SVC純水冷卻系統(tǒng)智能交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

李俊儒，張琳琳，周學(xué)億

（四川省電力公司檢修公司，四川成都 610041）

隨著500 kV超高壓電網(wǎng)的高速發(fā)展，SVC靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置在500 kV系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其良好的靜態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)功能與動(dòng)態(tài)無(wú)功強(qiáng)補(bǔ)功能在穩(wěn)定系統(tǒng)電壓方面所發(fā)揮的作用越發(fā)得到肯定。但由于其在對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)過(guò)程中，會(huì)引起380 V站用電電壓的大幅波動(dòng)，每調(diào)節(jié)60 MV·A的無(wú)功容量導(dǎo)致站用電±10 V的波動(dòng)，若運(yùn)維人員對(duì)站用電壓調(diào)節(jié)不及時(shí)將可能會(huì)由于電壓超高（線電壓大于415 V）或過(guò)低（線電壓小于345 V），而導(dǎo)致SVC純水冷卻系統(tǒng)交流電源過(guò)壓或欠壓保護(hù)動(dòng)作而停運(yùn)，由于SVC系統(tǒng)中晶閘管在運(yùn)行中承擔(dān)著高達(dá)66 kV或35 kV的系統(tǒng)電壓，一旦純水冷卻系統(tǒng)跳閘，晶閘管將失去冷卻而迅速發(fā)熱以致?lián)p壞。曾經(jīng)某500 kV變電站發(fā)生過(guò)因供SVC純水冷卻系統(tǒng)的站用電源小車開(kāi)關(guān)過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作，致使冷卻系統(tǒng)失電停運(yùn)導(dǎo)致SVC系統(tǒng)跳閘的事故。由此可見(jiàn)，如何提高380 V站用電源對(duì)SVC純水冷卻系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性顯得尤為重要。

該設(shè)計(jì)針對(duì)SVC純水冷卻系統(tǒng)的特殊性，對(duì)SVC的控制保護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，將純水冷卻系統(tǒng)的交流電源納入控制范圍。使其在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電壓的靜態(tài)調(diào)節(jié)或動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，優(yōu)先預(yù)估調(diào)節(jié)后的瞬時(shí)電壓并以此為依據(jù)對(duì)交流穩(wěn)壓電源進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，從而提前響應(yīng)系統(tǒng)電壓變化，達(dá)到穩(wěn)定的電壓輸出。

1 交流穩(wěn)壓電源原理及主電路結(jié)構(gòu)

1.1 交流穩(wěn)壓電源原理

交流穩(wěn)壓電源原理如圖1所示。380 V站用電源通過(guò)直敷方式接入SVC純水冷卻系統(tǒng)，SVC控制保護(hù)裝置對(duì)電源的三相交流電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入裝置的比較單元。針對(duì)SVC系統(tǒng)無(wú)功調(diào)節(jié)的特殊性，相電壓以220 V作為基準(zhǔn)，當(dāng)采樣電壓U準(zhǔn)in在208 V≤U準(zhǔn)in≤237 V之間時(shí)，裝置采用常態(tài)電壓調(diào)節(jié)，即輸入電壓經(jīng)與基準(zhǔn)電壓比較后再進(jìn)行補(bǔ)償單元的控制輸出。當(dāng)裝置將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)時(shí)，即使采樣電壓在上述區(qū)間之內(nèi)，但裝置針對(duì)調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)輸入電壓預(yù)估值若為U準(zhǔn)in<208 V或U準(zhǔn)in>237 V，則裝置在無(wú)功調(diào)節(jié)前提前對(duì)補(bǔ)償單元進(jìn)行向上或向下的調(diào)節(jié)。待系統(tǒng)無(wú)功調(diào)節(jié)完畢后，若輸出電壓U準(zhǔn)out的采樣值已穩(wěn)定在220±2.2 V之間時(shí)，則不再進(jìn)行補(bǔ)償單元的調(diào)節(jié)，若超出該范圍則再通過(guò)比較計(jì)算對(duì)補(bǔ)償單元進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，以確保輸出電壓始終穩(wěn)定在220±2.2 V之間。

圖1 交流穩(wěn)壓電源原理圖Fig.1 Schematic diagram of AC voltage-stabilized power supply

1.2 交流穩(wěn)壓電源主電路結(jié)構(gòu)

穩(wěn)壓電源主電路包括串聯(lián)補(bǔ)償回路及換向回路，電路如圖2所示。T1、T2、T3、T4為4個(gè)獨(dú)立的補(bǔ)償變壓器，由于SVC純水冷卻系統(tǒng)輔助裝置所需電源多為三相電源，為使提供更好的穩(wěn)壓精度減少線電壓間的差異，故選取4臺(tái)容量不等且成倍遞增的補(bǔ)償電壓器。圖2中S1、S2、S3…S10為雙向晶閘管元件，與補(bǔ)償變壓器T1、T2、T3、T4組成4個(gè)全橋電路，S9與S10為公共橋臂，每對(duì)串聯(lián)的晶閘管（如S1和S2）與公共橋臂組成一個(gè)全橋電路。其工作過(guò)程如下：

圖2 交流穩(wěn)壓電源電路圖Fig.2 AC voltage-stabilized power supply circuit

當(dāng)輸入電壓U準(zhǔn)in低于額定值UIN時(shí)，需要補(bǔ)償變壓器T1、T2、T3、T4中的一個(gè)或多個(gè)同時(shí)工作，并產(chǎn)生正極性電動(dòng)勢(shì)以補(bǔ)償U(kuò)準(zhǔn)in低于UIN的電壓差△U。假設(shè)補(bǔ)償△U僅需T1投入時(shí)，設(shè)U準(zhǔn)in極性為A→N，SVC控制保護(hù)裝置觸發(fā)S2、S9使其導(dǎo)通，電流通路為U→T1(上繞組)→S9→T1(下繞組)→S2→N。若U準(zhǔn)in反向時(shí)，電流通路沿上述通路反向流動(dòng)。當(dāng)輸入電壓U準(zhǔn)in高于額定值UIN時(shí)，若需T1產(chǎn)生反極性電動(dòng)勢(shì)以抵消△U，則可導(dǎo)通S1及S10。

當(dāng)△U值較大，需要T1、T2、T3同時(shí)投入時(shí)。若需對(duì)U準(zhǔn)in進(jìn)行補(bǔ)償，則導(dǎo)通S2、S4、S6及S9；若需對(duì)U準(zhǔn)in進(jìn)行抵消，則導(dǎo)通S1、S3、S5及S10。對(duì)于不同的△U值，根據(jù)SVC控制保護(hù)裝置的計(jì)算，可進(jìn)行不同的導(dǎo)通組合，以達(dá)到穩(wěn)壓調(diào)節(jié)的目的。

主電路中Q1為交流電源輸入開(kāi)關(guān)，Q2為交流電源輸出開(kāi)關(guān)，Q3為維修開(kāi)關(guān)。當(dāng)補(bǔ)償回路中補(bǔ)償變壓器或晶閘管發(fā)生故障時(shí)，可合上Q3開(kāi)關(guān)并拉開(kāi)Q1及Q2開(kāi)關(guān)，此時(shí)交流電源可對(duì)負(fù)載進(jìn)行臨時(shí)性的直接無(wú)調(diào)節(jié)供電，確保純水冷卻系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行從而提高SVC系統(tǒng)的供電可靠性。

2 參數(shù)選擇

對(duì)于66 kV或35 kV設(shè)備，母線正常運(yùn)行電壓應(yīng)保持在±5%范圍內(nèi)，最高不得超過(guò)±10%。以額定電壓為66±4×2.5%/0.4 kV的站用變壓器為例，設(shè)U1為變壓器一次繞組額定線電壓，U2為二次繞組額定線電壓，根據(jù)分接頭位置的不同其最大變比kmax以及最小變比kmin計(jì)算值如下：

按極限電壓計(jì)算，即在變比最小時(shí)用最大一次側(cè)電壓計(jì)算二次側(cè)最大值U2max，在變比最大時(shí)用最小一次側(cè)電壓計(jì)算二次側(cè)最小值U2min，其計(jì)算值如下：

將其二次繞組線電壓的最大最小值折算為相電壓時(shí)，即可得出正常運(yùn)行情況下U準(zhǔn)in的范圍為：188.95≤U準(zhǔn)in≤282.3 V。當(dāng)設(shè)備為35 kV電壓等級(jí)時(shí)，其計(jì)算結(jié)果同上。

在設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，由于受到系統(tǒng)電壓的影響，對(duì)于500 kV主變壓器來(lái)說(shuō)，其500 kV側(cè)電壓要求在±5%范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而SVC系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)策略也以500 kV系統(tǒng)電壓作為調(diào)節(jié)目標(biāo)，所以66 kV側(cè)母線電壓一般都在±5%范圍內(nèi)波動(dòng)。并且66 kV系統(tǒng)設(shè)備選取的最高運(yùn)行電壓一般都為72.5 kV，一旦超過(guò)此值，設(shè)備將會(huì)因過(guò)壓而遭到嚴(yán)重的損壞。鑒于其他設(shè)備運(yùn)行參數(shù)要求的影響，SVC系統(tǒng)無(wú)論是在進(jìn)行靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)還是動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償時(shí)，66 kV母線電壓都不會(huì)超過(guò)66×（1±10%）kV這一極限值。

綜上所述，交流穩(wěn)壓電源的輸入電壓范圍應(yīng)為188 V≤U準(zhǔn)in≤283 V。以220 V作為比較電壓的基準(zhǔn)值，設(shè)T1、T2、T3、T4補(bǔ)償變壓器的容量比為1∶2∶4∶8，T1的二次補(bǔ)償電壓為U T1，則其容量計(jì)算為：

在對(duì)補(bǔ)償變壓器的實(shí)際選取中，當(dāng)變比為整數(shù)時(shí)更易于選擇和接線。所以選取與計(jì)算值4.2 V最為16.92 V、33.85 V。通過(guò)S1~S10的不同通斷組合，可有±0 V、±4.23 V、±8.46 V、±12.69 V、±16.92 V、±21.15 V、±25.38 V、±29.61 V、±33.85 V、±38.08 V、±42.31 V、±46.54 V、±50.77 V、±55 V、±59.23 V、±63.46 V共計(jì)31檔調(diào)節(jié)電壓。對(duì)交流輸入電壓U準(zhǔn)in的最大最小值進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，可使交流輸出電壓U準(zhǔn)out的穩(wěn)壓精度達(dá)到220 V±1%。

為提高交流穩(wěn)壓電源電路的供電可靠性，進(jìn)行采樣、計(jì)算及輸出的SVC控制保護(hù)裝置與大功率器件構(gòu)成的換向回路之間采用光耦隔離[1-3]。串聯(lián)補(bǔ)償回路使用帶變壓器及電流互感器雙重功能的鐵磁元件。換向回路中的S1~S10雙向晶閘管元件，耐壓值選擇應(yīng)大于1 000 V，電流比選擇從左至右為1∶2∶4∶8∶15。

3 控制策略

在設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，由于系統(tǒng)三相參數(shù)的差異，會(huì)導(dǎo)致交流電源輸入電壓三相并不平衡，在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，若采用平均值法進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，只有當(dāng)三相交流輸入電壓最大最小相差值小于U T1/2時(shí)，才能使各輸出電壓的差值小于U T1/2，并且輸出差值始終等于輸入差值。若采用分相比較法時(shí)，無(wú)論三相交流輸入電壓的差值為多少，都可以使各輸出電壓的差值小于U T1且穩(wěn)壓精度始終在220（1±1%）V范圍內(nèi)。因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算流程故采用分相比較法。

當(dāng)SVC控制保護(hù)裝置處于常態(tài)電壓調(diào)節(jié)模式（208 V≤U準(zhǔn)in≤237 V）時(shí)，考慮到必須同時(shí)保證相電壓和線電壓的輸出精度，采用中值比較法進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)。即計(jì)算出兩檔之間的均值，當(dāng)輸入電壓在低檔與均值之間時(shí)采用低檔補(bǔ)償，當(dāng)輸入電壓在均值與高檔之間時(shí)采用高檔補(bǔ)償。如4.23 V、8.46 V 2檔的中值為6.345 V，當(dāng)4.23 V≤U準(zhǔn)in－220 V≤6.345 V時(shí)，對(duì)輸入電壓采用4.23 V檔進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)6.345 V

為避免輸出電壓變化導(dǎo)致?lián)Q向過(guò)程產(chǎn)生振蕩，裝置的采樣時(shí)刻應(yīng)適當(dāng)滯后于換向時(shí)刻，并將電壓越限確認(rèn)時(shí)間設(shè)定為60 s，基準(zhǔn)電壓的死區(qū)電壓設(shè)定為2.2 V，以確保電壓穩(wěn)定輸出。當(dāng)電網(wǎng)電壓變化造成輸入電壓波動(dòng)需再次進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，為減少換向回路頻繁動(dòng)作的負(fù)擔(dān)，采用增量比較調(diào)節(jié)方式，即綜合原調(diào)壓檔級(jí)和新電壓采樣值，計(jì)算新調(diào)壓檔位級(jí)差，再?gòu)脑瓲顟B(tài)轉(zhuǎn)換成新?tīng)顟B(tài)，以減少電壓的波動(dòng)。若新檔級(jí)包含原檔級(jí)所需晶閘管，則直接觸發(fā)導(dǎo)通剩余的晶閘管，若不包含原檔級(jí)所需晶閘管，則同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通和關(guān)斷新舊晶閘管。

當(dāng)SVC系統(tǒng)在進(jìn)行靜態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)或動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償后，U準(zhǔn)in將小于208 V 或大于237 V時(shí)，SVC控制保護(hù)裝置進(jìn)入預(yù)估電壓調(diào)節(jié)模式。裝置將對(duì)補(bǔ)償回路進(jìn)行向上或向下調(diào)節(jié)一檔，以減少無(wú)功調(diào)節(jié)后對(duì)380 V站用電源電壓的沖擊。當(dāng)無(wú)功調(diào)節(jié)完畢后，裝置將輸出電壓采樣值與輸出電壓穩(wěn)壓范圍220（1±1%）V進(jìn)行比較，若輸出電壓在此范圍之內(nèi)則不再進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)；若在此范圍之外，則零延時(shí)進(jìn)行二次電壓調(diào)節(jié)，直至達(dá)到穩(wěn)壓范圍。當(dāng)人工調(diào)節(jié)站用電檔位使輸入電壓重新回到208 V≤U準(zhǔn)in≤237 V范圍內(nèi)時(shí)，裝置恢復(fù)常態(tài)電壓調(diào)節(jié)模式。

穩(wěn)壓電源電路工作時(shí)，同一橋臂上的2支晶閘管不允許直通，否則將導(dǎo)致補(bǔ)償變壓器二次側(cè)開(kāi)路，并串入高電壓而引發(fā)事故。在SVC控制保護(hù)裝置進(jìn)行控制調(diào)節(jié)時(shí)，必須將同一橋臂上的晶閘管進(jìn)行互鎖，確保其上至多只有一支晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓需要進(jìn)行換向調(diào)節(jié)時(shí)，裝置將先閉鎖同一橋臂上處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管，再觸發(fā)另一支晶閘管，以確保2支晶閘管無(wú)論在何時(shí)都不可能直通。

4 結(jié)語(yǔ)

可進(jìn)行常態(tài)調(diào)節(jié)和預(yù)估調(diào)節(jié)的串聯(lián)補(bǔ)償交流穩(wěn)壓電源裝置，通過(guò)參數(shù)的不同設(shè)定，不但適用于特殊的純水冷卻系統(tǒng)，也適用于常規(guī)的變壓器風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，以及其他對(duì)380 V供電電壓有較高要求的輔助裝置。對(duì)于大功率的負(fù)荷設(shè)備，380 V站用電源應(yīng)選取供電容量大、電壓范圍寬的小車開(kāi)關(guān)進(jìn)行直供以達(dá)到與穩(wěn)壓裝置的良好配合效果。

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 孫海濤，仝永強(qiáng).自動(dòng)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源的研制[J].變壓器，2005，42（2）：15-17.SUN Hai-tao，TONG Yong-qiang，The exploration of the AC voltage stabilizing power supply with automatic compensation[J].Trans Fomer，2005，42（2）:15-17（in Chinese）.

[3]賀冬梅，蔡麗娟.幾種交流穩(wěn)壓電源主電路拓?fù)鋄J].變壓器，2005，42（7）：19-22.HE Dong-mei，CAI Li-juan.Several AC regulated power supply of main circuit topology[J].Transfomer，2005，42（7）:19-22（in Chinese）.