晶闸管控制电容器在分布式发电无功补偿中的应用

晶闸管控制电容器在分布式发电无功补偿中的应用
发布时间：2022-08-26T01:30:54.751Z 来源：《中国科技信息》2022年4月8期作者：严秋雨
[导读] 分布式发电出力波动的特性对系统的电能质量有较大的影响。

通过对晶闸管控制电容器在某余压发电系统中的实际应用情况进行研究，对分布式发电系统无功补偿的特点和晶闸管控制电容器存在的问题进行了讨论分析。

严秋雨
浙江浙能兴源节能科技有限公司浙江省杭州市 310000
摘要：分布式发电出力波动的特性对系统的电能质量有较大的影响。

通过对晶闸管控制电容器在某余压发电系统中的实际应用情况进行研究，对分布式发电系统无功补偿的特点和晶闸管控制电容器存在的问题进行了讨论分析。

本文结合SVG和智能电容器等新型无功补偿装置的特点，提出了一种应用于分布式发电行业的混合型无功补偿方法，较好的解决了晶闸管控制电容器的缺陷，为分布式发电产业无功补偿方式的优化提供了思路。

关键词：电容器；分布式发电；无功补偿；
分布式发电指所发电量优先就地消纳，余电并入配电网的中小型发电设施。

当前我国分布式发电技术不断发展，多种类型的分布式发电设备都得到日益广泛的应用。

大部分分布式发电系统具有出力随机波动的特点，对系统电能质量管理优化提出了新的要求。

本文结合某余压利用分布式发电项目，针对包含异步发电机电源，变频电机和三相异步电机负载的复杂电网环境，对晶闸管控制电容器型的无功补偿装置的电能质量管理存在的问题进行了分析，并提出了改进方法。

一、分布式发电无功补偿的重要性
风力发电、太阳能发电和余压余热发电等具有随机性出力特点设备的接入使分布式发电的电能质量问题更加突出，在实际应用中电能质量问题集中体现在无功功率的波动。

分布式发电系统中的变压器、异步电机等感性负载的存在会产生无功功率，这增加了设备容量以及输电线路和变压器的损耗，从而导致用电效率低下[1]，甚至拉低线路电压造成严重后果。

首先线路无功功率增加会引起电流和视在功率增加，引起设备及线路的损耗变大。

其次无功功率会使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使电能质量降低[2]。

另外根据浙江省《功率因数调整电费办法》，以0.9为标准值考核功率因数，功率因数小于0.9大于0.64时，每降低
0.01则增加0.5%电费的考核费用，因此低功率因数也会给用电企业造成较大的经济损失。

二、晶闸管控制电容器存在的问题
某天然气管网压力能回收综合利用项目通过采用膨胀发电设备替代常规天然气调压系统的节流调压方式，利用膨胀机降压回收天然气膨胀功用于发电，所发电量自发自用、余电上网，是典型的的余压利用分布式发电项目。

项目设置355kW膨胀发电机组（异步发电机）一套，变频热泵机组一台，三相异步电机和其他辅助设备若干。

膨胀发电机组发出的380V交流电并入低压母线。

项目无功补偿采用低压侧集中补偿晶闸管控制电容器，并按无功需量自动投切电容，未设置谐波处理装置。

根据《分布式电源接入配电网技术规定》，通过380V电压等级并网的分布式电源功率因数应在超前0.95至滞后0.95范围内可调[3]。

现有无功补偿模块在设计时按照异步电机铭牌功率因数0.91（滞后）确定补偿容量，以母线上最大有功功率220kW计算，为将功率因数提高到滞后0.95，需配置最大容性无功量28.6kVar。

为将功率因数提高到超前0.95，则需配置最大容性无功量173.8kVar。

调压站低压侧原已配置40kVar电容器，因此项目新增128kVar（8台16kVar）电容器，同时利用原有40kVar电容器进行补偿。

目前补偿方式存在问题如下：（一）补偿容量不足
当发电机组工作在额定功率下（发电机输出有功功率250kW），热泵机组运行在半负荷情况下（热泵压缩机功率70kW）时，在电容器不投切情况下测得系统无功功率和功率因数数据见表一。

表一系统在电容器退出时无功功率和功率因数统计表
系统运行时功率因数远低于设计值0.91，在热泵压缩机运行在最大功率时线路无功功率超过200kVar，因此现有的电容器补偿容量不足。

（二）补偿特性差
晶闸管投切电容器由于价格便宜，维护简单，是目前广泛采用的无功功率补偿技术。

在实际应用中为了尽量避免过补或欠补并延长电容器寿命，一般将电容器等容量分为多组，使用控制器进行循环自动投切。

但是晶闸管投切电容器始终存在补偿精度低，补偿跟随性差，无法实时响应负荷变化的问题，且电容器的投切存在严重的暂态冲击问题，合闸涌流和开断过电压都会对系统产生冲击。

项目膨胀发电机组的发电功率受到天然气门站天然气流量的影响。

天然气调压站主要供气用户为居民用户，天然气流量随时间存在较大的波动存在明显的昼高夜低时段性特征，气量峰值集中在早中晚用餐时间。

该时间段内统计变压器侧无功功率和功率因数变化，则可以观察到无功功率的变化和天然气流量存在显著的相关性，且波动幅度较大。

在实际运行中，晶闸管投切电容器在补偿特性方面集中表现出了以下问题：
1、在额定工况运行时，晶闸管投切电容器未能发挥循环投切特点，电容器大部分时间都处于工作状态，影响使用寿命。

2、在发电机组并网启动和低负荷运行阶段，无功功率存在较大的波动，晶闸管投切电容器无法及时跟随无功功率的快速变化，出现拉低系统电压或者同时投入多组电容器造成冲击瞬态电流的问题。

3、晶闸管投切电容控制器在功率因数低于滞后0.2之后无法正常测量并投切电容，发电机组在凌晨由于天然气流量低，经常处于低负荷运行状态，功率因数极低而电容不投切，产生力调电费罚款。

4、发电机组在低负荷运行时需要从电网取电满足系统工作要求，在取电工况下运行时由于潮流方向相反晶闸管投切电容控制器的测量回路无法正常工作，无法自动投切电容。

（三）缺乏谐波治理能力
配电网中的谐波问题一般是由非线性负荷引起的，大功率电力电子变换器会产生大量的高次谐波污染配电网，引起公共连接点的电压电流波形畸变。

由于系统中含有大功率变频器，而未在配电系统中考虑配置谐波治理装置，热泵制冰系统在运行中检测到热泵压缩机在50Hz频率工况下高次总谐波电流畸变率（THD）达到17%，远远超过5%的可接受值，变压器低压侧存在大量的5次电流谐波，严重影响系统的安全运行。

三、分布式发电无功补偿装置的改进思路
无功补偿装置在分布式发电系统中使用频繁，因此应用于分布式发电系统的无功补偿装置必须具备补偿精度高，补偿响应速度快，补偿特性良好，成本低维护简单，抑制谐波电流等多重特点，目前应用较为广泛的新型无功补偿装置包括SVG（静止无功发生器）、智能电容器等。

SVG通过DSP芯片计算分析检测到的负载电流无功含量，控制IGBT模块输出无功补偿电流，同时还具有谐波电流整治和三相不平衡电流治理的功能。

与传统电容器补偿相比，SVG可以对感性无功和容性无功进行双向动态调节，补偿速度快，补偿特性平滑，但是SVG 受到元器件的限制，单位容量成本较高难以在分布式发电领域中实现广泛应用。

智能电容器是一种替代晶闸管投切式电容器的新型无功补偿装置，可以无级调整投入的电容量，并可以防止传统电容器对线路上谐波的放大作用，成本低维护简单，可以用做大容量的稳态无功补偿。

为适应分布式发电系统总体出力平稳、暂态波动频繁的特点，建议采用SVG+智能电容器的混合型无功补偿装置。

SVG补偿具有快速响应性和高可控性，但是成本较高，因此主要承担快速变化的无功功率补偿，并对系统谐波进行同步治理。

智能电容器对较为稳定的无功功率进行补偿，减少高成本SVG的设计容量，一方面实现了对无功功率的快速补偿，另一方面控制了系统成本和运行维护难度。

混合型无功补偿装置通过与分布式发电机组控制系统的耦合，提前预测机组出力和负载负荷的变化，提前设置补偿缓冲区应对无功功率的快速变化，实现了低成本的无功功率快速无级补偿，可以在分布式发电系统中进行广泛应用。

参考文献
[1] 童淮安,杜小毛,李飞龙. 晶闸管投切电容器组 [P]. 浙江省：CN201868882U,2011-06-15.
[2]杜科毅,莫若华,庞金标,蒙文芳,江泽豪.有源滤波与无功补偿装置在糖厂的应用[J].广西糖业,2020(04):44-48.
[3]NB/T 32015-2013，分布式电源接入配电网技术规定[S].。