磁控电抗器型静止无功补偿装置的应用

于 彪, 王德强

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1 应用背景

丽水供电公司220 kV宏山变电站有两台主变压器,可实现并列和分列运行。每台主变压器容量为50 MVA,分别安装一组电容器成套装置,电容器组容量均为10 Mvar。由于宏山变电站所带负荷主要为农村负荷和小水电等分布式电源,具有季节性强、日负荷变化大等特点,因此主变压器下设的两组电容器利用率很低,且无功补偿精度低,投入时过补,退出时欠补,导致电容器投切频繁。同时,由于单组电容器容量较大,在投切过程中对电网冲击大,严重影响35 kV母线电压的稳定性,导致主变压器分接开关频繁动作[1]。

为了解决宏山变电站存在的上述诸多问题,对宏山变电站中的无功补偿装置进行改造,两台主变压器下分别增设一台容量为10 Mvar的磁控电抗器型静止无功补偿装置。磁控电抗器型静止无功补偿装置与原有的电容器成套装置配合使用,可以实现感性-10 Mvar到容性10 Mvar无级连续可调。宏山变电站无功补偿装置接线如图1所示，两台主变压器并列运行时,通过协调控制,能够实现高精度无功补偿,且感性-20 Mvar到容性20 Mvar无级连续可调,以避免电容器组频繁动作,提高35 kV母线电压的稳定性,通过控制策略还可以兼顾220 kV侧功率因数。

图1 宏山变电站无功补偿装置接线

2 磁控电抗器工作原理

磁控电抗器型静止无功补偿装置采用自耦直流励磁和极限磁饱和工作方式,所产生的谐波大大减少,有功损耗降低,响应速度快。磁控电抗器的结构如图2所示,等效电路如图3所示。

图2 磁控电抗器结构

磁控电抗器的磁阀为铁心上截面积缩小的一段,在整个容量调节范围内,只有磁阀饱和,其余段均处于未饱和线性状态,通过改变磁阀的饱和程度可以改变电抗器的容量。磁控电抗器有两个并联的主铁心,截面积相等,每个铁心上绕有总匝数为N的绕组,分别由两个匝数为N/2的绕组对称分布在磁阀的上下两端。铁心上下两绕组各有一只匝数比为N2/N的抽头,抽头之间接有晶闸管KP1、KP2。不同铁心的上下两个绕组交叉连接后并联到电网。

图3 磁控电抗器等效电路

续流二极管D横跨在交叉端点上,在晶闸管导通关断时起续流的作用。磁控电抗器铁心的结构非常特殊,主铁心分为对称的两部分。在电源的一个工频周期内,晶闸管KP1、KP2轮流导通,起全波整流作用,二极管D起续流作用。改变KP1、KP2的触发角,可以改变直流控制电流的大小,进而可以控制电抗器的输出容量。因此,可以根据负荷变化,通过改变晶闸管触发角,实时连续调节电抗器的容量值,从而改变向系统注入的无功功率,并保持功率因数在较高值[2-4]。

3 磁控电抗器优点

磁控电抗器中所用晶闸管器件的工作电压均仅为电抗器额定电压的0.5%左右,满容量工作时,晶闸管的发热功率也仅为额定功率的0.5%左右。与普通双绕组变压器相似,磁控电抗器不需要专门的冷却水,损耗低[5-6]。现代电网的无功补偿正向着优化、动态和平滑调节方向发展,基于磁控电抗器的无功补偿有着广阔的发展前景。

在无功补偿中应用磁控电抗器,主要的优点如下:① 可靠性极高,免维护,使用寿命不短于20 a;② 能够在任何恶劣的电网环境下稳定、可靠工作;③ 可以直接运行于任何电压等级电网,安装简单,调试方便;④ 无功补偿容量无级调节,使补偿效果达到最佳[7]。

4 宏山变电站无功补偿控制策略

4.1 控制原则

针对宏山变电站的具体负荷情况和实际需要,制订无功补偿控制的基本原则如下:① 确保220 kV考核点无功功率不倒送;② 确保35 kV电压满足设定的上下限范围;③ 确保220 kV侧满足无功补偿功率因数控制目标。

无功补偿功率因数控制目标见表1。

表1 无功补偿功率因数控制目标

4.2 控制逻辑

对上述三条控制原则进行优先级排序,第①条最高,第③条最低。确定好优先级后,在进行控制逻辑设计时,需要考虑三方面内容。

(1) C语言中,if的逻辑分支等级最高,因此当检测到无功功率倒送时,按照感性增大的方向增大目标容量。若当磁控电抗器达到满容量后无功功率仍然倒送,则依次切除各电容器。切除所有电容器后若无功功率还是倒送,则经过一段时间延迟,由后台向运行人员发出报警信息。

(2) 保证35 kV电压满足设定的上下限,根据电压电流斜率计算磁控电抗器型静止无功补偿装置抬高电压至上限或降低电压至下限时磁控电抗器需发出的目标容量。

(3) 根据检测到的220 kV母线电压及有功功率,计算出补偿功率因数所需的无功功率,进而得到磁控电抗器的目标容量[8-11]。控制逻辑程序流程如图4所示。

图4 控制逻辑程序流程

4.3 协调运行控制

根据变电站的实际运行情况,当两台主变压器并列运行时,需要实现两台磁控电抗器型静止无功补偿装置的协调运行。两台主变压器分列运行时,只需要达到对应母线的控制目标即可。

两台主变压器并列运行时,需要合并考虑两段母线的无功功率因数,实现方案是1号磁控电抗器型静止无功补偿装置作为主机,2号磁控电抗器型静止无功补偿装置作为从机。协调运行模块由控制器单元内的现场可编程门阵列实现,通信接口为光纤高速串行外设接口[12]。由于通信调度周期只有5 ms,因此不会影响磁控电抗器型静止无功补偿装置的响应速度,以及协调运行的一致性。

为提高程序智能化程度,两台磁控电抗器型静止无功补偿装置各自采集母联断路器位置。当母联断路器为合位时,两台磁控电抗器型静止无功补偿装置进入协调控制状态,且由1号磁控电抗器型静止无功补偿装置采集考核点的电压及主变压器高压侧的无功功率,作为控制目标。主机计算应发无功功率,通过串行外设接口通信等容平均分配给子机,实现控制[13]。

协调控制的一个优点是能够实现冗余运行,若1号或2号磁控电抗器型静止无功补偿装置任意一条支路出现故障,则主机检测到故障状态后,屏蔽出现故障的支路,并将无功功率目标值全部发送至正常运行的磁控电抗器型静止无功补偿装置,最大限度保证考核点控制目标的实现[14-15]。

两台主变压器并列运行时协调运行控制原理如图5所示。

两台主变压器分列运行时,控制器检测到母联断路器处于分位,退出协调运行控制,即将各自对应主变高低压侧电压及无功功率作为控制目标。

5 应用效果对比

2014年,宏山变电站应用磁控电抗器型静止无功补偿装置后,35 kV电网系统电压质量和220 kV侧功率因数质量大为改观,基本上杜绝了原本存在的无功功率倒送问题。2013年,全年功率因数合格率为89.99%,全年功率因数不合格点为3 226个,占总不合格点的比重为19.5%。其中,由无功功率倒送引起的功率因数不合格点为1 998个,占总不合格点的比重为12.08%。2014年,全年功率因数合格率上升至97.20%,全年功率因数不合格点减少至980个,占总不合格点的比重下降至10.46%。其中,由无功功率倒送引起的功率因数不合格点仅为81个,所占比重仅为0.86%。截至2015年12月,功率因数合格率更是达到100%。

图5 主变压器并列运行时协调运行控制原理

由此可见,应用磁控电抗器型静止无功补偿装置后,该地区无功功率倒送现象基本杜绝,功率因数质量有了明显提高。

从典型日电压和无功功率的监测数据也可以明显看到应用磁控电抗器型静止无功补偿装置后该地区电网电压和功率因数的变化。宏山变电站应用磁控电抗器型静止无功补偿装置前后35 kV母线电压对比如图6所示,220 kV考核点无功功率对比如图7所示。

图6 宏山变电站35 kV母线电压对比

6 结束语

由全年统计数据及典型日35 kV母线电压曲线可以看出,磁控电抗器型静止无功补偿装置应用前,系统电压经常出现超出范围的情况,且投切电容器也很难满足控制策略的要求。磁控电抗器型静止无功补偿装置应用后,由于控制策略优先保证35 kV电压稳定,因此35 kV电压能够很容易满足给定的运行范围要求,从而为小水电等分布式电源系统的持续稳定运行打下了良好的基础。

图7 宏山变电站220 kV考核点无功功率对比

由无功功率曲线可以看出,应用磁控电抗器型静止无功补偿装置,具有连续线性调节的优势,既使变电站220 kV考核点保持较低的感性无功功率,又使功率因数满足控制目标范围,可以防止电容器频繁投切给系统稳定运行及电容器自身带来的不利影响,进而最大限度降低网损。

磁控电抗器型静止无功补偿装置在宏山变电站成功应用表明,相比传统投切式电容器不易实现多级兼顾控制的缺点,磁控电抗器能够连续动态调节,响应速度快,无功功率平滑可调,控制策略能够做到多级兼顾,实现主变压器并列及分列运行时的协调与独立控制,通过控制电容器分组投切,能够实现更大的容量连续调节范围。