磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

于 彪, 王德強(qiáng)

1.山東管理學(xué)院 濟(jì)南 2501002.山東泰開電力電子有限公司 山東泰安 271000

1 應(yīng)用背景

麗水供電公司220 kV宏山變電站有兩臺(tái)主變壓器,可實(shí)現(xiàn)并列和分列運(yùn)行。每臺(tái)主變壓器容量為50 MVA,分別安裝一組電容器成套裝置,電容器組容量均為10 Mvar。由于宏山變電站所帶負(fù)荷主要為農(nóng)村負(fù)荷和小水電等分布式電源,具有季節(jié)性強(qiáng)、日負(fù)荷變化大等特點(diǎn),因此主變壓器下設(shè)的兩組電容器利用率很低,且無(wú)功補(bǔ)償精度低,投入時(shí)過(guò)補(bǔ),退出時(shí)欠補(bǔ),導(dǎo)致電容器投切頻繁。同時(shí),由于單組電容器容量較大,在投切過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)沖擊大,嚴(yán)重影響35 kV母線電壓的穩(wěn)定性,導(dǎo)致主變壓器分接開關(guān)頻繁動(dòng)作[1]。

為了解決宏山變電站存在的上述諸多問(wèn)題,對(duì)宏山變電站中的無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行改造,兩臺(tái)主變壓器下分別增設(shè)一臺(tái)容量為10 Mvar的磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置與原有的電容器成套裝置配合使用,可以實(shí)現(xiàn)感性-10 Mvar到容性10 Mvar無(wú)級(jí)連續(xù)可調(diào)。宏山變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置接線如圖1所示，兩臺(tái)主變壓器并列運(yùn)行時(shí),通過(guò)協(xié)調(diào)控制,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度無(wú)功補(bǔ)償,且感性-20 Mvar到容性20 Mvar無(wú)級(jí)連續(xù)可調(diào),以避免電容器組頻繁動(dòng)作,提高35 kV母線電壓的穩(wěn)定性,通過(guò)控制策略還可以兼顧220 kV側(cè)功率因數(shù)。

圖1 宏山變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置接線

2 磁控電抗器工作原理

磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置采用自耦直流勵(lì)磁和極限磁飽和工作方式,所產(chǎn)生的諧波大大減少,有功損耗降低,響應(yīng)速度快。磁控電抗器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,等效電路如圖3所示。

圖2 磁控電抗器結(jié)構(gòu)

磁控電抗器的磁閥為鐵心上截面積縮小的一段,在整個(gè)容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi),只有磁閥飽和,其余段均處于未飽和線性狀態(tài),通過(guò)改變磁閥的飽和程度可以改變電抗器的容量。磁控電抗器有兩個(gè)并聯(lián)的主鐵心,截面積相等,每個(gè)鐵心上繞有總匝數(shù)為N的繞組,分別由兩個(gè)匝數(shù)為N/2的繞組對(duì)稱分布在磁閥的上下兩端。鐵心上下兩繞組各有一只匝數(shù)比為N2/N的抽頭,抽頭之間接有晶閘管KP1、KP2。不同鐵心的上下兩個(gè)繞組交叉連接后并聯(lián)到電網(wǎng)。

圖3 磁控電抗器等效電路

續(xù)流二極管D橫跨在交叉端點(diǎn)上,在晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)起續(xù)流的作用。磁控電抗器鐵心的結(jié)構(gòu)非常特殊,主鐵心分為對(duì)稱的兩部分。在電源的一個(gè)工頻周期內(nèi),晶閘管KP1、KP2輪流導(dǎo)通,起全波整流作用,二極管D起續(xù)流作用。改變KP1、KP2的觸發(fā)角,可以改變直流控制電流的大小,進(jìn)而可以控制電抗器的輸出容量。因此,可以根據(jù)負(fù)荷變化,通過(guò)改變晶閘管觸發(fā)角,實(shí)時(shí)連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器的容量值,從而改變向系統(tǒng)注入的無(wú)功功率,并保持功率因數(shù)在較高值[2-4]。

3 磁控電抗器優(yōu)點(diǎn)

磁控電抗器中所用晶閘管器件的工作電壓均僅為電抗器額定電壓的0.5%左右,滿容量工作時(shí),晶閘管的發(fā)熱功率也僅為額定功率的0.5%左右。與普通雙繞組變壓器相似,磁控電抗器不需要專門的冷卻水,損耗低[5-6]?，F(xiàn)代電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償正向著優(yōu)化、動(dòng)態(tài)和平滑調(diào)節(jié)方向發(fā)展,基于磁控電抗器的無(wú)功補(bǔ)償有著廣闊的發(fā)展前景。

在無(wú)功補(bǔ)償中應(yīng)用磁控電抗器,主要的優(yōu)點(diǎn)如下:① 可靠性極高,免維護(hù),使用壽命不短于20 a;② 能夠在任何惡劣的電網(wǎng)環(huán)境下穩(wěn)定、可靠工作;③ 可以直接運(yùn)行于任何電壓等級(jí)電網(wǎng),安裝簡(jiǎn)單,調(diào)試方便;④ 無(wú)功補(bǔ)償容量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),使補(bǔ)償效果達(dá)到最佳[7]。

4 宏山變電站無(wú)功補(bǔ)償控制策略

4.1 控制原則

針對(duì)宏山變電站的具體負(fù)荷情況和實(shí)際需要,制訂無(wú)功補(bǔ)償控制的基本原則如下:① 確保220 kV考核點(diǎn)無(wú)功功率不倒送;② 確保35 kV電壓滿足設(shè)定的上下限范圍;③ 確保220 kV側(cè)滿足無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)控制目標(biāo)。

無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)控制目標(biāo)見表1。

表1 無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)控制目標(biāo)

4.2 控制邏輯

對(duì)上述三條控制原則進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序,第①條最高,第③條最低。確定好優(yōu)先級(jí)后,在進(jìn)行控制邏輯設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮三方面內(nèi)容。

(1) C語(yǔ)言中,if的邏輯分支等級(jí)最高,因此當(dāng)檢測(cè)到無(wú)功功率倒送時(shí),按照感性增大的方向增大目標(biāo)容量。若當(dāng)磁控電抗器達(dá)到滿容量后無(wú)功功率仍然倒送,則依次切除各電容器。切除所有電容器后若無(wú)功功率還是倒送,則經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲,由后臺(tái)向運(yùn)行人員發(fā)出報(bào)警信息。

(2) 保證35 kV電壓滿足設(shè)定的上下限,根據(jù)電壓電流斜率計(jì)算磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置抬高電壓至上限或降低電壓至下限時(shí)磁控電抗器需發(fā)出的目標(biāo)容量。

(3) 根據(jù)檢測(cè)到的220 kV母線電壓及有功功率,計(jì)算出補(bǔ)償功率因數(shù)所需的無(wú)功功率,進(jìn)而得到磁控電抗器的目標(biāo)容量[8-11]?？刂七壿嫵绦蛄鞒倘鐖D4所示。

圖4 控制邏輯程序流程

4.3 協(xié)調(diào)運(yùn)行控制

根據(jù)變電站的實(shí)際運(yùn)行情況,當(dāng)兩臺(tái)主變壓器并列運(yùn)行時(shí),需要實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)行。兩臺(tái)主變壓器分列運(yùn)行時(shí),只需要達(dá)到對(duì)應(yīng)母線的控制目標(biāo)即可。

兩臺(tái)主變壓器并列運(yùn)行時(shí),需要合并考慮兩段母線的無(wú)功功率因數(shù),實(shí)現(xiàn)方案是1號(hào)磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置作為主機(jī),2號(hào)磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置作為從機(jī)。協(xié)調(diào)運(yùn)行模塊由控制器單元內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn),通信接口為光纖高速串行外設(shè)接口[12]。由于通信調(diào)度周期只有5 ms,因此不會(huì)影響磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)速度,以及協(xié)調(diào)運(yùn)行的一致性。

為提高程序智能化程度,兩臺(tái)磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置各自采集母聯(lián)斷路器位置。當(dāng)母聯(lián)斷路器為合位時(shí),兩臺(tái)磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)控制狀態(tài),且由1號(hào)磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置采集考核點(diǎn)的電壓及主變壓器高壓側(cè)的無(wú)功功率,作為控制目標(biāo)。主機(jī)計(jì)算應(yīng)發(fā)無(wú)功功率,通過(guò)串行外設(shè)接口通信等容平均分配給子機(jī),實(shí)現(xiàn)控制[13]。

協(xié)調(diào)控制的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)冗余運(yùn)行,若1號(hào)或2號(hào)磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置任意一條支路出現(xiàn)故障,則主機(jī)檢測(cè)到故障狀態(tài)后,屏蔽出現(xiàn)故障的支路,并將無(wú)功功率目標(biāo)值全部發(fā)送至正常運(yùn)行的磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置,最大限度保證考核點(diǎn)控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[14-15]。

兩臺(tái)主變壓器并列運(yùn)行時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制原理如圖5所示。

兩臺(tái)主變壓器分列運(yùn)行時(shí),控制器檢測(cè)到母聯(lián)斷路器處于分位,退出協(xié)調(diào)運(yùn)行控制,即將各自對(duì)應(yīng)主變高低壓側(cè)電壓及無(wú)功功率作為控制目標(biāo)。

5 應(yīng)用效果對(duì)比

2014年,宏山變電站應(yīng)用磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置后,35 kV電網(wǎng)系統(tǒng)電壓質(zhì)量和220 kV側(cè)功率因數(shù)質(zhì)量大為改觀,基本上杜絕了原本存在的無(wú)功功率倒送問(wèn)題。2013年,全年功率因數(shù)合格率為89.99%,全年功率因數(shù)不合格點(diǎn)為3 226個(gè),占總不合格點(diǎn)的比重為19.5%。其中,由無(wú)功功率倒送引起的功率因數(shù)不合格點(diǎn)為1 998個(gè),占總不合格點(diǎn)的比重為12.08%。2014年,全年功率因數(shù)合格率上升至97.20%,全年功率因數(shù)不合格點(diǎn)減少至980個(gè),占總不合格點(diǎn)的比重下降至10.46%。其中,由無(wú)功功率倒送引起的功率因數(shù)不合格點(diǎn)僅為81個(gè),所占比重僅為0.86%。截至2015年12月,功率因數(shù)合格率更是達(dá)到100%。

圖5 主變壓器并列運(yùn)行時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制原理

由此可見,應(yīng)用磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置后,該地區(qū)無(wú)功功率倒送現(xiàn)象基本杜絕,功率因數(shù)質(zhì)量有了明顯提高。

從典型日電壓和無(wú)功功率的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可以明顯看到應(yīng)用磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置后該地區(qū)電網(wǎng)電壓和功率因數(shù)的變化。宏山變電站應(yīng)用磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置前后35 kV母線電壓對(duì)比如圖6所示,220 kV考核點(diǎn)無(wú)功功率對(duì)比如圖7所示。

圖6 宏山變電站35 kV母線電壓對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

由全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及典型日35 kV母線電壓曲線可以看出,磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用前,系統(tǒng)電壓經(jīng)常出現(xiàn)超出范圍的情況,且投切電容器也很難滿足控制策略的要求。磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用后,由于控制策略優(yōu)先保證35 kV電壓穩(wěn)定,因此35 kV電壓能夠很容易滿足給定的運(yùn)行范圍要求,從而為小水電等分布式電源系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)。

圖7 宏山變電站220 kV考核點(diǎn)無(wú)功功率對(duì)比

由無(wú)功功率曲線可以看出,應(yīng)用磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置,具有連續(xù)線性調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì),既使變電站220 kV考核點(diǎn)保持較低的感性無(wú)功功率,又使功率因數(shù)滿足控制目標(biāo)范圍,可以防止電容器頻繁投切給系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及電容器自身帶來(lái)的不利影響,進(jìn)而最大限度降低網(wǎng)損。

磁控電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置在宏山變電站成功應(yīng)用表明,相比傳統(tǒng)投切式電容器不易實(shí)現(xiàn)多級(jí)兼顧控制的缺點(diǎn),磁控電抗器能夠連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),響應(yīng)速度快,無(wú)功功率平滑可調(diào),控制策略能夠做到多級(jí)兼顧,實(shí)現(xiàn)主變壓器并列及分列運(yùn)行時(shí)的協(xié)調(diào)與獨(dú)立控制,通過(guò)控制電容器分組投切,能夠?qū)崿F(xiàn)更大的容量連續(xù)調(diào)節(jié)范圍。