基于感應濾波的新型晶閘管控制變壓器仿真研究

2019-01-15 02:33:42覃日升劉明江

上海電氣技術 2018年4期

覃日升, 李虹, 段兵, 劉明江

1.云南電網有限責任公司電力科學研究院系統分析與直流研究所昆明 650000 2.云南電網有限責任公司紅河供電局云南蒙自 661100

20世紀70年代,BBC公司研制出第一臺晶閘管控制變壓器(TCT)。此后,針對傳統TCT諧波過大問題,陸續發展出多繞組式TCT、多并聯支路式TCT、增設濾波繞組式TCT等多種解決方案。受制造難度與造價的限制,多繞組式TCT在工程中尚無應用實例[1-3]。針對某電網電壓偏高、長期越限運行的工程問題,筆者提出加裝基于感應濾波的新型TCT的解決方案,并對新型TCT的穩壓能力與諧波特性進行仿真驗證。

1 傳統TCT工作原理

靜止無功補償器(SVC)的主要功能是在消耗無功的位置就地進行無功補償,減少無功功率在線路中的流動,減小線損,提高供電電壓水平與功率因數[4-5]。

TCT是晶閘管控制電抗器(TCR)的一種變形,單相TCT拓撲圖如圖1所示。

由圖1可知,傳統TCT的本體是一臺高漏抗雙繞組降壓變壓器。一次繞組與電網直接相連,稱為電源繞組。二次繞組串聯一對反相并聯的晶閘管,稱為控制繞組。TCT中由變壓器的高漏抗代替TCR中的電抗器,通過改變晶閘管觸發角,使TCT相當于一個可控導納。TCT消耗的無功功率連續可調,達到動態補償無功功率的目的。

圖1 單相TCT拓撲圖

2 傳統TCT諧波特性

由于變壓器的二次側電壓可以低至1 kV以下,在單個晶閘管器件的工作電壓以內,因此TCT除了具備與TCR同樣的響應速度之外,還能避免晶閘管串聯帶來的均壓問題。

但是,TCT在正常工作時不可避免地會產生大量諧波,必須采取諧波抑制措施。一種方法是將固定電容器和電感串聯構成濾波器來濾除諧波;另一種方法是對裝置本體結構進行改進,以減少TCT產生的諧波。

分析單相TCT的工作過程,得到不同觸發角度下TCT產生的諧波電流。

(1)

由以上分析可知,當α為90°時,晶閘管在一個周期內始終處于導通狀態,控制繞組流過的電流為不含諧波成分的正弦波。當90°<α<180°時,晶閘管僅在一個周期的部分時段導通,控制繞組流過的電流中含有大量諧波。

對式(1)進行傅里葉分解,可得iTCT(α)的基波分量有效值I1(α):

(2)

iTCT(α)的諧波分量有效值In(α)為:

(3)

式中:XL為控制繞組電抗值;n為諧波次數,n=3,5,7…。

搭建容量為20 MW、變比為35 kV∶1.5 kV、短路阻抗為100%的TCT仿真模型,其控制繞組的電抗值XL為0.112 5 Ω,折算到一次側為61.25 Ω,控制繞組的額定電流IN為7.7 kA。

TCT的諧波電流波形如圖2所示。

由圖2可知,TCT產生的諧波主要為3次、5次、7次和11次諧波,各次諧波的最大值及所對應的觸發角α見表1。

圖2 TCT諧波電流波形

表1 TCT諧波電流最大值與觸發角

3 基于感應濾波的新型TCT

3.1 感應濾波原理

濾波繞組通過感應濾波技術產生與控制繞組諧波電流相反的諧波電流,將諧波隔離在電力系統二次側,避免諧波流竄至電網側而擴大污染和危害,同時有效削弱諧波對TCT本體所產生的不利影響,如損耗、噪聲加大等[6-7]。

筆者提出的基于感應濾波的新型TCT拓撲圖如圖3所示,其中W1為電源繞組,W2為控制繞組,W3為增設的濾波繞組。

圖3 基于感應濾波的新型TCT拓撲圖

以單相新型TCT為例,分析基于感應濾波原理的新型TCT的諧波抑制原理。

如圖4所示,W1的匝數為N1,等值諧波阻抗為Z1n;W2的匝數為N2,等值諧波阻抗為Z2n;W3的匝數為N3,等值諧波阻抗為Z3n;濾波器的諧波阻抗為Zfn;W2中的諧波電流為Isn。

圖4 基于感應濾波的新型TCT單相等效模型

W1中的諧波電流I1n為:

(4)

由式(4)可知,當Z3n+Zfn=0時,恒有I1n=0。在設計變壓器時,保證增設的濾波繞組W3的基波等值阻抗Z3為0,則W3的任何次諧波阻抗Z3n均為0。完成增設濾波繞組的零等值阻抗設計后,與W3連接的濾波器只需進行完全諧振參數設計,即可保證其等值阻抗Zfn為0[8]。

設Zn12、Zn13、Zn23依次為W1與W2、W1與W3、W2與W3之間的n次諧波短路阻抗,繞組間短路阻抗與各繞組等值阻抗之間的關系式為:

(5)

當Zn13=Zn23=0.5時,滿足Zn12為1、Z3n為0的限定條件[9]。

3.2 裝置參數

濾波器設計最主要的問題是濾波電容器的選取。在滿足諧波標準基本要求的前提下,濾波器電容的容量有多種選擇。針對電壓偏高問題,采用只考慮濾波性能要求的最小濾波電容安裝容量法。所謂最小濾波電容安裝容量法,是指滿足諧波標準的所用電容器容量最小的濾波器參數設計方法。

根據最小濾波電容安裝容量法,濾波器中電容器的無功容量為[10]:

(6)

式中:U(1)為系統交流母線電壓的基波分量;If(n)為引入濾波電容器的諧波電流。

將前文分析得到的TCT正常運行時產生的主要次數諧波最大值代入式(6),可得與W3配套的各次濾波器的容量及參數,見表2。

表2 新型TCT濾波裝置主要參數

新型TCT主要參數見表3。

表3 新型TCT主要參數

4 無功補償分析

4.1 補償方案

當負荷消耗的無功功率變化時,固定電容器提供的無功功率是固定且不可控制的,然而新型TCT補償的無功功率可以跟蹤負荷變化且動態調整,使系統消耗的無功功率為恒定值[11]。

新型TCT無功補償系統的拓撲圖如圖5所示。控制部分采用反饋比例積分控制算法,將線電壓的目標值35 kV與實際值進行比較,其誤差作為輸入量傳遞給比例積分電壓調節器,計算出新型TCT需要補償的電納值,并通過查表模塊得到相應的觸發角來控制TCT消耗的無功功率[12]。恒電壓比例積分控制策略框圖如圖6所示。