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利用智能电容实现变电站10kV母线的多级补偿应用方法

2020-02-01袁俊球许福泉

电子技术与软件工程 2020年10期
关键词:金坛电容器电容

袁俊球 许福泉

(1.国网江苏电力公司常州供电公司金坛分公司 江苏省常州市 213200 2.华研国电(北京)科技发展有限公司 北京市 100096)

1 金坛地区电压质量治理现状和新方法的研究

配电网变电站母线电压是考核变电站出线电压质量主要指标,为保持10kV 电网电压的稳定,金坛供电分公司QC 小组在2013年就开始线路分段补偿的方法的研究,提出了10kV 高压智能电容器单元设计并投入了相应的技术和人力,智能电容器的研发成功的解决了柱上补偿的难题,到了2019年线路末端电压逐步的予以解决,研究成果获得了专利。然而变电站母线电压的问题也较为突出,首先是变电站电容补偿装置安装较早,设计容量上是按照变压器总容量计算设计,并且与运行是一体化设计,投入时一起投入,这就经常出现尴尬的局面,不投电压不合格,投入后电压超标的问题,并且一次投入时,产生的涌流也比较大,因此电容也容易损坏,一旦电容出现问题,整体上就出现了无法工作,只能检修后恢复。

因此金坛供电提出了利用高压智能电容器实现变电站实现动态分组补偿的新方法,并在下半年进行了研究和实践,目前样机已经安装在金坛南阳变电站,初测运行安全稳定。

2 传统式母线补偿主要问题分析

典型的35kV 变电站接线方式和电容补偿设计:

由图1、图2 看出,整个变电站补偿部分不做控制,只有隔离开关,主要通过出线开关控制电容运行状态。

这样的运行方式可能出现以下问题:

(1)投切时容量太大产生涌流导致电压波动。

(2)投入后可能过压,造成更多的问题;

(3)设备安装空间大,浪费资源;

(4)设备任何部件损坏只能停运检修。

(5)只能进行调压,无法解决三相不平衡问题。

3 金坛10kV高压无功调压补偿设计思路

(1)由一档变成多级和无级配合应用,实现平滑电压输出。充分利用已获得的科技成果,并通过技术革新,把高压智能电容器应用于变电站集中补偿,达到分组级差控制,缩小调整容量。

(2)单元化模块设计,节省空间,可多种组合方式实现无限扩展。在设计柜体结构中,充分利用智能电容器单元一体化设计特点,把空间节省,单个柜体可做到1200kVar,多柜台组合,可以实现大容量的组合,这次革新还对控制器的扩展方式和通讯模式做了革新,使其适用于变电站的应用。

(3)可通讯远动控制,实现集中管理和VQC 的调度管理。在通讯上专门设计了通讯模块,预留了多个接口和多个协议,调度可直接获取新型智能电容器单元的运行状态和异常情况。远程可随时进行容量控制,自动运行模式下,可自动按照设定好参数运行无需干预。

(4)可隔离故障回路,保持设备运行。单元的控制在控制器中可进行设定,做隔离的电容器单元将不再进行工作,确保其他完好电容器正常运行。

图1:变电站典型一次图

图2:变电站典型补偿图

图3:变电站集中综合补偿原理图

(5)经济适用,利于推广。投资成本是十分重要的问题,这决定了该设备研究后能否推广,所以项目组非常注意投资效益比,尽可能减少投资。

4 设计方案

4.1 组屏方式

单柜体以1200kVr 为例,可按照两种方式组屏:平铺式组屏和上下排列式组屏。

平铺式组屏优势是高度低,2米高度就可以满足要求,安装方便,缺点是占用空间大。

上下排列式组屏优势是占用空间小,单柜只需1500*1200 占地,适合安装狭小空间,缺点是安装麻烦,高度有限制地方不好安装。

在金坛南阳变实施本项目研究中受到门的影响,采用了第一种方案,并采用了分体式设计,得以顺利安装。

4.2 一次组网的无级和有级的结合

随着电子技术成熟,IGBT 除了在低压上应用,在高压上也趋于成熟,因此,在变电站母线上处理补偿调压问题,可以结合SVG和FC 的有效结合,实现无缝对接,达到无级调压的目的。

如图3 的设计原理图,采用5 台智能电容器单元和一台SVG结合,总容量1200kVar,利用SVG 来调整三相不平衡和200kVar的细致性调整。

4.3 智能电容的主要原理和优势

功能:

Hz+ Hz- 开关控制 用以投切电容的控制;

ZT COM 开关状态 用以获取开关状态,判断开关是否运行;

IaIbIc 运行电流 用以监视电容运行状态,是否出现异常。

智能电容内置限流电抗、复合专用开关,高压电容,放电线圈等。

智能电容的新技术优势:

4.3.1 复合开关的10 万次稳定操作

(1)断电后自动切开开关;

(2)体积小,便于组屏,厚度小于0.3 米,高度小于1 米;

(3)可获取运行状态,便于监控和管理。

4.3.2 主控原理

如图5所示,中央处理单元由三部分组成,一是负责电容开关的状态和开关投切输出输入控制与人机交互的ARM 处理器,另一单元则是负责复杂数据运算与控制DSP处理器,还有就是通讯处理,与外界通讯能够进行交互。装置内集成两块CPU,既相互协作又各自分工,极大地提高了该装置的可靠性与精准度。ARM 处理器具有体积小,功耗低,高性能的优点,运算过程中能够大量使用寄存器,执行速度快,效率高。

为了便于多台变电站多级补偿装置联网,所采用的控制方式不同于传统补偿的思路,每台柜子要独立运行驱动模块,用于完成电容状态的采样和电容投切控制。

控制器设计上采用了分模块式设计,其中采集模块和电源模块集成在一起,驱动模块和电容采集模块集成在一起,通讯模块独立设计。

在实际工程中,从机和驱动箱可无限制扩展,理论上最多可扩展256 路智能回路,但实际上只要24 路就足够了。

5 不同运行模式下的控制理论分析

(1)第一种模式,原变电站已有集中补偿容量不足,采用新型复合式电容增容同步运行模式,即LC+LCx 模式,LC 是原有模式不变,LCx 是增容智能电容,这需要在智能电容的控制器上修改参数,通过电压的定值自动运行即可,主电容停运后,LCx 自动脱离运行,并自动断开,下次主回路运行时,再重新计算对比定值投切智能电容。

Lc 运行时,U

图4:智能电容系统图

图5:控制器主控原理图

(2)第二种模式是变电站所有补偿全部采用复合式改造方案进行改造,即纯LCx 模式或者LCx+SVG 模式,此运行模式下可采用两种运行同步模式,首先优先电压模式,然后电压和无功缺口作为判据同步运行模式。首先U 大于等于Ud,SVG 首先运行,如果U 仍然大于Ud,第一路电容投运,即形成LC1+SVG 仍不足LC1+LC2+SVG,以此类推,直至投满为止,反之逐个切除。

6 采集驱动模块原理设计

这种采集驱动模块设计有两个方案,一个是建立自己的处理中心用485 连线接入中央处理器,这样做的好处是可建立多驱动模块并行,这样就可以实现无限扩展控制路数,最多可带256 台智能电容组用排线连接可省下安装一个计算转换芯片,降低成本,但这样做只能带12 路电容。

7 电容运行的优化管理

在主程序里针对各路智能电容器的运行做了统计分析,并有记忆功能,例如上次投入过的电容支路,下次投入电容时,就自动进入下一路的电容,始终是各支路均衡运行,保持各电容同步。当运行中的电容出现异常,系统自动判断,并屏蔽该回路,不再投入,并将异常信息存在寄存器里,便于调阅和管理,主站也能收到一异常告警信息。提示运行人员及时处理该故障。

8 推广优势价值

变电站补偿目前大多都是城网改造和农网改造活动期间所上设备,大多都超期服役或者是临近到了寿命周期,更新换代在所难免,在智能电网新要求下,再沿用老的模式是不适应的,因此金坛这套变电站无功调压解决方案,具有很高的实用性,并且投资不比传统革新多多少。这种模式的变电站补偿将是一种新的科技进步,重点是,合理的运行方式是保证电压质量的保障。

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