基于非線性動力學(xué)建模的PTSC濾波與無功補(bǔ)償系統(tǒng)研究

駱厚繼

摘 ?要：根據(jù)煤礦集團(tuán)變電站供電模式的不同，可知大功率直流設(shè)備與變頻設(shè)備的使用均存在無功和諧波問題的影響，極易使電網(wǎng)運行質(zhì)量受到干擾，使煤礦開采存在風(fēng)險。而為了解決以上問題，必須基于非線性動力學(xué)建模系統(tǒng)明確無功與諧波影響的確切位置與參數(shù)，落實模擬實驗，而后再提供對應(yīng)的濾波裝置與無功補(bǔ)償系統(tǒng)，分辨是否能夠遏制此類問題繼續(xù)出現(xiàn)，才能使此類變電站問題得以有效解決。

關(guān)鍵詞：非線性動力學(xué);PTSC濾波;無功補(bǔ)償;系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TM714.3 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）22-0011-03

Abstract： According to the different power supply modes of substation in a coal mine group， it is known that the use of high-power DC equipment and frequency conversion equipment have the influence of reactive power and harmonic problems， which can easily interfere with the operation quality of power grid and bring risk to coal mining. In order to solve the above problems， the exact position and parameters of reactive power and harmonic influence must be defined based on the nonlinear dynamic modeling system， the simulation experiment must be carried out， and then the corresponding filtering device and reactive power compensation system must be provided to distinguish whether this kind of problem can be contained or not， so that the problem of this kind of substation can be solved effectively.

Keywords： nonlinear dynamics; PTSC filtering; reactive power compensation; system design

無功補(bǔ)償系統(tǒng)在煤礦集團(tuán)變電所中的有效利用，既能夠根據(jù)變電線路運行狀況，為發(fā)電機(jī)的運行提供適當(dāng)保護(hù)，以便降低設(shè)備與系統(tǒng)內(nèi)有功功率與電能的損耗，使變電設(shè)備系統(tǒng)的可使用壽命得以顯著延長，同時憑借無功補(bǔ)償系統(tǒng)，更能夠有效遏制電網(wǎng)波動與諧波影響等問題，使系統(tǒng)電能質(zhì)量得以改善，也有助于提高發(fā)電機(jī)的有功功率。因此，站在能源可持續(xù)發(fā)展與電網(wǎng)穩(wěn)定運行的角度，設(shè)計人員理應(yīng)對無功補(bǔ)償與PTSC濾波裝置給予充足的認(rèn)識。

1 研究背景

本項目為某煤礦集團(tuán)變電所無功補(bǔ)償與諧波治理系統(tǒng)設(shè)計。現(xiàn)有變電所變一次側(cè)額定電壓為66kV，二次側(cè)額定電壓為6.3kV。在變電所工作期間，上午11時～下午1時通常選用大功率直流設(shè)備，而下午4：30～6：10時通常選用大功率變頻設(shè)備，以便煤礦開采工作質(zhì)量得以保障。根據(jù)調(diào)查資料可知，直流設(shè)備與變頻設(shè)備受無功和諧波因素影響較嚴(yán)重，不但極易影響煤礦現(xiàn)場正常的供電質(zhì)量，同時還會降低發(fā)電機(jī)的能耗利用率，極易使煤礦開采設(shè)備的應(yīng)用受影響。因此，煤礦集團(tuán)對變電所線纜進(jìn)行了諧波與無功測試，以便找尋到確切的問題點，而后再利用高壓可控硅投切無功補(bǔ)償電容器與無源濾波裝置，使原有問題得以解決。

2 建模分析

非線性動力學(xué)建模理論主要應(yīng)用于自然界非周期性特點的研究，它既能夠通過非線性標(biāo)度指數(shù)為觀察者提供隨機(jī)現(xiàn)象中最具主導(dǎo)性的特點因素，同時在隨機(jī)性環(huán)境中，更能夠?qū)⒉煌叨扰c流線展現(xiàn)給觀察者，以便更好的掌握隨機(jī)現(xiàn)象中的潛在規(guī)律。例如，在分辨諧波問題時，便可以站在保守和耗散兩種角度對諧波問題進(jìn)行觀測，以便更好的發(fā)掘數(shù)學(xué)動力系統(tǒng)中的軌道，使多尺度現(xiàn)象的基本元素與定理被知曉，而后再通過混沌時間序列與符合序列對所獲得的資料進(jìn)行篩選，按照拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)與功能性要求，更好的展現(xiàn)在數(shù)據(jù)管理平臺中，以便設(shè)計者更直觀的發(fā)覺數(shù)字模型中潛在的風(fēng)險點。[1]

因此，在非線性動力學(xué)建模期間，設(shè)計者必須率先對原有變電系統(tǒng)運行狀況進(jìn)行檢測，明確，在明確諧波范圍、電壓數(shù)值、電流大小、無功狀況等數(shù)據(jù)后，才能將高壓TSC與高壓PPF設(shè)備并聯(lián)于變電系統(tǒng)內(nèi)部，以便更好的查看無功補(bǔ)償與濾波的效果。在此期間，高壓TSC與PPF參數(shù)設(shè)計應(yīng)遵循以下要求：

（1）高壓TSC：設(shè)備應(yīng)安裝至二次變電側(cè)6.3kV的電壓環(huán)境，設(shè)備總補(bǔ)償容量為1050Kvar，期間無功補(bǔ)償通道應(yīng)分為三條，分別為150、300、600Kvar。結(jié)合變電站設(shè)備安裝預(yù)留空間尺寸可知，TSC柜三面尺寸應(yīng)選用1.8×1.7×2.6m，控制柜尺寸1.2×1.7×2.6m，TSC柜安裝期間，應(yīng)確保所處環(huán)境干燥且潔凈，避免與其他設(shè)備距離過近。[2]

其次，在選用高壓TSC柜時，需確保其投切無功補(bǔ)償電容器組的響應(yīng)速度低于20ms，并且在電網(wǎng)系統(tǒng)中需設(shè)置監(jiān)測元件，以便時刻觀察電網(wǎng)系統(tǒng)的無功與諧波電流狀態(tài)，使裝置使用的效果更便于察覺。最后，在TSC裝置使用期間，需對多級電容器進(jìn)行快速且頻繁的投切操作，以此辨別響應(yīng)速度是否迅速。另外，在參數(shù)設(shè)計過程中，設(shè)計者應(yīng)確保沖擊性負(fù)荷能夠為電網(wǎng)線路提供較好的補(bǔ)償效果，以便滿足電網(wǎng)穩(wěn)壓與節(jié)能效果的要求。

（2）高壓PPF：設(shè)備應(yīng)安裝至二次變電側(cè)6.3kV的電壓環(huán)境，設(shè)備總補(bǔ)償容量為4500Kvar，結(jié)合變電站觀測數(shù)據(jù)可知，高壓PPF設(shè)備的選用主要需濾除5次諧波，以避免對電網(wǎng)運行質(zhì)量造成影響，其中諧振點選擇4.63。根據(jù)變電站設(shè)備預(yù)留空間尺寸可知，高壓PPF控制柜應(yīng)選用1.2×1.7×2.6m型號，在PPF控制柜安裝期間，應(yīng)確保說出環(huán)境干凈整潔，且線纜連接牢固，不存在漏電等風(fēng)險。

其次，在選用高壓PPF控制柜期間，需確保單相工作電流滿足420A的要求，且濾波電抗器的正負(fù)調(diào)整范圍可達(dá)到5%，以避免對變電站供電系統(tǒng)造成較大的影響。期間，濾波電容器在參數(shù)選擇過程中，應(yīng)注意三相是否處于無功平衡的狀態(tài)，確保不會影響變電系統(tǒng)內(nèi)的三相平衡，才能將此設(shè)備應(yīng)用于系統(tǒng)內(nèi)。待電抗器落實調(diào)諧操作后，三相濾波通道應(yīng)確保仍處于平衡狀態(tài)，且濾波、穩(wěn)壓與節(jié)能要求都能夠得到滿足。[3]

3 無功補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計

3.1 靜態(tài)濾波與TSC相結(jié)合

根據(jù)建模參數(shù)可知，在配電系統(tǒng)正常運行的環(huán)境下，工頻信號通常會伴隨著大量非線性負(fù)荷用電設(shè)備的增加，使電網(wǎng)內(nèi)諧波量增加，如此便極易導(dǎo)致電壓與電流發(fā)生波形畸變，若單純采用傳統(tǒng)PPF或TSC無功補(bǔ)償裝置，雖然可以實現(xiàn)電容器快速無觸點的投切，但是諧波的存在同樣會使電容器受影響，甚至與供電系統(tǒng)發(fā)生諧振反應(yīng)，使電容器極易受損。其次，若選用傳統(tǒng)的接觸手動投切電力濾波器消除系統(tǒng)內(nèi)諧波，也會因為自動化較低和反應(yīng)不及時等問題，使配電系統(tǒng)的運行難以保持穩(wěn)定，進(jìn)一步可能對電網(wǎng)運行質(zhì)量造成極為嚴(yán)重的影響。因此，PPF靜態(tài)濾波與RSC動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備相結(jié)合，能夠在避免諧波對電壓和電流造成影響的同時，憑借動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，應(yīng)對系統(tǒng)內(nèi)突如其來的電流變化，使配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以顯著提升，并且也避免對配電系統(tǒng)的運行質(zhì)量造成影響。[4]

3.2 諧波過濾

PPF無源濾波裝置的應(yīng)用，能夠借助電磁感應(yīng)及電抗器的原理，有效識別配電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)存在的諧波范圍與規(guī)律，借助濾波電容器串聯(lián)高線性度裝置，能夠組成較完善的濾波補(bǔ)償系統(tǒng)，以便在吸取配電系統(tǒng)中諧波分量的同時，補(bǔ)償無功功率，使無功補(bǔ)償與濾波功能徹底融為一體。期間，憑借電磁感應(yīng)能夠迅速識別配電網(wǎng)負(fù)荷變化，通過濾波裝置及時抑制電流波動性，使配電網(wǎng)能夠持續(xù)處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

而在設(shè)計過程中，設(shè)計者理應(yīng)明白諧波電流的大小與設(shè)備工作電流呈正比，因此在選擇適合的濾波裝置期間，必須降低配電網(wǎng)中的電壓，以便使電流強(qiáng)度得以下降。而在靜態(tài)與動態(tài)濾波器安裝期間，設(shè)計者應(yīng)借由控制器測量配電系統(tǒng)中的負(fù)荷諧波電流，確定諧波范圍、電壓畸變率、電流畸變率、諧波電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)后，才能根據(jù)實際情況控制雙向可控硅過零觸發(fā)[5]，以此實現(xiàn)非線性負(fù)荷的調(diào)控，使動態(tài)無功補(bǔ)償與濾除諧波的要求得以滿足。在此期間，投切操作應(yīng)保持無沖擊、無過度與無涌流的過程。

3.3 過零投切研究

過零投切需從電壓與電流、復(fù)合三個方面分析：

電壓過零投入：為避免配電系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生涌流等狀況，此種措施通常需要在電源電壓與電容器電壓相位相等的位置安裝電容器，確保能夠在電壓數(shù)值超過變動極限的瞬間接入系統(tǒng)，以便使配電網(wǎng)系統(tǒng)運行保持穩(wěn)定。

電流過零切除：為避免在開關(guān)接電處存有電弧分?jǐn)嗲闆r，電流過零切除通常需要電容器與電壓、電流方向保持垂直相位差，待電壓抵達(dá)某一峰值或某處電流數(shù)值為零時，極易對配電網(wǎng)設(shè)備造成損傷的瞬間，便可以將電容器接入，以便電流歸零切除，使配電網(wǎng)持續(xù)處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)。[6]

復(fù)合過零投切：此種開關(guān)方式的原理是將PPF與TSC并聯(lián)，通過諧波過濾與無功補(bǔ)償裝置可有效落實電壓過零導(dǎo)通和電流過零切斷的要求，以便配電網(wǎng)系統(tǒng)持續(xù)保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。期間，復(fù)合開關(guān)在與配電網(wǎng)接通和斷開過程中，能夠通過可控硅瞬間改變電壓與電流的運行狀態(tài)，并在正常接通期間避免接觸器產(chǎn)生不必要的功耗，使配電系統(tǒng)運行的可控性得以顯著增強(qiáng)。在復(fù)合過零投切應(yīng)用期間，需首先在裝置投入前在電壓過零瞬間，憑借可控硅預(yù)先觸發(fā)，查看能否有效干預(yù)配電網(wǎng)運行環(huán)境，而后待電壓及電流穩(wěn)定后，再將電磁繼電器安置在配電系統(tǒng)內(nèi)。在復(fù)合開關(guān)切除時，則需要優(yōu)先將電磁繼電器斷開，而后再將可控硅延時過零斷開以避免對配電網(wǎng)運行狀況帶來較大的影響，并實現(xiàn)電流過零切除要求。

4 仿真分析

在非線性動力學(xué)建模仿真分析過程中，管理人員須對煤礦集團(tuán)變電站第二變側(cè)產(chǎn)生的無功與諧波狀態(tài)進(jìn)行測試，確定二者對電網(wǎng)質(zhì)量造成的實質(zhì)性影響，同時根據(jù)諧波范圍、電壓畸變率、電流畸變率、諧波電流、功率因數(shù)等資料，擬定詳細(xì)的無功補(bǔ)償與諧波設(shè)計方案。

首先，根據(jù)5次配電網(wǎng)電壓及電流矢量關(guān)系的驗證資料可知，單純的TSC設(shè)備在第二變側(cè)6.3kV應(yīng)用的電壓畸變率有效降到了4%以下，而TSC與PPF同時安裝至配電網(wǎng)內(nèi)，便能夠?qū)㈦妷夯兟式档椭?.6%以下;而TSC設(shè)備在同一位置安裝后，測得電流畸變率從25%下降至8%標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)，而當(dāng)TSC與PPF設(shè)備同時安裝至配電網(wǎng)內(nèi)，便能夠?qū)㈦娏骰兟式档椭?.9%以下，可見不論述電壓與電流畸變率，TSC與PPF裝置組合使用的效果更好。

其次，在諧波電流分析期間，設(shè)計者依照國際標(biāo)準(zhǔn)對配電網(wǎng)內(nèi)公共連接點的最小短路容量進(jìn)行了調(diào)查，通過諧波電流允許值的計算可知，在配電網(wǎng)運行過程中，曾有多次諧波值超過國家標(biāo)準(zhǔn)，而在此參照資料下，通過TSC與PPF投切裝置的應(yīng)用，可知測試資料中的各次諧波電流均呈現(xiàn)出不同的降低，并且均滿足了國標(biāo)的基本要求。

最后，為明確TSC與PPF裝置對配電系統(tǒng)功率因數(shù)可能造成的影響，本次仿真分析對原有系統(tǒng)的功率因數(shù)與改造后的系統(tǒng)功率因數(shù)進(jìn)行了比對，期間，需確保靜補(bǔ)與動補(bǔ)裝置按常規(guī)要求安裝。而根據(jù)實際調(diào)查資料可知，TSC與PPF裝置的同時投運，使其功率因數(shù)最大值達(dá)到了0.99，對比國標(biāo)可知滿足使用要求。具體實際功率因數(shù)曲線詳見圖1。

5 結(jié)論

TSC與PPF裝置在煤礦變電所中的有效利用，既能夠有效降低諧波與無功情況對配電系統(tǒng)正常運行的影響，使電網(wǎng)中的電力設(shè)備均能夠持續(xù)利用，避免對設(shè)備壽命造成損害，同時憑借非線性動力學(xué)模型計算平臺，更便于查看配電網(wǎng)系統(tǒng)中落實靜補(bǔ)與動補(bǔ)的適用性，以便使無功補(bǔ)償系統(tǒng)的質(zhì)量可控性得以顯著增強(qiáng)。故而，在論述基于非線性動力學(xué)建模的PTSC濾波與無功補(bǔ)償系統(tǒng)研究期間，必須明確變電所實際面臨的問題，并提供有效的補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置，確保安裝規(guī)范且性能適宜，才能為后續(xù)配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供更全面的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)：

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