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10kV静止无功补偿器的设计与研制
发布时间:2012-5-12    浏览次数:1875

摘要:随着电网互联的发展和负荷密度的增加,提高电力系统运行稳定性和电压质量的要求日益迫切。电力电子技术的发展使得静止无功补偿装置(SVC)在该领域发挥了巨大的作用。文中对TCR+TSC型SVC样机的设计进行了详细的介绍,分别讨论了主电路、控制系统、监测系统等部分的原理与设计。运行试验的结果表明,样机设计效果良好。 
关键词:静止无功补偿器;控制系统;监测系统;样机 

 
前言

  电力系统的互联和远距离、大容量输电已成为电力工业发展的一个重要趋势。随着负荷用电密度的增加和区域电网互联的发展,最大限度地发挥输电线路的设计容量和提高系统运行稳定性的问题日益突出;在配电系统中,大功率冲击性负荷和不平衡负荷的影响也日益严重,造成了系统电压波动,影响了其他电气设备的正常运行和用电的经济性。静止无功补偿器(SVC)作为70年代发展起来的一种并联无功补偿装置,在国内外的输配电系统中有着十分广泛的应用,目前在世界范围内已有超过500套装置投入运行,对电力系统电压稳定和改善电能质量起到了明显的作用。

1 SVC的用途

  SVC是一种由电容器和各种类型的电抗器组成的无功补偿装置,用电子开关来实现无功功率的快速平滑控制。SVC的应用可以分为2个方面:系统补偿和负荷补偿。
  当作为系统补偿时,他的作用主要有:维持输电线路上节点的电压,减小线路上因为功率流动变化造成的电压波动,并提高输电线路有功功率的传输容量和电网的静态稳定性;在网络故障情况下,快速稳定电压,维持线路输电能力,提高电网的暂态稳定性;增加系统的阻尼,抑制电网的功率振荡;在输电线路末端进行无功功率补偿和电压支持,提高电压稳定性等等。
  当作为负荷补偿时,SVC的作用有:抑制负荷变化造成的电压波动和闪变;补偿负荷所需要的无功电流,改善功率因数,优化电网的能量流动;补偿有功和无功负荷的不平衡。
  基于以上作用,SVC除了应用于互联电网的高压输电线路外,还广泛地应用于高压直流输电( HVDC)换流站的无功补偿和抑制电弧炉等大型冲击负荷造成的闪变和电压波动。因此,研制和开发容量大、响应速度快、调节灵活、经济性好、维护方便的SVC对电力系统的发展具有重要意义。本文对最近由清华大学与广东顺德特种变压器厂联合开发的SVC样机的结构和设计原理进行比较全面的介绍,主要包括主电路、控制系统、监测系统、水冷系统、保护系统等部分的设计开发,最后给出了现场试验的结果。

2 SVC原理及样机开发

2.1 SVC的运行原理
  本文所讨论的静止无功补偿装置是由晶闸管控制的电抗器(TCR)和晶闸管投切的电容器(TSC)所构成的混合型SVC,其拓扑结构见图1。


图 1 TCR+TSC型SVC的拓扑结构

  TCR+TSC型SVC主要由TCR、TSC、降压变压器、滤波器组和控制系统组成。其基本功能是控制系统根据指定的控制策略,通过触发晶闸管阀适当地投切电容器组,并控制电抗器的电流,调节补偿器输出的无功功率,来控制补偿器与电网连接点的电压。其电压电流特性见图2。


图2 SVC的电压电流特性

  在实际的应用中,SVC的电压电流特性并不设计成理想的水平线,而是有一定的倾斜。这样做,一方面可以增大补偿器的运行范围,因为在补偿器输出容性无功时,连接点电压可以比无载(输出的无功功率为零,常将这一点的电压设为参考电压即图2中的U0)时低,而在补偿器输出感性无功时,连接点电压可以高一些,对SVC的容量要求可以小一些,兼顾了补偿器的容量和电压水平恒定的要求;另一方面,由于呈现正电阻特性,改善了并联的静止补偿器之间或与其他发电机等电压控制设备之间的电流分配。
  作为一个完整的设备,除了主电路和控制系统以外,SVC还要具有监测、水冷、保护等子系统才能正常运行。这些都是样机的设计开发中不可或缺的有机组成部分。    
2.2 主电路
2.2.1 晶闸管的保护与触发
  晶闸管阀是主电路中最重要的部分,在SVC中采用的是反并联晶闸管对串联的结构。由于电力电子器件的价格昂贵,而且工作时频繁地承受着高电压、大电流的冲击,所以很容易损坏。因此,对晶闸管的保护十分重要。在样机所使用的晶闸管串上,配备了RC缓冲吸收电路、BOD(转折二极管)以及均压电阻对其加以保护。
  由于电压等级较高,需要多个晶闸管串联使用,因此采取必要的措施保证器件同时导通是正常工作的关键。图3表示的是晶闸管的触发电路,给出了晶闸管末级触发和信号反馈的原理。事实上,该触发电路分为2个部分,首先是将触发光信号转化为大电流信号,送到脉冲变压器的初级侧,同时,脉冲变压器次级输出去触发每个晶闸管。由于同串同向阀体中的所有脉冲变压器采用一个公共的初级,这样就确保了导通时刻的一致。顺便指出,每个反并联的晶闸管对都有一个状态信号的光反馈,可以据此来判断晶闸管阀的运行状态。


图3 晶闸管触发电路及信号反馈

2.2.2 TCR与TSC  
  TSC由多个电容器组并联组成,用反并联的晶闸管阀作为投切开关,响应迅速,可靠性高。在实际系统中,每个电容器组要串联一个限流电抗器,以降低晶闸管导通使电容器接入系统时可能产生的电流冲击,以及避免与系统阻抗产生谐振现象。由于TSC只有投入和切除2种状态,所以不会产生谐波,但是无功功率的补偿是以单组电容器的容量为单位跳跃的,此时就需要通过调节TCR的输出来平滑无功功率的改变。TCR是通过反并联的晶闸管对和电抗器串连,在电压的每个正的或负的半周中,从电压峰值到电压过零点的间隔内触发晶闸管,承受正向电压的晶闸管导通,电抗器进入工作状态。通过改变投入时刻的相位来控制电抗器电流有效值的大小,从而改变吸收的无功功率,一般容量的选择要比TSC中的单组电容器的容量稍大方能满足连续改变无功功率的要求。TCR的工作是会引起谐波电流的,因此需要安装滤波器来尽量减少SVC对系统的谐波电流注入。
2.2.3 滤波器设计
  通常的滤波方法是配置无源滤波器,既可以滤除谐波,又可以补偿一定容量的无功。对装设于电力系统中的SVC装置而言,系统谐波含量相对较少而且比较稳定,主要谐波源就是SVC装置本身,因此设计起来相对简单,一般只需要装设5次以上的单调谐滤波器即可,必要时装设高通滤波器。但对于补偿冲击性负荷的SVC装置,在设计滤波器时,不仅要考虑装置本身产生的谐波,还需考虑负荷侧产生的大量非特征谐波和偶次谐波,关键是要具有充足的设计经验,才能使得滤波器设计的性价比最高。顺便说明,滤波器在实际工作中并不是处于真正的谐振状态。为防止谐波电流过大,考虑到系统一般呈感性,通常将滤波器设计成感性偏调谐,这样也避免了与系统发生谐振的可能[1]
2.3 控制系统
2.3.1 控制系统结构
  控制系统是整个SVC的核心部分,其系统结构见图4,主要由DSP控制板、脉冲移相电路、过零检测电路、电光转换装置等相互独立的硬件模块组成[2]


图4 SVC控制器的结构

  在软件方面,有面向系统补偿和面向负荷补偿2种方式,对他们的信号采集和算法实现都有所不同,下面分别加以讨论。
2.3.2 SVC控制算法的实现
  作系统补偿时,主要是维持系统电压在一定的范围内变化。在三相电压对称和无畸变的情况下,利用对称平衡系统三相电压、电流幅值相等、相位互差120°的关系,可以由三相的电压、电流瞬时值得到电压有效值,计算简单快速;在三相电压不对称或有畸变的情况下,利用正序、负序和零序电压、电流都是正弦函数以及三角函数运算的特点,将由正弦量瞬时值计算出的特征量经过简单的滤波处理,仍可以得到所需要的控制信号,结果也是准确的[3]
  作负荷补偿时,除了抑制电压波动和闪变以及校正功率因数外,还要求SVC具有不对称补偿的能力,亦即能补偿负荷的不平衡。我们采用了前馈与反馈相结合的控制方式。前馈部分直接由检测出的负荷电流计算出SVC应输出的各相电抗,响应迅速;反馈部分根据控制目标的实际值和设定值之间的误差对SVC的输出进行调整,以提高控制精度。SVC提供的同样是三相不对称的电抗,以抵偿三相不平衡负荷在线路中产生的负序电流分量,使得补偿后的负序电流只在负荷与补偿电抗之间流通,从而改善负荷不平衡运行对系统的影响[4]
  SVC控制算法的实现是在以DSP芯片为核心的控制板上用C语言和汇编语言混合编程实现的,以兼顾开发工作的简化和程序的运行高效。由于DSP的运算速度快,精度高,可以保证控制的实时性和准确性。试验证明,该控制算法可以圆满完成控制任务。
2.3.3 各功能电路介绍
  TCR脉冲发生板的作用是根据DSP板输出的控制角信号及同步电压的输入发出经过移相的高频脉冲,以控制TCR主电路里晶闸管的导通角度来改变接入系统的等效电抗。同步信号是由电源兼同步变压器输出的交流信号,经双半波整流,再经同步整形环节变成方波,然后经锯齿波发生器变成与电源同频的同步锯齿波信号。该信号与控制角信号相比较,并将比较结果输出至脉冲发生环节(高频调制电路),即得到移相之后的脉冲序列。
  TSC过零投切电路通过检测晶闸管两端电压过零点来决定投入电容器组的时刻。晶闸管两端的电压是系统电压和电容器上电压之差,当这个电压等于零时投入电容器,不会对系统造成冲击,而且可以将电容器尽快地投入到系统中,不受电源电压值的限制,对提高TSC响应的速度也很有利[5]
  此外,由于晶闸管的触发需要提供光信号,所以产生的脉冲序列要经过电光转换装置转化成光信号,然后通过光纤传送到主电路一端,在此不再赘述。
2.4 监测系统
  SVC是一个复杂庞大的系统装置,所有的子系统都必须各自正常运行并且相互协作才能实现装置的整体功能。作为操作人员,及时有效地获知系统状态信息是至关重要的,监测系统就是完成此项任务的有力工具。近来随着IT技术的发展,计算机的性能飞速提高而价格却日益低廉。因此,SVC样机的监测系统是采用内置数据采集卡的工控机为基础,图形化编程语言LabVIEW为工具开发完成的。监测系统的硬件结构见图5。


图5 SVC监测系统的硬件结构

  从图5中可以看出,除了数据采集之外,监测系统还要负责和其他设备的通信以及远程数据传输工作,采用高性能的工控机使得同时完成如此复杂的任务变得更加容易。
  为了缩短开发周期,监测系统的开发采用了图形化的编程语言LabVIEW。他引入了虚拟仪器的概念,把底层与硬件交互的部分封装起来,使得应用程序的开发过程十分简单。SVC监测系统主要完成以下功能:监视装置的启动过程;实时采集并显示系统的运行状态;在线判断系统故障状态;记录重要系统运行信息;为远程计算机传递数据;系统长期运行状态分析,生成电压质量、谐波含量分析报告;系统调试期间录波回显,协助安装人员快速查看系统状态等。这些功能为SVC正常工作提供强有力的保障。
2.5 水冷系统
  高电压大功率晶闸管高纯水循环冷却系统对SVC的正常运行有着不可替代的作用。他比风冷系统和传统的油冷系统体积更小,效率更高,无污染,无燃烧危险。在运行中高纯水不导电,封闭循环冷却几乎不消耗水,并可实现完全自动化。该套水冷系统采用PLC控制,对水冷的故障状态给出分级的预警和停主机报警信号,同时通过RS485协议与监测系统通信,可以快速准确地将水冷系统的状态信息,比如水温、水压、电导率等传递给监测系统,供操作人员分析水冷系统的故障信息。
2.6 保护系统
  SVC样机的保护系统采用的是微机过流和过载保护继电装置。这是一个综合的继电保护装置,提供定时限与反时限过流保护以及过负荷不平衡保护。他提供的功能包括:测量值的采集、评估、操作与显示;信号和跳闸命令的输出;二进制信号的输入与评估;通过RS485远程数据传输。由于全部微机操作,具有强劲有效的算法,可以大大抑制高频暂态分量和直流暂态分量的影响。而且可编程能力很强,二进制的输入输出都可重新定位。能够选择跳闸启动或二进制输入触发多达8个通道的故障录波。装置中的硬件和软件都被连续地自监视,可靠性极高,可以减小对常规检验的需要。

现场试验

  为了验证SVC系统的功能,该样机在2 kV的电压等级下进行了试验。图6是在切除了无功负荷造成系统电压跃升时,SVC的补偿作用对系统电压影响的过程,可以看出SVC对这种扰动的响应时间约为25ms


图6 切除无功负荷时在SVC补偿作用下系统电压变化

  为检验SVC对负荷补偿时抵消负荷不平衡的能力,在现场试验系统中接入单相有功负荷,造成系统线电压产生大约3%的不平衡度,试验显示,SVC投入运行后,能够快速补偿负荷线电流的负序分量,使系统的三个线电流得以平衡从而减小了系统线电压的不平衡度,试验波形见图7,投入前后的线电压记录于表1中。


图 7 不平衡负荷下SVC投入前后系统线电流波形

表 1 不平衡负荷下SVC投入前、后系统线电压的对比

系统线电压/V

Uab

Ubc

Uca

SVC投入前

1 610

1 560

1 570

SVC投入后

1 500

1 510

1 500

  由以上试验可以看出,SVC在对电压控制和补偿不平衡方面都取得了满意的效果。稳态下电压控制精度较高,偏差小于1%,对负荷投切扰动的响应速度为20~40 ms,但是该参数会受到多方面因素的影响,比如系统短路容量,SVC特性斜率的变化等等。因此,要在不同的系统或负荷情况下对SVC系统进行反复试验来对控制器的特性参数加以改进以达到最佳效果。另外,通过对样机进行连续48h的工况试验,可以验证SVC样机具有长期连续运行的能力。
  
4 结论

  本文详细讨论了静止无功补偿器样机的设计开发工作,对各个部分都分别加以了比较完整的说明,包括主电路、控制系统、监测系统、水冷系统、保护系统,最后给出了现场试验的结果。试验和试运行结果表明,基于DSP的数字控制板和模拟触发电路组成的控制器达到了预期的效果。同时,基于工控机和LabVIEW的监测系统在缩短开发周期上有着明显的优势,人机界面很好且易于升级。再加上水冷系统和微机保护系统,SVC样机可以作为一个完整的电力设备,在电力系统中胜任无功功率补偿的任务。
  
5 参考文献

  [1] 赵广. 静止无功补偿装置的设计与实现:[学位论文].北京:清华大学电机工程与应用电子技术系, 2001.
  [2] 逯帅. 静止无功补偿装置控制器的设计与实现:[学位论文]. 北京:清华大学电机工程与应用电子技术系,2002.
  [3] 逯帅,刘秀成,陈建业,等. SVC平衡控制方法及其所需信号的检测.电工电能新技术,2002,21(2):17~20.
  [4] 逯帅,张海波,刘秀成,陈建业,王赞基,赵广. 补偿动态三相不平衡负荷的方法及补偿装置.中国专利.
  [5] 逯帅,赵广,陈建业,刘秀成,张海波. 晶闸管投切电容器用的分相过零触发控制装置,中国专利(申请号),01136260.X.   

收稿日期:2002-07-24
作者简介:张海波(1978-),男,硕士,从事电路与系统、电力电子技术的研究;
  陈建业(1947-),男,副教授,长期从事电力电子技术和控制系统的研究;
  刘艳村(1974-),女,工程师,从事电力变压器的设计、计算机仿真等工作;
  逯帅(1976-),男,硕士,从事电路与系统、电力电子技术的研究;
  王赞基(1946-),男,博士,教授,博士生导师,从事电路与系统、电工理论与新技术的教学和科研。 


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