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變電站10kV動態(tài)無功補償裝置的研究
點擊次數(shù)：1427 發(fā)布時間：2011-12-29
電力系統(tǒng)中的沖擊性負荷會對電網(wǎng)造成的電壓波動、電壓閃變及諧波等電能質(zhì)量問題，可控硅動態(tài)無功補償裝置SVC利用晶閘管可控硅的開關(guān)原理，瞬時地改變無功功率，用以補償或吸收負載所需的無功。低壓動態(tài)無功補償裝置國內(nèi)研究已經(jīng)較為廣泛，但10kV的動態(tài)無功補償裝置目前研究較少。本文將FC+TCR 型的電容-電感型動態(tài)無功補償裝置用于 10kv 的動態(tài)無功補償。在電力系統(tǒng)沖擊型負荷較大的趨勢下，可控硅動態(tài)無功補償裝置可以改善對10kV母線電壓的影響狀況。
隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，對電力的需求日益增加，近年來，我國電網(wǎng)正朝著大容量、高電壓的方向發(fā)展，從單一的地方小電網(wǎng)逐漸發(fā)展成為大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，取得了巨大的經(jīng)濟優(yōu)勢。同時，大容量、大規(guī)模電力系統(tǒng)所面臨的問題也日益突出，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性一旦遭到破壞，必將造成巨大的經(jīng)濟損失和災(zāi)難性的后果[1-2]。電力系統(tǒng)的各節(jié)點無功功率平衡決定了該節(jié)點的電壓水平，由于當今電力系統(tǒng)的用戶中存在著大量無功功率頻繁變化的設(shè)備;如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵道等。同時用戶中又有大量的對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有較高要求的精密設(shè)備：如計算機、醫(yī)用設(shè)備等。因此迫切需要對系統(tǒng)的無功功率進行補償。
在實際應(yīng)用中，根據(jù)負荷變化的需要，電容器分組投入或切除，即使用開關(guān)設(shè)備如接觸器分級地調(diào)節(jié)無功功率。其中10kV無功補償裝置目前主要采用整組投入，此種方法使用中不靈活，損耗大[3-4]。因此，開發(fā)動態(tài)的無功補償裝置必將成為此領(lǐng)域的發(fā)展趨勢?？煽毓鑴討B(tài)無功補償裝置 SVC（Static Var Compensator）利用晶閘管可控硅的開關(guān)原理，瞬時地改變無功功率，用以補償或吸收負載所需的無功。它的zui大特點是可以連續(xù)地調(diào)節(jié)無功功率的輸出，達到無沖擊補償。由于能實現(xiàn)無沖擊補償，可控硅動態(tài)無功補償裝置能避免普通電容器投切時所引起的系統(tǒng)諧振，提高電能質(zhì)量[5-6]。低壓動態(tài)無功補償裝置在國內(nèi)已有多個廠家開發(fā)成功并運用于生產(chǎn)，但10kV的動態(tài)無功補償裝置在國內(nèi)尚未有成功運行案例。
目前，10kV無功補償裝置均采用整組投入或切出，不能靈活調(diào)節(jié)。本文研究了采用FC+TCR 型無功補償裝置進行穩(wěn)定電壓，避免了電力系統(tǒng)沖擊型負荷對電能質(zhì)量的影響。
SVC無功補償?shù)幕驹?
SVC指使用晶閘管的靜止型動態(tài)無功補償裝置，SVC 的補償原理是通過控制晶閘管觸發(fā)角，改變接入系統(tǒng)中的 SVC等效電納的大小，從而使SVC 達到調(diào)節(jié)無功功率的目的。采用晶閘管控制的靜止無功補償裝置根據(jù)晶閘管控制對象主要可以分為晶閘管投切電容器（TSC）和晶閘管控制電抗器（TCR），以及混合式（TCR+TSC）等類型。
SVC的補償原理是通過控制晶閘管觸發(fā)角，改變接入系統(tǒng)中的SVC等效電納的大小，從而使SVC達到動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率的目的。TCR晶閘管控制電抗器的電流波形和接線圖如圖1所示。Th1、Th2為兩個反并聯(lián)的晶閘管，分別在電源電壓波的兩個半周內(nèi)導(dǎo)通,控制觸發(fā)角α在90°~180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
90°時產(chǎn)生的感性無功zui大，180°時產(chǎn)生的感性無功為零。由于電抗器是純感性負荷,因此電流滯后電壓90°，產(chǎn)生了感性無功。TCR相控電抗器由晶閘管的閥串和電抗器串聯(lián)構(gòu)成，三相接線形式大都采用三角形連接。另外工程實際中當容量較大時將電抗器分為等容量的兩部分，串接在晶閘管閥串的兩端，這樣可使得晶閘管在電抗器損壞時得到額外的保護。
由于單獨的TCR只能吸收感性的無功功率，因此往往與并聯(lián)電容器配合使用，使得總的無功功率為與并聯(lián)電容器無功功率抵消后的凈無功功率，因而可以將補償器的總體無功電流偏置到可吸收容性無功的范圍內(nèi)。在 FC+TCR 中，電容器容量為負載所需要的無功總?cè)萘浚姼袨榭勺冸姼小?
當晶閘管全導(dǎo)通時，電感支路相當于一個純電感，消耗zui大無功功率。SVC系統(tǒng)輸出zui小無功功率。此時晶閘管的導(dǎo)通角為零。如果增大導(dǎo)通角,電感支路的電流就減小，此時電流呈現(xiàn)間斷性。當電感支路為*斷開，電感支路吸收零無功，SVC補償系統(tǒng)輸出zui大無功功率。這樣，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角就可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。
基本原理介紹
電容-電感型動態(tài)無功補償裝置的控制基本原理如圖3 所示。包括四個部分：
1）TCR 基波電流參考值計算;即根據(jù)裝置的無功電流（或功率）需求，計算其中的TCR基波電流（或功率或電抗）參考值，如果裝置的參考輸入為無功電流需求，實時測得 FC 支路的電流有效值，則 TCR 支路電流的參考值即為前者減去后者。
2）觸發(fā)延遲角計算，即根據(jù)TCR 的無功電流或電抗的參考值變換得到晶閘管的觸發(fā)延遲角。
3）同步定時，即向脈沖控制提供同步用的基準信號,它與輸入交流電壓頻率相同、有固定的相位關(guān)系，控制器根據(jù)該基準信號產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖。
4）晶閘管觸發(fā)脈沖產(chǎn)生，即根據(jù)“觸發(fā)延遲角計算”模塊產(chǎn)生的觸發(fā)延遲角，形成晶閘管門極觸發(fā)脈沖，在適當時刻導(dǎo)通晶閘管，使 TCR 支路工作。
電容-電感型動態(tài)無功補償裝置一次部分主要由電容器、電抗器、晶閘管、空開、接觸器等組成;二次部分主要由數(shù)據(jù)采集板（DAS）、數(shù)據(jù)處理板（DSP）、電源模塊、驅(qū)動模塊等組成。晶閘管的作用主要控制電抗器的輸出電流。裝置啟動后，先采集系統(tǒng)的電壓量、電流量、接觸器位置，計算出系統(tǒng)的功率因數(shù)。根據(jù)實際功率因數(shù)給出控制信號，由驅(qū)動模塊驅(qū)動晶閘管，使晶閘管保持相應(yīng)的導(dǎo)通角，從而控制整套裝置的無功輸出，使系統(tǒng)的功率因數(shù)滿足要求。
補償容量確定
FC和TCR容量的選擇主要是根據(jù)10kV母線負荷的實測數(shù)據(jù)情況和主變的功率損耗，按照負荷在主變?nèi)萘康?0%~85%范圍內(nèi)變化時，功率因數(shù)保持在0.97~0.99的設(shè)計目標進行計算。
控制平臺選擇
控制器采用西門子數(shù)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)是西門子公司生產(chǎn)的通用控制系統(tǒng)，可*性高，應(yīng)用較為廣泛。
控制策略
以穩(wěn)定10 kV母線無功為主要目的，并對電壓波動進行修正，采用閉環(huán)控制。通過PT檢測母線電壓，CT檢測母線電流,通過控制器計算系統(tǒng)此刻的無功功率值，再根據(jù)檢測到的母線電壓，計算在限定的電壓范圍內(nèi)補償所需的無功功率。通過對晶閘管開通角度的調(diào)節(jié)，滿足穩(wěn)定系統(tǒng)無功的主要目的。采用閉環(huán)控制可以實現(xiàn)快速響應(yīng)和調(diào)節(jié)，使SVC達到*的補償效果。
TCR晶閘管觸發(fā)控制
觸發(fā)信號系統(tǒng)采用光纖傳輸，以有效避免電磁干擾，保證觸發(fā)信號的可*傳輸，觸發(fā)系統(tǒng)采用脈沖變壓器技術(shù)。
保護系統(tǒng)
TCR系統(tǒng)的保護由西門子數(shù)控系統(tǒng)來完成，主要包括閥串狀態(tài)的監(jiān)測、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護、三相不平衡保護、電流速斷保護等。
FC系統(tǒng)的繼電保護由保護柜來完成，該保護系統(tǒng)以PLC為中心控制器，其特點為速度快、安全可*，減少了機械式繼電保護裝置的維護量。
FC系統(tǒng)的保護有過電流、過電壓、欠電壓、電容器三相不平衡保護和接地保護。考慮到變電站將來實行無人值守，在SVC系統(tǒng)和變電站綜合自動化系統(tǒng)間增加了通訊接口，以實現(xiàn)SVC的遠動控制。
本文研究了電容-電感型動態(tài)無功補償裝置的基本原理，給出了補償容量的確定方法，介紹了控制與保護系統(tǒng)的組成。
10kV動態(tài)無功補償裝置投運以來，產(chǎn)品運行穩(wěn)定，抑制了由于沖擊性負荷引起的電壓波動和電壓閃變，補償效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的固定電容器補償，為SVC系統(tǒng)在變電站的推廣使用積累了設(shè)計和運行經(jīng)驗。