基于磁控电抗器的智能无功补偿装置研究

基于磁控电抗器的智能无功补偿装置研究

0动态无功补偿装置有效的能源补偿措施对于安全、经济、优质运行非常重要。通过合理的无功补偿,使系统功率因数维持在一个较高的水平,可以大大提高系统的供电质量。随着配电网改造及电缆出线的增加,系统电压、无功在负荷峰谷的波幅不断增大,传统投切电容器组的无功补偿方法存在过补偿或欠补偿的问题,且受投切次数的限制,很难满足无功平衡的要求。通过在传统无功补偿中增加磁控电抗器可有效解决这一难题。磁控电抗器(MCR)是一种新型的可控电抗器,有一段铁芯截面积较小,在容量调节范围内,只有这一段铁芯磁饱和,而其余铁芯均处于未饱和线性状态。因此,通过改变小截面铁芯的磁饱和程度就可改变电抗器的容量。将磁控电抗器与变电站原有固定电容器组投切相配合构成的无功补偿装置,能够实现无功容量的连续平滑调节]1[。与其他无功补偿装置相比,这种动态无功补偿装置具有控制简单、谐波小、成本低等优点。MCR原理图如图1。可以看出,MCR由一个四柱铁心和绕组组成,中间两个铁心柱为工作铁心,Nk为控制绕组,N为工作绕组。由于可控硅接于控制绕组上,电压很低,约为系统额定电压的1%左右,大大提高了运行可靠性。当工作绕组两端接上交流电压时,控制绕组就会感应出相应的电压,以Nk的匝数为N的1%计,可控硅T1和T2上的电压仅为工作电压的1%,在电压的正半周T1导通,负半周T2导通,通过控制T1和T2的导通角即可控制直流激磁,进而平滑地调节电抗器的容量。1两相瞬时电压矢量的合成瞬时无功功率概念最早由日本学者AkagiH.于1984年提出的,目的是为了解决无功功率的快速补偿问题。设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为Va、Vb、Vc和ia、ib、ic。为方便分析,把它们变换到α-β两相正交坐标系中,得到α、β两相瞬时电压vα、vβ和两相瞬时电流αi、iβ。式中在图2所示的α-β平面上,矢量vα、vβ和αi、iβ分别可以合成为(旋转)电压矢量v和电流矢量i:式中:V、I为矢量v、i的模;ϕe、ϕi分别为矢量v、i的幅角。三相电路瞬时有功电流pi和瞬时无功电流qi分别定义为矢量i在矢量v及其法线上的投影。即:式中,ϕ=ϕe-ϕi。三相电路瞬时无功功率q(瞬时有功功率p)定义为电压矢量v的模和三相电路瞬时无功电流iq(三相电路瞬时有功电流ip)的乘积。即在三相电压和电流均为正弦波时,p、q均为常数,其值和按传统理论算出的有功功率P和无功功率Q相同。2功分量和q轴分量的交变为了分解出电流的有功分量和无功分量,再将α-β坐标系变换到与电源电压同步旋转的d-q坐标系中,并将d轴与电源电压同相位,因此变换后的d轴分量即为有功分量,q轴分量则是无功分量。假设由α-β变换到d-q坐标的变换矩阵为C:由式(12)可见,电流的有功分量ip和无功分量iq均是瞬时交变的,除了基波分量外,还含有谐波分量。令n=1得基波电流为:直流分量经过反变换后得到基波电流ia1、ib1和ic1令ip=0得三相基波无功电流:该方法中,需用到与a相电网电压va同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt,它们由一个锁相环PLL和一个正、余弦信号发生电路得到,其原理图如图3所示。3无功补偿装置某矿用变电站,35/10kV电源引自电力系统220kV变电站的35kV母线。矿井变电站设置两台主变,型号为SFZ10-31500/3535±3×2.5%/10.5kV(Ud=8%Yn,d11);35kV采用双母线接线、10kV配电装置采用单母线分段接线。10kV母线的最大短路电流:21.46kA;10kV母线的最小短路电流:13.43kA。10kV母线计算负荷:有功功率35344.95kW;无功功率21406.05kvar;功率因数0.855。要求补偿后功率因数不低于0.98。主要治理谐波电流分量:5次、7次、11次谐波。该变电站无功补偿装置需要的容性无功容量为15000kvar,需要的动态无功容量为12000kvar。因此,固定电容器组的容量为15000kvar,而磁控电抗器的容量则为12000kvar。3.1器、mcr基于MCR的无功补偿装置由FC滤波器、MCR和控制保护系统三部分构成。FC滤波器用于提供系统所需的容性无功功率、滤除负载及系统本身所产生的少量谐波。MCR用于平衡系统中由于负载的波动所产生的感性无功功率,并稳定负载冲击所产生的电压波动。控制保护系统则负责对整个系统的无功功率控制提供指令并对整个系统提供相应的保护。3.2无功补偿装置等效电压udist组成电力系统负荷的适度波动,其结果是静止补偿器的端电压在线性可调节区域之内,即Δu≤ΔuH+ΔuL。此时MCR+FC实质上是一个端电压调节器,原理如图4:图4中系统电源电压为Us,等值电抗为Xs,电源电压由正常电压U0加干扰等效电压UDIST组成,为无功补偿装置联接母线的电压。FC+MCR可以输出容性或感性无功电流,容性电流在Xs上的电压增加端电压UT,感性电流在Xs上的电压降低端电压UT。测量装置测得的端电压UT,与给定的参考电压UREF相比较得出一个偏差信号ΔU,经放大和变换,控制极脉冲发生器发出的脉冲使无功补偿装置的输出抵消干扰,维持UT接近额定值UN。故障情况下,此时端电压偏差超出了其线性可调区间,即当电压低于可调节区间数值时,可控硅完全切断MCR,无功补偿装置成为一个电容器,其输出无功为FC容量,无功输出功率为Qc=BcU2,Bc为电容器的电纳;当电压高于可调节区间数值时,可控硅完全导通,无功补偿装置成为一个不控电抗器,吸收无功功率为可控硅全导通时的MCR电纳。3.3引入三元补偿电纳系统中的快速冲击性负荷不仅会造成电压的剧烈波动,而且在不平衡运行时,会增加电网的不平衡度,增大交流电动机的功率损耗,因此利用无功补偿装置进行负荷补偿需采用不平衡的控制方法,也即控制器计算出各相应当补偿电纳的大小,而后分别进行输出,如图5所示。即在系统中引入三相补偿电纳来补偿三相不平衡负荷一般采用对称分量法,利用三相线电流和电压来表示补偿电纳。设系统的线电压为:其中。选A相为基准时,线电流的对称分量为:其中,分别表示A相线电流的零序、正序和负序分量,对于三相三线制可以得出流过补偿器电流的零序、正序和负序分量为:要求补偿器能够完全补偿三相不平衡和无功,需要补偿负荷电流的正序和负序无功分量,即补偿电流的负序分量等于反向的负荷电流负序分量,补偿电流的正序分量等于反向的负荷电流正序无功分量,实现不平衡和无功补偿。3.4放电放电,提高mcr响应普通的饱和电抗器的响应速度都是秒级,即使是MCR,若不采用合理的励磁方法,那么响应速度也很难小于150ms,这将无法满足补偿无功冲击性负荷的需求。因此采取合理的励磁方法,就成为提高MCR响应速度的关键所在。将充有一定初始电压的电容器对MCR控制回路进行放电,可在MCR控制回路与放电电容器所构成的L、C串联振荡回路中迅速建立起控制电流,从而提高响应速度。响应时间可以从十几个工频周期改变为两个工频周期以内。图6给出了具有快速励磁功能的励磁电流与主回路电流的波形,从图中我们可以看出,快速励磁的速度达到了30ms,在两个工频周期之内。4实验结果分析本文提出了基于瞬时无功功率理论的MCR控制方法,研究了基于MCR的智能无功补偿装置的基本控制策略、系统不平衡控制策略以及MCR快速响应方法,实验结果证明了该方法的有效性。在变电站安装具有动态、连续调节能力的智