磁控式动态补偿装置在智能电网中的应用

荣俊峰

（杭州银湖电气设备有限公司，杭州 311400）

1 智能电网概述

所谓智能电网，以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。由美国在2001年由EPRI最早提“Intelligrid”（智能电网），并开始研究，目前，“智能电网”被大家普遍接受的术语和称谓为“The Smart Grid”（DOE，USA，2008）。

中国国家电网公司给智能电网的定义是，以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能化电网。

中国国家电网自2009年5月向社会公布“智能电网”发展计划以来，先后编制完成《智能电网关键设备（系统）研制规划》、《智能电网技术标准体系规划》等标准体系。截至目前，国家电网制定了15项智能变电站标准，申请专利126项，形成了世界首个智能变电站系列技术标准。

同时，国家电网已在26个省（区、市）建设电动汽车充换电设施，包括87座标准化充换电站、5179台充电机和7031台交流充电桩，减少对石油的消耗。国家电网还在25个省（区、市）建成智能用电信息采集系统，为引导居民经济用电、合理用电奠定了基础。可以说，经过两年建设，坚强智能电网在推动设备制造、清洁能源利用、低碳生活等方面均开始发挥显著作用。

今年我国坚强智能电网进入全面建设阶段，国家电网将推广建设11类智能电网试点工程，其中包括接纳风电容量2000万kW。相关项目包括建成智能变电站67座；在19个城市核心区建成配电自动化系统；推广应用5000万具智能电表；新建173座电动汽车充换电站；完成25个智能小区/楼宇建设；推广建设6.2万户电力光纤到户；完成中新天津生态城智能电网综合示范工程建设；制定智能电网标准88项。

国务院总理温家宝2011年3月5日在十一届全国人大四次会议上作政府工作报告时指出：加强现代能源产业和综合运输体系建设，积极推动能源生产和利用方式变革，提高能源利用效率。推进传统能源清洁利用，加强智能电网建设，大力发展清洁能源。统筹发展、加快构建便捷、安全、高效的综合运输体系。

2 智能电网对功率补偿的要求

建设智能电网的主要目的是为了降低能源损耗，提高电网的可靠性，并具有自愈功能。

1）基于柔性交流系统（FACTS）的理论。电力电子式开关必将取代传统的机械开关，同时也要求电网能够实现柔性无功补偿，SVC装置采用可控硅控制可调电抗器（MCR）的输出容量，实现无功功率的连续可调，内部无机械动作过程，真正实现了柔性无功补偿。

2）基于无功就地平衡理论。要求在一定区域内对无功功率实现就地平衡，也就是说对无功功率实现动态跟踪和无级调节，最大限度降低无功功率，以减少功率损耗，传统的分组投切电容器技术由于是阶梯型调节方式，不可避免存在过补、欠补现象，不符合未来智能电网的需求。

3）基于电压无功综合控制理论。要求在电网电压暂降的时候，无功补偿装置能够快速调节输出容量，以支撑电网电压，避免电网崩溃，是智能电网自愈功能的一项内容。

4）基于智能化电网的要求。补偿装置（其他设备也应包含）的控制部分必须具备智能通信功能，实现数据的集中管理和监控。

3 磁控式动态补偿装置（M SVC）在“智能电网”中的应用

3.1 无功补偿概述

传统上无功补偿主要有固定补偿和分组投切电容器，固定补偿由于容量无法调节，容易过补和欠补；而分组投切装置将电容器分成若干组，由控制器根据系统无功变化控制电容器组的投切，其调节方式是离散的，不能取得理想的补偿效果，开关投切电容所造成的涌流和过电压对系统和设备本身都十分有害，不能满足未来智能电网对无功补偿的要求。

相控式动态补偿装置虽然可以实现连续动态调节，但由于其价格昂贵、占地面积大、后期运行维护成本高而不能大量推广使用；SVG虽然技术先进，但在实际运行中稳定性差，有待进一步成熟，目前仅有少量试运行；磁控式动态补偿装置（MSVC）具有占地面积小、可靠性高、免维护、性价比高等特点，已经在煤炭、铁路、风电、冶金等各个行业广泛应用，是动态补偿的主流技术。

3.2 磁控式动态补偿装置的基本原理

磁控式动态补偿装置由补偿支路和磁控电抗器（简称MCR）并联支路组成，其中补偿支路和磁控电抗器经隔离开关固定连接，通过调节磁控电抗器的输出容量（感性无功），实现无功的连续动态补偿（如图1、图2）

图1 磁控式动态补偿装置一次系统图

图2 磁控式动态补偿装置补偿效果图

磁控式动态补偿装置与其他动态补偿技术相比，主要区别在于磁控电抗器（MCR），磁控电抗器采用直流助磁原理，利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。

图3 单相磁控电抗器铁心结构示意图

磁控电抗器控制原理接线图如图4所示。在磁控电抗器的工作铁心柱上分别对称地绕有两个线圈，其上有抽头，它们之间接有可控硅T1、T2，不同铁心的上下两个主绕组交叉连接后并联至电源，续流二极管D接在两个线圈的中间。

图4 磁控电抗器原理接线图

当磁控电抗器主绕组接至电源电压时, 在可控硅两端感应出1% 左右的系统电压。在电源电压正半周触发导通可控硅T1，形成图5（a）所示的等效电路，在回路中产生直流控制电流；在电源电压负半周触发导通可控硅T2，形成图5（b）所示的等效电路，在回路中产生直流控制电流。两个可控硅在一个工频周期轮流触发导通，产生直流控制电流，使电抗器工作铁心饱和，输出电流增加。磁控电抗器输出电流大小取决于可控硅控制角，控制角越小，产生的控制电流越强，从而电抗器工作铁心磁饱和度越高，输出电流越大。因此，改变可控硅控制角，可平滑调节电抗器容量。由上分析可知, 磁控电抗器具有自耦励磁功能,省去了单独的直流控制电源。

图5 可控硅导通等效电路

3.3 磁控电抗器的基本特点

1）磁控电抗器不需要外接直流励磁电源，完全由电抗器的内部绕组来实现自动控制。

2）通过控制晶闸管的控制角进行自动控制，可实现连续可调，并且从最小容量到最大容量的过渡时间很短（30～100ms），因此可以真正实现柔性补偿。

3）控制元件为低压晶闸管，其端电压仅为系统电压的1%～2%，无需传并联，运行时不需要承受高电压、大电流，安全可靠，发热量很小，自然冷却即可，无需辅助冷却设备。

4）自身谐波含量少，不会对电网产生二次污染。

5）即使晶闸管或二极管损坏，磁控电抗器也仅相当于一台空载变压器，不影响矿井安全生产。

6）经济优势明显：后期免维护；磁控电抗器结构简单，占地面积小，基础投资大大压缩；MSVC自身有功损耗低，仅为TCR的50%。

综上所述，随着我国电网建设的不断推进以及国家大力提倡节能降耗，采用合理的补偿方案和技术，实现无功优化，是电力系统的一个重要课题。磁控式动态补偿装置（MSVC）无论从补偿效果还是运行成本等各个方面，都具有明显的优势，必将在未来电网建设中发挥重要作用。

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