一種基于磁控開關電抗器的新型無功補償方法

王 靜，余 航，張 欣

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001)

一種基于磁控開關電抗器的新型無功補償方法

王 靜，余 航，張 欣

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001)

電力系統(tǒng)常見的無功補償方法在實際使用時存在損耗高、諧波干擾以及可靠性低等問題.通過比較電力系統(tǒng)現(xiàn)行的無功補償方式，提出了一種新型的動態(tài)無功功率補償方法.通過PSCAD軟件搭建仿真計算模型，對主電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性進行了分析，提出了減少鐵磁諧振及諧波的控制措施，并對輸出波形進行對比分析.在此基礎上，設計并制備了一套10kV/1200kVA磁控開關電抗器測試樣機.仿真及試驗結果表明，該補償方法具有響應速度快、功耗低、體積小、瞬態(tài)浪涌較小等特點.

磁控開關電抗器；無功補償；過零投切；動態(tài)補償

隨著電力系統(tǒng)分布式發(fā)電的快速發(fā)展，電網(wǎng)無功功率控制的非線性因素及復雜程度逐漸增加[1].無功功率影響了電壓質量與有功功率傳輸.由于地理和氣象條件的限制，一些分布式電源發(fā)電裝置，如光伏電站、風力發(fā)電場通常建在偏遠的地方，缺乏足夠的無功功率支持，可能會導致在重載或者嚴重干擾下電壓不穩(wěn)定[2-3].因此，為分布式發(fā)電裝置配備無功補償裝置顯得尤為重要.

國內外比較常用的無功補償裝置是基于磁閥式可控電抗器(MCR)的無功補償和晶閘管投切電容器(TSC)的無功補償裝置.其中，磁閥式可控電抗器(MCR)具有能平滑調節(jié)無功功率、造價低、可靠性高、產(chǎn)生諧波小等優(yōu)點，但在運行時工作電流中存在較多的諧波干擾；晶閘管投切電容器(TSC)具有結構簡單、易于控制、損耗比較小并且在運行過程中不產(chǎn)生諧波等優(yōu)勢，但TSC自身在使用時耐壓等級一般較低，限制了其使用范圍[4-6].此外，磁控電抗器作為一種新型無功補償裝備廣泛應用于鐵路電氣化無功補償中，其通過直流回路控制電流的激磁改變鐵心的磁飽和度，從而達到平滑調節(jié)無功輸出的目的，目前在高壓電網(wǎng)和鐵路電氣化中得到廣泛應用[7-8].

本文通過比較電力系統(tǒng)現(xiàn)行的無功補償方式，提出了一種新型的動態(tài)無功功率補償方法.通過搭建仿真計算模型，分析了主電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性，提出了減少鐵磁諧振及諧波的控制措施，并對輸出波形進行對比分析.在此基礎上，設計并制備了一套10kV/1200kVA磁控開關電抗器測試樣機，并通過對測試樣機進行試驗及調試.

1 主電路拓撲結構和基本原理

針對現(xiàn)有傳統(tǒng)無功補償裝置的不足之處，提出利用變壓器的工作狀態(tài)，將磁飽和曲線作為磁控開關組成無功補償電抗器.其主控回路(圖1)包括雙向可控硅、變壓器、開關等元件.

圖1 主電路拓撲結構

由圖1可以看出，變壓器的二次側繞組通過雙向可控硅控制，變壓器分別工作在空載(飽和)與短路(不飽和)兩種工作狀態(tài).當變壓器從空載向短路狀態(tài)過渡時，采用無過渡投切，避免了沖擊電流的產(chǎn)生.

1.1 空載狀態(tài)

在變壓器處于空載狀態(tài)時，閉合開關KM2，此時阻尼電阻投入運行.變壓器勵磁電抗數(shù)值較大，從而初級側電流很小，整個分支近似為開路狀態(tài).

1.2 補償狀態(tài)

當變壓器工作在補償狀態(tài)時，次級繞組短路，KM2斷開阻尼電阻器.該變壓器具有一個非常小的漏抗，使整個支路成為一個無功功率補償器，電抗率為Xσ/ XC.

上述兩種狀態(tài)之間的轉換是通過次級繞組﹑KM2以及可控硅實現(xiàn)的.當三端雙向可控硅關斷，KM2閉合時，該分支是在無負荷狀態(tài);當三端雙向可控硅導通和KM2斷開時，支路轉換成補償狀態(tài).

2 仿真參數(shù)設定與建模

2.1 參數(shù)設定

在空載狀態(tài)下，勵磁電抗XM數(shù)值很大，假設10kV系統(tǒng)變壓器空載阻抗值為100 p.u.(p.u.為標幺值)，電容器的電容為1 p.u..空載電流= 1 /(100-1)≈0.01p.u.(滯后).由于空載電流數(shù)值較小，在建模時是可忽略的，這樣支路可視為開路.

在補償狀態(tài)下，雙向可控硅導通.變壓器短路，呈現(xiàn)一個非常小的漏抗.在這種情況下，漏磁電抗設計為0.06 p.u..補償電流是= 1 /(1-0.06)≈1p.u..(超前).該支路處于無功功率補償狀態(tài).此外，由于該支路電抗率為0.06，可以吸收5﹑7次諧波電流.

2.2 仿真模型建立

采用PSCAD仿真軟件搭建計算模型，以空載狀態(tài)為例，設定系統(tǒng)側線電壓為10kV，假設電容器在系統(tǒng)電壓下可以補償?shù)娜萘渴?00kV·A，磁控開關變壓器的容量是600kV·A，鐵芯額定磁密為1.55T，磁化曲線以2mm氣隙的鐵芯計算，仿真結果均采用標幺值表示.

圖2 仿真計算模型

圖2仿真模型中，變壓器二次側采用雙向晶閘管控制，晶閘管兩端電壓過零時觸發(fā)導通.阻尼電阻兩端并聯(lián)開關，通過開關控制阻尼電阻的切除和投入.

3 仿真結果

3.1 瞬態(tài)仿真結果

(1)瞬態(tài)1：阻尼電阻R串聯(lián)在支路中，當待空載電流達到穩(wěn)定狀態(tài)后切除阻尼電阻.支路電流以及晶閘管兩端的電壓如圖3所示.

圖3 瞬態(tài)1支路電流及晶閘管兩端電壓波形

從圖3可知，阻尼電阻R的存在有效地限制了變壓器的勵磁涌流，避免鐵心飽和，使空載電流很快地過渡到穩(wěn)態(tài).

(2)瞬態(tài)2：晶閘管由斷開到閉合狀態(tài)瞬間，支路電流波形以及晶閘管兩端電壓波形如圖4所示.

圖4 瞬態(tài)2支路電流及晶閘管兩端電壓波形

由圖4可知，晶閘管在兩端電壓過零時觸發(fā)導通，支路可以在幾個周波之內過渡到穩(wěn)態(tài).

圖5 瞬態(tài)3支路電流及晶閘管兩端電壓波形

(3)瞬態(tài)3：晶閘管由閉合狀態(tài)到斷開的瞬間，支路電流波形以及晶閘管兩端電壓波形如圖6所示：由圖6可知，在晶閘管由閉合到斷開這個動作之前串入阻尼電阻R，可以有效限制諧波分量，使支路過渡到穩(wěn)定狀態(tài).

3.2 抑制鐵芯飽和仿真結果

變壓器空載時，鐵芯接近飽和點.在可控硅閉合的瞬間，一個正弦波電壓被施加到變壓器，在鐵芯中產(chǎn)生余弦波交鏈磁通.由于鐵芯磁鏈不能突變，因此過渡過程初始階段鐵芯中會出現(xiàn)非周期分量磁通以維持過渡過程初始時刻的磁鏈守恒，與工頻分量疊加后使得鐵芯進入飽和區(qū)，其勵磁電感急劇下降，從而引發(fā)與電容的諧振.變壓器的電感急劇下降時，其鐵芯是飽和的.當電感減小到足夠接近電容，鐵磁諧振發(fā)生，就不會停止，除非外部干擾.因此，避免鐵磁諧振的關鍵點是抑制非周期性磁通量[9-10].如果非周期性磁通在很短的時間下降，使得它不能導致鐵芯飽和，就不會發(fā)生鐵磁諧振.

本文在主電路中加入阻尼電阻R，該元件消耗非周期性磁通的能量，避免在空載閉合過程鐵芯出現(xiàn)飽和現(xiàn)象.采用阻尼電阻前后，變壓器鐵芯鐵磁諧振的仿真試驗波形如圖6所示.

(a)有阻尼電阻的瞬態(tài)過程

(b)無阻尼電阻的瞬態(tài)過程圖6 空載合閘的仿真波形

由圖6(a)和圖6(b)可知：在電路狀態(tài)改變之前，將阻尼電阻通過電容器并聯(lián)入電路，電流無沖擊響應，避免電路中出現(xiàn)刺激鐵心飽和的“源”，從而避免了整個投切過程諧振的產(chǎn)生.

由此可以看出，通過調節(jié)阻尼電阻的投切時序可以有效抑制變壓器貼心的鐵磁諧振，實現(xiàn)電容器投切的平穩(wěn)過渡.

4 樣機實驗結果

4.1 測試樣機

為了證明以上理論分析，本文按照設計方案制備了一套磁控開關電抗器(10kV/1200kV·A)測試樣機，樣機內部結構如圖7所示.

(a)樣機晶閘管及控制部分 (b)樣機內部結構示意圖圖7 磁控開關電抗器(10kV/1200kV·A)測試樣機

試驗樣機中變壓器的勵磁電抗設計值為100p.u.，漏抗設計為0.06p.u.，而阻尼電阻R為1.0 p.u..

4.2 空載合閘試驗

空載合閘試驗時，首先關閉KM2，然后關閉KM1 給樣機提供電源.試驗波形如圖8所示.

(a)空載合閘瞬態(tài)電流 (b)空載穩(wěn)態(tài)電流圖8 空載合閘試驗電流波形

由圖8可知：在空載合閘的瞬間，變壓器產(chǎn)生非周期性電流來維持磁鏈的不變.阻尼電阻器在很短的時間內消耗非周期性電流分量的能量，所以鐵芯不會飽和.經(jīng)過一個基波周期，支路進入穩(wěn)定狀態(tài).由于勵磁電感比較大，穩(wěn)態(tài)電流是非常小的.圖8(b)可以看出，空載狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)電流是線性的，幾乎沒有諧波.

4.3 切換到補償狀態(tài)實驗

當支路在空載穩(wěn)定狀態(tài)時，同時閉合可控硅和斷開KM2，支路切換到補償狀態(tài)(延遲小于10ms).因為KM2打開需要時間，電阻R在非常短的時間(約100ms)吸收有功功率.KM2完全斷開后，電阻R從電路中切除，支路成為一個無功功率補償器(超前)，測得的波形如圖9所示.

圖9 可控硅閉合時電流波形

由圖9可以看到，由于電抗率是6%，電流波形存在5次和7次諧波.如果需要停止補償，控制器會發(fā)出信號，KM2閉合，投入阻尼電阻R.KM2是閉合后，雙向可控硅斷開，可控硅斷開時電流波形如圖10所示.

圖10 可控硅斷開時電流波形

由圖10可知：雙向可控硅在電流過零瞬間切斷.雙向可控硅徹底切斷前，阻尼電阻R與電容器連接，它消耗存儲在電容器中的能量，以使瞬態(tài)過程的時間比一個基波周期短.因此，鐵芯不能進入飽和狀態(tài)，避免了鐵磁諧振.瞬態(tài)過程結束后，支路進入空載穩(wěn)定狀態(tài).在此過程中，最大浪涌電流小于2 p.u..

4.4 長期運行實驗

為了測試這種新型無功補償解決方案的可靠性，試驗樣機投入運行12h，負載為最大額定負荷.經(jīng)過12h后，采用紅外測溫儀測量雙向可控硅的散熱片和本體的溫度.測量結果表明：雙向可控硅的散熱片表面的溫度低于40℃時，雙向可控硅本體的溫度低于70℃.

由于本文所述的新型補償器補償每個支路僅包含一個可控硅，因此產(chǎn)生的熱消耗比TSC和STATCOM的熱量小很多，避免了因附加冷卻系統(tǒng)增加投資成本.

5 結束語

本文提出了一種基于磁控開關高壓無功補償方法，相對于傳統(tǒng)的無功補償方式具備以下優(yōu)勢：

(1)無需配置額外的串聯(lián)濾波電感，減小了占地面積；每相僅使用一串低壓晶閘管，結構簡單，可靠性高，而且作為投切元件的晶閘管在低壓下工作，安全系數(shù)更高.

(2)在實際應用時采用正向補償，輕載和空載時損耗極低，遠小于 MCR，負載時損耗也小于TCR.

(3))該無功補償方案不產(chǎn)生諧波，還能吸收特定次諧波.

(4)通過改變阻尼電阻的投切時序可以抑制鐵磁諧振，從而實現(xiàn)電容器投切的平穩(wěn)過渡.

因此，本文所述無功補償方案適合應用于光伏電站、風力發(fā)電場、港口及電力鐵路等領域的動態(tài)無功功率補償，具有一定的工程實用價值.

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(編輯：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

山東省自然科學基金項目(ZR2016EL17);山東省高等學?？萍加媱濏椖?J16LN32)

王靜，女，563279452@qq.com

1672-6197(2017)05-0046-05

TM 753

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