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    10kV靜止無功補償器的設計與研制

 

    時間： 來源：輸-配-電-設-備-網 作者：

 

    摘要： 隨著電網互聯(lián)的發(fā)展和負荷密度的增加，提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和電壓質量的要求日益迫切。電力電子技術的發(fā)展使得靜止無功補償裝置(SVC)在該領域發(fā)揮了巨大的作用。文中對TCR+TSC型SVC樣機的設計進行了詳細的介紹，分別討論了主電路、控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)等部分的原理與設計。運行試驗的結果表明，樣機設計效果良好。

 

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    0　前言 JnK開關114

 

    電力系統(tǒng)的互聯(lián)和遠距離、大容量輸電已成為電力工業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢。隨著負荷用電密度的增加和區(qū)域電網互聯(lián)的發(fā)展，最大限度地發(fā)揮輸電線路的設計容量和提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的問題日益突出;在配電系統(tǒng)中，大功率沖擊性負荷和不平衡負荷的影響也日益嚴重，造成了系統(tǒng)電壓波動，影響了其他電氣設備的正常運行和用電的經濟性。靜止無功補償器(SVC)作為70年代發(fā)展起來的一種并聯(lián)無功補償裝置，在國內外的輸配電系統(tǒng)中有著十分廣泛的應用，目前在世界范圍內已有超過500套裝置投入運行，對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和改善電能質量起到了明顯的作用。 JnK開關114

 

    1　SVC的用途 JnK開關114

 

    SVC是一種由電容器和各種類型的電抗器組成的無功補償裝置，用電子開關來實現(xiàn)無功功率的快速平滑控制。SVC的應用可以分為2個方面：系統(tǒng)補償和負荷補償。

 

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    當作為系統(tǒng)補償時，他的作用主要有：維持輸電線路上節(jié)點的電壓，減小線路上因為功率流動變化造成的電壓波動，并提高輸電線路有功功率的傳輸容量和電網的靜態(tài)穩(wěn)定性;在網絡故障情況下，快速穩(wěn)定電壓，維持線路輸電能力，提高電網的暫態(tài)穩(wěn)定性;增加系統(tǒng)的阻尼，抑制電網的功率振蕩;在輸電線路末端進行無功功率補償和電壓支持，提高電壓穩(wěn)定性等等。 JnK開關114

 

    當作為負荷補償時，SVC的作用有：抑制負荷變化造成的電壓波動和閃變;補償負荷所需要的無功電流，改善功率因數，優(yōu)化電網的能量流動;補償有功和無功負荷的不平衡。 JnK開關114

 

    基于以上作用，SVC除了應用于互聯(lián)電網的高壓輸電線路外，還廣泛地應用于高壓直流輸電( HVDC)換流站的無功補償和抑制電弧爐等大型沖擊負荷造成的閃變和電壓波動。因此，研制和開發(fā)容量大、響應速度快、調節(jié)靈活、經濟性好、維護方便的SVC對電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。本文對最近由清華大學與廣東順德特種變壓器廠聯(lián)合開發(fā)的SVC樣機的結構和設計原理進行比較全面的介紹，主要包括主電路、控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、保護系統(tǒng)等部分的設計開發(fā)，最后給出了現(xiàn)場試驗的結果。

 

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    2　SVC原理及樣機開發(fā)

 

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    2.1　SVC的運行原理 JnK開關114

 

    本文所討論的靜止無功補償裝置是由晶閘管控制的電抗器(TCR)和晶閘管投切的電容器(TSC)所構成的混合型SVC，其拓撲結構見圖1。

 

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    10kV靜止無功補償器的設計與研制

 

    圖 1　TCR+TSC型SVC的拓撲結構

 

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    TCR+TSC型SVC主要由TCR、TSC、降壓變壓器、濾波器組和控制系統(tǒng)組成。其基本功能是控制系統(tǒng)根據指定的控制策略,通過觸發(fā)晶閘管閥適當地投切電容器組，并控制電抗器的電流，調節(jié)補償器輸出的無功功率，來控制補償器與電網連接點的電壓。其電壓電流特性見圖2。 JnK開關114

 

    10kV靜止無功補償器的設計與研制

 

    圖2　SVC的電壓電流特性 JnK開關114

 

    在實際的應用中，SVC的電壓電流特性并不設計成理想的水平線，而是有一定的傾斜。這樣做，一方面可以增大補償器的運行范圍，因為在補償器輸出容性無功時，連接點電壓可以比無載(輸出的無功功率為零，常將這一點的電壓設為參考電壓即圖2中的U0)時低，而在補償器輸出感性無功時，連接點電壓可以高一些，對SVC的容量要求可以小一些，兼顧了補償器的容量和電壓水平恒定的要求;另一方面，由于呈現(xiàn)正電阻特性，改善了并聯(lián)的靜止補償器之間或與其他發(fā)電機等電壓控制設備之間的電流分配。 JnK開關114

 

    作為一個完整的設備，除了主電路和控制系統(tǒng)以外，SVC還要具有監(jiān)測、水冷、保護等子系統(tǒng)才能正常運行。這些都是樣機的設計開發(fā)中不可或缺的有機組成部分。 JnK開關114

 

    2.2　主電路 JnK開關114

 

    2.2.1　晶閘管的保護與觸發(fā) JnK開關114

 

    晶閘管閥是主電路中最重要的部分，在SVC中采用的是反并聯(lián)晶閘管對串聯(lián)的結構。由于電力電子器件的價格昂貴，而且工作時頻繁地承受著高電壓、大電流的沖擊，所以很容易損壞。因此，對晶閘管的保護十分重要。在樣機所使用的晶閘管串上，配備了RC緩沖吸收電路、BOD(轉折二極管)以及均壓電阻對其加以保護。責任編輯：楊光亮

 

    晶閘管閥是主電路中最重要的部分，在SVC中采用的是反并聯(lián)晶閘管對串聯(lián)的結構。由于電力電子器件的價格昂貴，而且工作時頻繁地承受著高電壓、大電流的沖擊，所以很容易損壞。因此，對晶閘管的保護十分重要。在樣機所使用的晶閘管串上，配備了RC緩沖吸收電路、BOD(轉折二極管)以及均壓電阻對其加以保護。

 

    由于電壓等級較高，需要多個晶閘管串聯(lián)使用，因此采取必要的措施保證器件同時導通是正常工作的關鍵。圖3表示的是晶閘管的觸發(fā)電路，給出了晶閘管末級觸發(fā)和信號反饋的原理。事實上，該觸發(fā)電路分為2個部分，首先是將觸發(fā)光信號轉化為大電流信號，送到脈沖變壓器的初級側，同時，脈沖變壓器次級輸出去觸發(fā)每個晶閘管。由于同串同向閥體中的所有脈沖變壓器采用一個公共的初級，這樣就確保了導通時刻的一致。順便指出，每個反并聯(lián)的晶閘管對都有一個狀態(tài)信號的光反饋，可以據此來判斷晶閘管閥的運行狀態(tài)。

 

    圖3　晶閘管觸發(fā)電路及信號反饋

 

    2.2.2 TCR與TSC

 

    TSC由多個電容器組并聯(lián)組成，用反并聯(lián)的晶閘管閥作為投切開關，響應迅速，可靠性高。在實際系統(tǒng)中，每個電容器組要串聯(lián)一個限流電抗器，以降低晶閘管導通使電容器接入系統(tǒng)時可能產生的電流沖擊，以及避免與系統(tǒng)阻抗產生諧振現(xiàn)象。由于TSC只有投入和切除2種狀態(tài)，所以不會產生諧波，但是無功功率的補償是以單組電容器的容量為單位跳躍的，此時就需要通過調節(jié)TCR的輸出來平滑無功功率的改變?！CR是通過反并聯(lián)的晶閘管對和電抗器串連，在電壓的每個正的或負的半周中，從電壓峰值到電壓過零點的間隔內觸發(fā)晶閘管，承受正向電壓的晶閘管導通，電抗器進入工作狀態(tài)。通過改變投入時刻的相位來控制電抗器電流有效值的大小，從而改變吸收的無功功率，一般容量的選擇要比TSC中的單組電容器的容量稍大方能滿足連續(xù)改變無功功率的要求。TCR的工作是會引起諧波電流的，因此需要安裝濾波器來盡量減少SVC對系統(tǒng)的諧波電流注入。

 

    2.2.3　濾波器設計

 

    通常的濾波方法是配置無源濾波器，既可以濾除諧波，又可以補償一定容量的無功。對裝設于電力系統(tǒng)中的SVC裝置而言，系統(tǒng)諧波含量相對較少而且比較穩(wěn)定，主要諧波源就是SVC裝置本身，因此設計起來相對簡單，一般只需要裝設5次以上的單調諧濾波器即可，必要時裝設高通濾波器。但對于補償沖擊性負荷的SVC裝置，在設計濾波器時，不僅要考慮裝置本身產生的諧波，還需考慮負荷側產生的大量非特征諧波和偶次諧波，關鍵是要具有充足的設計經驗，才能使得濾波器設計的性價比最高。順便說明，濾波器在實際工作中并不是處于真正的諧振狀態(tài)。為防止諧波電流過大，考慮到系統(tǒng)一般呈感性，通常將濾波器設計成感性偏調諧，這樣也避免了與系統(tǒng)發(fā)生諧振的可能[1]。

 

    2.3　控制系統(tǒng)

 

    2.3.1　控制系統(tǒng)結構

 

    控制系統(tǒng)是整個SVC的核心部分，其系統(tǒng)結構見圖4，主要由DSP控制板、脈沖移相電路、過零檢測電路、電光轉換裝置等相互獨立的硬件模塊組成[2]。

 

    圖4　SVC控制器的結構

 

    在軟件方面，有面向系統(tǒng)補償和面向負荷補償2種方式，對他們的信號采集和算法實現(xiàn)都有所不同，下面分別加以討論。

 

    2.3.2　SVC控制算法的實現(xiàn)

 

    作系統(tǒng)補償時，主要是維持系統(tǒng)電壓在一定的范圍內變化。在三相電壓對稱和無畸變的情況下，利用對稱平衡系統(tǒng)三相電壓、電流幅值相等、相位互差120°的關系，可以由三相的電壓、電流瞬時值得到電壓有效值，計算簡單快速;在三相電壓不對稱或有畸變的情況下，利用正序、負序和零序電壓、電流都是正弦函數以及三角函數運算的特點，將由正弦量瞬時值計算出的特征量經過簡單的濾波處理，仍可以得到所需要的控制信號，結果也是準確的[3]。

 

    作負荷補償時，除了抑制電壓波動和閃變以及校正功率因數外，還要求SVC具有不對稱補償的能力，亦即能補償負荷的不平衡。我們采用了前饋與反饋相結合的控制方式。前饋部分直接由檢測出的負荷電流計算出SVC應輸出的各相電抗，響應迅速;反饋部分根據控制目標的實際值和設定值之間的誤差對SVC的輸出進行調整，以提高控制精度。SVC提供的同樣是三相不對稱的電抗，以抵償三相不平衡負荷在線路中產生的負序電流分量，使得補償后的負序電流只在負荷與補償電抗之間流通，從而改善負荷不平衡運行對系統(tǒng)的影響[4]。

 

    SVC控制算法的實現(xiàn)是在以DSP芯片為核心的控制板上用C語言和匯編語言混合編程實現(xiàn)的，以兼顧開發(fā)工作的簡化和程序的運行高效。由于DSP的運算速度快，精度高，可以保證控制的實時性和準確性。試驗證明，該控制算法可以圓滿完成控制任務。

 

    2.3.3　各功能電路介紹

 

    TCR脈沖發(fā)生板的作用是根據DSP板輸出的控制角信號及同步電壓的輸入發(fā)出經過移相的高頻脈沖，以控制TCR主電路里晶閘管的導通角度來改變接入系統(tǒng)的等效電抗。同步信號是由電源兼同步變壓器輸出的交流信號，經雙半波整流，再經同步整形環(huán)節(jié)變成方波，然后經鋸齒波發(fā)生器變成與電源同頻的同步鋸齒波信號。該信號與控制角信號相比較，并將比較結果輸出至脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)(高頻調制電路)，即得到移相之后的脈沖序列。

 

    TSC過零投切電路通過檢測晶閘管兩端電壓過零點來決定投入電容器組的時刻。晶閘管兩端的電壓是系統(tǒng)電壓和電容器上電壓之差，當這個電壓等于零時投入電容器，不會對系統(tǒng)造成沖擊，而且可以將電容器盡快地投入到系統(tǒng)中，不受電源電壓值的限制，對提高TSC響應的速度也很有利[5]。

 

    此外，由于晶閘管的觸發(fā)需要提供光信號，所以產生的脈沖序列要經過電光轉換裝置轉化成光信號，然后通過光纖傳送到主電路一端，在此不再贅述。

 

    2.4　監(jiān)測系統(tǒng)

 

    SVC是一個復雜龐大的系統(tǒng)裝置，所有的子系統(tǒng)都必須各自正常運行并且相互協(xié)作才能實現(xiàn)裝置的整體功能。作為操作人員，及時有效地獲知系統(tǒng)狀態(tài)信息是至關重要的，監(jiān)測系統(tǒng)就是完成此項任務的有力工具。近來隨著IT技術的發(fā)展，計算機的性能飛速提高而價格卻日益低廉。因此，SVC樣機的監(jiān)測系統(tǒng)是采用內置數據采集卡的工控機為基礎，圖形化編程語言LabVIEW為工具開發(fā)完成的。監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結構見圖5。

 

    圖5　SVC監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結構

 

    從圖5中可以看出，除了數據采集之外，監(jiān)測系統(tǒng)還要負責和其他設備的通信以及遠程數據傳輸工作，采用高性能的工控機使得同時完成如此復雜的任務變得更加容易。

 

    為了縮短開發(fā)周期，監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)采用了圖形化的編程語言LabVIEW。他引入了虛擬儀器的概念，把底層與硬件交互的部分封裝起來，使得應用程序的開發(fā)過程十分簡單。SVC監(jiān)測系統(tǒng)主要完成以下功能：監(jiān)視裝置的啟動過程;實時采集并顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài);在線判斷系統(tǒng)故障狀態(tài);記錄重要系統(tǒng)運行信息;為遠程計算機傳遞數據;系統(tǒng)長期運行狀態(tài)分析，生成電壓質量、諧波含量分析報告;系統(tǒng)調試期間錄波回顯，協(xié)助安裝人員快速查看系統(tǒng)狀態(tài)等。這些功能為SVC正常工作提供強有力的保障。

 

    2.5　水冷系統(tǒng)

 

    高電壓大功率晶閘管高純水循環(huán)冷卻系統(tǒng)對SVC的正常運行有著不可替代的作用。他比風冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)的油冷系統(tǒng)體積更小，效率更高， *** ，無燃燒危險。在運行中高純水不導電，封閉循環(huán)冷卻幾乎不消耗水，并可實現(xiàn)完全自動化。該套水冷系統(tǒng)采用PLC控制，對水冷的故障狀態(tài)給出分級的預警和停主機報警信號，同時通過RS485協(xié)議與監(jiān)測系統(tǒng)通信，可以快速準確地將水冷系統(tǒng)的狀態(tài)信息，比如水溫、水壓、電導率等傳遞給監(jiān)測系統(tǒng)，供操作人員分析水冷系統(tǒng)的故障信息。

 

    2.6　保護系統(tǒng)

 

    SVC樣機的保護系統(tǒng)采用的是微機過流和過載保護繼電裝置。這是一個綜合的繼電保護裝置，提供定時限與反時限過流保護以及過負荷不平衡保護。他提供的功能包括：測量值的采集、評估、操作與顯示;信號和跳閘命令的輸出;二進制信號的輸入與評估;通過RS485遠程數據傳輸。由于全部微機操作，具有強勁有效的算法，可以大大抑制高頻暫態(tài)分量和直流暫態(tài)分量的影響。而且可編程能力很強，二進制的輸入輸出都可重新定位。能夠選擇跳閘啟動或二進制輸入觸發(fā)多達8個通道的故障錄波。裝置中的硬件和軟件都被連續(xù)地自監(jiān)視，可靠性極高，可以減小對常規(guī)檢驗的需要。

 

    3 現(xiàn)場試驗

 

    為了驗證SVC系統(tǒng)的功能，該樣機在2 kV的電壓等級下進行了試驗。圖6是在切除了無功負荷造成系統(tǒng)電壓躍升時，SVC的補償作用對系統(tǒng)電壓影響的過程，可以看出SVC對這種擾動的響應時間約為25ms。

 

    圖6　切除無功負荷時在SVC補償作用下系統(tǒng)電壓變化

 

    為檢驗SVC對負荷補償時抵消負荷不平衡的能力，在現(xiàn)場試驗系統(tǒng)中接入單相有功負荷，造成系統(tǒng)線電壓產生大約3%的不平衡度，試驗顯示，SVC投入運行后，能夠快速補償負荷線電流的負序分量，使系統(tǒng)的三個線電流得以平衡從而減小了系統(tǒng)線電壓的不平衡度，試驗波形見圖7，投入前后的線電壓記錄于表1中。

 

    圖 7　不平衡負荷下SVC投入前后系統(tǒng)線電流波形

 

    表 1　不平衡負荷下SVC投入前、后系統(tǒng)線電壓的對比

 

    系統(tǒng)線電壓/V Uab Ubc Uca

 

    SVC投入前 1 610 1 560 1 570

 

    SVC投入后 1 500 1 510 1 500

 

    由以上試驗可以看出，SVC在對電壓控制和補償不平衡方面都取得了滿意的效果。穩(wěn)態(tài)下電壓控制精度較高，偏差小于1%，對負荷投切擾動的響應速度為20～40 ms，但是該參數會受到多方面因素的影響，比如系統(tǒng)短路容量，SVC特性斜率的變化等等。因此，要在不同的系統(tǒng)或負荷情況下對SVC系統(tǒng)進行反復試驗來對控制器的特性參數加以改進以達到最佳效果。另外，通過對樣機進行連續(xù)48h的工況試驗，可以驗證SVC樣機具有長期連續(xù)運行的能力。

 

    4　結論

 

    本文詳細討論了靜止無功補償器樣機的設計開發(fā)工作，對各個部分都分別加以了比較完整的說明，包括主電路、控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、保護系統(tǒng)，最后給出了現(xiàn)場試驗的結果。試驗和試運行結果表明，基于DSP的數字控制板和模擬觸發(fā)電路組成的控制器達到了預期的效果。同時，基于工控機和LabVIEW的監(jiān)測系統(tǒng)在縮短開發(fā)周期上有著明顯的優(yōu)勢，人機界面很好且易于升級。再加上水冷系統(tǒng)和微機保護系統(tǒng)，SVC樣機可以作為一個完整的電力設備，在電力系統(tǒng)中勝任無功功率補償的任務。

 

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