基于感應濾波的新型晶閘管控制變壓器仿真研究

覃日升, 李 虹, 段 兵, 劉明江

1.云南電網(wǎng)有限責任公司 電力科學研究院系統(tǒng)分析與直流研究所 昆明 650000 2.云南電網(wǎng)有限責任公司 紅河供電局 云南蒙自 661100

20世紀70年代,BBC公司研制出第一臺晶閘管控制變壓器(TCT)。此后,針對傳統(tǒng)TCT諧波過大問題,陸續(xù)發(fā)展出多繞組式TCT、多并聯(lián)支路式TCT、增設濾波繞組式TCT等多種解決方案。受制造難度與造價的限制,多繞組式TCT在工程中尚無應用實例[1-3]。針對某電網(wǎng)電壓偏高、長期越限運行的工程問題,筆者提出加裝基于感應濾波的新型TCT的解決方案,并對新型TCT的穩(wěn)壓能力與諧波特性進行仿真驗證。

1 傳統(tǒng)TCT工作原理

靜止無功補償器(SVC)的主要功能是在消耗無功的位置就地進行無功補償,減少無功功率在線路中的流動,減小線損,提高供電電壓水平與功率因數(shù)[4-5]。

TCT是晶閘管控制電抗器(TCR)的一種變形,單相TCT拓撲圖如圖1所示。

由圖1可知,傳統(tǒng)TCT的本體是一臺高漏抗雙繞組降壓變壓器。一次繞組與電網(wǎng)直接相連,稱為電源繞組。二次繞組串聯(lián)一對反相并聯(lián)的晶閘管,稱為控制繞組。TCT中由變壓器的高漏抗代替TCR中的電抗器,通過改變晶閘管觸發(fā)角,使TCT相當于一個可控導納。TCT消耗的無功功率連續(xù)可調(diào),達到動態(tài)補償無功功率的目的。

圖1 單相TCT拓撲圖

2 傳統(tǒng)TCT諧波特性

由于變壓器的二次側電壓可以低至1 kV以下,在單個晶閘管器件的工作電壓以內(nèi),因此TCT除了具備與TCR同樣的響應速度之外,還能避免晶閘管串聯(lián)帶來的均壓問題。

但是,TCT在正常工作時不可避免地會產(chǎn)生大量諧波,必須采取諧波抑制措施。一種方法是將固定電容器和電感串聯(lián)構成濾波器來濾除諧波;另一種方法是對裝置本體結構進行改進,以減少TCT產(chǎn)生的諧波。

分析單相TCT的工作過程,得到不同觸發(fā)角度下TCT產(chǎn)生的諧波電流。

(1)

由以上分析可知,當α為90°時,晶閘管在一個周期內(nèi)始終處于導通狀態(tài),控制繞組流過的電流為不含諧波成分的正弦波。當90°<α<180°時,晶閘管僅在一個周期的部分時段導通,控制繞組流過的電流中含有大量諧波。

對式(1)進行傅里葉分解,可得iTCT(α)的基波分量有效值I1(α):

(2)

iTCT(α)的諧波分量有效值In(α)為:

(3)

式中:XL為控制繞組電抗值;n為諧波次數(shù),n=3,5,7…。

搭建容量為20 MW、變比為35 kV∶1.5 kV、短路阻抗為100%的TCT仿真模型,其控制繞組的電抗值XL為0.112 5 Ω,折算到一次側為61.25 Ω,控制繞組的額定電流IN為7.7 kA。

TCT的諧波電流波形如圖2所示。

由圖2可知,TCT產(chǎn)生的諧波主要為3次、5次、7次和11次諧波,各次諧波的最大值及所對應的觸發(fā)角α見表1。

圖2 TCT諧波電流波形

表1 TCT諧波電流最大值與觸發(fā)角

3 基于感應濾波的新型TCT

3.1 感應濾波原理

濾波繞組通過感應濾波技術產(chǎn)生與控制繞組諧波電流相反的諧波電流,將諧波隔離在電力系統(tǒng)二次側,避免諧波流竄至電網(wǎng)側而擴大污染和危害,同時有效削弱諧波對TCT本體所產(chǎn)生的不利影響,如損耗、噪聲加大等[6-7]。

筆者提出的基于感應濾波的新型TCT拓撲圖如圖3所示,其中W1為電源繞組,W2為控制繞組,W3為增設的濾波繞組。

圖3 基于感應濾波的新型TCT拓撲圖

以單相新型TCT為例,分析基于感應濾波原理的新型TCT的諧波抑制原理。

如圖4所示,W1的匝數(shù)為N1,等值諧波阻抗為Z1n;W2的匝數(shù)為N2,等值諧波阻抗為Z2n;W3的匝數(shù)為N3,等值諧波阻抗為Z3n;濾波器的諧波阻抗為Zfn;W2中的諧波電流為Isn。

圖4 基于感應濾波的新型TCT單相等效模型

W1中的諧波電流I1n為:

(4)

由式(4)可知,當Z3n+Zfn=0時,恒有I1n=0。在設計變壓器時,保證增設的濾波繞組W3的基波等值阻抗Z3為0,則W3的任何次諧波阻抗Z3n均為0。完成增設濾波繞組的零等值阻抗設計后,與W3連接的濾波器只需進行完全諧振參數(shù)設計,即可保證其等值阻抗Zfn為0[8]。

設Zn12、Zn13、Zn23依次為W1與W2、W1與W3、W2與W3之間的n次諧波短路阻抗,繞組間短路阻抗與各繞組等值阻抗之間的關系式為:

(5)

當Zn13=Zn23=0.5時,滿足Zn12為1、Z3n為0的限定條件[9]。

3.2 裝置參數(shù)

濾波器設計最主要的問題是濾波電容器的選取。在滿足諧波標準基本要求的前提下,濾波器電容的容量有多種選擇。針對電壓偏高問題,采用只考慮濾波性能要求的最小濾波電容安裝容量法。所謂最小濾波電容安裝容量法,是指滿足諧波標準的所用電容器容量最小的濾波器參數(shù)設計方法。

根據(jù)最小濾波電容安裝容量法,濾波器中電容器的無功容量為[10]:

(6)

式中:U(1)為系統(tǒng)交流母線電壓的基波分量;If(n)為引入濾波電容器的諧波電流。

將前文分析得到的TCT正常運行時產(chǎn)生的主要次數(shù)諧波最大值代入式(6),可得與W3配套的各次濾波器的容量及參數(shù),見表2。

表2 新型TCT濾波裝置主要參數(shù)

新型TCT主要參數(shù)見表3。

表3 新型TCT主要參數(shù)

4 無功補償分析

4.1 補償方案

當負荷消耗的無功功率變化時,固定電容器提供的無功功率是固定且不可控制的,然而新型TCT補償?shù)臒o功功率可以跟蹤負荷變化且動態(tài)調(diào)整,使系統(tǒng)消耗的無功功率為恒定值[11]。

新型TCT無功補償系統(tǒng)的拓撲圖如圖5所示。控制部分采用反饋比例積分控制算法,將線電壓的目標值35 kV與實際值進行比較,其誤差作為輸入量傳遞給比例積分電壓調(diào)節(jié)器,計算出新型TCT需要補償?shù)碾娂{值,并通過查表模塊得到相應的觸發(fā)角來控制TCT消耗的無功功率[12]。恒電壓比例積分控制策略框圖如圖6所示。

4.2 仿真建模

在MATLAB仿真軟件中搭建35 kV配電網(wǎng)的仿真模型,配電網(wǎng)的線路、負荷等主要參數(shù)見表4。

4.3 結果分析

在仿真系統(tǒng)中,功率為5 MW的可投切負荷在5 s時退出運行。新型TCT的觸發(fā)角與無功功率補償量分別如圖7、圖8所示。

圖5 新型TCT無功補償系統(tǒng)拓撲圖

圖6 恒電壓比例積分控制策略

項目數(shù)值線電壓/kV35頻率/Hz50線路電抗/Ω15.7固定有功負荷/MW10固定無功負荷/(MV·A)2.2可投切無功負荷/(MV·A)5固定電容器容性無功功率/(MV·A)9TCT額定容量/MW20

圖7 觸發(fā)角變化

圖8 無功功率補償量變化

新型TCT對負荷投切引起的線電壓升高抑制效果如圖9所示。

圖9 新型TCT線電壓變化

在此工況下,投入傳統(tǒng)TCT與新型TCT時的線路電流諧波含有率分別如圖10、圖11所示。濾波方案對比見表5。

圖10 傳統(tǒng)TCT電流諧波含有率

5 結論

通過仿真得到20 MW,35 kV傳統(tǒng)TCT正常運行時在不同觸發(fā)角下產(chǎn)生的諧波電流,分析其諧波特性,提出基于感應濾波的新型TCT,并對諧波抑制繞組所連接濾波器的容量進行優(yōu)化計算。通過仿真分析,驗證所提出的新型TCT具有理想的諧波抑制效果,而且響應速度快,諧波含量低。

圖11 新型TCT電流諧波含有率

參數(shù)傳統(tǒng)TCT新型TCT基波/A189.6184.603次諧波/A89.4211.335次諧波/A4.101.407次諧波/A1.140.64總諧波失真47.22%6.41%