磁控電抗器型靜止無功補償裝置的應(yīng)用

于 彪, 王德強

1.山東管理學(xué)院 濟南 2501002.山東泰開電力電子有限公司 山東泰安 271000

1 應(yīng)用背景

麗水供電公司220 kV宏山變電站有兩臺主變壓器,可實現(xiàn)并列和分列運行。每臺主變壓器容量為50 MVA,分別安裝一組電容器成套裝置,電容器組容量均為10 Mvar。由于宏山變電站所帶負荷主要為農(nóng)村負荷和小水電等分布式電源,具有季節(jié)性強、日負荷變化大等特點,因此主變壓器下設(shè)的兩組電容器利用率很低,且無功補償精度低,投入時過補,退出時欠補,導(dǎo)致電容器投切頻繁。同時,由于單組電容器容量較大,在投切過程中對電網(wǎng)沖擊大,嚴重影響35 kV母線電壓的穩(wěn)定性,導(dǎo)致主變壓器分接開關(guān)頻繁動作[1]。

為了解決宏山變電站存在的上述諸多問題,對宏山變電站中的無功補償裝置進行改造,兩臺主變壓器下分別增設(shè)一臺容量為10 Mvar的磁控電抗器型靜止無功補償裝置。磁控電抗器型靜止無功補償裝置與原有的電容器成套裝置配合使用,可以實現(xiàn)感性-10 Mvar到容性10 Mvar無級連續(xù)可調(diào)。宏山變電站無功補償裝置接線如圖1所示，兩臺主變壓器并列運行時,通過協(xié)調(diào)控制,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度無功補償,且感性-20 Mvar到容性20 Mvar無級連續(xù)可調(diào),以避免電容器組頻繁動作,提高35 kV母線電壓的穩(wěn)定性,通過控制策略還可以兼顧220 kV側(cè)功率因數(shù)。

圖1 宏山變電站無功補償裝置接線

2 磁控電抗器工作原理

磁控電抗器型靜止無功補償裝置采用自耦直流勵磁和極限磁飽和工作方式,所產(chǎn)生的諧波大大減少,有功損耗降低,響應(yīng)速度快。磁控電抗器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,等效電路如圖3所示。

圖2 磁控電抗器結(jié)構(gòu)

磁控電抗器的磁閥為鐵心上截面積縮小的一段,在整個容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi),只有磁閥飽和,其余段均處于未飽和線性狀態(tài),通過改變磁閥的飽和程度可以改變電抗器的容量。磁控電抗器有兩個并聯(lián)的主鐵心,截面積相等,每個鐵心上繞有總匝數(shù)為N的繞組,分別由兩個匝數(shù)為N/2的繞組對稱分布在磁閥的上下兩端。鐵心上下兩繞組各有一只匝數(shù)比為N2/N的抽頭,抽頭之間接有晶閘管KP1、KP2。不同鐵心的上下兩個繞組交叉連接后并聯(lián)到電網(wǎng)。

圖3 磁控電抗器等效電路

續(xù)流二極管D橫跨在交叉端點上,在晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷時起續(xù)流的作用。磁控電抗器鐵心的結(jié)構(gòu)非常特殊,主鐵心分為對稱的兩部分。在電源的一個工頻周期內(nèi),晶閘管KP1、KP2輪流導(dǎo)通,起全波整流作用,二極管D起續(xù)流作用。改變KP1、KP2的觸發(fā)角,可以改變直流控制電流的大小,進而可以控制電抗器的輸出容量。因此,可以根據(jù)負荷變化,通過改變晶閘管觸發(fā)角,實時連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器的容量值,從而改變向系統(tǒng)注入的無功功率,并保持功率因數(shù)在較高值[2-4]。

3 磁控電抗器優(yōu)點

磁控電抗器中所用晶閘管器件的工作電壓均僅為電抗器額定電壓的0.5%左右,滿容量工作時,晶閘管的發(fā)熱功率也僅為額定功率的0.5%左右。與普通雙繞組變壓器相似,磁控電抗器不需要專門的冷卻水,損耗低[5-6]。現(xiàn)代電網(wǎng)的無功補償正向著優(yōu)化、動態(tài)和平滑調(diào)節(jié)方向發(fā)展,基于磁控電抗器的無功補償有著廣闊的發(fā)展前景。

在無功補償中應(yīng)用磁控電抗器,主要的優(yōu)點如下:① 可靠性極高,免維護,使用壽命不短于20 a;② 能夠在任何惡劣的電網(wǎng)環(huán)境下穩(wěn)定、可靠工作;③ 可以直接運行于任何電壓等級電網(wǎng),安裝簡單,調(diào)試方便;④ 無功補償容量無級調(diào)節(jié),使補償效果達到最佳[7]。

4 宏山變電站無功補償控制策略

4.1 控制原則

針對宏山變電站的具體負荷情況和實際需要,制訂無功補償控制的基本原則如下:① 確保220 kV考核點無功功率不倒送;② 確保35 kV電壓滿足設(shè)定的上下限范圍;③ 確保220 kV側(cè)滿足無功補償功率因數(shù)控制目標。

無功補償功率因數(shù)控制目標見表1。

表1 無功補償功率因數(shù)控制目標

4.2 控制邏輯

對上述三條控制原則進行優(yōu)先級排序,第①條最高,第③條最低。確定好優(yōu)先級后,在進行控制邏輯設(shè)計時,需要考慮三方面內(nèi)容。

(1) C語言中,if的邏輯分支等級最高,因此當(dāng)檢測到無功功率倒送時,按照感性增大的方向增大目標容量。若當(dāng)磁控電抗器達到滿容量后無功功率仍然倒送,則依次切除各電容器。切除所有電容器后若無功功率還是倒送,則經(jīng)過一段時間延遲,由后臺向運行人員發(fā)出報警信息。

(2) 保證35 kV電壓滿足設(shè)定的上下限,根據(jù)電壓電流斜率計算磁控電抗器型靜止無功補償裝置抬高電壓至上限或降低電壓至下限時磁控電抗器需發(fā)出的目標容量。

(3) 根據(jù)檢測到的220 kV母線電壓及有功功率,計算出補償功率因數(shù)所需的無功功率,進而得到磁控電抗器的目標容量[8-11]。控制邏輯程序流程如圖4所示。

圖4 控制邏輯程序流程

4.3 協(xié)調(diào)運行控制

根據(jù)變電站的實際運行情況,當(dāng)兩臺主變壓器并列運行時,需要實現(xiàn)兩臺磁控電抗器型靜止無功補償裝置的協(xié)調(diào)運行。兩臺主變壓器分列運行時,只需要達到對應(yīng)母線的控制目標即可。

兩臺主變壓器并列運行時,需要合并考慮兩段母線的無功功率因數(shù),實現(xiàn)方案是1號磁控電抗器型靜止無功補償裝置作為主機,2號磁控電抗器型靜止無功補償裝置作為從機。協(xié)調(diào)運行模塊由控制器單元內(nèi)的現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn),通信接口為光纖高速串行外設(shè)接口[12]。由于通信調(diào)度周期只有5 ms,因此不會影響磁控電抗器型靜止無功補償裝置的響應(yīng)速度,以及協(xié)調(diào)運行的一致性。

為提高程序智能化程度,兩臺磁控電抗器型靜止無功補償裝置各自采集母聯(lián)斷路器位置。當(dāng)母聯(lián)斷路器為合位時,兩臺磁控電抗器型靜止無功補償裝置進入?yún)f(xié)調(diào)控制狀態(tài),且由1號磁控電抗器型靜止無功補償裝置采集考核點的電壓及主變壓器高壓側(cè)的無功功率,作為控制目標。主機計算應(yīng)發(fā)無功功率,通過串行外設(shè)接口通信等容平均分配給子機,實現(xiàn)控制[13]。

協(xié)調(diào)控制的一個優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)冗余運行,若1號或2號磁控電抗器型靜止無功補償裝置任意一條支路出現(xiàn)故障,則主機檢測到故障狀態(tài)后,屏蔽出現(xiàn)故障的支路,并將無功功率目標值全部發(fā)送至正常運行的磁控電抗器型靜止無功補償裝置,最大限度保證考核點控制目標的實現(xiàn)[14-15]。

兩臺主變壓器并列運行時協(xié)調(diào)運行控制原理如圖5所示。

兩臺主變壓器分列運行時,控制器檢測到母聯(lián)斷路器處于分位,退出協(xié)調(diào)運行控制,即將各自對應(yīng)主變高低壓側(cè)電壓及無功功率作為控制目標。

5 應(yīng)用效果對比

2014年,宏山變電站應(yīng)用磁控電抗器型靜止無功補償裝置后,35 kV電網(wǎng)系統(tǒng)電壓質(zhì)量和220 kV側(cè)功率因數(shù)質(zhì)量大為改觀,基本上杜絕了原本存在的無功功率倒送問題。2013年,全年功率因數(shù)合格率為89.99%,全年功率因數(shù)不合格點為3 226個,占總不合格點的比重為19.5%。其中,由無功功率倒送引起的功率因數(shù)不合格點為1 998個,占總不合格點的比重為12.08%。2014年,全年功率因數(shù)合格率上升至97.20%,全年功率因數(shù)不合格點減少至980個,占總不合格點的比重下降至10.46%。其中,由無功功率倒送引起的功率因數(shù)不合格點僅為81個,所占比重僅為0.86%。截至2015年12月,功率因數(shù)合格率更是達到100%。

圖5 主變壓器并列運行時協(xié)調(diào)運行控制原理

由此可見,應(yīng)用磁控電抗器型靜止無功補償裝置后,該地區(qū)無功功率倒送現(xiàn)象基本杜絕,功率因數(shù)質(zhì)量有了明顯提高。

從典型日電壓和無功功率的監(jiān)測數(shù)據(jù)也可以明顯看到應(yīng)用磁控電抗器型靜止無功補償裝置后該地區(qū)電網(wǎng)電壓和功率因數(shù)的變化。宏山變電站應(yīng)用磁控電抗器型靜止無功補償裝置前后35 kV母線電壓對比如圖6所示,220 kV考核點無功功率對比如圖7所示。

圖6 宏山變電站35 kV母線電壓對比

6 結(jié)束語

由全年統(tǒng)計數(shù)據(jù)及典型日35 kV母線電壓曲線可以看出,磁控電抗器型靜止無功補償裝置應(yīng)用前,系統(tǒng)電壓經(jīng)常出現(xiàn)超出范圍的情況,且投切電容器也很難滿足控制策略的要求。磁控電抗器型靜止無功補償裝置應(yīng)用后,由于控制策略優(yōu)先保證35 kV電壓穩(wěn)定,因此35 kV電壓能夠很容易滿足給定的運行范圍要求,從而為小水電等分布式電源系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行打下了良好的基礎(chǔ)。

圖7 宏山變電站220 kV考核點無功功率對比

由無功功率曲線可以看出,應(yīng)用磁控電抗器型靜止無功補償裝置,具有連續(xù)線性調(diào)節(jié)的優(yōu)勢,既使變電站220 kV考核點保持較低的感性無功功率,又使功率因數(shù)滿足控制目標范圍,可以防止電容器頻繁投切給系統(tǒng)穩(wěn)定運行及電容器自身帶來的不利影響,進而最大限度降低網(wǎng)損。

磁控電抗器型靜止無功補償裝置在宏山變電站成功應(yīng)用表明,相比傳統(tǒng)投切式電容器不易實現(xiàn)多級兼顧控制的缺點,磁控電抗器能夠連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié),響應(yīng)速度快,無功功率平滑可調(diào),控制策略能夠做到多級兼顧,實現(xiàn)主變壓器并列及分列運行時的協(xié)調(diào)與獨立控制,通過控制電容器分組投切,能夠?qū)崿F(xiàn)更大的容量連續(xù)調(diào)節(jié)范圍。