1 SVC无功补偿原理
静止补偿器最重要的性质是它能维持结点电压不发生变化, 为此, 它要能够连续地调节向负荷提供的无功功率, 维持系统的无功平衡, 即满足方程:QS=QF+QL-QC=常数=0 (式中QS为系统无功功率, QF为负荷无功功率, QL为电抗器无功功率, QC为电容器组无功功率。)
如图1所示, A为系统工作点。负荷工作时吸收QF, 补偿装置由电容器组提供固定的QC;当负荷工作状态改变, 导致吸收的QF变化时, 通过调节晶闸管控制电抗器吸收的QL来抵消负荷无功的变化, 从而维持系统动态无功平衡。
2 SVC装置的组成和控制策略
三界牵引变电所的“TCR+FC”滤波和补偿方案见图2示意。
TCR的基本结构是两个反并联的晶闸管和电抗器串联, TCR的控制元件是两个反并联晶闸管, 它们在电源电压的不同半周轮流导通。当晶闸管的控制角a在90°～180°之间时, TCR部分导通 (控制角为90°时完全导通) ;增大控制角, 其效果就是减少了电流中的基波分量, 这相当于增大电抗器的感抗, 减小其无功功率, 就电流的基波分量而言, 晶闸管控制电抗器是一个可控电纳。
TCR电流的瞬时值为:
其它为0 (0<ωt<α和α+δ<ωt<2π)
(式中:V是电压有效值, δ是导通角, )
TCR控制系统完成如下功能:通过检测系统电压、电网电流和TCR的电流, 计算出可控硅的触发角, 控制电抗器电纳值, 达到无功补偿的目的。
电铁SVC控制器采集的信号包含系统电压Ua, Ub, 系统电网电流Ia, Ib, TCR电流Itcr, 通过对这些信号进行变换, 得到系统信号的基波分量。综合负载电流IA=IaItcr。通过运算得到综合负载的无功电流IAL, IBL。通过公式Q补=Qa=IAL×Ua。通过Q补得到系统的等效电纳, 从而得到触发角, 完成对可控硅的控制。
综上所述, TCR的控制系统为检测系统的有关变量, 并根据检测量的大小以及给定 (参考) 输入量的大小, 产生相应的晶闸管触发延迟角, 以调节补偿器吸收的无功功率。因此, 其控制包括以下三部分电路。
检测电路:检测控制所需的系统变量和补偿器变量。
控制电路:为获得所需的稳态和动态特性, 为检测型号和给定 (参考) 输入量进行处理。
触发电路:根据检测电路输出的控制信号, 产生相应触发延迟角的晶闸管触发脉冲。
检测电路取哪些量作为被测对象, 以及采取什么样的控制策略和控制电路, 取决于用户对补偿器功能的要求。但总体来讲, 控制策略可以分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制是通过检测负载无功功率和滤波器组总无功功率来控制TCR产生相应的感性无功功率, 以达到功率因数校正或改善电压调整的目的。
3 SVC装置的系统参数设计对性能的影响及采用的相关优化策略
3.1 谐波治理
SVC装置的整体性能是针对无功功率即功率因数, 谐波, 电压波动, 闪变等电能质量问题进行综合治理的, 其中无功功率即功率因数, 电压波动, 闪变等问题是依靠TCR相控电抗器与FC滤波器共同工作处理的, 而谐波的治理则完全取决于FC滤波器的设计参数。
具体到三界牵引变电所, 考虑到电气化铁路机车的谐波特性, FC滤波器特设置成3、5、7次通道。
其滤波效果经测试如下。
(1) 不投入SVC, 即无补偿情况下, 负荷谐波特性在110kV侧的表现数据 (如表1) 。
(2) 投入S VC, 补偿后的谐波特性在110kV侧的表现数据 (如表2) 。
可见, 三界牵引变电所的FC滤波器参数设计是合理的, 补偿效果也是十分明显的, 但3次滤波效果不理想, 且因为TCR设备本体会产生谐波, 略有放大。
优化策略:系统设计时考虑到有可能产生的参数偏差, 会导致效果的不理想, 特设计各次滤波通道的串联电抗时预留了±5%的可调节范围, 因此, 对于三界牵引变电所的3次滤波串联电抗其设计值为134.42mH, 谐振点为147.5Hz;而第一次测试时3次滤波通道的串联电抗运行位置为+5%, 即串联电抗值为141.141mH, 谐振点为143.9Hz;偏离设计谐振点较多, 因而达不到最佳滤波效果, 调整后串联电抗值至设计值, 提高了3次滤波效果20%以上。再次测试时, 效果表现的就十分理想, 具体测试结果请参见运行测试结果及对比分析部分。
3.2 电压波动及闪变治理
电压波动及闪变产生的原因均为负荷无功的变化与系统的短路容量相比出现足够大的变动引起的, 从而产生快速的电压变化。对电压波动与闪变的影响, 首选的解决办法是采用电力电子技术, 用快速无功补偿器消除电源的闪变, 使电压中工频以外的分量降低。
因此具体到三界牵引变电所, SVC系统中TCR部分的感性无功量是唯一主动控制, 并有条件快速跟踪负荷变化的, 所以如何加快TCR的控制响应速度, 就成为解决该问题的关键。
而SVC的控制目标一般有以下几种。
(1) 对动态无功负荷的功率因数进行校正; (2) 稳定电网电压; (3) 改善电力系统的静态和动态稳定性, 阻尼功率振荡; (4) 降低过电压; (5) 减少电压闪烁; (6) 阻尼次同步振荡; (7) 减少电压和电流的不平衡。
根据不同的控制目标, 一般采用不同的控制策略算法。
对1:采用开环或闭环均可。
对2:采用电压反馈闭环的控制方式效果比较好。
对3:采用电压和电流双闭环调节方式。
对4:开环电压跟随或闭环控制。
对5:为了达到快的调节速度, 一般采用开环控制方式。
对6:一般采用电压和频率双闭环控制方式。
对7:开环STEINMETZ公式控制和负序电流闭环调节控制方式相结合。
优化策略:经过均衡考虑, 三界牵引变电所TCR部分的控制策略决定采用开环控制加引入纠偏系数K的处理方式。
开环控制:可使控制响应速度达到6.7ms相对于闭环控制因电压和镇定时间的要求, 需要4～5个周期, 80ms～100ms的响应时间而言, 极大的提高了对电压波动及闪变的治理效果。
纠偏系数K:为达到快速响应的目的检测电路需一定的优化, 减少环节以提高处理速度, 同时多次采样计算平均值以求更加准确的环节也需减少采样次数, 这样就导致不可避免的部分数据的损失, 从而牺牲了补偿的精度。而纠偏系数K (0.5～1.5可调) 就增加在计算Q补的部分, 使Q计算=K×Q补, 这样在设备投运后, 视补偿效果可调整K值使补偿精度提高。从而保证了三界牵引变电所SVC设备性能的均衡, 其补偿效果十分理想。可参见运行测试结果及对比分析部分的实测验证。
4 结语
从以上分析和测试可以看出, SVC补偿系统对电气化铁路牵引负荷产生的功率因数、谐波电流、以及电压波动和闪变等一系列电能质量问题都有良好的改善作用, 三界牵引变电所SVC补偿优化控制是成功的。
摘要：介绍了SVC补偿技术原理, 结合三界牵引变电所的具体情况, 介绍了SVC装置的系统参数设计对性能的影响及采用的相关优化策略。
关键词：牵引供电,静止无功补偿装置,晶闸管控制电抗器
参考文献
[1] 顾国栋.SVC技术应用与装置的优化设计[J].电气技术, 2007.
[2] 黄足平.京沪铁路南翔牵引变电所有源无源混合补偿[J].电气化铁道, 2009.