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基于磁阀式可控电抗器的无功补偿系统

北极星电力网技术频道    作者:钱建华  陈柏超    2003/6/10 0:00:00   

摘  要: 电气化铁路自然功率因数低,现有的并联电容补偿方式难以使系统达到标准要求,影响了企业的经济效益。用磁阀式可控电抗器调节电气化铁路系统的无功功率,主要需要解决的内容有非线性电路的无功功率的测量和快速调节,保证功率因数保持在0.9以上。以利用直流电流控制铁芯的磁饱和度来达到平滑调节目的的磁阀式可控电抗器为补偿元件,晶闸管为执行元件,用80C196KC单片机进行控制,保证了补偿的快速性、准确性、合理性。实验和样机试运行均表明:该动态无功补偿系统能快速补偿系统无功,使功率因数保持在较高水平,很好地改善了供电质量,提高了供电系统的经济效益。
关键词 电气化铁路 磁阀式可控电抗器 无功功率 平滑调节 功率因数 经济效益
1 引言
   
随着电网规模的不断扩大,以及各种用电设备接入电网消耗大量的无功,无功不足和电压波动大的问题日益突出。这时仅靠调节发电机励磁电流的手段已经不能满足要求。从20世纪初开始,人们就对无功补偿技术进行了大量的研究,为改善负荷功率因素,逐步采用了同步调相机、并联电容器、并联电抗器、串联电容器、现代静止补偿器等无功补偿手段。控制方式也有集中式控制、分散控制和关联控制等方式,控制策略更是从经典控制转入了智能控制。
  电气化铁路是重要的电力用户,其无功问题也一直很严重。电气化铁路电力机车和牵引变电所无功补偿装置的技术状态,直接关系到运输生产的经济效益。提高电气化铁路功率因数有两种方法:一是提高负荷(电力机车)的功率因数,这可通过改造原有电力机车或研制高功率因数的电力机车来实现;二是实时监测、调节系统的无功功率,使功率因数始终保持较高值。前一种方式由于需要大量的资金,短时间内还不能实现。现在比较常用的无功补偿装置有两种:一是开关投切电容器组,但是当供电馈线没有电力机车通过时,并联的电容器组向系统倒送无功,而电力部门对无功补偿装置实行"反转正计"(即把用户反送电力系统的无功与取用的无功电量绝对值相累加),使功率因数达不到0.9标准;开关投切电容器组还产生涌流和电磁暂态,造成过电压,实际运行曾出现过用开关投切电容器组而引发的系统过电压事故;二是使用晶闸管控制电抗器(TCR),但价格贵,占地面积大,谐波含量大。
  采用可控电抗器配合并联电容器组,能满足电力机车运行方式多变,负荷变化快的特点,并且该装置能平滑调节无功功率,造价低,可靠性高,产生谐波小,是电气化铁路系统动态无功补偿的较好选择。
  本课题的主要工作是:对无功补偿装置的控制方案进行研究,确定一种更有效的、对电网更有利的控制方式;设计晶闸管触发电路,确定正确的导通角;进行基于磁阀式可控电抗器的控制装置的设计;对样机进行实验和调试。
2 磁阀式可控电抗器及特性
  图1为磁阀式可控电抗器的原理图。由图可见,磁阀式可控电抗器的铁芯磁路由大截面段和小截面段串联而成。两个匝数为N的线圈分别对称地绕在两个半铁芯柱上,每一半铁芯柱上下两绕组各有一抽头比为δ=N2/N的抽头,它们之间接有可控硅K1(K2)。不同铁芯的上下两个绕组交叉连接后,并联至电网电源。

  在可控电抗器整个容量调节范围内,大截面段铁芯始终处于磁铁性的未饱和线性区,磁阻相对于小截面段可忽略;小截面段的磁饱和度可设计得接近极限值。此时,可控电抗器所产生的谐波很小,大约为晶闸管控制电抗器所产生谐波的一半。此时容量已达到极限值,所以磁阀式可控电抗器过负荷能力较差,但其特别适合于高压配电网中调压和无功补偿;若不考虑长线过电压限制问题,亦可用于线路充电功率的补偿。
  在电源的一个工频周期内,可控硅的轮流导通起全波整流的作用。改变可控硅K1和K2的触发角便可改变控制回路电流的大小,以改变电抗器的饱和度,从而平滑连续地调节可控电抗器的容量〔2〕。
3 动态无功补偿装置原理
  图2为电气化铁道供电系统和动态无功补偿器接线方式。动态无功补偿系统由单相可控电抗器和固定电容器组成。当电力机车进入牵引变电所所辖范围时,固定电容器组充分补偿机车感性无功,可控电抗器的容量调到最小(空载);当电力机车驶出所辖电网以外后,电容器向系统倒送无功,此时,迅速调节磁阀式可控电抗器的容量到最大值,以吸收容性无功;在电力机车负荷变化的过程中,可控电抗器快速跟踪补偿剩余容性无功,从而保证了高
功率因数。与此同时,电容器组同时还起着3次,5次以及高次谐波滤波器的作用。

4 无功检测和控制回路
   
为简化分析和实际情况出发,假定电气化铁路系统电压为正弦波,电流为非正弦波,分别表示为:

式中I1为基波电流有效值,I为总电流有效值,cosφ1为基波功率因数。
  由于本系统中可控电抗器和电容器组的主要功能是补偿基波无功,其可表示为:


  为快速调节可控电抗器的容量,可以设定一个阈值,当Q的绝对值大于此值时,我们把电抗器全投入或全退出(依据ΔQ的符号)。此阈值的设定要根据动态补偿装置中电容器组的容量来设定,避免负荷在电感和电容之间不停振荡。当ΔQ的绝对值小于此值时,依据ΔQ和触发角的关系,发出相应的触发脉冲。
5 控制装置硬件结构
   
控制装置原理框图如图3所示。各部分功能介绍如下。
5.1 信号取样部分
  从系统一次侧取出的电压、电流信号,经变换、滤波后送至微处理器。
5.2 采样部分
  利用CPU(80C196KC)的片内A/D。由于其A/D为单极性,所以要用+2.5V的电压基准LM385,把峰峰值为5V的交流信号上抬为0-5V的直流信号。
5.3 信号输出部分
  可控饱和电抗器是通过改变可控硅的触发导通角来改变控制电流的大小,从而改变铁芯的磁饱和度,来平滑地调节可控电抗器的容量。在每个工频周期,都必需发出触发可控硅的脉冲。此时必需准确确定时间基准,我们取电压同步信号,利用过零比较器LM311,把弦信号变为方波。把此方波信号接至CPU的HSI.0脚,采用HSI.0中断,可在任何希望的时刻触发晶闸管。为保证强电和弱电的分离,输出信号经过4N25光电隔离,再接入晶闸管。
5.4 外部接口
  采用人机接口,通过键盘,可手动调节可控硅的触发角,也可显示无功功率、功率因数、电流、有功功率等值。不使用键盘时,可自动调节可控硅的触发角。

6 谐波抑制
  利用可控电抗器上述的谐波分布和相位特征,将两组可控电抗器并联,通过一定的控制策略,可以使两组电抗器所产生的大部分谐波相互抵消。图4为单相可控电抗器组的接线原理图。图中L1为可控电抗器组第一单元,其额定工作状态下的磁饱和度为π,额定容量占总容量的三分之一;L2为可控电抗器组第二单元,其额定工作状态下的磁饱和度为2π,额定容量为总容量的三分之二。  

  对可控电抗器的控制策略为:在0~1/3额定容量(两组电抗器总额定容量)范围内调节可控电抗器L2的,使满足容量要求;在1/3~1额定容量范围内变化时,则协调控制电抗器L1和L2,使得两者产生的大部分高次谐波相互抵消,即其中某单元电抗器所产生的谐波由另一单元电抗器所旁路(吸收),即图4中的in
  由于电抗器单元L2的额定容量占电抗器组总容量的2/3,根据可控电抗器谐波分布特性,所产生的最大三次谐波电流幅值为总额定基波电流的(2/3)×7%,故在0~1/3容量调节范围内电抗器组所产生的最大三次谐波电流约为额定基波电流的4.67%。电抗器单元L2在到达1/3总额定容量时所对应的磁饱和度为β=π。
  在1/3~1的容量调节范围内,电抗器单元L1的磁饱和度在β1=0~π间变化,而单元L2则在β2=π~2π间改变。不难理解,在上述容量调节范围内,电抗器单元L2所产生的三次谐波与单元的三次谐波反相。若通过控制,使β1和β2具有如下的关系:

    可计算出电抗器组的谐波分布如图5所示。[2]横坐标为基波电流标幺值,基准值为额定基波电流;纵坐标为各次谐波电流均方根标幺值,基准值为额定基波电流。曲线1为单个电抗器运行时的情况;曲线2为具有谐波自补偿功能电抗器组的情况。由图可见,电抗器组在1/3~1容量调节范围内的谐波含量不大于额定基波电流的2.8%。


  具有谐波自补偿功能的可控电抗器组在不同磁饱和度β(单元L2)下的输出电流波形如图6所示。

7 实验分析
  用两台320 V、1000 VA的可控电抗器,其中一组可控电抗器的额定磁饱和度为βn=2π;另一组βn=π。所测得三次和五次谐波的分布如图7所示,图中三次谐波电流分布与图5中的理论计算结果相吻合。

  为进一步说明所述谐波补偿方式的有效性,对所提出的具有谐波自补偿功能的可控电抗器组和单台可控电抗器的电流畸变率(THD)进行实验比较,图8为实测结果。

  可见,将单相可控电抗器分为两组,它们的额定容量和磁饱和度各不相同,通过一定的调节,可使每个并联电抗器单元的谐波相互抵消,从而使并联电抗器组的谐波水平大大降低,那么单相可控电抗器输出电流波形就可得到显著改善。
  目前,已研制出27.5 kV,4500 kVA可控电抗器的补偿装置样机,并联电容器组为6000 kVA,将其投入运行取得了十分满意的效果。现场测量表明:无任何补偿时的功率因数为0.75,加固定电容器组补偿后提高到0.85左右;加入所研制的可控电抗器补偿装置使功率因数保持在0.95的高水平。
8 结论
  所研制的电气化铁路无功补偿系统,实验和样机试运行均表明:该动态无功补偿系统能快速补偿系统无功,使功率因数保持在较高水平,而且也能满足谐波抑制要求,很好地改善了供电质量,提高了供电系统的经济效益。此外,从平衡负荷的角度考虑,应采用分相补偿方式。但从经济性和电力部门对无功功率考核方式考虑,亦可仅在某相装设一组电抗器动态补偿装置。今后,随着电力部门对用户要求的提高,将广泛推广分相补偿,以在提高功率因数的同时改善负荷不平衡的问题。

参考文献
1 刘虹,伊忠东,陈柏超,陈维贤.新型可控自动消弧成套装置的应用研究.电力系统自动化.1998,22(2):9
2 陈柏超.新型可控饱和电抗器理论及应用.武汉:武汉水利电力大学出版社,1999
3 T.J.E米勒主编,胡国根译.电力系统无功功率控制.北京:水利电力出版社,1990
4 王兆安.谐波抑制及无功功率补偿.北京:机械工业出版社,1998

来源:电力系统及其自动化学报
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