一种新的TSC静止无功补偿装置保护方案

(国网天津市电力公司,天津 300110)



一种新的TSC静止无功补偿装置保护方案

刘 楠，王云昊，吴 杰

(国网天津市电力公司,天津 300110)

静止无功补偿器对维持系统稳定运行有重要作用。提出了一种针对桥型电容器接法的无功补偿装置保护方法，新的保护方案不仅仅对简单的电容器故障有效，而且对桥臂同侧电容器同时击穿故障也起到保护作用。基于PSCAD/EMTDC仿真结果验证了结论的正确性。

静止无功补偿装置；过流保护；晶闸管投切电容器；平衡电流

0 引 言

全球能源互联网力求解决全球环境问题，需要在全球范围内合理分布清洁能源，因此需要特高压技术在洲际之间传输清洁能源。为了维持系统的稳定运行，特高压技术需要大量的无功补偿装置维持系统电压的稳定。

传统的无功补偿方法是利用机械开关对电力电容器进行投切以实现无功补偿目的，但传统的补偿方法不能实现无功功率的动态调节，可能会影响系统的稳定运行，因此，静止无功补偿装置应运而生[1-2]。

静止无功补偿装置(static var compensator,SVC)反应快速，补偿效果好，主要有晶闸管控制电抗器型(thyristor control reactor,TCR)、晶闸管投切电容器型(thyristor switched compensator,TSC)以及两者的混合装置[10]。静止无功补偿装置对维护系统的无功需求，保持系统电压稳定具有重要意义，因此确保无功补偿装置的安全稳定运行至关重要。

SVC装置中含有大量的电抗器与电容器等装置，对于电抗器可以通过电流差动保护实现保护的目的。但电容器故障形式较为复杂，同时连接方式也不尽相同，因此对电容器的保护尤为重要[3-9]。针对TSC中桥型接线的电容器组的保护展开研究，提出了一种新的过电流保护方案。新的保护方案不仅仅利用桥臂中心平衡电流的变化，也对同侧桥臂同时被击穿的故障提出了解决措施。利用PSCAD/EMTDC搭建的仿真模型验证了新保护方案的正确性。

结构主要包括3部分：1)主要介绍了SVC的具体结构以及简单的保护配置；2)针对桥型电容器组接线提出了新的过电流保护方案；3)利用PSCAD仿真验证了结论的正确性。

1 静止无功补偿装置结构分析

图1给出了静止无功补偿装置(SVC)简单的系统示意图。静止无功补偿装置主要依靠晶闸管控制来实现对系统无功补偿，最终实现电压稳定的目的。考虑到高电压等级的晶闸管造价很高，因此静止无功补偿装置一般需要通过一个降压变压器与系统相连[10]。当与晶闸管相连接的元件为电感时，此时SVC为晶闸管控制电抗器型(TCR)；如果是电容，则SVC为晶闸管投切电容器型(TSC)。

图1 静止无功补偿装置简单系统图

现阶段，工程中一般混合使用TCR和TSC两种补偿装置[1]。图2给出了SVC典型的无功补偿装置配置图。显然，要实现对SVC的保护配置，就要求对SVC每个器件都实现保护。通过图2可以看出，TCR以电抗器为主，基于电流差动保护就可以很好地实现保护目的，对TSC中的电抗器也是一样的。但TSC中有电容器组(C1～C4)，并且构成了双桥臂形式；如果其中某一个电容器出现故障，比如被击穿，此时电流I和I2仍然相同，利用电流差动保护不能起到任何的保护作用。因此针对桥型电容器接线方式提出了一种新的过电流保护方案，从而实现对SVC的全面保护目的。

图2 典型静止无功补偿器配置图

2 一种新的过电流保护方案

2.1 保护原理的研究

通过图2可以看出，如果电容器组稳定运行，此时流过桥臂间的电流幅值为0；如果任何一个桥臂或者同旁桥臂发生了击穿等故障，如C1、C3或者C2、C4同时故障，此时桥臂不再平衡，电流I1的幅值将会增大，因此依靠电流I1的幅值可以识别大部分电容器内部故障。但如果同侧桥臂同时发生击穿等故障，此时对于电流I1而言，桥臂仍然平衡，如C1与C2同时被击穿，电流I1仍然为0。因此仅仅依靠电流I1是不能完全识别电容器组故障。

假设C1=C2=C3=C4=C，则存在电流I的幅值为

I=ωC(Ua-Ub)

(1)

式中:ω=2πf，表示系统角频率，f为系统频率。

当同一侧桥臂同时发生击穿故障时，存在

I′=2ωC(Ua-Ub)

(2)

当同侧桥臂同时被击穿时，电压Ua、Ub会同时降低，但差值(Ua-Ub)不会变化太大。显然同一侧电容器击穿时，电流I的幅值会大约增加1倍，此特征可以作为识别同一侧电容器是否同时被击穿。显然，如果4个电容器同时被击穿，此时存在Ua=Ub的显著特征变化，但此种情形一般不常见，在此不做讨论。

2.2 新的保护逻辑方案提出

通过2.1节的分析可以得出如下结论：

1)如果电流I1由0突然增大，则表示电容器组肯定存在故障，要及时隔离SVC，重新对SVC的器件进行检查或更换；

2)如果电流I1幅值保持为0，并且电流I幅值不变，则表示电容器组并无故障；如果电流I幅值增加，则表示同侧桥臂的电容器同时击穿，需要迅速隔离SVC，重新对SVC器件进行检查或更换。

图3给出了具体的保护逻辑框图，其中ε和ε1分别表示2个门槛值, ΔI、ΔI1表示电流I和I1幅值的变化。其中由于正常运行时 ΔI≈0，因此ε可取较低的数值；由于 ΔI1在同侧电容器同时击穿时可达到正常电流I的2倍，同时为了避免其他因素的影响，因此ε1可取一个相对较大的数值。

图3 保护逻辑框图

3 仿真算例

基于PSCAD/EMTDC搭建了如图2所示的TSC模型，其中低压母线电压为20 kV, 电感L=0.02 H，电容C=0.01 uF，故障时刻为0.5 s。

3.1 C1被击穿仿真算例

图4给出了电容器C1被击穿时电流I1的变化曲线。通过图4可以看出，在电容器组稳定运行时，电流I1幅值几乎为0。当C1被击穿时，不平衡电流显著增大，根据保护逻辑，需要及时将SVC切除，对损坏的电容器进行更换。

图4 C1被击穿仿真结果

3.2 C1、C2同时被击穿仿真算例

图5给出了同侧桥臂C1、C2同时被击穿时电流I1和I的变化曲线。通过图5可以看出，虽然电流I1一直为0，但电流I在0.5 s时几乎增加了1倍左右，显然根据新的保护逻辑，电容器组发生了故障，需要及时将SVC与电网隔离，对器件进行检查与更换。

图5 C1、C2同时被击穿仿真结果

4 结 论

针对SVC的保护问题进行了详细的研究，并提出了一种新的过电流保护方案：电流I1出现了不平衡电流，则表示TSC发生了故障；I1电流为0，但如果电流I幅值增加，表示同一侧桥臂同时发生故障，同样需要将TSC与电网隔离。新的过流保护方案较为简单，具有较好的工程应用价值。

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The static var compensator plays a key role in keeping the stable operation of power system. A novel protection method for capacitor with bridge connection is proposed. This novel method does not only work for simple capacitor fault, but also for the simultaneous breakdown fault of the capacitors located in the same side of the bridge. The simulation results based on PSCAD/EMTDC prove the conclusion to be correct.

static var compensation (SVC); overcurrent protection; thyristor switched compensator (TSC); balanced current

TM531 <文献标志码：a class="emphasis_bold"> 文献标志码：A 文章编号：1003-6954(2016)06-0051-03文献标志码：a

1003-6954(2016)06-0051-03

A 文章编号：1003-6954(2016)06-0051-03

2016-06-11)

刘 楠(1982)，硕士、工程师，主要从事电网电力调度、监控运行等工作；

王云昊(1986)，硕士、工程师，主要从事电网调度运行等工作；

吴 杰(1981)，硕士、工程师，主要从事电网调度运行等工作。