王建元，馬雪珂

(東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012)

電容無功補償裝置是電力系統(tǒng)、電力網(wǎng)絡(luò)及電力用戶廣泛應(yīng)用的裝置。它不僅可以提高功率因數(shù)、降低網(wǎng)損、提高電壓質(zhì)量，還可以提高超高壓線路的輸電能力。

現(xiàn)行的電容無功補償方法均采用機械開關(guān)或晶閘管開關(guān)投切電容器組來改變運行的電容器容量，以實現(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)。機械開關(guān)投切電容器組(MSC)［1］雖投資較省，但沖擊電流較大，不能快速頻繁操作，只適用于靜態(tài)無功補償和調(diào)壓。晶閘管具有非?？斓捻憫?yīng)速度，從20世紀70年代起開始應(yīng)用于交流輸電系統(tǒng)。基于晶閘管開關(guān)控制的動態(tài)無功補償裝置例如:晶閘管控制電抗器(TCR)［2－3］、晶閘管投切電容器組(TSC)［4－6］、晶閘管控制電抗器－－固定電容器(TCR+FC)［7－10］、基于逆變原理的靜止無功發(fā)生器(SVG或STAT－COM)［11－14］，還有磁控電抗器都能構(gòu)成性能良好的無功電壓調(diào)節(jié)控制裝置。TSC、TCR和SVG雖能實現(xiàn)快速動態(tài)補償，但是它們的單位造價都比較昂貴。以上裝置還有一個特點:晶閘管在斷續(xù)工作方式下直接承受其接入母線的網(wǎng)絡(luò)電壓(TCR)或2倍的網(wǎng)絡(luò)電壓(MSC、TSC、SVG)［10］。這就帶來了一些問題:裝置所接的母線電壓不宜太高，國內(nèi)TCR、TSC、STATCOM所接的最高母線電壓目前分別是35 kV、10 kV、4 kV，要應(yīng)用于220～500 kV變電站，主變壓器需設(shè)計第三繞組，甚至還需要加裝中間變壓器，因此構(gòu)成設(shè)備多，增加了工程綜合造價;晶閘管開關(guān)裝置在主電路上作為調(diào)節(jié)器件，斷態(tài)時承受的電壓較高，所需晶閘管的工作容量較大，而且晶閘管工作電壓高，觸發(fā)系統(tǒng)成本也高。因此，降低晶閘管工作電壓、提高裝置接入的母線電壓允許水平，且不過多增加附屬設(shè)備是減少補償裝置工程造價的重要途徑。文獻［16］提出了一種新型的電容無功功率補償方法—晶閘管變壓式電容無功功率補償，它是對俄羅斯類似CKY裝置［17］進行了改進而提出的，即改進CKY。文獻［18］在試驗室進行了改進CKY單相裝置的特性試驗，結(jié)果表明該裝置原理正確，投入和換級暫態(tài)性能良好。在此將補償裝置改造為容量為1 800 kvar的0 kV晶閘管串聯(lián)調(diào)壓電容無功補償裝置，無功調(diào)節(jié)范圍為裝置額定容量的17.7% ～102.4%，且能實現(xiàn)13級分級調(diào)節(jié)。并且在故障情況下，對氧化鋅壓敏電阻接入系統(tǒng)前后的晶閘管開關(guān)的斷態(tài)電壓進行了仿真。

1 改進CKY接線方式的工作原理

改進CKY接線原理［16］見圖1，裝置的輔助變壓器一次側(cè)繞組直接接于工作母線上，二次繞組與晶閘管開關(guān)裝置和電容器組串聯(lián)后接于同一工作母線。通過改變輔助變壓器二次繞組的等效匝數(shù)以改變變比，同時也改變了變壓器二次繞組的附加電勢，進而改變了電容的電壓，從而調(diào)節(jié)電容發(fā)出的無功功率。

電容器發(fā)出的無功為:

式(1)中，UC為電容器兩端的電壓，XC為電容器容抗，U為工作母線電壓，K為輔助變壓器一、二次繞組的等效匝數(shù)之比。

從圖1可看出改進CKY接線方式中晶閘管工作電壓低，控制簡單。本文提出的晶閘管串聯(lián)調(diào)壓電容無功補償方法不同于傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電容無功的方法，通過改變電容器端電壓來大幅度調(diào)節(jié)電容無功。因此晶閘管承受的斷態(tài)電壓較低，顯著減小了所需晶閘管的容量。這種方法的投資成本大大降低，是宜于在高壓電網(wǎng)中普遍使用的一種無功補償方法。

圖1 補償裝置的原理接線

2 單相10kV改進CKY裝置的參數(shù)設(shè)置

改進CKY裝置的單相接線圖如圖2所示。裝置電源電壓UN=10 kV;電容器參數(shù)UCN=10 kV，ICN=180 A，QCN=1 800 kVar，XC=(500/9)Ω，C=0.573 uF;L為限流電感，用于限制故障短路電流和降低換級電流，XL=0.03XC，L=0.005 3 H。

圖2 裝置單相接線圖

圖2中，變壓器變比設(shè)為10/6 kV，變壓器二次側(cè)繞組由一個固定線圈及3個調(diào)節(jié)線圈構(gòu)成，它們對應(yīng)的匝數(shù)分別為w1∶w21∶w22∶w23∶w24=6∶3∶2∶1。1～12為晶閘管開關(guān)，每個晶閘管開關(guān)均只含有一對反并聯(lián)的晶閘管，通過橋接晶閘管開關(guān)的通、斷組合而實現(xiàn)各調(diào)節(jié)線圈與固定線圈正接、反接或不接，從而改變變壓器二次繞組的等效匝數(shù)。RF為氧化鋅壓敏電阻，壓敏電阻動作將晶閘管兩端的電壓限制在保護水平以內(nèi)。R5、R6、R7是三個橋接晶閘管開關(guān)的分壓電阻，保證晶閘管兩端電壓維持在一定的范圍內(nèi)。有 R5∶R6∶R7=K22∶K23∶K24=15 000∶10 000∶5 000。

以13級裝置實際接線計算，得知晶閘管開關(guān)斷態(tài)電壓最大值為0.15UN，晶閘管開關(guān)的總工作容量為0.43QCN，變壓器二次繞組附加電勢最大值為0.6UN，變壓器的最大工作容量0.32 QCN，可見晶閘管工作電壓低，改進CKY需要的變壓器和晶閘管容量小。

3 升級調(diào)節(jié)時穩(wěn)態(tài)性能測試

負荷無功功率為感性QLD=1 800 kvar，有功功率為PLD=3 716.53 kW，手動調(diào)節(jié)該裝置(由1級逐漸升到13級)，通過電流表、電壓表直接測量各元件的電流、電壓有效值，以檢驗補償裝置無功調(diào)節(jié)性能及各元件的穩(wěn)態(tài)性能，測試結(jié)果如表1所示。

表1中I為進線電流，U為母線電壓，IC為補償電流，UC電容電壓，QC為電容輸出的無功。由測量結(jié)果可知IC的調(diào)節(jié)范圍為(0.441 7～1.089)ICN，補償裝置向電網(wǎng)輸出無功由(318.6～1 844)kvar，無功調(diào)節(jié)范圍為(0.177 ～ 1.024)QCN。

表1 升級調(diào)節(jié)時穩(wěn)態(tài)性能

4 壓敏電阻的保護作用

4.1 晶閘管開關(guān)串斷態(tài)過電壓產(chǎn)生分析

將所有調(diào)節(jié)繞組等效成一個橋，且所有的晶閘管開關(guān)皆處于斷態(tài)時的等效圖［19］用圖3表示。

圖3中固定繞組與等效調(diào)節(jié)繞組的變比皆為0.5 Kmax∶1，其中Kmax指TB的最大變比?？煽闯龈骶чl管開關(guān)串承受的斷態(tài)電壓不同。1、4號晶閘管開關(guān)串導通時調(diào)節(jié)繞組正接，因此稱之為正接晶閘管開關(guān)串，同理2、3號是反接晶閘管開關(guān)串。正接晶閘管開關(guān)串承受的斷態(tài)電壓［20］為:

圖3 晶閘管開關(guān)串斷態(tài)電壓的等效圖

同樣，根據(jù)線性電路的疊加原理，反接晶閘管開關(guān)串斷態(tài)電壓為:

顯然，uf(t)＞uz(t)，即反接的晶閘管開關(guān)串承受斷態(tài)電壓較高，以下只分析其斷態(tài)過電壓。晶閘管開關(guān)失掉脈沖后，在電流過零時斷開，電容電壓UC(0)=±U'cm為最大值，反接晶閘管開關(guān)串的斷態(tài)電壓為uf=u(t)－(±U'cm)，持續(xù)時間較長。此時斷態(tài)過電壓較嚴重，幅值如下:

4.2 未接壓敏電阻時斷態(tài)電壓仿真結(jié)果及分析

當裝置工作于第13 級時，此時 2、3、6、7、10、11 號晶閘管開關(guān)開通，1、4、5、8、9、12 號晶閘管開關(guān)關(guān)斷。此時，U'cm=Um最大，根據(jù)式(3)及式(4)知此時斷態(tài)過電壓最高。t=0.8 s時2號晶閘管開關(guān)失去觸發(fā)脈沖，其電流過零時斷開，進而導致二次回路斷開。反接晶閘管開關(guān)的斷態(tài)電壓及電容電壓的仿真波形見圖4。

從圖4波形可以看出uf斷態(tài)過電壓出現(xiàn)在0.805 s時刻。波形向下嚴重偏移，出現(xiàn)了一個很大的直流分量，這是因為晶閘管開關(guān)斷開瞬間，電容器電流過零點，電容電壓達到最大值，二次回路斷開后，使得斷態(tài)電壓中含有很高的直流分量，隨后電容電壓沿著均壓電阻回路放電，直至為零。還可看出，斷態(tài)電壓持續(xù)時間長，uf的峰值高達29.43 kV，大大超過了正常工作時的最大電壓。因此，必須采取有效的措施來抑制晶閘管開關(guān)的過電壓，使晶閘管元件不受損壞。

圖4 晶閘管開關(guān)失掉脈沖時的波形

4.3 裝設(shè)氧化鋅壓敏電阻后的斷態(tài)過電壓

(1)氧化鋅壓敏電阻參數(shù)選擇［19］

將壓敏電阻直接并接在2個橋接晶閘管串之間，ZnO壓敏電阻實際上是一種伏安特性呈非線性的敏感元件，在正常電壓條件下，這相當于一只小電容器，而當電路出現(xiàn)過電壓時，它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導通，其工作電流增加幾個數(shù)量級，保證晶閘管兩端的電壓維持在一定的范圍內(nèi)。

壓敏電阻的主要參數(shù)為U1mA(漏電流為1 mA時額定電壓)，U1mA≥1.3√2U其中，U為壓敏電阻兩端正常工作的最大電壓的有效值，U=1.1 Ug，Ug為晶閘管開關(guān)工作電壓。對于10 kV系統(tǒng)，可以確定Ug=3 kV，于是取 U1mA=6.067 kV。

(2)接入氧化鋅壓敏電阻后斷態(tài)電壓的仿真

現(xiàn)在將氧化鋅壓電阻接入，對故障情況下的斷態(tài)電壓進行仿真。在13級時2號導通的晶閘管開關(guān)突然失掉脈沖(t=0.8 s)，此時的晶閘管串斷態(tài)電壓、電容電壓，壓敏電阻電流如5所示。從圖看出，晶閘管過零斷開后，壓敏電阻迅速動作，電容器迅速放電，較短時間內(nèi)即達到一定穩(wěn)態(tài)值，晶閘管開關(guān)的斷態(tài)電壓波形基本無偏移現(xiàn)象。從仿真波形可以得到uf的最大峰值為12.42 kV，小于反接晶閘管開關(guān)串的額定電壓15.46 kV。If暫態(tài)最大峰值為278.91 A。

圖5 投入過壓保護后失掉脈沖時的波形

5 結(jié) 論

本文提出了新型快速無功補償方法，并基于該方法初步設(shè)計了單相10 kV容量為1 800 kvar的補償裝置，利用Matlab中的仿真軟件對改進CKY裝置的換級及調(diào)節(jié)特性過程進行仿真分析得出以下幾點結(jié)論:

(1)裝置同樣具有以上無功補償裝置的快速頻繁調(diào)節(jié)性能，調(diào)節(jié)效果良好。但改進CKY裝置的最大特點是:改進CKY晶閘管工作電壓低，只及額定電壓的15%左右。該裝置所需晶閘管容量和變壓器容量小，成本低，只需使用32%補償裝置容量的變壓器，就可以直接接入10～110 kV母線，可以取消國內(nèi)快速補償裝置所需要的中間變壓器。其綜合工程造價不僅顯著降低，還有可能和真空斷路器投切電容器組相持平。

(2)在故障情況下，改進CKY裝置的斷態(tài)過電壓比較嚴重，且持續(xù)時間較長，足以損壞晶閘管，必須采取一定的保護措施。裝置加裝氧化鋅壓敏電阻過壓保護后，在故障情況下，裝置的斷態(tài)過電壓被限制在允許的范圍之內(nèi)。

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