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變電站10kV動態(tài)無功補償裝置的研究
點擊次數：1432 發(fā)布時間：2011-12-29
電力系統(tǒng)中的沖擊性負荷會對電網造成的電壓波動、電壓閃變及諧波等電能質量問題，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)無功補償裝置國內研究已經較為廣泛，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。
隨著我國現代化建設的發(fā)展，對電力的需求日益增加，近年來，我國電網正朝著大容量、高電壓的方向發(fā)展，從單一的地方小電網逐漸發(fā)展成為大區(qū)域聯網的系統(tǒng)，取得了巨大的經濟優(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，必將造成巨大的經濟損失和災難性的后果[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備：如計算機、醫(yī)用設備等。因此迫切需要對系統(tǒng)的無功功率進行補償。
在實際應用中，根據負荷變化的需要，電容器分組投入或切除，即使用開關設備如接觸器分級地調節(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)地調節(jié)無功功率的輸出，達到無沖擊補償。由于能實現無沖擊補償，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，提高電能質量[5-6]。低壓動態(tài)無功補償裝置在國內已有多個廠家開發(fā)成功并運用于生產，但10kV的動態(tài)無功補償裝置在國內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量的影響。
SVC無功補償的基本原理
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為兩個反并聯的晶閘管，分別在電源電壓波的兩個半周內導通,控制觸發(fā)角α在90°~180°范圍內調節(jié)。
90°時產生的感性無功zui大，180°時產生的感性無功為零。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構成，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，因此往往與并聯電容器配合使用，使得總的無功功率為與并聯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。在 FC+TCR 中，電容器容量為負載所需要的無功總容量，而電感為可變電感。
當晶閘管全導通時，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。此時晶閘管的導通角為零。如果增大導通角,電感支路的電流就減小，此時電流呈現間斷性。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通角就可以連續(xù)調節(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、有固定的相位關系，控制器根據該基準信號產生晶閘管觸發(fā)脈沖。
4）晶閘管觸發(fā)脈沖產生，即根據“觸發(fā)延遲角計算”模塊產生的觸發(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;二次部分主要由數據采集板（DAS）、數據處理板（DSP）、電源模塊、驅動模塊等組成。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。根據實際功率因數給出控制信號，由驅動模塊驅動晶閘管，使晶閘管保持相應的導通角，從而控制整套裝置的無功輸出，使系統(tǒng)的功率因數滿足要求。
補償容量確定
FC和TCR容量的選擇主要是根據10kV母線負荷的實測數據情況和主變的功率損耗，按照負荷在主變容量的40%~85%范圍內變化時，功率因數保持在0.97~0.99的設計目標進行計算。
控制平臺選擇
控制器采用西門子數控系統(tǒng)。此系統(tǒng)是西門子公司生產的通用控制系統(tǒng)，可*性高，應用較為廣泛。
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，再根據檢測到的母線電壓，計算在限定的電壓范圍內補償所需的無功功率。通過對晶閘管開通角度的調節(jié)，滿足穩(wěn)定系統(tǒng)無功的主要目的。采用閉環(huán)控制可以實現快速響應和調節(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。
保護系統(tǒng)
TCR系統(tǒng)的保護由西門子數控系統(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?？紤]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計和運行經驗。