王 静,余 航,张 欣
(深圳供电局有限公司,广东 深圳 518001)
一种基于磁控开关电抗器的新型无功补偿方法
王 静,余 航,张 欣
(深圳供电局有限公司,广东 深圳 518001)
电力系统常见的无功补偿方法在实际使用时存在损耗高、谐波干扰以及可靠性低等问题.通过比较电力系统现行的无功补偿方式,提出了一种新型的动态无功功率补偿方法.通过PSCAD软件搭建仿真计算模型,对主电路的稳态和暂态特性进行了分析,提出了减少铁磁谐振及谐波的控制措施,并对输出波形进行对比分析.在此基础上,设计并制备了一套10kV/1200kVA磁控开关电抗器测试样机.仿真及试验结果表明,该补偿方法具有响应速度快、功耗低、体积小、瞬态浪涌较小等特点.
磁控开关电抗器;无功补偿;过零投切;动态补偿
随着电力系统分布式发电的快速发展,电网无功功率控制的非线性因素及复杂程度逐渐增加[1].无功功率影响了电压质量与有功功率传输.由于地理和气象条件的限制,一些分布式电源发电装置,如光伏电站、风力发电场通常建在偏远的地方,缺乏足够的无功功率支持,可能会导致在重载或者严重干扰下电压不稳定[2-3].因此,为分布式发电装置配备无功补偿装置显得尤为重要.
国内外比较常用的无功补偿装置是基于磁阀式可控电抗器(MCR)的无功补偿和晶闸管投切电容器(TSC)的无功补偿装置.其中,磁阀式可控电抗器(MCR)具有能平滑调节无功功率、造价低、可靠性高、产生谐波小等优点,但在运行时工作电流中存在较多的谐波干扰;晶闸管投切电容器(TSC)具有结构简单、易于控制、损耗比较小并且在运行过程中不产生谐波等优势,但TSC自身在使用时耐压等级一般较低,限制了其使用范围[4-6].此外,磁控电抗器作为一种新型无功补偿装备广泛应用于铁路电气化无功补偿中,其通过直流回路控制电流的激磁改变铁心的磁饱和度,从而达到平滑调节无功输出的目的,目前在高压电网和铁路电气化中得到广泛应用[7-8].
本文通过比较电力系统现行的无功补偿方式,提出了一种新型的动态无功功率补偿方法.通过搭建仿真计算模型,分析了主电路的稳态和暂态特性,提出了减少铁磁谐振及谐波的控制措施,并对输出波形进行对比分析.在此基础上,设计并制备了一套10kV/1200kVA磁控开关电抗器测试样机,并通过对测试样机进行试验及调试.
针对现有传统无功补偿装置的不足之处,提出利用变压器的工作状态,将磁饱和曲线作为磁控开关组成无功补偿电抗器.其主控回路(图1)包括双向可控硅、变压器、开关等元件.
图1 主电路拓扑结构
由图1可以看出,变压器的二次侧绕组通过双向可控硅控制,变压器分别工作在空载(饱和)与短路(不饱和)两种工作状态.当变压器从空载向短路状态过渡时,采用无过渡投切,避免了冲击电流的产生.
1.1 空载状态
在变压器处于空载状态时,闭合开关KM2,此时阻尼电阻投入运行.变压器励磁电抗数值较大,从而初级侧电流很小,整个分支近似为开路状态.
1.2 补偿状态
当变压器工作在补偿状态时,次级绕组短路,KM2断开阻尼电阻器.该变压器具有一个非常小的漏抗,使整个支路成为一个无功功率补偿器,电抗率为Xσ/ XC.
上述两种状态之间的转换是通过次级绕组﹑KM2以及可控硅实现的.当三端双向可控硅关断,KM2闭合时,该分支是在无负荷状态;当三端双向可控硅导通和KM2断开时,支路转换成补偿状态.
2.1 参数设定
在空载状态下,励磁电抗XM数值很大,假设10kV系统变压器空载阻抗值为100 p.u.(p.u.为标幺值),电容器的电容为1 p.u..空载电流= 1 /(100-1)≈0.01p.u.(滞后).由于空载电流数值较小,在建模时是可忽略的,这样支路可视为开路.
在补偿状态下,双向可控硅导通.变压器短路,呈现一个非常小的漏抗.在这种情况下,漏磁电抗设计为0.06 p.u..补偿电流是= 1 /(1-0.06)≈1p.u..(超前).该支路处于无功功率补偿状态.此外,由于该支路电抗率为0.06,可以吸收5﹑7次谐波电流.
2.2 仿真模型建立
采用PSCAD仿真软件搭建计算模型,以空载状态为例,设定系统侧线电压为10kV,假设电容器在系统电压下可以补偿的容量是600kV·A,磁控开关变压器的容量是600kV·A,铁芯额定磁密为1.55T,磁化曲线以2mm气隙的铁芯计算,仿真结果均采用标幺值表示.
图2 仿真计算模型
图2仿真模型中,变压器二次侧采用双向晶闸管控制,晶闸管两端电压过零时触发导通.阻尼电阻两端并联开关,通过开关控制阻尼电阻的切除和投入.
3.1 瞬态仿真结果
(1)瞬态1:阻尼电阻R串联在支路中,当待空载电流达到稳定状态后切除阻尼电阻.支路电流以及晶闸管两端的电压如图3所示.
图3 瞬态1支路电流及晶闸管两端电压波形
从图3可知,阻尼电阻R的存在有效地限制了变压器的励磁涌流,避免铁心饱和,使空载电流很快地过渡到稳态.
(2)瞬态2:晶闸管由断开到闭合状态瞬间,支路电流波形以及晶闸管两端电压波形如图4所示.
图4 瞬态2支路电流及晶闸管两端电压波形
由图4可知,晶闸管在两端电压过零时触发导通,支路可以在几个周波之内过渡到稳态.
图5 瞬态3支路电流及晶闸管两端电压波形
(3)瞬态3:晶闸管由闭合状态到断开的瞬间,支路电流波形以及晶闸管两端电压波形如图6所示:由图6可知,在晶闸管由闭合到断开这个动作之前串入阻尼电阻R,可以有效限制谐波分量,使支路过渡到稳定状态.
3.2 抑制铁芯饱和仿真结果
变压器空载时,铁芯接近饱和点.在可控硅闭合的瞬间,一个正弦波电压被施加到变压器,在铁芯中产生余弦波交链磁通.由于铁芯磁链不能突变,因此过渡过程初始阶段铁芯中会出现非周期分量磁通以维持过渡过程初始时刻的磁链守恒,与工频分量叠加后使得铁芯进入饱和区,其励磁电感急剧下降,从而引发与电容的谐振.变压器的电感急剧下降时,其铁芯是饱和的.当电感减小到足够接近电容,铁磁谐振发生,就不会停止,除非外部干扰.因此,避免铁磁谐振的关键点是抑制非周期性磁通量[9-10].如果非周期性磁通在很短的时间下降,使得它不能导致铁芯饱和,就不会发生铁磁谐振.
本文在主电路中加入阻尼电阻R,该元件消耗非周期性磁通的能量,避免在空载闭合过程铁芯出现饱和现象.采用阻尼电阻前后,变压器铁芯铁磁谐振的仿真试验波形如图6所示.
(a)有阻尼电阻的瞬态过程
(b)无阻尼电阻的瞬态过程图6 空载合闸的仿真波形
由图6(a)和图6(b)可知:在电路状态改变之前,将阻尼电阻通过电容器并联入电路,电流无冲击响应,避免电路中出现刺激铁心饱和的“源”,从而避免了整个投切过程谐振的产生.
由此可以看出,通过调节阻尼电阻的投切时序可以有效抑制变压器贴心的铁磁谐振,实现电容器投切的平稳过渡.
4.1 测试样机
为了证明以上理论分析,本文按照设计方案制备了一套磁控开关电抗器(10kV/1200kV·A)测试样机,样机内部结构如图7所示.
(a)样机晶闸管及控制部分 (b)样机内部结构示意图图7 磁控开关电抗器(10kV/1200kV·A)测试样机
试验样机中变压器的励磁电抗设计值为100p.u.,漏抗设计为0.06p.u.,而阻尼电阻R为1.0 p.u..
4.2 空载合闸试验
空载合闸试验时,首先关闭KM2,然后关闭KM1 给样机提供电源.试验波形如图8所示.
(a)空载合闸瞬态电流 (b)空载稳态电流图8 空载合闸试验电流波形
由图8可知:在空载合闸的瞬间,变压器产生非周期性电流来维持磁链的不变.阻尼电阻器在很短的时间内消耗非周期性电流分量的能量,所以铁芯不会饱和.经过一个基波周期,支路进入稳定状态.由于励磁电感比较大,稳态电流是非常小的.图8(b)可以看出,空载状态的稳态电流是线性的,几乎没有谐波.
4.3 切换到补偿状态实验
当支路在空载稳定状态时,同时闭合可控硅和断开KM2,支路切换到补偿状态(延迟小于10ms).因为KM2打开需要时间,电阻R在非常短的时间(约100ms)吸收有功功率.KM2完全断开后,电阻R从电路中切除,支路成为一个无功功率补偿器(超前),测得的波形如图9所示.
图9 可控硅闭合时电流波形
由图9可以看到,由于电抗率是6%,电流波形存在5次和7次谐波.如果需要停止补偿,控制器会发出信号,KM2闭合,投入阻尼电阻R.KM2是闭合后,双向可控硅断开,可控硅断开时电流波形如图10所示.
图10 可控硅断开时电流波形
由图10可知:双向可控硅在电流过零瞬间切断.双向可控硅彻底切断前,阻尼电阻R与电容器连接,它消耗存储在电容器中的能量,以使瞬态过程的时间比一个基波周期短.因此,铁芯不能进入饱和状态,避免了铁磁谐振.瞬态过程结束后,支路进入空载稳定状态.在此过程中,最大浪涌电流小于2 p.u..
4.4 长期运行实验
为了测试这种新型无功补偿解决方案的可靠性,试验样机投入运行12h,负载为最大额定负荷.经过12h后,采用红外测温仪测量双向可控硅的散热片和本体的温度.测量结果表明:双向可控硅的散热片表面的温度低于40℃时,双向可控硅本体的温度低于70℃.
由于本文所述的新型补偿器补偿每个支路仅包含一个可控硅,因此产生的热消耗比TSC和STATCOM的热量小很多,避免了因附加冷却系统增加投资成本.
本文提出了一种基于磁控开关高压无功补偿方法,相对于传统的无功补偿方式具备以下优势:
(1)无需配置额外的串联滤波电感,减小了占地面积;每相仅使用一串低压晶闸管,结构简单,可靠性高,而且作为投切元件的晶闸管在低压下工作,安全系数更高.
(2)在实际应用时采用正向补偿,轻载和空载时损耗极低,远小于 MCR,负载时损耗也小于TCR.
(3))该无功补偿方案不产生谐波,还能吸收特定次谐波.
(4)通过改变阻尼电阻的投切时序可以抑制铁磁谐振,从而实现电容器投切的平稳过渡.
因此,本文所述无功补偿方案适合应用于光伏电站、风力发电场、港口及电力铁路等领域的动态无功功率补偿,具有一定的工程实用价值.
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(编辑:姚佳良)
A novel high-voltage static var compensator based on magnetic-controlled switch
WANG Jing,YU Hang,ZHANG Xin
(Shenzhen Power Supply Company Limited, Shenzhen 518001,China)
Normal SVG method has some problems, such as high loss, harmonic interference and low reliability. Compared to normal SVG method, a new SVG method has been proposed. Simulation model was built with PSCAD. The steady state and transient properties of main circuit was analyzed to raise a new way to reduce resonance and harmonic. Comparison was done on the output waveform. Based on the above work, a 10kV/1200kVA prototype electric reactor with magnetically controlled switch was designed and produced. The simulation and test results both indicate that the SVG method proposed in this paper has good properties of rapid response speed, low loss, small volume and small transient surge.
magnetic-controlled switch; reactive power compensation;zero-cross switching;dynamic
2016-07-09
山东省自然科学基金项目(ZR2016EL17);山东省高等学校科技计划项目(J16LN32)
王静,女,563279452@qq.com
1672-6197(2017)05-0046-05
TM 753
A