基于感应滤波的新型晶闸管控制变压器仿真研究

2019-01-15覃日升刘明江

上海电气技术 2018年4期

覃日升, 李虹, 段兵, 刘明江

1.云南电网有限责任公司电力科学研究院系统分析与直流研究所昆明 650000 2.云南电网有限责任公司红河供电局云南蒙自 661100

20世纪70年代,BBC公司研制出第一台晶闸管控制变压器(TCT)。此后,针对传统TCT谐波过大问题,陆续发展出多绕组式TCT、多并联支路式TCT、增设滤波绕组式TCT等多种解决方案。受制造难度与造价的限制,多绕组式TCT在工程中尚无应用实例[1-3]。针对某电网电压偏高、长期越限运行的工程问题,笔者提出加装基于感应滤波的新型TCT的解决方案,并对新型TCT的稳压能力与谐波特性进行仿真验证。

1 传统TCT工作原理

静止无功补偿器(SVC)的主要功能是在消耗无功的位置就地进行无功补偿,减少无功功率在线路中的流动,减小线损,提高供电电压水平与功率因数[4-5]。

TCT是晶闸管控制电抗器(TCR)的一种变形,单相TCT拓扑图如图1所示。

由图1可知,传统TCT的本体是一台高漏抗双绕组降压变压器。一次绕组与电网直接相连,称为电源绕组。二次绕组串联一对反相并联的晶闸管,称为控制绕组。TCT中由变压器的高漏抗代替TCR中的电抗器,通过改变晶闸管触发角,使TCT相当于一个可控导纳。TCT消耗的无功功率连续可调,达到动态补偿无功功率的目的。

图1 单相TCT拓扑图

2 传统TCT谐波特性

由于变压器的二次侧电压可以低至1 kV以下,在单个晶闸管器件的工作电压以内,因此TCT除了具备与TCR同样的响应速度之外,还能避免晶闸管串联带来的均压问题。

但是,TCT在正常工作时不可避免地会产生大量谐波,必须采取谐波抑制措施。一种方法是将固定电容器和电感串联构成滤波器来滤除谐波;另一种方法是对装置本体结构进行改进,以减少TCT产生的谐波。

分析单相TCT的工作过程,得到不同触发角度下TCT产生的谐波电流。

(1)

由以上分析可知,当α为90°时,晶闸管在一个周期内始终处于导通状态,控制绕组流过的电流为不含谐波成分的正弦波。当90°<α<180°时,晶闸管仅在一个周期的部分时段导通,控制绕组流过的电流中含有大量谐波。

对式(1)进行傅里叶分解,可得iTCT(α)的基波分量有效值I1(α):

(2)

iTCT(α)的谐波分量有效值In(α)为:

(3)

式中:XL为控制绕组电抗值;n为谐波次数,n=3,5,7…。

搭建容量为20 MW、变比为35 kV∶1.5 kV、短路阻抗为100%的TCT仿真模型,其控制绕组的电抗值XL为0.112 5 Ω,折算到一次侧为61.25 Ω,控制绕组的额定电流IN为7.7 kA。

TCT的谐波电流波形如图2所示。

由图2可知,TCT产生的谐波主要为3次、5次、7次和11次谐波,各次谐波的最大值及所对应的触发角α见表1。

图2 TCT谐波电流波形

表1 TCT谐波电流最大值与触发角

3 基于感应滤波的新型TCT

3.1 感应滤波原理

滤波绕组通过感应滤波技术产生与控制绕组谐波电流相反的谐波电流,将谐波隔离在电力系统二次侧,避免谐波流窜至电网侧而扩大污染和危害,同时有效削弱谐波对TCT本体所产生的不利影响,如损耗、噪声加大等[6-7]。

笔者提出的基于感应滤波的新型TCT拓扑图如图3所示,其中W1为电源绕组,W2为控制绕组,W3为增设的滤波绕组。

图3 基于感应滤波的新型TCT拓扑图

以单相新型TCT为例,分析基于感应滤波原理的新型TCT的谐波抑制原理。

如图4所示,W1的匝数为N1,等值谐波阻抗为Z1n;W2的匝数为N2,等值谐波阻抗为Z2n;W3的匝数为N3,等值谐波阻抗为Z3n;滤波器的谐波阻抗为Zfn;W2中的谐波电流为Isn。

图4 基于感应滤波的新型TCT单相等效模型

W1中的谐波电流I1n为:

(4)

由式(4)可知,当Z3n+Zfn=0时,恒有I1n=0。在设计变压器时,保证增设的滤波绕组W3的基波等值阻抗Z3为0,则W3的任何次谐波阻抗Z3n均为0。完成增设滤波绕组的零等值阻抗设计后,与W3连接的滤波器只需进行完全谐振参数设计,即可保证其等值阻抗Zfn为0[8]。

设Zn12、Zn13、Zn23依次为W1与W2、W1与W3、W2与W3之间的n次谐波短路阻抗,绕组间短路阻抗与各绕组等值阻抗之间的关系式为:

(5)

当Zn13=Zn23=0.5时,满足Zn12为1、Z3n为0的限定条件[9]。

3.2 装置参数

滤波器设计最主要的问题是滤波电容器的选取。在满足谐波标准基本要求的前提下,滤波器电容的容量有多种选择。针对电压偏高问题,采用只考虑滤波性能要求的最小滤波电容安装容量法。所谓最小滤波电容安装容量法,是指满足谐波标准的所用电容器容量最小的滤波器参数设计方法。

根据最小滤波电容安装容量法,滤波器中电容器的无功容量为[10]:

(6)

式中:U(1)为系统交流母线电压的基波分量;If(n)为引入滤波电容器的谐波电流。

将前文分析得到的TCT正常运行时产生的主要次数谐波最大值代入式(6),可得与W3配套的各次滤波器的容量及参数,见表2。

表2 新型TCT滤波装置主要参数

新型TCT主要参数见表3。

表3 新型TCT主要参数

4 无功补偿分析

4.1 补偿方案

当负荷消耗的无功功率变化时,固定电容器提供的无功功率是固定且不可控制的,然而新型TCT补偿的无功功率可以跟踪负荷变化且动态调整,使系统消耗的无功功率为恒定值[11]。

新型TCT无功补偿系统的拓扑图如图5所示。控制部分采用反馈比例积分控制算法,将线电压的目标值35 kV与实际值进行比较,其误差作为输入量传递给比例积分电压调节器,计算出新型TCT需要补偿的电纳值,并通过查表模块得到相应的触发角来控制TCT消耗的无功功率[12]。恒电压比例积分控制策略框图如图6所示。