基于磁控电抗器的变电站无功电压控制

磁控电抗器的动态无功补偿装置研究史欢1，陈丹2，曾文君1，陈斌1，黄晓胜2，李光生2（1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072；2.广西电网公司南宁供电公司，广西南宁530031）摘要：报告了当前变电站无功补偿的研究现状，指出磁阀式可控电抗器在电力系统无功和电压控制中的应用前景，分析了磁阀式可控电抗器（MCR）的原理特性和变电站无功补偿的原理，运用磁阀式可控电抗器能够平滑调节无功输出的原理研制了一种基于MCR的动态无功补偿偿置，研究了信号检测和PI闭环控制，设计了具有四种控制模式的控制系统。进行了磁控电抗器抑制系统电压波动和补偿无功的仿真研究，仿真结果表明了该装置抑制电压波动和补偿无功的有效性。在某220KV变电站的运行试验结果表明：控制系统稳定可靠，该补偿装置能够平滑的调节无功功率的输出，快速响应系统电压无功需求，很好的改善系统的电压质量和无功分布。关键词：可控电抗器；无功补偿；变电站；电压波动；电压质量0引言电力系统中的无功电压波动主要由炼钢电弧炉、电气化铁路等大容量负荷变化引起的，无功电压的波动导致电能质量下降和线路损耗增加。变电站无功补偿的目的是为电网枢纽点提供无功电压支撑，提高电网稳定性，增大线路输电能力并减小线损，抑制电网的功率振荡及工频过电压[1]，调相、调压以及优化无功潮流等[2]。目前对110kV及以上电压等级电网的电压和无功控制主要通过35kV或10kV侧的无功补偿装置来实现。如在10kV侧装设无功自投装置（AVC）[3]，但当变电站所带负荷波动较大时，需频繁动作，另外这种通过低压侧无功补偿来实现高压侧电压控制的方法不仅降低补偿效果、增加损耗，而且影响低压侧的电压质量。为解决110kV及以上电压等级电网电压控制和无功调节问题，需要在枢纽变电站安装能够频繁、连续调节的高压动态无功补偿装置。目前我国主要的无功补偿装置是开关投切的电容器[4]、固定电抗器和少量的动态无功补偿装置。文献[5]提出变电站无功电压协同优化及复合控制系统，较好地抑制了电压波动，但电容器组和变压器抽头的调节是离散的，不能频繁操作，控制效果欠佳，且投切电容器组产生的涌流和过电压对系统和设备本身都十分有害。目前应用广泛的动态无功补偿装置是TCR（ThyristorControlledReactor）型SVC[6-7]，采用相控模式势必产生严重的谐波问题[8]，另外结构复杂、维护费用高、可靠性差等缺点使其无法适合无人值守变电站的运行环境。可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的。我国1990年开始研究新型可控电抗器取得了一些理论和应用成果[9-10]。本文的主要工作是对磁控电抗器的原理和特性进行了分析，研制了基于MCR（MagneticallyControlledReactor）的新型静止、可连续调节的动态无功补偿系统及装置，具有调节速度快、谐波含量低的特点。进行了基于Matlab/Simulink的仿真研究，开发了相应的控制装置，设计了不同工况下的最优控制方式，并对现场运行试验效果进行了分析。1磁控电抗器的原理及特性1.1磁控电抗器原理磁控电抗器的简化结构如图1所示。磁控电抗器本体采用三相一体化结构，每相有2个工作铁心，每个工作铁心上绕有交流主绕组和直流控制线圈，同相2个铁心柱上的交流主绕组并联后接至电网，三相绕组星形连接，中性点直接接地。三相控制线圈接成双三角形，在三角形的顶点引出直流控制端；主铁心都为磁阀式结构。由于采用了极限磁饱和技术，在整个设计容量范围内，大截面铁心段始终不饱和，仅小截面段饱和，且饱和程度很高，因此可以大大减少电抗器谐波和有功损耗。ABC～25V～380V微机控制器25V***********图1可控电抗器接线原理Fig.1Wiringdiagramofcontrollablereactor整流器输出的直流控制电流对铁心分别起到增磁和去磁作用，以调节铁心磁饱和度。而MCR的容量取决于铁心的饱和程度。因而调节与铁心磁饱和度呈正比关系的直流控制电压，即可控制MCR的输出电流，达到平滑调节电抗器容量的目的。1.2伏安特性采用磁控电抗器的EMTP模型，计算在不同的直流控制电压Ek*作用下，交流工作电压Ul*与交流输出基波电流Il*的关系，如图2所示。得出当直流控制电压一定时，磁控电抗器的伏安曲线呈现明显的非线性。而在Ul*=1.0的极限饱和点时，磁控电抗器的伏安曲线为线性关系。图2可控电抗器伏安特性Fig.2Volt-ampereCharacteristicofcontrollablereactor1.3谐波特性文献[11]知单级磁饱和电抗器在不同磁饱和度时的基波和谐波电流的关系，得到磁控电抗器在单相运行方式下所产生的谐波电流In*分布如图3所示。可见3次谐波含量的最大值约为6.9%，5次约为2.5%，7次约为1.3%。谐波电流中主要是3次谐波含量。控制绕组为三角形接线方式，3次谐波在其中流通，不在主绕组中出现，可大大减小谐波含量。图3可控电抗器的电流谐波特性Fig.3Currentharmonicsofcontrollablereactor2变电站动态无功补偿原理变电站内安装110kV可控电抗器是为了实现变电站内电压稳定、限制潮流界面交换无功。其接入系统的原理如图4所示，P为流过主变压器的有功功率，Q为流过主变压器的无功功率，QL为磁控电抗器吸收的感性无功功率，QC为电容器组发出的感性无功功率（吸收的容性无功功率）。投切电容器组负荷信号测量控制系统触发脉冲隔离放大触发脉冲QcQLP+jQ220KV110KV电源图4MCR型动态无功补偿装置原理Fig.4StructuremapofdynamicreactivepowercompensationsystembasedonMCRinsystem接入110kV的磁控电抗器，实质就是一个注入到系统大小可变的感性电流源，注入的感性电流越大，在等效电源内阻上的压降越大，则接入点110kV电压越低，这也就是电抗器电流对系统电压的影响。在当前负荷水平下，根据系统无功和电压调整需求和经验运行数据，实现MCR与电容器组、变压器分接头的协调控制。控制装置实时采集系统电压、电流信号，经过信号处理送至单片机控制器，计算系统的有功功率及无功功率，根据检测量自动调整MCR的各相电抗大小，通过控制方案处理产生的控制信号，通过脉冲变压器传输到现场，分别控制电容器的投切、变压器分接头的调整及MCR的触发角，实现投入无功的合理调节。3控制系统设计3.1信号检测为简化分析和从实际情况出发，假定系统电压为正弦波，电流为非正弦波，分别表示为：)sin(2sin210nnntnIIitUu（1）式中：U为系统电压有效值，ω为系统频率50HZ，t为时间，I0为系统电流的直流分量，n为谐波电流的次数（n=1,2,…）,φn为系统电流的初相角。对电压、电流进行交流采样，每周期采样M点，得mu、mi（1,...,2,1,0Mm），由采样值可得电压、电流的有效值和有功功率分别为：12012010111MmmMmmMmmmUuMIiMPuiM(2)由电压和电流有效值可算出视在功率，并计算出无功功率大小。本文在信号采集时，目标电压为三相电压的平均值，目标电流为各相电流，目标功率为三相总的无功功率，将各相无功功率相加即可得三相总的无功功率。采用该算法检测电量可以满足系统精度及实时性要求。3.2PI闭环控制本文的控制系统设计了4种工作运行模式：定阻抗模式、系统电压控制模式、系统潮流无功控制方式、电压无功综合控制方式，不同的控制模式其设定的控制目标不同，分别用于实现性能测试、电压最优、无功最优、电压无功综合最优。根据该枢纽变电站对电压质量的严格要求，本文采用以系统电压为控制目标的PI闭环控制。由文献[12]知：1)2cos22(sin2cos)sin(21*1I（3）式中：I1*为电抗器基波电流，为单级铁心磁饱和度，为晶闸管触发控制角。具有电压反馈的闭环控制系统[13]如图5所示。系统的实际电压U和控制系统参考电压rU之间的差值rU被测量后就用来增大或减小补偿电纳，直到电压误差减小到可接受的水平为止。假设可控电抗器导纳LB与电压偏差输入rU成正比：rLUKB则有：2r0L)(UUUKKQ（4）K´0+K´网络线性化触发QLBLu—+ur△ur图5PI调节流程Fig.5FlowcharofPIadjustment令0rk/KUU，由式（4）得2k0)(UUUKKQL（5）令kUUU，并考虑到kUU可得：UUKKUUUUKKQ2k02k0L)(（6）式中：0K为互感器检测到的电压的放大倍数；K实际电压和参考电压差值的放大倍数。可知可控电抗器所产生的感性无功功率与电压的偏差近似成线性关系。当rU一定时，控制系统的斜率特性参数UQK/L与系统的开环放大倍数0KK成正比。控制装置的核心是测控输出子程序，PI控制目标是将110kV母线的电压稳定在设定的电压区间，控制量输出是三相整流桥的触发脉冲。4仿真研究为验证该动态无功补偿装置及其控制系统的对无功电压控制的有效性，建立了变电站Simulink仿真模型[14]，仿真过程中通过负载变化模拟公共连接点无功电压的波动现象，对电抗器投入作仿真分析。图6显示了安装电抗器前后负荷波动时的工况：如图曲线1所示，安装前负荷波动造成电压波动超过电压标准，在1.0s时切换负荷，2.0s时恢复，在1.0~2.0s时系统发生电压升高，增幅达3.5%；如图曲线2所示，安装后由于电抗器的实时补偿作用，明显降低了电压且响应时间极短，经过0.14s的过渡过程可将电压降低到允许电压水平。图7给出了无功负荷波动过程中可控电抗器电流输出波形。可以看出负荷的突变，引起了电网电压升高，当本文所研制的控制系统投运后，系统快速补偿了突变的无功量，改善了电网电压质量。仿真结果表明，系统具有抑制电压波动、快速补偿无功的特点，满足变电站无功电压控制的需要。图6负荷波动时电抗器抑制电压波动的仿真Fig.6Systemstabilizeswhenloadfluctuates图7电抗器输出电流Fig.7Outputcurrentofreactor5工程运行试验5.1现场装置系统接入整流变压器低压开关柜可控电抗器控制装置6路脉冲信号激磁同步MCR激磁110KV电抗器电流110KV侧电压110KV侧电流220KV侧电压220KV110KV电抗器本体380V通讯设备综合自动化投切电容器组开关柜电压互感器电流互感器电流互感器图8MCR型动态无功补偿系统接入Fig.8StructuremapofdynamicreactivepowercompensationsystembasedonMCR工程现场装置系统接入图如图8，系统潮流功率采样点既可以为变压器110kV侧，也可以为220kV侧，主要取决于功率的考核点，实际选择点为110kV。5.2效果分析变电站主变压器容量为120MVA，220kV线路出线6条，110kV出线6条，装有容性补偿装置4组共24Mvar，感性补偿装置4组共40Mvar。投运以来，丰水期220kV侧存在高电压水平运行，110kV侧电压受所带负荷（电铁气化铁路等波动性负荷）性质影响波动较大。通过现场试验，对电抗器投运后系统的电压质量进行了分析。5.2.1电压波动电抗器投运前，220kV侧电压合格率为99.58％，越上限有34点；投运后，电压合格率达到99.8％以上，越上限有18点，表明电抗器在一定程度上改善了220kV侧电压质量。电抗器投运前，110kV侧电压波动最高达19kV，部分时段达不到日电压波动不大于额定电压的5％要求。图9分别是投运前后110KV母线侧的电压曲线，可以看出，投运后电压波动得到了明显的改善。图9投运前后110kV母线电压曲线Fig.9110kVbusvoltagecurvesbeforeandafterope