基于PSCAD的调容式消弧线圈设计

1、电力电子技术Power ElectronicsVol.42,No.3March ,2008第42卷第3期2008年3月 定稿日期:2007-11-30作者简介:王振浩(1964-,男,山东潍坊人,高级工程师,研究方向为电气设备运行监视与控制及供配电教学等。1引言以某变电所10kV 电压等级的电容电流补偿实际问题为背景,对输电线路电容电流的参数进行了估算,建立了集中参数的输电线路模型,同时对调容式自动跟踪消弧补偿系统进行了详细的建模分析。在PSCAD/EMTDC 中没有接地变压器模型的情况下,提出了单相变压器以Z 型连接方式构造接地变压器的模型,并详细分析了其有效性。仿真控制系统以信号注入法为依

2、据,设计了扫频电流源,分析了其测量电容电流的原理及有效性。在仿真程序中,以自定义模块的方式,设计了TSC 回路中过零触发、电容电流测量、自动识别投切等控制模块,使仿真程序实现了对自动跟踪消弧补偿系统的完全数字化模型,对其动态行为及补偿性能进行了详细仿真。实验结果表明,该测控仪能快速、可靠地对电容电流进行补偿。2调容式消弧补偿仿真系统设计调容式自动跟踪消弧补偿仿真系统包括用于引出10kV 系统中性点的接地变压器、调容式消弧线圈、扫频电流源和控制器,如图1所示。调容式消弧线圈采用TSC 技术,控制器通过对10kV 信息量的采集,完成电容电流的测量控制、电网运行状态识别和晶闸管的投切控制功能。2.1

3、接地变压器模型1-2国内的10kV 配电网大多采用中性点不接地的运行方式,10kV 侧的变压器一般为三角形接线方式,故系统没有中性点。为接入消弧线圈,必须引出系统中性点,接地变压器可以提供一个中性点。在此针对Z 形连接的变压器进行建模分析。根据接地变压器绕组连接特点和磁势关系,采用单相接地变压器的初、次级绕组Z 形连接来建立Z 形接地变压器的模型。如图1中Z 形变压器,每个单相变压器的初级绕组作为等效接地变压器一个铁心的上半绕组,次级绕组作为下半绕组,A ,B ,C 相基于PSCAD 的调容式消弧线圈设计王振浩,孙伟红,辛业春,李国庆(东北电力大学,吉林吉林132012摘要:为了实现配电网电容

4、电流的智能化补偿,现以电容电流的测量为切入点,在各种电容电流测量方法的基础上提出了一种新的测量方法,即扫频法;同时对调容式消弧线圈补偿接地电容电流的原理及其补偿特性进行了研究。利用PSCAD/EMTDC 仿真软件对调容式自动跟踪消弧补偿系统进行了建模和仿真。实验结果表明,扫频法能准确测量对地电容电流,且系统能对单相接地故障进行智能识别,并能快速、可靠地实现单相接地时电容电流的完全补偿。关键词:配电网;电容器;线圈/扫频法;电容电流中图分类号:TM46文献标识码:A文章编号:1000-100X (200803-0046-03Design of New Capacitor Automatic Tu

5、ning Arc-suppression Coil based on PSCADWANG Zhen-hao ,SUN Wei-hong ,XIN Ye-chun ,LI Guo-qing(Notheast Dianli University ,JinLin 132012,China Abstract :To achieve capacitive current compensation of distribution network automaticlly ,deep analysis and studies based on various methods of capacitive cu

6、rrent calculation were carried on ,and a new method of scanning frequency was put out.The principle of arc suppression coil (ASC which inductance value was changed by switching parallel connected capaci-tors and its compensating characteristic were specified.Auto-turning ASC model was builded and si

7、mulative system was carried on in PSCAD/EMTDC.The experimental results show that the method of scanning frequce can measure the capaci-tive current accurately.The system can identify occurrence of single phase to ground fault in network and compensate ca-pacitive currenteffectively.Keywords :distrib

8、ution network ;capacitor ;coil /the method of scanning frequency ;capactive current 46I L /A表1补偿档位与容量101.751212001.5167kW/131kvar表210kV 系统参数绕组相互按照Z 形变压器的连接方式进行连接,并将每个单相变压器绕组的变比设为1,且电压等级为电网的相电压。2.2消弧线圈的设计调容式消弧线圈的电感量是通过改变并联于其两端的电容来改变其等效电感量的,即:L eq =n 2n 2-2LC xL (1式中:n 为消弧线圈初、次级绕组的变比;C x 为投入运行时的电容器容量;

9、L 为消弧线圈的电感。由式(1可知,改变C x 即可改变L eq 。C x 的组合有好多种,这里采用多个容量相差不大的电容器进行组合,如190kvar 的电容器柜可按8组配置,容量为25kvar 7+15kvar 1,电容器容量差只有10kVA ,投切容量中,最小级差容量是10kvar ,最大级差容量为15kvar 。其补偿档位和容量见表1。2.3基于扫频法的电容电流的测量从PT 次级注入恒幅变频电流信号i m c ,该电流在消弧线圈的初级感应出一电流i 0。i 0流经对地电阻R A ,R B ,R C 及对地电容C A ,C B ,C C ,通过大地构成回路。若注入电流信号i m c 的频率

10、f 变化到某一值f m 时将发生并联谐振,即f m =m /(2=(2L 3C !-1。可得单相金属接地时的电容电流为:i C =U s 3C=U f s2f m 2L(2式中:L 为消弧线圈的电感;C 为电网的对地电容;f s 为电网的系统频率,f s =50Hz 。脱谐度为:v=1-i L i C =1-U /(j s L -U j s 3C =1-f m 2/(22s 2=1-f m 2f s为得到频率可变,幅值恒定的电流源,仿真采用了如图1中扫频信号源部分所示的变频电源,其中直流侧电压为300V ;由于经PT 折算到逆变器侧的初级系统阻抗值非常小,故在逆变器出口串接阻值为300的限流电

11、阻,控制两组IGBT ,即VI 1,VI 4和VI 2,VI 3的导通和关断时间,即可得到幅值为1A 的变频电流。2.4控制器部分模型在设计控制部分模型时,利用PSCAD/EMTDC 的Component Workshop 定义Definition Component ,通过Fortran 语言编程来对IGBT ,SCR 模型的脉冲信号进行控制。在控制部分主要设置了电容电流测量单元模块、控制器模块和晶闸管电压过零触发模块,图2示出其控制部分模型。图3示出其控制系统流程。310kV 系统线路参数的估算及建模在建模时,设定两条线路,其总对地电容电流分别为15A 和10A ,这样就可知道每条线路的长

12、度,再经过计算得到电阻、电抗、电容等参数之后,就可以得到用集中电容和电阻来代替电缆电路。具体值如表2所示。4试验4.1电容器调节柜TSC 投切试验针对所设计的TSC 回路,在实验室做了全压试验,试验的接线如图4所示,晶闸管的控制信号由控制器给出,试验波形由DL750示波器记录。经过12小时的反复试验,晶闸管导通、关断良好,几乎没有冲击,其温度为4050(在室温为25下,试验波形如图5所示。(1晶闸管开通过程当控制器向晶闸管模块基于PSCAD 的调容式消弧线圈设计47电力电子技术Power ElectronicsVol.42,No.3March ,2008第42卷第3期2008年3月输出+12V

13、 控制电平时,在晶闸管两端电压u scr 过零时导通,此时电容电压u C 从零开始充电,由图5a 可见,u C 从零开始增长。(2晶闸管导通过程晶闸管一旦导通, 门极失去控制作用,如果使已导通的晶闸管关断,只能使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下,所以对于反并联的两只晶闸管而言,一个周波内有两次轮换导通,轮换点在u C 最大值即电网电压峰值的时刻(电容器电流由正到负或由负到正。且晶闸管一旦导通,其压降很小。由图5b 可见,只有1V 的压降,导通情况较为理想。(3晶闸管关断过程在控制信号u p 撤消后,晶闸管并不能立即截至,直到电容两端电压为峰值,即电流为零时关断,如图5c 所示。电容

14、上电压逐渐降低,此时晶闸管两端电压为电源电压与电容器两端电压之和。通过以上试验可知,所设计的驱动和元件选择正确无误,可满足TSC 的基本要求。4.2控制器电容电流测量实验为了验证扫频法测量电容电流的准确性,在实验室搭建了如图6的电路。用33.3mH 的电感来代替消弧线圈,用258.6F 的电容作为对地电容,用180V/220V 单相隔离变压器作为消弧线圈PT ,按照图6方式连接成试验电路。图中的限流电阻R 1=200,采样电阻R 1=1。由于试验条件所限,输入变频信号的电压幅值为30V 。根据扫频原理,多次测量,其试验波形由DL750示波器记录,如图7所示,而测得电容值与实际电容值的比较结果见

15、表3。图7a 是整个扫频过程,图7b 是扫频刚开始时,u R 超前u L ,图7c 是在谐振点附近,此时u R 和u L 的相位相差基本重合,图7d 是过了谐振点,此时u L 的相位超前u R 的相位,u L 的电压也存在畸变。意即在整个扫频过程开始时电路容性,电流的相位超前电压的相位;达到谐振点附近时,电流和电压同相;过了谐振点后,电路呈感性,电压超前电流。图中的u L 波形为反相。由表3可知,最大相对误差为2.01%,最小误差为0.12%,平均误差为1.01%。实验结果表明:扫频法测量电容电流精确度高,误差小。5结论研究了调容式消弧线圈原理及其自动跟踪补偿方法,在PSCAD/EMTDC 的

16、基础上,搭建了调容式自动跟踪消弧补偿数字化系统。同时按照仿真模型设计了电容调节柜,在实验室做了全电压试验,试验结果验证了设计的正确性。在实验室用电容来代替电路的集中电容,能够准确地测量电容电流,使消弧线圈准确自动跟踪补偿的前提条件得到了保证。现该方法正应用于某66kV/10kV 变电所所辖的配电网电容电流过大问题上。参考文献1要焕年,曹梅月,等.电力系统谐振接地M.北京:中国电力出版社,2000.2李玲,李国庆,王振浩.小电流接地系统Z 变压器的设计J.吉林电力,2006,34(3:24-27.3曾祥君,尹相根,于永源,等.基于注入变频信号法的消弧线圈自动调谐新技术J.电力系统自动化,2000,24(5:38-41.4连鸿波,裴扇鹏,曲轶龙,等.谐振接地电网的电容电流自动跟踪测量J.郑州大学学报(工学版,2005,26(2:51-54.