两端承受最大电压为2倍电源峰值电压。因此,仿真的电压波形对于选择晶闸管、磁保持继电器等元器件的耐压提供参考以保证复合开关可靠工作。
通过一系列仿真可得合闸时刻与冲击电流的关系。表1为合闸时刻与冲击电流关系。
由表1可知,在合闸过程时只要开关两端离零电压少许偏差就可引起较大冲击电流,将对电路造成严重冲击,并可能损坏晶闸管与电容器。因此,零电压检测并投切在无功补偿无涌流投切设计中是事关重要的。当然在实际工作时因导线阻抗及接触电阻等因素冲击电流会比表1中所列数据略小。
3 三相补偿分闸分析
三相补偿的合闸过程与单相补偿的合闸过程相类似,在这里不做分析。在三相补偿中,为了节省成本一般采用以下两种方案:(1)三相中某相直通,即不外加复合开关及相应触发保护电路来合分电流;(2)仅外加一磁保持继电器,并控制该磁保持继电器最先合最后分,那么该相晶闸管可节省不用[2]。
在仿真中采取B相最先合最后分的方式。图4、图5是晶闸管电流过零分断时晶闸管电压、电流波形图。分断过程的时序为A相先分断再分断C相最后分断B相。
图4是A相分断后C相在第一个电流过零点分断的电压、电流波形。而图5是A相分断后C相在第二个电流过零点分断的电压、电流波形。由图4可见,A相和C相分断后C相晶闸管两端电压峰值约为1 087 V,而图5中在A相和C相分断后A相晶闸管两端电压峰值高达1 287 V,这对晶闸管的参数选择及可靠工作是个很好的参考。图4、图5中在60 ms处B相分断后晶闸管两端电压均下降,这使电路工作的可靠性大大提高。
综上所述,电路最佳控制方式为:A相复合开关分断后,C相复合开关在第一个零点分断,同时B相磁保持继电器在C相分断后10 ms内分断。
4 智能复合开关的各类保护
4.1 断相保护
无功补偿在断相运行时,将造成三相电路不平衡及对电动机运行产生较大的影响。因此对无功补偿在断相时应能及时切除和不允许投入。断相检测电路如图6所示,当三相正常时OAB与OBC输出高低电平的方波,当OAB或OBC输出低电平连续超过20 ms时说明已有断相产生。智能复合开关应及时切除已投电容和不允许投入并指示断相。
4.2 对电容器直接保护
电容器作为无功功率补偿装置的主要电器件,当电压、电流超越电容器的额定电流值时,将导致电容器内部介质耗损增加,产生过热而加速绝缘老化,如不作处理最终可能导致电容爆炸,危害补偿柜及整个配电网,因而对电容器直接保护显得非常重要。电容器保护主要有过压、过流及超温等故障保护。过压、过流故障可通过无功补偿控制器来检测和保护,超温保护直接由智能复合开关检测和保护。电容器超温是缓慢累积过程,其超温保护采用热敏电阻作为感温元件,并通过对热敏电阻参数的检测来实现保护。热敏电阻可由电容器生产厂家直接将其埋入电容器或贴于电容器表面。
4.3 智能复合开关的晶闸管保护
晶闸管是智能复合开关中非常关键的器件。晶闸管承受过压、过流的能力非常差,一旦击穿不可恢复。晶闸管保护主要有过压、过流、电流上升率di/dt、电压上升率d V/dt等保护。过压保护采用瞬态电压抑制器和压敏电阻,当瞬态电压抑制器两极间的电压超过预定值时能以10-12s量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收浪涌功率,从而有效地保护电子元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏,压敏电阻在一定电流电压范围内电阻值随电压而变,可以抑制电路中经常出现的异常过电压;压敏电阻能承受较大冲击能量。阻容吸收电路不但能吸收过电压同时对电压上升率d V/dt也有较好抑制作用[3]。
5 采用复合开关的无功补偿装置测试结果
在采用复合开关的无功补偿装置产品研发过程中,通过示波器实测电压电流波形如图7所示,与仿真图形(图4)一致。样机在实验室以1 s时间间隔投切30 kvar电容连续工作8 h无故障。同时在工业环境以7 s时间间隔投切30 kvar电容25万次无故障。
6 结语
本文对单相补偿与三相补偿电容投切过程进行了仿真分析研究,从而为选取最优控制方式,选取合适元器件,降低成本保证智能复合开关可靠工作提供重要的参考依据。
仿真可知,智能复合开关的控制精度非常重要,稍有偏差就会产生冲击电流并损坏晶闸管。在三相补偿的情况下,采用A相复合开关分断后,C相复合开关在第一个零点分断,同时B相磁保持继电器在C相分断后10 ms内分断的控制方案是最佳方案。
参考文献
[1]张翠哲,李文华,骆燕燕,王立业.无功补偿装置中智能型复合开关的研究[J].低压电器,2007(9):57-59.
[2]江和,吴功祥,陈丽安,张培铭.无功补偿装置投切过程的仿真研究[J].福州大学学报:自然科学版,2007,35(6):863-870.
电容器优化投切 篇6
改进前后相同点：两者工作原理都是先用可控硅电压过零投入电容，然后触点闭合，可控硅退出，电容器在触点下运行。实现了投入电容无涌流，触点运行不发热的功能要求。
改进前后区别：普通复合开关是在磁保护继电器的触点下运行，而磁保护继电器原是为计费电表通断220 V单相电源而设计制造。其继电器触点额定电压为250 V，触点是单触点，断开后，触点间距离为2～3 mm。而计费电表只有在IC卡无钱时才会通断一次，因此继电器每个月动作几次就够了，所以其设计寿命为5万次。而电容补偿通常一天都有几十次投切电容，电路电压一般都在400 V左右。将磁保持继电器用于电容投切可见是有点超规使用。因此，普通复合开关在运行几个月后易出故障，时有触点卡住和开关烧损。
LG无涌流电容投切器是在交流接触器的触点下运行。交流接触器本身就是用于400 V电路中的频繁投切电器开关，其触点是双触点，断开时触点间距离为6 mm以上，双触点的断电间距有12 mm以上。设计使用寿命为60万次。彻底解决了普通复合开关使用磁保持继电器的不足。
经过一年多时间运行，500多台投切器在现场使用情况显示质量稳定，从未出现过烧触点和触点卡住现象。其不足点是投切时有接触器吸合声。
LG无涌流电容投切器是公司专门开模具生产的，使得接触器和控制部分成为一体，体积只有以前的一半，外观也美观，接线安装都更方便。