基于磁阀式可控电抗器的无功补偿系统

1、基于磁阀式可控电抗器的无功补偿系统 钱建华陈柏超(武汉大学电气工程学院武汉市 430072THE APPL I CAT I ON OF REACT IVE POW ER COM PENSAT OR ON M AGNAT I C -VAL VE CONTROLLAB L E REACT OR IN EL ECTR I C RA I LW AYQ ian J ianhua Chen B aichao(W uhan U n iversity , W uhan , 430072ABSTRACT N atural pow er facto r in electric rail w ay sys 2 te

2、m is low and the mode of compensati on w ith parallel ca 2 pacito r cant m ake the facto r satisfy the standards , w h ich affect the econom ic benefit . U sing the valve contro llable reacto r to contro l the reactive pow er of electric rail w ay system , w itch m ust so lve the p roblem of reactiv

3、e pow er m easurem ent , and adop t the quick adjust m ethod to insure the pow er facto r h igher than 0. 9. T he reacto rs contro l m agnetic saturati on w ith direct current s moo adjustm ent . A dop ting theponent , the part the SC M 80C 196KC as secti on , insure the h igh speed and p recisi on

4、and m ake the system mo re reasonable . T he experi m ents and running tests all indicate that the dy 2 nam ically compensato ry system of reactive pow er can com 2 pensate the reactive pow er speedily and m ake the pow er facto r on the h igh level . T he device i m p roves the quality of pow er su

5、pp ly and the econom ic benefit of the pow er de 2 partm ent .Key W ords electric rail w ay system , valve contro llable recto r , reactive pow er , s moo th adjustm ent , pow er facto r , econom ic benefit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

6、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 80C 196KC 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

7、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 , 为改善负荷 、 并联电容器 、 并、 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

8、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 ,

9、 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第 15卷第 2期 2003年 4月 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报P roceedings of the EPSAV o l . 15N o. 2 A p r . 2003 本文 2002年 10月 24 日收到择 。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

10、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 =N 2 N 的抽头 , 它们之间接有 可控硅 K 1(K 2 。 不同铁芯的上下两个绕组交叉连 接后 , 并联至电网电源 。1 , 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

11、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 K 1和 K 2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

12、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 。图 2 动态无功补偿器接线方式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 :u =2U sin ti =I 0+6n =12I n

13、sin (n t +n (1在正弦电压和非正弦电流条件下 , 功率因数可表示为 :co s =Ico s 1(2式中 I 1为基波电流有效值 , I 为总电流有效值 , co s 1为基波功率因数。 76 2003年第 2期 基于磁阀式可控电抗器的无功补偿系统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 :Q =U 3I 13sin 1(3 实际考核的功率因数可近似表示为 :co s =co s 1=S(4式中 P =220u i d (t =U 3I 1co s 1=32631k =0u (k 3i (k ,S =U 3I 假 设补偿前系统的无功功率为 Q ,

14、功率因数为 co s 1, 补偿后的功率因数为 co s 1, 所需补偿容量 Q 为 : Q =Q (1-tg 1=Q (1-2-1co s 2 1-1 (5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 , 投入或全退出 (依据 Q , 避免 。 当 Q 的绝对值 小于此值时 , 依据 Q 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

15、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 LM 385, 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 LM 311, 。 把此方波信 H S I . 0中断 , 可在任 。 为保证强电和弱电的分 , 4N 25光电隔离 , 再接入晶闸管 。 5. 4 外部接口采用人机

16、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 L 1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 , 额定容量占总容量的三分之一 ; L 2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 2, 额定容量为总容量的三分之二 。 86 电 力 系

17、统 及 其 自 动 化 学 报 2003年第 2期 图 4 单相可控电抗器组接线原理图 对可控电抗器的控制策略为 :在 01 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 L 2的 , 使满足容量要求 ; 在 1 31额定容量 范围内变化时 , 则协调控制电抗器 L 1和 L 2, 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 i n 。由于电抗器单元 L 2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

18、在 01 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 L 2在到达 1 3总额定容量 时所对应的磁饱和度为 =。在 1 31的容量调节范围内 , 电抗器单元 L 1的磁饱和度在 1=0间变化 , 而单元 L 2则在 2=2间改变 。 不难理解 , 在上述容量调节范围 内 , 电抗器单元 L 2所产生的三次谐波与单元的三 次谐波反相 。 若通过控制 , 使 1和 2具有如下的关 系 :1= 2arcco s (1+co s (2 2 则根据上式和电抗器谐波公式 I 31m =2(-sin I 3(2n +1 m =(2n +1 2 -2(n

19、+15所示 。 2曲线 1 单个可控电抗器 曲线 2 可控电抗器组图 5 可控电抗器谐波分布图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 31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 (单元 L 2 下的输出电流波形如图 6所 示 。1 = 3; 2 =2 3; 3 =; 4 =4 3; 5 =5 3; 6 =2图 6 具谐波自补偿功能

20、的可控电抗器组电流波形96 2003年第 2期 基于磁阀式可控电抗器的无功补偿系统7 实验分析用两台 320V 、 1000VA 的可控电抗器 , 其中 一 组可控电抗器的额定磁饱和度为 n =2; 另一组 n =。 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 。图 7 可控电抗器三次 、 五次谐波电流实测值 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 (T H D 进行实 , 8曲线 1 无谐波补偿 曲线 2 有谐波补偿图 8 可控电抗器畸变率实测曲线 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