一種用于電氣化鐵道無功補(bǔ)償?shù)目煽仉娍蛊?/h1>
2011-07-25 07:05:52陳喬夫李江紅
電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2011年8期
張 宇 陳喬夫 李江紅 王 堅(jiān) 譚 娟
(1. 株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司技術(shù)中心 株洲 412001 2. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074)
1 引言
由于電氣化鐵道供電方式特殊，負(fù)荷運(yùn)行條件復(fù)雜，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償一直是鐵道供電亟需解決的重要問題[1]。傳統(tǒng)交-直流機(jī)車運(yùn)行功率因數(shù)低；而國(guó)內(nèi)近期發(fā)展較快的以交-直-交方式供電的高速與重載列車雖然能保證額定工況運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)較高，但其在過分相、再生制動(dòng)、故障等狀況下，均會(huì)造成負(fù)荷電流大小及相位角的劇烈波動(dòng)。鐵道無功負(fù)荷變化范圍大，沖擊性與隨機(jī)性強(qiáng)，這些都給無功補(bǔ)償裝置提出了響應(yīng)速度快、補(bǔ)償性能好等要求。
目前電氣化鐵道的無功解決方案主要有固定電容器（Fixed Capacitor，F(xiàn)C）補(bǔ)償、晶閘管投切電容（Thyristor Switched Capacitor，TSC）補(bǔ)償，可控電抗器（Controllable Reactor，CR）+ FC補(bǔ)償，靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）補(bǔ)償?shù)?種方案[2-7]。FC方案不適合多變的負(fù)荷條件，TSC方案只能分級(jí)調(diào)節(jié)，STATCOM方案理論上調(diào)節(jié)性能最好，但由于其采用了大量的自關(guān)斷開關(guān)器件，造價(jià)過于昂貴，且維護(hù)比較困難。CR+FC方案則是通過快速改變電抗值來控制無功補(bǔ)償電流，調(diào)節(jié)平滑，響應(yīng)速度快，成本適中，是一種比較理想的補(bǔ)償方案，而可控電抗器技術(shù)則是這種補(bǔ)償方案的關(guān)鍵。
目前已應(yīng)用于電氣化鐵道無功補(bǔ)償?shù)目煽仉娍蛊髦饕芯чl管可控電抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）與磁飽和可控電抗器[8-9]，兩者各具優(yōu)缺點(diǎn)，但其共同存在的問題是都會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波電流，給諧波治理帶來困難。本文提出了一種新的可控電抗器，其具有多個(gè)二次繞組和高短路阻抗等設(shè)計(jì)特點(diǎn)[10-11]。電抗器二次繞組分為短路繞組和控制繞組2種：前者可通過雙向晶閘管形成分級(jí)串聯(lián)短接，投切晶閘管可令一次繞組對(duì)外呈現(xiàn)級(jí)差變化的短路電抗，從而形成無功功率的“粗調(diào)”；后者則連接電壓源型逆變器，采用PWM電流控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電抗在小范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)，形成無功功率的“細(xì)調(diào)”。“粗調(diào)”跨度范圍大，“細(xì)調(diào)”調(diào)節(jié)精度高，兩者組合，可以獲取大范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)的感性無功功率。并且，兩種調(diào)節(jié)方式均具有響應(yīng)速度快、不產(chǎn)生低次諧波的特點(diǎn)，十分符合電氣化鐵路無功補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/p>
2 原理分析
2.1 可控電抗器結(jié)構(gòu)
可控電抗器工作原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 可控電抗器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The principle circuit of the controllable reactor
裝置主體可看作一個(gè)多繞組式的變壓器。電抗器具有三種繞組：主繞組MW、短路繞組SW及控制繞組CW。主繞組MW與固定電容器支路FC并聯(lián)于牽引母線與地之間；短路繞組SW1～SWN依次首尾串聯(lián)，且它們的每個(gè)出線端依次通過雙向晶閘管開關(guān)VT1～VTN與SW1的入線端連接；控制繞組CW 與直流側(cè)配置儲(chǔ)能電容、開關(guān)器件為自關(guān)斷元件（如IGBT）的電壓型逆變器連接。
2.2 電抗調(diào)節(jié)的原理
在圖1中，閉合 VT1～VTN中的任意一個(gè)，使得繞組SW1～SWN依次形成串聯(lián)短路，變壓器一次將對(duì)外呈現(xiàn)不同的短路電抗值，當(dāng)一次電壓一定時(shí)，電抗器將對(duì)外表現(xiàn)出N個(gè)無功檔程Q1～QN。
在某個(gè)無功檔程下，電抗器可以看成一個(gè)3繞組變壓器。根據(jù)變壓器的基本工作原理，忽略其勵(lì)磁電流及有功損耗，用圖2中的3射線等效回路表示[12]。
圖2 可控電抗器工作等效電路Fig.2 Equivalent circuit of CR
式中L11，L22，L33—三個(gè)繞組的自感；
M12，M23，M13—三個(gè)繞組兩兩間的互感；
x1-2，x1-3，x2-3—三個(gè)繞組兩兩之間的短路電抗。
改變電抗控制系數(shù)α或β，即可獲得平滑調(diào)節(jié)的電抗。采用直流側(cè)連接儲(chǔ)能電容的 PWM電壓型逆變器可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制繞組電流的控制。
顯然，在圖2中，若設(shè)計(jì)中令x123?x312，則控制繞組電流與短路繞組電流基本解耦，兩者不會(huì)互相影響。此時(shí)，令逆變器可輸出的額定無功功率為Qc，不計(jì)主繞組與控制繞組間漏電抗上的無功損耗，在某個(gè)無功檔程Qn(n=1，…，N)下，通過逆變器的控制調(diào)節(jié)，可控電抗器裝置的無功調(diào)節(jié)范圍為[Qn-Qc，Qn+Qc]。
等距設(shè)置各無功檔程，使得
那么，通過晶閘管分檔調(diào)節(jié)與電流控制的結(jié)合，裝置總體的無功平滑調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到[Q1-Qc，QN+Qc]。而此時(shí)，逆變器的容量只占裝置無功調(diào)節(jié)總量的 1/(2N)，這將極大地限制裝置的制造和維護(hù)成本，使其具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
2.3 分級(jí)調(diào)節(jié)過程分析
當(dāng)電抗值調(diào)節(jié)范圍較大時(shí)，需通過對(duì)晶閘管開關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)無功分檔調(diào)節(jié)。這時(shí)，選擇在晶閘管電流過零點(diǎn)進(jìn)行切換以保證調(diào)節(jié)過渡穩(wěn)定。
舉例說明：某次調(diào)節(jié)需要從無功檔程2切換到檔程 1，在該過程中，應(yīng)斷開晶閘管 VT2，閉合晶閘管 VT1，且逆變器輸出電流也作相應(yīng)調(diào)節(jié)。圖 3顯示了該過程的仿真波形。
圖3 電抗器調(diào)節(jié)過程的仿真波形Fig.3 Regulating simulation of CR
假設(shè)接到命令的時(shí)刻在t1～t2之間（t1與t2為相鄰的兩個(gè)電流過零時(shí)刻），立即停止 VT2的觸發(fā)脈沖，由于晶閘管不能自行關(guān)斷，它必須要在t2時(shí)刻才能截止，如圖3c所示；在t2時(shí)刻，給VT1加觸發(fā)脈沖，由于此時(shí)電流正好過零，因而該支路的電流iVT1立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，如圖 3d所示，與此同時(shí)，改變逆變器的電流控制的指令，由于其瞬時(shí)跟蹤特性，因此ic的調(diào)節(jié)也可立即達(dá)到穩(wěn)定，如圖3e所示。
圖 3b顯示了調(diào)節(jié)過程中可控電抗器輸出電流變化。該調(diào)節(jié)過程響應(yīng)至穩(wěn)定的時(shí)間一般不會(huì)超過半個(gè)工頻周期。
3 電抗器本體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3.1 電抗器繞組分布特點(diǎn)
可控電抗器的工作容量主要由短路繞組承擔(dān)。這樣，一方面要求每個(gè)無功檔程中，主繞組與短路繞組之間的短路阻抗率都要在 100%以上；另一方面，各個(gè)檔程短路阻抗之間也需要具有較大的級(jí)差。因此，主繞組與短路繞組間、各短路繞組之間都應(yīng)該是較弱耦合的。
另外，可控電抗器工作時(shí)要求式（1）中x123?x312，根據(jù)對(duì)式（1）的分析，可發(fā)現(xiàn)主繞組與控制繞組之間的耦合度應(yīng)要求遠(yuǎn)大于其與短路繞組之間的耦合度；同時(shí)，為了使得主繞組與控制繞組漏抗上不致于損耗太多的無功功率，也要求主繞組與控制繞組具有較強(qiáng)的耦合。
綜上所述，對(duì)于該電抗器而言，其繞組分布應(yīng)具備短路繞組之間，主繞組與短路繞組，主繞組與控制繞組的耦合強(qiáng)度依次從弱到強(qiáng)的特點(diǎn)。
3.2 短路繞組匝數(shù)的設(shè)置
裝置工作于無功檔程Qn(n=1，…，N)時(shí)，短路繞組SW1～SWN工作于串聯(lián)短路狀況，令其電流為Ish(n)。為了降低制造成本、提高導(dǎo)線利用率，應(yīng)使得
令電抗器一次電壓值為U1，可得各無功檔程中主繞組與短路繞組間的短路電抗值
令主繞組匝數(shù)為WM，短路繞組 SW1～SWN匝數(shù)和為Wn。忽略勵(lì)磁電流及控制繞組電流的影響，那么
根據(jù)式（5）和式（7），可得
由于短路繞組SWn的匝數(shù)可表示為
顯然，當(dāng)短路繞組 SW1匝數(shù)WSW1確定后，即可以根據(jù)式（8）和式（9）遞推確定其他各個(gè)短路繞組的匝數(shù)。
4 試驗(yàn)及結(jié)果分析
4.1 樣機(jī)及試驗(yàn)情況簡(jiǎn)介
研制了一個(gè)額定電壓為 6kV的單相電抗器樣機(jī)，要求無功功率調(diào)節(jié)范圍為130～630kVA，設(shè)計(jì)為 5級(jí)分檔調(diào)節(jié)，各檔間級(jí)差為 100kVA。由此計(jì)算出各個(gè)無功檔程，并根據(jù)式（6）計(jì)算出電抗器的各檔短路電抗理論值，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)制作電抗器本體樣機(jī)。樣機(jī)工作檔程各參數(shù)分布見表 1。表中x1-3與x312的定義參見式（1）。
表1 可控電抗器工作檔程的設(shè)定Tab.1 Step configuration of CR
根據(jù)實(shí)際電抗器參數(shù)設(shè)定樣機(jī)的分檔調(diào)節(jié)范圍見表2。為滿足調(diào)節(jié)需要，PWM逆變器的額定輸出無功容量為60kvar。值得注意的是，由于每檔短路電抗實(shí)際值與設(shè)計(jì)值總會(huì)存在誤差，導(dǎo)致了各個(gè)無功檔程間的檔距不會(huì)完全相同，各檔調(diào)節(jié)切換點(diǎn)可設(shè)置在各實(shí)際無功檔程之間的中點(diǎn)處，同時(shí)，在設(shè)計(jì) PWM逆變器的時(shí)候，應(yīng)該給予一定的輸出容量冗余。
表2 分檔調(diào)節(jié)范圍的設(shè)定Tab.1 Regulation range of steps
進(jìn)行了試驗(yàn)電壓為2000V以下的相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)電路如圖4所示。試驗(yàn)電源由380V的市電、感應(yīng)式調(diào)壓器以及 380V/2000V的單相升壓變壓器組成。電抗器的控制繞組CW接電壓源型逆變器，控制繞組 SW1～SW5則通過雙向晶閘管 VT1～VT5形成分檔串聯(lián)短路。電抗器一次并聯(lián)容值可更換的固定電容器C以降低試驗(yàn)電源的負(fù)擔(dān)。
圖4 可控電抗器樣機(jī)的試驗(yàn)電路Fig.4 Experimental circuit of CR protype
圖4中，u1為電抗器樣機(jī)主繞組所加試驗(yàn)電壓，可以根據(jù)試驗(yàn)需要由交流調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，其有效值最高為 2000V左右。i1為電抗器輸出電流，ic為控制繞組電流。
采用 Semikron公司的 IGBT器件 SKM400 GB124D構(gòu)造電壓型逆變器，其規(guī)格為 1200V、400 A，開關(guān)頻率設(shè)定為10 kHz。以TI公司DSP芯片TMS320LF2407作為控制系統(tǒng)核心進(jìn)行全數(shù)字方式的電流控制。采用Tektronix數(shù)字示波器TDS2002記錄相關(guān)的試驗(yàn)波形。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
在裝置運(yùn)行過程中，根據(jù)實(shí)際需要計(jì)算出裝置應(yīng)輸出的無功功率，得到電抗器應(yīng)輸出電抗值，再根據(jù)表 2查取其對(duì)應(yīng)的無功檔程及阻抗參數(shù)x1-3、x312，結(jié)合式（2）或式（3）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電抗控制系數(shù)α或β，就能通過晶閘管的投切與逆變器的控制聯(lián)合操作，實(shí)現(xiàn)電抗器輸出無功功率或電抗的定點(diǎn)調(diào)節(jié)。
表3 給定電抗=83.0Ω時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Reactance controlling when =83.0Ω
表3 給定電抗=83.0Ω時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Reactance controlling when =83.0Ω
注：電抗器控制誤差 ε = ( x L - ) /×100%。
U1/V I1/A 實(shí)測(cè)電抗xL/Ω 電抗控制誤差ε（100%）610 7.2 84.72 2.07 933 11.2 83.30 0.37 1250 14.9 83.89 1.08 1640 19.5 84.10 1.33 1970 23.6 83.47 0.57 2200 26.4 83.33 0.40
根據(jù)設(shè)定，本裝置可以實(shí)現(xiàn)從297.6～58.33Ω任意一個(gè)電抗值的輸出。分別給定電抗值=58.38Ω、68.5Ω、105.0Ω、116.0Ω、150.0Ω、185.0Ω、290.0Ω，進(jìn)行各種電壓條件下的試驗(yàn)，并繪出它們的伏安特性曲線如圖5所示?？梢钥闯?，該電抗器在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均具有很好的伏安特性。
圖5 可控電抗器的伏安特性曲線Fig.5 Volt-ampere characteristic curve of CR
在圖6a和圖6b分別記錄了兩種工況下的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)波形。試驗(yàn)工況分別為：
工況1：給定電抗值150.0Ω，試驗(yàn)電壓2180V，電抗器輸出電流14.3A，控制繞組電流43.5A。
工況2：給定電抗值116.00 Ω，試驗(yàn)電壓2100V，電抗器輸出電流17.8A，控制繞組電流18.6A。
圖7a和圖7b分別記錄了兩種工況下的暫態(tài)試驗(yàn)波形。試驗(yàn)工況分別為：
工況3：給定電抗值從工作檔程2的112 Ω變?yōu)楣ぷ鳈n程 1的 182 Ω，此時(shí)，工作繞組電壓U1由2150V變成2210V，電流I1由18.9A變成11.9A。
工況4：為工況3的逆過程。
圖6中波形顯示，電抗器在進(jìn)行分級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)響應(yīng)與穩(wěn)定時(shí)間都相當(dāng)短。具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。
圖6 可控電抗器穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)波形Fig.6 Steady-state waveforms of CR
圖7 可控電抗器暫態(tài)試驗(yàn)波形Fig.7 Transient waveforms of CR
5 結(jié)論
本文提出一種新型的可控電抗器技術(shù)并建立了試驗(yàn)樣機(jī)。文中詳細(xì)論述了其工作原理，給出了其設(shè)計(jì)方法，且通過一系列的仿真與試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。該技術(shù)完美地結(jié)合了變壓器技術(shù)與電力電子控制技術(shù)，采用了晶閘管投切與 PWM逆變器控制“混合調(diào)節(jié)“的理念，一方面令裝置結(jié)構(gòu)緊湊，成本經(jīng)濟(jì)，另一方面則獲取了相當(dāng)優(yōu)異的工作性能。該可控電抗器技術(shù)可以充分滿足現(xiàn)代電氣化鐵道中動(dòng)態(tài)性能好、調(diào)節(jié)范圍寬、控制精度高、輸出諧波少的無功補(bǔ)償需要。
[1] 張秀峰, 連級(jí)三. 利用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)[J]. 變流技術(shù)與電力牽引, 2007(3):49-54.
Zhang Xiufeng, Lian Jisan. New traction power supply system constructed by power electronic technology[J]. Converter Technology & Electric Traction, 2007(3): 49-54.
[2] 劉弢, 郭知彼, 蔣家久. 牽引變電所靜止無功補(bǔ)償方案綜述[J]. 機(jī)車電傳動(dòng), 2005(6): 12-14.
Liu Tao, Guo Zhibi, Jiang Jiajiu. Survey on scheme of static var compensation of traction substation[J].Electric Drive for Locomotives, 2005(6): 12-14.
[3] 鄭宏, 李衛(wèi)玲, 魏榮宗. 電氣化鐵道無功治理的可控電抗器應(yīng)用研究[J]. 電力電子技術(shù), 2004, 38(6):39-41.
Zheng Hong, Li Weiling, Wei Rongzong. Application study of adjustable reactor for reactive power compensation of electrified railways[J]. Power Electronics, 2004, 38(6): 39-41.
[4] Su Hongsheng, Li Qunzhan. Rough controlling TSC for reactive current compensation in traction substations[C]. Proceedings of CES/IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2006: 1-5.
[5] Blazic B, Papic I. Improved D-STATCOM control for operation with unbalanced currents and voltages[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(1):225-233.
[6] 趙偉, 羅安, 唐杰, 等. 靜止無功發(fā)生器與晶閘管投切電容器協(xié)同運(yùn)行混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(19): 92-98.
Zhao Wei, Luo An, Tang Jie, et al. Hybrid var compensator based on the coordinated operation of STATCOM and TSC[J]. Proceedings of the CSEE,2009, 29(19): 92-98.
[7] 王寧之. 電氣化鐵路動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償(SVC)方案探討及可控電抗器的應(yīng)用[J]. 電力電容器與無功補(bǔ)償,2009, 30(4): 5-7.
Wang Ningzhi. Investigation of dynamic static var compensation (SVC) program for electrified railway and application of controllable reactor[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation, 2009,30(4): 5-7.
[8] 金立軍, 廖黎明, 安世超, 等. 牽引供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償與諧波抑制[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009, 37(5): 664-668.
Jin Lijun, Liao Liming, An Shichao, et al. Reactive power compensation and harmonics restraint in traction power systems[J]. Journal of Tongji Universty (Natural Science), 2009, 37(5): 664-668.
[9] 吳利仁, 郭欲平, 易運(yùn)軍, 等. 磁閥式可控電抗器在電氣化鐵道中的應(yīng)用[J]. 變壓器, 2006, 43(3):13-16.
Wu Liren, Guo Yuping, Yi Yunjun, et al. Application of magnetic valve type controlled reactor to electric railroad[J]. Transformer, 2006, 43(3): 13-16.
[10] 張宇. 新型變壓器式可控電抗器技術(shù)研究[D]. 武漢:華中科技大學(xué), 2009.
[11] 張宇, 陳喬夫, 田軍, 等. 基于變壓器端口調(diào)節(jié)的可控電抗器[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(18):113-118.
Zhang Yu, Chen Qiaofu, Tian Jun, et al. Controllable reactor based on transformer winding current regulating[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(18):113-118.
[12] 瓦修京斯基. 變壓器的理論與計(jì)算[M]. 崔立君, 譯.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1983.
猜你喜歡
上海電控所: 三心同繪創(chuàng)新景 電控電抗競(jìng)爭(zhēng)輝經(jīng)營(yíng)者(2024年1期)2024-03-19 02:02:34 一種晶閘管狀態(tài)和極性的檢測(cè)方法及其應(yīng)用現(xiàn)代信息科技(2022年20期)2022-11-17 07:50:20 突然短路試驗(yàn)測(cè)定水輪發(fā)電機(jī)的飽和電抗值大電機(jī)技術(shù)(2022年3期)2022-08-06 07:48:32 電容器組串聯(lián)電抗器燒毀的原因分析與處理方法探討電力設(shè)備管理(2022年3期)2022-03-18 01:18:00 飽和直軸同步電抗求取方法分析防爆電機(jī)(2021年1期)2021-03-29 03:02:26 改進(jìn)式晶閘管電容無功補(bǔ)償方法的研究東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(2015年1期)2015-11-13 05:21:26 具有低諧波的新型三相磁閥式可控電抗器電力建設(shè)(2015年2期)2015-07-12 14:16:07 基于DSP的磁閥式可控電抗器控制系統(tǒng)采樣電路的設(shè)計(jì)電測(cè)與儀表(2015年5期)2015-04-09 11:31:06 英飛凌推出新款大功率光觸發(fā)晶閘管 首次集成保護(hù)功能電子設(shè)計(jì)工程(2015年12期)2015-02-27 12:06:22 超高壓同桿雙回線中性點(diǎn)小電抗的精確計(jì)算方法電力建設(shè)(2014年8期)2014-04-16 05:59:09
張 宇 陳喬夫 李江紅 王 堅(jiān) 譚 娟
(1. 株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司技術(shù)中心 株洲 412001 2. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074)
1 引言
由于電氣化鐵道供電方式特殊，負(fù)荷運(yùn)行條件復(fù)雜，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償一直是鐵道供電亟需解決的重要問題[1]。傳統(tǒng)交-直流機(jī)車運(yùn)行功率因數(shù)低；而國(guó)內(nèi)近期發(fā)展較快的以交-直-交方式供電的高速與重載列車雖然能保證額定工況運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)較高，但其在過分相、再生制動(dòng)、故障等狀況下，均會(huì)造成負(fù)荷電流大小及相位角的劇烈波動(dòng)。鐵道無功負(fù)荷變化范圍大，沖擊性與隨機(jī)性強(qiáng)，這些都給無功補(bǔ)償裝置提出了響應(yīng)速度快、補(bǔ)償性能好等要求。
目前電氣化鐵道的無功解決方案主要有固定電容器（Fixed Capacitor，F(xiàn)C）補(bǔ)償、晶閘管投切電容（Thyristor Switched Capacitor，TSC）補(bǔ)償，可控電抗器（Controllable Reactor，CR）+ FC補(bǔ)償，靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）補(bǔ)償?shù)?種方案[2-7]。FC方案不適合多變的負(fù)荷條件，TSC方案只能分級(jí)調(diào)節(jié)，STATCOM方案理論上調(diào)節(jié)性能最好，但由于其采用了大量的自關(guān)斷開關(guān)器件，造價(jià)過于昂貴，且維護(hù)比較困難。CR+FC方案則是通過快速改變電抗值來控制無功補(bǔ)償電流，調(diào)節(jié)平滑，響應(yīng)速度快，成本適中，是一種比較理想的補(bǔ)償方案，而可控電抗器技術(shù)則是這種補(bǔ)償方案的關(guān)鍵。
目前已應(yīng)用于電氣化鐵道無功補(bǔ)償?shù)目煽仉娍蛊髦饕芯чl管可控電抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）與磁飽和可控電抗器[8-9]，兩者各具優(yōu)缺點(diǎn)，但其共同存在的問題是都會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波電流，給諧波治理帶來困難。本文提出了一種新的可控電抗器，其具有多個(gè)二次繞組和高短路阻抗等設(shè)計(jì)特點(diǎn)[10-11]。電抗器二次繞組分為短路繞組和控制繞組2種：前者可通過雙向晶閘管形成分級(jí)串聯(lián)短接，投切晶閘管可令一次繞組對(duì)外呈現(xiàn)級(jí)差變化的短路電抗，從而形成無功功率的“粗調(diào)”；后者則連接電壓源型逆變器，采用PWM電流控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電抗在小范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)，形成無功功率的“細(xì)調(diào)”。“粗調(diào)”跨度范圍大，“細(xì)調(diào)”調(diào)節(jié)精度高，兩者組合，可以獲取大范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)的感性無功功率。并且，兩種調(diào)節(jié)方式均具有響應(yīng)速度快、不產(chǎn)生低次諧波的特點(diǎn)，十分符合電氣化鐵路無功補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/p>
2 原理分析
2.1 可控電抗器結(jié)構(gòu)
可控電抗器工作原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 可控電抗器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The principle circuit of the controllable reactor
裝置主體可看作一個(gè)多繞組式的變壓器。電抗器具有三種繞組：主繞組MW、短路繞組SW及控制繞組CW。主繞組MW與固定電容器支路FC并聯(lián)于牽引母線與地之間；短路繞組SW1～SWN依次首尾串聯(lián)，且它們的每個(gè)出線端依次通過雙向晶閘管開關(guān)VT1～VTN與SW1的入線端連接；控制繞組CW 與直流側(cè)配置儲(chǔ)能電容、開關(guān)器件為自關(guān)斷元件（如IGBT）的電壓型逆變器連接。
2.2 電抗調(diào)節(jié)的原理
在圖1中，閉合 VT1～VTN中的任意一個(gè)，使得繞組SW1～SWN依次形成串聯(lián)短路，變壓器一次將對(duì)外呈現(xiàn)不同的短路電抗值，當(dāng)一次電壓一定時(shí)，電抗器將對(duì)外表現(xiàn)出N個(gè)無功檔程Q1～QN。
在某個(gè)無功檔程下，電抗器可以看成一個(gè)3繞組變壓器。根據(jù)變壓器的基本工作原理，忽略其勵(lì)磁電流及有功損耗，用圖2中的3射線等效回路表示[12]。
圖2 可控電抗器工作等效電路Fig.2 Equivalent circuit of CR
式中L11，L22，L33—三個(gè)繞組的自感；
M12，M23，M13—三個(gè)繞組兩兩間的互感；
x1-2，x1-3，x2-3—三個(gè)繞組兩兩之間的短路電抗。
改變電抗控制系數(shù)α或β，即可獲得平滑調(diào)節(jié)的電抗。采用直流側(cè)連接儲(chǔ)能電容的 PWM電壓型逆變器可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制繞組電流的控制。
顯然，在圖2中，若設(shè)計(jì)中令x123?x312，則控制繞組電流與短路繞組電流基本解耦，兩者不會(huì)互相影響。此時(shí)，令逆變器可輸出的額定無功功率為Qc，不計(jì)主繞組與控制繞組間漏電抗上的無功損耗，在某個(gè)無功檔程Qn(n=1，…，N)下，通過逆變器的控制調(diào)節(jié)，可控電抗器裝置的無功調(diào)節(jié)范圍為[Qn-Qc，Qn+Qc]。
等距設(shè)置各無功檔程，使得
那么，通過晶閘管分檔調(diào)節(jié)與電流控制的結(jié)合，裝置總體的無功平滑調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到[Q1-Qc，QN+Qc]。而此時(shí)，逆變器的容量只占裝置無功調(diào)節(jié)總量的 1/(2N)，這將極大地限制裝置的制造和維護(hù)成本，使其具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
2.3 分級(jí)調(diào)節(jié)過程分析
當(dāng)電抗值調(diào)節(jié)范圍較大時(shí)，需通過對(duì)晶閘管開關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)無功分檔調(diào)節(jié)。這時(shí)，選擇在晶閘管電流過零點(diǎn)進(jìn)行切換以保證調(diào)節(jié)過渡穩(wěn)定。
舉例說明：某次調(diào)節(jié)需要從無功檔程2切換到檔程 1，在該過程中，應(yīng)斷開晶閘管 VT2，閉合晶閘管 VT1，且逆變器輸出電流也作相應(yīng)調(diào)節(jié)。圖 3顯示了該過程的仿真波形。
圖3 電抗器調(diào)節(jié)過程的仿真波形Fig.3 Regulating simulation of CR
假設(shè)接到命令的時(shí)刻在t1～t2之間（t1與t2為相鄰的兩個(gè)電流過零時(shí)刻），立即停止 VT2的觸發(fā)脈沖，由于晶閘管不能自行關(guān)斷，它必須要在t2時(shí)刻才能截止，如圖3c所示；在t2時(shí)刻，給VT1加觸發(fā)脈沖，由于此時(shí)電流正好過零，因而該支路的電流iVT1立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，如圖 3d所示，與此同時(shí)，改變逆變器的電流控制的指令，由于其瞬時(shí)跟蹤特性，因此ic的調(diào)節(jié)也可立即達(dá)到穩(wěn)定，如圖3e所示。
圖 3b顯示了調(diào)節(jié)過程中可控電抗器輸出電流變化。該調(diào)節(jié)過程響應(yīng)至穩(wěn)定的時(shí)間一般不會(huì)超過半個(gè)工頻周期。
3 電抗器本體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3.1 電抗器繞組分布特點(diǎn)
可控電抗器的工作容量主要由短路繞組承擔(dān)。這樣，一方面要求每個(gè)無功檔程中，主繞組與短路繞組之間的短路阻抗率都要在 100%以上；另一方面，各個(gè)檔程短路阻抗之間也需要具有較大的級(jí)差。因此，主繞組與短路繞組間、各短路繞組之間都應(yīng)該是較弱耦合的。
另外，可控電抗器工作時(shí)要求式（1）中x123?x312，根據(jù)對(duì)式（1）的分析，可發(fā)現(xiàn)主繞組與控制繞組之間的耦合度應(yīng)要求遠(yuǎn)大于其與短路繞組之間的耦合度；同時(shí)，為了使得主繞組與控制繞組漏抗上不致于損耗太多的無功功率，也要求主繞組與控制繞組具有較強(qiáng)的耦合。
綜上所述，對(duì)于該電抗器而言，其繞組分布應(yīng)具備短路繞組之間，主繞組與短路繞組，主繞組與控制繞組的耦合強(qiáng)度依次從弱到強(qiáng)的特點(diǎn)。
3.2 短路繞組匝數(shù)的設(shè)置
裝置工作于無功檔程Qn(n=1，…，N)時(shí)，短路繞組SW1～SWN工作于串聯(lián)短路狀況，令其電流為Ish(n)。為了降低制造成本、提高導(dǎo)線利用率，應(yīng)使得
令電抗器一次電壓值為U1，可得各無功檔程中主繞組與短路繞組間的短路電抗值
令主繞組匝數(shù)為WM，短路繞組 SW1～SWN匝數(shù)和為Wn。忽略勵(lì)磁電流及控制繞組電流的影響，那么
根據(jù)式（5）和式（7），可得
由于短路繞組SWn的匝數(shù)可表示為
顯然，當(dāng)短路繞組 SW1匝數(shù)WSW1確定后，即可以根據(jù)式（8）和式（9）遞推確定其他各個(gè)短路繞組的匝數(shù)。
4 試驗(yàn)及結(jié)果分析
4.1 樣機(jī)及試驗(yàn)情況簡(jiǎn)介
研制了一個(gè)額定電壓為 6kV的單相電抗器樣機(jī)，要求無功功率調(diào)節(jié)范圍為130～630kVA，設(shè)計(jì)為 5級(jí)分檔調(diào)節(jié)，各檔間級(jí)差為 100kVA。由此計(jì)算出各個(gè)無功檔程，并根據(jù)式（6）計(jì)算出電抗器的各檔短路電抗理論值，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)制作電抗器本體樣機(jī)。樣機(jī)工作檔程各參數(shù)分布見表 1。表中x1-3與x312的定義參見式（1）。
表1 可控電抗器工作檔程的設(shè)定Tab.1 Step configuration of CR
根據(jù)實(shí)際電抗器參數(shù)設(shè)定樣機(jī)的分檔調(diào)節(jié)范圍見表2。為滿足調(diào)節(jié)需要，PWM逆變器的額定輸出無功容量為60kvar。值得注意的是，由于每檔短路電抗實(shí)際值與設(shè)計(jì)值總會(huì)存在誤差，導(dǎo)致了各個(gè)無功檔程間的檔距不會(huì)完全相同，各檔調(diào)節(jié)切換點(diǎn)可設(shè)置在各實(shí)際無功檔程之間的中點(diǎn)處，同時(shí)，在設(shè)計(jì) PWM逆變器的時(shí)候，應(yīng)該給予一定的輸出容量冗余。
表2 分檔調(diào)節(jié)范圍的設(shè)定Tab.1 Regulation range of steps
進(jìn)行了試驗(yàn)電壓為2000V以下的相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)電路如圖4所示。試驗(yàn)電源由380V的市電、感應(yīng)式調(diào)壓器以及 380V/2000V的單相升壓變壓器組成。電抗器的控制繞組CW接電壓源型逆變器，控制繞組 SW1～SW5則通過雙向晶閘管 VT1～VT5形成分檔串聯(lián)短路。電抗器一次并聯(lián)容值可更換的固定電容器C以降低試驗(yàn)電源的負(fù)擔(dān)。
圖4 可控電抗器樣機(jī)的試驗(yàn)電路Fig.4 Experimental circuit of CR protype
圖4中，u1為電抗器樣機(jī)主繞組所加試驗(yàn)電壓，可以根據(jù)試驗(yàn)需要由交流調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，其有效值最高為 2000V左右。i1為電抗器輸出電流，ic為控制繞組電流。
采用 Semikron公司的 IGBT器件 SKM400 GB124D構(gòu)造電壓型逆變器，其規(guī)格為 1200V、400 A，開關(guān)頻率設(shè)定為10 kHz。以TI公司DSP芯片TMS320LF2407作為控制系統(tǒng)核心進(jìn)行全數(shù)字方式的電流控制。采用Tektronix數(shù)字示波器TDS2002記錄相關(guān)的試驗(yàn)波形。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
在裝置運(yùn)行過程中，根據(jù)實(shí)際需要計(jì)算出裝置應(yīng)輸出的無功功率，得到電抗器應(yīng)輸出電抗值，再根據(jù)表 2查取其對(duì)應(yīng)的無功檔程及阻抗參數(shù)x1-3、x312，結(jié)合式（2）或式（3）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電抗控制系數(shù)α或β，就能通過晶閘管的投切與逆變器的控制聯(lián)合操作，實(shí)現(xiàn)電抗器輸出無功功率或電抗的定點(diǎn)調(diào)節(jié)。
表3 給定電抗=83.0Ω時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Reactance controlling when =83.0Ω
表3 給定電抗=83.0Ω時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Reactance controlling when =83.0Ω
注：電抗器控制誤差 ε = ( x L - ) /×100%。
U1/V I1/A 實(shí)測(cè)電抗xL/Ω 電抗控制誤差ε（100%）610 7.2 84.72 2.07 933 11.2 83.30 0.37 1250 14.9 83.89 1.08 1640 19.5 84.10 1.33 1970 23.6 83.47 0.57 2200 26.4 83.33 0.40
根據(jù)設(shè)定，本裝置可以實(shí)現(xiàn)從297.6～58.33Ω任意一個(gè)電抗值的輸出。分別給定電抗值=58.38Ω、68.5Ω、105.0Ω、116.0Ω、150.0Ω、185.0Ω、290.0Ω，進(jìn)行各種電壓條件下的試驗(yàn)，并繪出它們的伏安特性曲線如圖5所示?？梢钥闯?，該電抗器在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均具有很好的伏安特性。
圖5 可控電抗器的伏安特性曲線Fig.5 Volt-ampere characteristic curve of CR
在圖6a和圖6b分別記錄了兩種工況下的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)波形。試驗(yàn)工況分別為：
工況1：給定電抗值150.0Ω，試驗(yàn)電壓2180V，電抗器輸出電流14.3A，控制繞組電流43.5A。
工況2：給定電抗值116.00 Ω，試驗(yàn)電壓2100V，電抗器輸出電流17.8A，控制繞組電流18.6A。
圖7a和圖7b分別記錄了兩種工況下的暫態(tài)試驗(yàn)波形。試驗(yàn)工況分別為：
工況3：給定電抗值從工作檔程2的112 Ω變?yōu)楣ぷ鳈n程 1的 182 Ω，此時(shí)，工作繞組電壓U1由2150V變成2210V，電流I1由18.9A變成11.9A。
工況4：為工況3的逆過程。
圖6中波形顯示，電抗器在進(jìn)行分級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)響應(yīng)與穩(wěn)定時(shí)間都相當(dāng)短。具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。
圖6 可控電抗器穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)波形Fig.6 Steady-state waveforms of CR
圖7 可控電抗器暫態(tài)試驗(yàn)波形Fig.7 Transient waveforms of CR
5 結(jié)論
本文提出一種新型的可控電抗器技術(shù)并建立了試驗(yàn)樣機(jī)。文中詳細(xì)論述了其工作原理，給出了其設(shè)計(jì)方法，且通過一系列的仿真與試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。該技術(shù)完美地結(jié)合了變壓器技術(shù)與電力電子控制技術(shù)，采用了晶閘管投切與 PWM逆變器控制“混合調(diào)節(jié)“的理念，一方面令裝置結(jié)構(gòu)緊湊，成本經(jīng)濟(jì)，另一方面則獲取了相當(dāng)優(yōu)異的工作性能。該可控電抗器技術(shù)可以充分滿足現(xiàn)代電氣化鐵道中動(dòng)態(tài)性能好、調(diào)節(jié)范圍寬、控制精度高、輸出諧波少的無功補(bǔ)償需要。
[1] 張秀峰, 連級(jí)三. 利用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)[J]. 變流技術(shù)與電力牽引, 2007(3):49-54.
Zhang Xiufeng, Lian Jisan. New traction power supply system constructed by power electronic technology[J]. Converter Technology & Electric Traction, 2007(3): 49-54.
[2] 劉弢, 郭知彼, 蔣家久. 牽引變電所靜止無功補(bǔ)償方案綜述[J]. 機(jī)車電傳動(dòng), 2005(6): 12-14.
Liu Tao, Guo Zhibi, Jiang Jiajiu. Survey on scheme of static var compensation of traction substation[J].Electric Drive for Locomotives, 2005(6): 12-14.
[3] 鄭宏, 李衛(wèi)玲, 魏榮宗. 電氣化鐵道無功治理的可控電抗器應(yīng)用研究[J]. 電力電子技術(shù), 2004, 38(6):39-41.
Zheng Hong, Li Weiling, Wei Rongzong. Application study of adjustable reactor for reactive power compensation of electrified railways[J]. Power Electronics, 2004, 38(6): 39-41.
[4] Su Hongsheng, Li Qunzhan. Rough controlling TSC for reactive current compensation in traction substations[C]. Proceedings of CES/IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2006: 1-5.
[5] Blazic B, Papic I. Improved D-STATCOM control for operation with unbalanced currents and voltages[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(1):225-233.
[6] 趙偉, 羅安, 唐杰, 等. 靜止無功發(fā)生器與晶閘管投切電容器協(xié)同運(yùn)行混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(19): 92-98.
Zhao Wei, Luo An, Tang Jie, et al. Hybrid var compensator based on the coordinated operation of STATCOM and TSC[J]. Proceedings of the CSEE,2009, 29(19): 92-98.
[7] 王寧之. 電氣化鐵路動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償(SVC)方案探討及可控電抗器的應(yīng)用[J]. 電力電容器與無功補(bǔ)償,2009, 30(4): 5-7.
Wang Ningzhi. Investigation of dynamic static var compensation (SVC) program for electrified railway and application of controllable reactor[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation, 2009,30(4): 5-7.
[8] 金立軍, 廖黎明, 安世超, 等. 牽引供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償與諧波抑制[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009, 37(5): 664-668.
Jin Lijun, Liao Liming, An Shichao, et al. Reactive power compensation and harmonics restraint in traction power systems[J]. Journal of Tongji Universty (Natural Science), 2009, 37(5): 664-668.
[9] 吳利仁, 郭欲平, 易運(yùn)軍, 等. 磁閥式可控電抗器在電氣化鐵道中的應(yīng)用[J]. 變壓器, 2006, 43(3):13-16.
Wu Liren, Guo Yuping, Yi Yunjun, et al. Application of magnetic valve type controlled reactor to electric railroad[J]. Transformer, 2006, 43(3): 13-16.
[10] 張宇. 新型變壓器式可控電抗器技術(shù)研究[D]. 武漢:華中科技大學(xué), 2009.
[11] 張宇, 陳喬夫, 田軍, 等. 基于變壓器端口調(diào)節(jié)的可控電抗器[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(18):113-118.
Zhang Yu, Chen Qiaofu, Tian Jun, et al. Controllable reactor based on transformer winding current regulating[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(18):113-118.
[12] 瓦修京斯基. 變壓器的理論與計(jì)算[M]. 崔立君, 譯.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1983.
猜你喜歡
經(jīng)營(yíng)者(2024年1期)2024-03-19 02:02:34
現(xiàn)代信息科技(2022年20期)2022-11-17 07:50:20
大電機(jī)技術(shù)(2022年3期)2022-08-06 07:48:32
電力設(shè)備管理(2022年3期)2022-03-18 01:18:00
防爆電機(jī)(2021年1期)2021-03-29 03:02:26
東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(2015年1期)2015-11-13 05:21:26
電力建設(shè)(2015年2期)2015-07-12 14:16:07
電測(cè)與儀表(2015年5期)2015-04-09 11:31:06
電子設(shè)計(jì)工程(2015年12期)2015-02-27 12:06:22
電力建設(shè)(2014年8期)2014-04-16 05:59:09
