静止型动态无功补偿器

静止型动态无功补偿器（通用7篇）

静止型动态无功补偿器 篇1

2台粗轧4500 k W主电机和精轧2台7000 k W主电机均是大功率凸极同步电机, 主传动采用全数字交交变频矢量控制的交流调速装置。交交变频装置由3台电网自然换流、无环流可逆变流器, 整流变压器, 励磁主回路及调速矢量控制系统组成, 这些负荷产生大量谐波, 而且无功冲击大、功率因数低, 导致电压波动大, 经常使电机过压或低压跳闸, 严重影响生产。为此, 在35 k V侧装设一套SVC静止型动态无功补偿装置。SVC属于35 k V高压系统, 其控制部分与高压部分通过光电隔离, 控制系统的抗干扰效果较强, 不易出现误动作, 一般情况下控制系统内部不会出现问题, 大部分是硬件损坏导致系统出现故障。

(1) 上位机电脑画面显示AB相、BC相或CA相缺相故障, 控制柜上电压表显示数据不对, 一相电压显示值约为35 k V, 另外二相电压值约为22 k V。SVC系统电压检测是从高压系统PT柜过来, 确认PT柜的保险出现问题, 退出PT柜小车, 测量该相保险出现问题, 更换恢复正常。

(2) 系统跳闸, 上位机弹出红色警告对话框, 显示"CA+丢脉冲"。按停电操作规程进行停电, 检查发现阀组发射连接板出现问题, 其连接螺丝松动, 发热炭化, 更换螺丝后恢复正常。触发脉冲分为AB+、AB-、BC+、BC-、CA+和CA-等6路, 触发脉冲丢失现象和故障处理方法类似。

(3) 上位机显示CA相第7个晶闸管灯灭。停机检修时, 在线测量晶闸管不导通, 用手电筒或打火机检测光纤正常, 更换击穿反馈光纤板, 不投高压手动投控制系统发脉冲, 上位机显示CA相第7个晶闸管灯亮, 正常运行SVC时上位机显示晶闸管灯又灭, 重新拆下所有电容测量, 发现0.5μF电容的值与铭牌不一致, 更换恢复正常。击穿检测板分为AB、BC、CA三相, 三相击穿检测板可互换使用, 击穿现象和故障处理方法类似。以AB相击穿检测板为例, 分为两种情况: (1) 击穿的晶闸管数量≤2个, 此时只是报故障现象, 虽然有晶闸管击穿但并不跳闸, SVC系统还可正常运行, 本例故障即属于这种情况。 (2) 击穿的晶闸管数量>2个, 此时既报故障现象又立即跳闸, 保护SVC系统以免击穿更多晶闸管。如果系统出现击穿故障, 确认SVC设备停止运行, 高压开关在检修状态, 功率柜三相均可靠接接地线后, 具体排查故障按图1进行。

(4) 系统跳闸, 上位机弹出红色警告对话框显示“AB:过流320”。检查发现进线高压电缆被电缆支撑角钢磨破接地。重新做高压电缆接头, 投运前做低压导通试验和高压柜连锁试验, 投运后系统恢复正常。

(5) 系统跳闸, 上位机弹出红色警告对话框, 显示相对应的通信板故障。记录上位机显示的故障现象和下位机控制插卡箱数码管的状态。更换对应的硬件板, 重新启动SVC系统, 查看故障是否排除, 更换通信板, 重新启动SVC系统, 故障排除。

对于SVC安装, 应注意SVC内的TCR电抗室必须远离其他控制系统, 避免TCR电抗器产生的环流进入接地系统而产生很大接地电流, 对其他系统产生干扰, 影响其他设备正常运行。

静止型动态无功补偿器 篇2

关键词：SVC装置,原理,应用

1 静止型动态无功补偿装置 (SVC) 原理概述

SVC装置主要由可控支路和固定电容器支路并联而成, 其主要应用型式是TCR+FC型:TCR支路功能是通过相控电抗器的电流控制相控电抗器输出的感性无功值QL, FC回路一个功能是提供固定的容性无功功率QC, 另一个功能是通过电容器与电抗器的串联支路滤除电弧炉产生的主要高次谐波;电弧炉工作时产生负载感性无功用QFZ表示, 当SVC装置系统参数设计合理时, 可以使系统的无功功率QS=QC-QFZ (随机变化) -QL (响应受控) =定值或0。图1为我厂110 kV变电站SVC装置原理图。

从图1可以看出, 整套SVC装置由3台高压开关柜、1组TCR支路、4组FC支路、1台TCR控制柜及配套电力电缆、支架组成。

2 SVC装置的作用

目前国内在用的SVC成套装置达1000套以上, 广泛应用于冶金、电力、煤炭、电气化铁路、有色冶金、石油化工等行业, 应用于工矿企业时其主要作用有以下几点。

(1) 滤除电弧炉、中频炉等产生的高次谐波, 消除谐波对数控加工设备的干扰。

(2) 平抑电弧炉炼钢时引起的电压波动、闪变和电压不平衡, 提高供电质量。

(3) 快速响应自动跟踪无功, 提高功率因数, 减少线路功率损耗。

3 SVC装置使用效果

我厂110 kV变电站6 KV母线为放射式单母线供电, 其主要用电设备为数控机床、电焊机、电动机, 中频炉, 三台10t电弧炉 (单台电炉变压器容量为5500 kVA) , 系统未上SVC装置前由于电弧炉、中频炉运行时产生2次、3次、4次及4次以上高次谐波, 同时引起系统电压波动大, 电压闪变严重。从而对系统中运行的其他设备产生极大的危害。

首先由于谐波的长期积累破坏作用, 使供电设备的绝缘老化变得越来越严重, 加上操作过电压和谐振过电压的经常发生, 从而引起高压开关柜的爆炸事故, 严重影响工厂供电系统的安全运行。其次谐波的存在会对数控电子设备形成干扰, 影响数控电子设备的准确性, 甚至造成数控系统死机;第三会造成异步电动机效率下降, 噪声增大。

2010年工厂投入SVC装置后系统运行参数实测满足国标GB/T14549-1993的要求, 供电质量得到提高;近三年也没有再发生高压开关柜爆炸的事故;车间数控机加工设备没有出现由于谐波干扰引起的死机的现象;功率因数保证在0.95以上, 年获得电业局功率因数奖励50万元以上。

4 SVC装置实际运行中存在的问题及对策

SVC装置目前已广泛应用于冶金、电力、铁路等行业, 但实际运行中可能碰到很多问题, 如果发现运行中高压开关柜有发热现象, 应检查柜内铜排连接处是否接触好, 可采取涂导电脂等措施减少接触电阻。如发现晶闸管阀组、旁路电阻发热严重、晶闸管被击穿的现象, 这时有可能是由于装置电容补偿容量偏大, 因为前期往往在做参数测试计算时是按最大运行方式下进行, 加之厂矿企业SVC装置阀组通常采取空气自冷方式, 解决办法可以先将某一支路进行改造减少补偿容量, 同时增加旁路电阻, 阀组控制室装设空调。如果运行中出现计算机突然死机的现象, 这时应对计算机控制程序进行优化、测试。 (如表1)

静止型动态无功补偿器 篇3

近年来我国煤矿工作面单产能力不断提高,设备容量也不断增加。以兖矿集团有限公司本部矿井为例,年产300万t综放工作面的设备装机总容量一般为5 000 kW,运行功率为3 500 kW左右;年产500万t综放工作面的装机容量接近7 000 kW,运行功率为5 000 kW左右。井下远端供电距离约为10 km。长距离供电、大容量感应电动机集中使用和频繁启动、变频器等变流设备普及应用等原因造成工作面供电系统电压波动大,功率因数低,线路损耗大,设备启动困难,影响生产。因此,在大型综采工作面实现动态就地无功补偿对煤矿企业保证生产、稳定产量、节能降耗具有重要意义[1]。

1 技术路线选择

1.1 国内外无功动态补偿技术现状分析

目前,性能可靠、应用较广泛的无功补偿技术主要有同步调相机(SC)、机械式分组投切电容器(MSC)、静止无功补偿器(SVC)、静止无功发生器(SVG)等。SC一般用于电力系统枢纽变电站集中补偿,响应速度慢,造价高,运行维护复杂,且不易制造成防爆电器,不适用于煤矿井下。SVC一般有晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)、磁阀式可控电抗器(MCR)、晶闸管控制电抗器(TCR)等几种形式,其中TCR+固定电容器组(FC)型SVC最为普遍,性能最优。它是利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT)组成自换相桥式电路,通过调节电路交流侧输出电压的幅值和相位或者直接控制其交流侧电流,使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的[2]。但该类SVC只能提供容性无功,电压支撑能力较差,TCR产生较大谐波,必须配备相应滤波电路,结构较复杂[3]。

MSC技术采用分级固定容量补偿方法,无法动态跟踪负载无功变化,不适应煤矿生产装备启停频繁、负荷变化大的特点。另外,有触点开关的频繁投切电抗器和电容器容易产生电火花,不易满足防爆要求。

SVG是无功补偿的重要发展方向,从本质上讲,SVG可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器,是当前技术条件下最为理想的无功补偿形式。

1.2 SVG技术特点与煤矿井下适应性分析

与SVC相比,SVG技术具有以下适应于煤矿井下的工况特点:

(1) 能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿, 响应时间为5～10 ms,适于跟踪冲击负荷。

(2) 自身几乎不产生谐波,且能够对谐波进行宽幅有源滤波,还可抑制谐振,安全性与稳定性好。

(3) 电压闪变抑制能力强,可以达到5∶1甚至更高。

(4) 具备较强的短时过载能力,无功补偿能力不受母线电压的影响,特别是当母线电压因无功冲击引起电压快速下降时,能迅速支撑电压,满足大功率负荷启动时的无功需求。

(5) 体积小,单位体积功率密度高,方便移动。SVG不是采用大容量电抗器、电容器组成补偿和滤波元件,而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量交换,适合煤矿井下使用。

(6) 运行损耗小,仅为同容量TCR型SVC的25%左右,温升低,对环境影响小,易于防爆。

经过技术比较,本文重点对SVG技术在矿井的应用进行研究。

2补偿装置的设计

2.1 补偿装置总体方案

经过负荷分析,本文重点要解决采煤机、运输机等大容量负载的无功就地补偿问题;补偿位置设在工作面配电中心移变二次侧,以减少变压器的阻抗影响,提高补偿效果;采用SVG+FC模式以降低成本,SVG支路容量为-1 200～+1 200 kVar。

2.2 补偿装置结构设计

基于SVG的矿用3.3 kV静止无功动态补偿装置结构如图1所示。该装置采用4个隔爆箱体(启动箱、功率单元箱、电抗器箱和电容器箱)组合的结构设计,FC支路容量为300 kVar、600 kVar、900 kVar、1 200 kVar可选,容量调整简单灵活。

2.3 功率单元结构及其工作原理

功率单元采用链式结构,多个两电平H桥电路串联起来,以达到电压叠加的目的。在3.3 kV系统应用时,每相连接多个两电平逆变器模块。SVG由连接电抗器、逆变器组成,每相电路通过IGBT变流模块级联,经过连接电抗器直接接入3.3 kV电网。SVG首先通过充电电阻对直流侧电容充电至预定值,之后充电接触器闭合以短接充电电阻,充电过程结束,补偿装置并入电网开始工作;并网一段时间后,将FC投入,主控制器根据母线侧电压、电流信号计算得出需补偿的谐波电流或无功电流,并生成逆变器所需的IGBT驱动信号,控制逆变器产生与负载谐波电流或无功电流幅值相等、相位相反的补偿电流,从而实现滤除谐波或补偿无功的目的。

2.4 散热结构设计

散热设计是矿用补偿装置安全稳定运行的关键因素之一。对小容量IGBT模块的散热采用热管和强制风冷相结合的方式。IGBT模块固定在装置后部的散热基板上;温度继电器安装在每个热管的基板上,紧靠IGBT,以便有效地保护IGBT。散热机制分后部强制风冷和热管结合散热、顶部散热片散热和内部风机的均衡热量。对大容量IGBT模块可采用水冷散热方式。本文设计的补偿装置采用热管风冷技术。

2.5 主要元器件选型

为保证补偿装置的稳定性和可靠性,其主要元器件均采用国际顶级优质器件,如英飞凌公司生产的IGBT模块、西门子S7-200系列PLC、加拿大EACO公司生产的IGBT专用薄膜电容、士林电机的内熔丝高压电力电容、康拓工控的主控制器等。

3 实验室调试和工业性实验

3.1 工厂实验室调试

基于SVG的矿用3.3 kV静止无功动态补偿装置配有3.3 kV全功率补偿试验平台。实测样机的无功功率输出范围为-1 000～1 700 kVar无级可调;对5次/7次/11次/13次谐波的补偿能力达到100 A/70 A/45 A/38 A;控制响应时间≤5 ms;投切时无暂态冲击,无合闸涌流,无电弧重燃;通过了欧洲标准的电磁兼容试验。

3.2 综采面工业运行和测试

基于SVG的矿用3.3 kV静止无功动态补偿装置在东滩煤矿14310综采面运顺电站投入工业运行试验。

图2、图3分别为装置投运前后,后部运输机机头电动机(700/350 kW)在启动和运行2种工况下3.3 kV母线的功率因数,表1～4为实测数据。从中可看出,该装置显著提高了工作面设备启动和运行时的功率因数,使得3.3 kV母线的无功功率由213 kVar 降为20 kVar,功率因数提高到0.96;缩短了启动时间,电压、电流突变时间降至1.9 s左右;降低了启动和运行电流,使运行电流降为20～30 A;能够稳定启动和运行电压;能够有效抑制谐波,显著改善了工作面电能质量。

4 结语

基于SVG的矿用3.3 kV静止无功动态补偿装置体积较小,移动灵活,具有友好的人机界面和自诊断功能以及Modbus串行通信功能,可实现无人值守、远程控制。工业性测试结果表明,该补偿装置响应速度快,补偿平滑准确,显著提高了工作面设备启动和运行时的功率因数,缩短了启动时间,提高了启动和运行电压的稳定性,有效抑制了谐波,并具有显著的节能效果。该装置投入运行后,按每年工作300 d、每天工作20 h计算,单电动机每年可减少有功电度约30万kW·h,经济和社会效益明显。

参考文献

[1]张学松.煤矿电能质量分析与控制[J].工矿自动化,2009(9):71-73.

[2]田广青.静止无功补偿技术与应用——第二讲静止补偿装置的类型及其工作特性(之二)[J].电工技术,1996(3):32-35.

静止型动态无功补偿器 篇4

D-STATCOM在配电网中可以提高电能的质量,但是它是一个非线性、耦合性很强的系统。针对D-STATCOM的特点,采用模糊免疫PI控制和前馈控制相结合的控制策略,对D-STATCOM系统中的有功电流和无功电流进行解耦,从而有利于控制的实现。论文最后给出的仿真结果表明,运用此种控制策略,可以让D-STATCOM的动、静态性能得到很大的提高。

1 D-STATCOM系统的数学模型

D-STATCOM系统图如图1所示:C代表直流侧电容,R、L分别代表电阻和电感,三相电网电压为Usa、Usb、Usc,假设变流器的开关器件IGBT为理想开关器件,三相电网电压是平衡的,并且不考虑高次谐波。

如图1所示,ABC坐标系下的数学模型为公式(1)所示:

在ABC坐标系下的数学模型如公式(1)所示,这种数学模型虽然具有很清晰的物理意义,但是给控制系统的设计带来了很大的困难,因为这种数学模型的交流侧变量具有时变性。所以,要通过PARK变换,将ABC坐标系下的数学模型转换成以电网基波频率同步旋转的两相坐标系。利用这种变化就可以使ABC坐标系下的交流量变换为两相旋转坐标系中的直流量,从而可以解决ABC坐标下,D-STATCOM数学模型交流侧具有时变性的难题。ABC坐标系到同步旋转的两相坐标系的变换矩阵为公式(2)。

将公式(2)代入公式(1)得到d-q坐标系下的电压电流方程为公式(3):

公式(3)中,id、iq代表两相旋转坐标系下的直流分量。对公式(3)进行拉普拉斯变换,则可以得到系统模型,如图2所示。

由公式(3)和图2可知,在两相旋转坐标系下D-STATCOM是一个两输入两输出的耦合非线性系统,这对D-STATCOM控制器的设计是比较困难的,所以要进行D-STATCOM的解耦。

2 本文提出的控制策略

为了稳定公共连接点电压和保持直流侧电压恒定,D-STATCOM的控制系统一般采用双闭环控制,即电压外环和电流内环控制:电压外环的作用是控制D-STATCOM的直流侧电容电压和D-STAT-COM接入到系统中的公共点电压;电流内环的作用是让逆变器的输出电流能实时地跟踪电压外环输出的参考信号。双闭环控制的过程如图3所示。

在d-q坐标系下,针对D-STATCOM数学模型的特点,本文采用模糊免疫PI控制和前馈解耦控制相结合的控制策略,即电压外环采用模糊免疫PI控制,使得电压外环控制器的动态性能可以得到很好的改善,电流内环采用前馈解耦控制的方法来进行有功电流和无功电流的解耦,避免了耦合作用对控制器设计的影响。

2.1 电压外环的控制

有功电流、无功电流与其对应的直流侧电容电压和公共连接点电压之间的关系并不是一种线性的关系,因此在双闭环的控制策略中,采用传统的PI控制是不能满足控制要求的。另外,固定参数的PI调节器的自适应性能也较差[5]。所以对电压外环的控制采用模糊免疫PI控制,模糊控制对于高度非线性和容易受到外界干扰的系统,具有很好的调节效果,因为模糊控制需要的数学模型可以是不精确的,但因为其推理方式和人的思维方式很相似,隶属度函数和模糊规则库的建立,受到操作者经验的影响很大,所以会产生一些误差,在设定值的小范围内也会产生振荡。因为具有很强抗御抗原的能力———免疫系统,所以把模糊控制、免疫反馈原理和PI控制结合起来,从而实现对PI参数的自动调整[6]。

模糊免疫Pl控制器的结构如图4所示。模糊免疫PI控制器中PI参数的自动调整是找出比例、积分系数与误差和误差的变化之间的模糊关系,在运行过程中对误差和误差的变化进行不断的检测,对PI控制中的比例、积分系数,根据模糊免疫控制的原理来进行在线调整,从而使被控对象D-STAT-COM的动、静态性能达到一个良好的状态。

在双闭环控制器中,公共连接点电压反馈值upcc和给定值upccref进行比较,产生的误差通过模糊免疫PI调节器后形成无功电流指令值iqref,直流侧电容电压反馈值udc与其给定值udcref进行比较,产生的误差经模糊免疫PI调节器后形成有功功电流指令值idref,iqref和idref作为电流内环的输入。

2.2 电流内环的控制

由于D-STATCOM系统电流内环的强耦合性,利用前馈解耦控制策略对电流内环进行解耦,采用如公式(4)所示的控制方程。

公式(4)中,kP3,kI3代表d轴电流PI控制器的比例、积分常数;kP4,kI4代表q轴电流PI控制器的比例、积分常数。对公式(4)进行拉普拉斯变换,可得到D-STATCOM的前馈解耦控制模型为图5所示。

将公式(4)代入公式(3)可以得到解耦后的控制方程如公式(5)所示。

对公式(5)进行拉普拉斯变换,并结合图2和图5,可以得到D-STATCOM解耦后的控制模型为图6所示。

3 仿真与实验验证

为了验证上述理论分析的正确性和所提控制策略的有效性,采用MATLAB进行仿真。具体仿真参数如下。

系统电压:380 V;频率:50 Hz;直流侧电容:2 200μF;工作电压:800 V;PWM载波频率:12k Hz;滤波电感等效电感为:1 m H;等效电阻为0.3Ω。

如图7所示,传统PI控制上升时间、调整时间和超调量都很大;模糊免疫PI控制超调量小,在很短的时间内就能达到稳定,仿真结果表明,电压外环采用模糊自适应PI控制,使得电压外环控制器具有很好的动态性能和自适应性能模糊免疫PI控制具有的动态性能更好。

如图8所示,本文所提控制策略比未进行解耦控制的动态性好,同时本文所提控制策略的超调量很小,调节时间都很短,当电气参数发生变化时,表现出来更强的鲁棒性。

4 结语

本文对D-STATCOM的解耦控制策略进行了研究,利用模糊免疫PI控制实现了对D-STATCOM的电压外环的控制,利用前馈解耦控制实现了对电流内环的解耦控制。模糊免疫PI控制器在稳定性、响应速度及鲁棒性方面,比传统PI控制器有优势,前馈解耦控制实现了D-STATCOM中有功电流和无功电流的解耦控制。仿真和实验结果证明了本文所采用控制策略的可行性和有效性。

参考文献

[1]江辉,彭建春.联营与双边交易混合模式下的输电网损耗分配方法及其特性.中国电机工程学报,2006;26(8):49—54

[2]鲁广明,鲍海,杨以涵,等.输电网网损分摊方法的比较研究.华东电力,2008;36(5):37—40

[3]江辉,周有庆,彭建春,等.基于节点电纳摄动的通用配电网损耗分配方法.中国电机工程学报,2005;25(6):42—48

[4] Singh B,Solanki J,Verma V.Neural network based control of re-duced rating DSTATCOM.IEEE Indicon Conference.Chennai,India:IEEE,2005

[5]唐杰,王跃球,刘丽,等.配电网静止同步补偿器新型双闭环控制策略.高电压技术,2010;36(2):495—500

[6]赵明阳.基于模糊免疫PI和交叉祸合控制的AGV跟踪策略研究.合肥:合肥工业大学,2006

静止型动态无功补偿器 篇5

近年来,静止无功补偿器(SVC)由于其快速的动态响应特性能够有效地提高电能质量以及系统动态电压稳定性而被广泛应用于电力系统[1,2,3,4,5]。目前,SVC已经成为电力系统中应用最多、最为成熟的并联补偿设备,其具有可调、可控功能,是一类较早得到应用的FACTS控制器[6,7,8,9,10]。从外特性看,SVC可被视为并联型可控阻抗,通过控制晶闸管或其他开关器件的开通和关断,向系统输出对应的无功功率,从而实现对电网特性的影响;从电网侧看,SVC的功能和响应特性,在很大程度上还取决于其控制系统[11,12,13]。

SVC应用于电力系统的主要目标是实现对母线电压的控制,其主要特性是U-I特性,CIGRE工作组总结了SVC的U-I特性,见图1[14]。在控制系统指令下SVC始终运行于U-I特性曲线与系统负荷曲线的交点,如图2中与负荷曲线1、2的交点。

从图1中SVC传统U-I特性可以看出,SVC的容性无功与感性无功容量相等。而在实际电网中维持系统正常运行对容性无功的需求与对感性无功的需求往往并不相等,如果SVC控制策略采用传统的U-I特性,取ICMAX=ILMAX时势必会出现感性无功容量或容性无功容量的浪费及相应的经济损失;如果直接取ICMAX>ILMAX或ICMAX

基于以上情况,本文提出了SVC的改进U-I特性,在U-I特性线性控制区域内分别给容性无功部分和感性无功部分定义不同的调差率,使SVC更有效、充分地对系统不同运行情况下进行动态调节。

2 SVC改进U-I特性

在SVC的U-I特性中有3个关键数值。

a.参考电压值Uref:指SVC既不吸收无功也不发出无功时端电压的值。

b.SVC线性控制范围:指SVC端电压随SVC电流或无功功率作线性变化的控制区域,其中电流或无功功率可以在整个容性到感性区域内变化[15]。

c.调差率:指SVC在线性控制区域内U-I特性曲线中的斜率,其取值范围一般为[0.01,0.1],典型值为0.05[15,16]。

图1所示的SVC传统U-I特性可用下列3个方程描述:

a.在控制域内,即-ICMAX≤ISVC≤ILMAX时

b.当U

c.当U>UMAX时,SVC到达感性无功容量极限

其中,U为SVC控制母线电压;Uref为SVC参考电压值;XSL为SVC调差率;ISVC为SVC补偿电流;BC MAX与BLMAX分别为SVC最大容性与感性电纳。

并且有如下等式成立:

当UMIN-Uref=UMAX-Uref时有ICMAX=ILMAX;当ICMAX≠ILMAX时有UMIN-Uref≠UMAX-Uref。

SVC的改进U-I特性如图4所示,给SVC在容性补偿与感性补偿情况下分别定义不同的调差率XSL1与XSL2,当系统对感性无功需求小于容性无功时有XSL1

a.当ICMAX

b.当0

SVC可控域外U-I特性同式(2)和式(3)。

改进U-I特性控制逻辑如图5所示。

3 调差率XSL2的取值

假设已知SVC传统U-I特性,且调差率XSL的取值是根据系统对容性无功的需求选定。则在改进U-I特性中取XSL1=XSL,而XSL2的取值根据系统对感性无功的实际需求进行确定,如图6所示。

a.当系统极限运行状态为L1时,系统对感性无功的需求等于容性无功,此时可直接取XSL2=XSL1=XSL,即SVC传统U-I特性。

b.当系统极限运行状态为L2时,系统对感性无功的需求小于容性无功。取系统负荷曲线L2上3点:(0,U′2)、(I′LMAX2,UMAX)、(I′SVC2,U′SVC2),其中点(0,U′2)与(I′SVC2,U′SVC2)可以分别利用系统在无SVC投切情况下与传统U-I特性SVC投入情况下仿真得到,通过所得2个点的坐标即可计算得出I′LMAX2的值。则XSL2的取值为

c.当系统极限运行状态为L3时,系统对感性无功的需求大于容性无功。取系统负荷曲线L3上3点:(0,U′3)、(I′LMAX3,UMAX)、(I′SVC3,U′SVC3)。XSL2取值为

从图6可看出,当系统极限运行状态为L2时,改进的U-I特性使SVC在保证系统正常运行情况下减小了感性无功容量,降低了经济成本;当系统极限运行状态为L3时,改进的U-I特性虽然增加了SVC感性无功容量但却保证了系统安全稳定运行。

4 实例仿真

现以图7所示简单模型为例对上述结论进行仿真分析。

取SVC可调电压域为系统电压标准取值范围[0.95p.u.,1.05p.u.],即UMIN=0.95 p.u.,UMAX=1.05 p.u.;参考电压值取Uref=1.0 p.u.;调差率取典型值XSL=0.05,则改进特性中有XSL1=0.05;根据式(4)(5)可知ICMAX=-1 p.u.,ILMAX=1 p.u.。

仿真采用24小时负荷曲线,如图8所示,取都市电网典型的双峰负荷变化曲线,并将当日上午9点作为仿真初始运行点取值至次日上午9点(记为33点,下同)。

对下面2种运行方式分别进行仿真:

a.系统无SVC投入;

b.系统投入SVC,且SVC采用传统U-I特性对受控母线进行控制。

图9是系统在上述2种运行方式下受控母线电压24小时变化曲线图。可以看到,SVC的投入明显改善了系统电压质量,并且SVC随着系统负荷变化在可调域内对电压进行了有效调节和控制。图10是投入SVC装置且遵循传统U-I特性情况下SVC注入受控母线的电流变化曲线。当系统负荷到达高峰时,SVC达到下限ISVC=ICMAX=-1 p.u.;当系统负荷到达低谷时,SVC注入电流ISVC=0.81 p.u.,未达到上限ILMAX=1 p.u.。

根据图9、10可以得到图11所示系统运行特性。

a.随着系统负荷的变化,系统运行状态处于系统负荷曲线LMAX与LMIN之间,LMAX代表系统高峰负荷运行状态,LMIN代表系统低谷负荷运行状态。

b.当系统处于低谷负荷时,负荷曲线LMIN与SVC U-I特性曲线交于点(0.81,1.041),与纵轴交于点(0,1.056)。即当系统无SVC作用时,系统运行于点(ISVC,U)=(0,1.056);当系统投入传统U-I特性控制的SVC时,系统运行于点(ISVC,U)=(0.81,1.041)。

c.根据b,已知LMIN上2个点(0,1.056)和(0.81,1.041),可计算得到曲线LMIN上另一点(I′LMAX2,1.05)=(0.34,1.05),即曲线LMIN与曲线U=1.05 p.u.的交点为(0.34,1.05)。

d.根据式(8)可以计算得到SVC改进U-I特性中XSL2=0.146,SVC改进U-I特性如图12所示。

设SVC传统U-I特性时额定电流值为ICC,改进U-I特性时额定电流值为IPC,则有

采用SVC改进U-I特性后的系统仿真结果如图13、14所示。图13是系统投入SVC时分别采用传统U-I特性与改进U-I特性情况下受控母线电压变化曲线,图14是SVC采用传统U-I特性与改进U-I特性时SVC注入电流变化曲线。

上述结果表明,当系统运行于低谷负荷极限时,传统U-I特性下的SVC注入电流为ISVC=0.81 p.u.,受控母线电压被有效调节到标准运行电压范围内,U=1.041 p.u.;而改进U-I特性下的SVC只需注入电流ISVC=0.34 p.u.即可将受控母线电压有效控制在U=1.05 p.u.。根据仿真系统实际运行情况对SVC U-I特性进行改进之后,SVC仍然可以有效控制受控母线电压,但在很大程度上节省了SVC额定容量,有效降低了经济成本。

5 结论

静止型动态无功补偿器 篇6

近年来, 随着现代矿山生产模式向大型化、集约化发展, 煤矿井下机械化程度不断提升, 大功率电气设备大量使用, 供电线路随采掘面不断延伸而加长, 使得各种感性负荷与地面电网供电电源间存在着大量无功功率[1]。引起井下高压供电系统电压下降幅度大, 冲击压降大, 电压波动大, 功率因数低, 线路末端电压低等电能质量问题, 从而造成电气设备启动和运转不正常、设备和线路损耗增大过热、电气事故频发等情况;再加之电力电子设备等非线性装置在煤矿井下的大量使用, 除消耗大量无功功率外, 还产生大量的谐波危害, 造成电子设备或开关误动作或损坏, 引起电子元器件或用电设备发热, 使绝缘老化, 降低设备的使用寿命, 甚至被损坏。无功功率和谐波存在产生的这些危害日益明显, 已经对煤矿井下电网安全和用电设备安全造成明显影响, 成为困扰广大煤矿供电管理技术人员的难题, 对其进行有效治理也成为迫切需求[2]。

针对上述煤矿井下高压供电系统存在的供电质量问题, 本文基于DSP核心控制技术采用H桥级联电气拓扑结构研究设计了矿用一般型高压动态无功补偿及谐波治理设备。本文所研究的系统真正解决了煤矿井下高压配电系统长距离供电存在的重大产业技术难题, 填补了国内此项技术在矿井高压电网领域应用的空白。相对于传统的无功补偿装置, 此系统可靠性强、损耗少、成本低、响应速度快、适用范围广的优点, 获得了良好的经济和社会效益。

1 系统主控制图

1.1 主电路结构图

矿用一般型高压动态无功补偿及谐波治理装置主电路主要由隔离开关、连接电抗器、启动装置、功率单元、控制系统等组成, 完全适应井下10 (6) 电压等级的高压供电网络, 主电路结构图如图1所示。

1.2 系统工作原理

该系统工作时通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧电网同频率的输出电压, 类似一个电压型逆变器, 只不过其交流侧输出接的不是无源负载, 而是电网。

当仅考虑基波频率时, 装置可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。经过电抗器或者变压器并联在电网上, 通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位, 或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位, 迅速吸收或者发出所需的无功功率, 实现连续、平滑、快速、动态调节无功的目的[3,4]。

当采用直接电流控制时, 直接对交流侧电流进行控制, 不仅可以跟踪补偿冲击型负载的冲击电流, 而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿, 实现对电能质量进行治理的目的。

2 控制系统硬件设计

系统控制系统主要由信号采集模块、控制驱动模块、通信模块组成。电路原理图如图2所示本系统控制核心采用TI公司推出的TMS320 F2812型DSP芯片, 大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA来实现;10 (6) k V等级的电压、电流信号通过电压、电流互感器转化成100V/5A等级的电压、电流, 经调理后经单线比较电路进入DSP内部的A/D转换电路, 控制驱动模块对数据进行处理计算出有功功率、无功功率和功率因数等参数, 然后根据设定目标产生投切控制信号, 驱动IGBT模块来投切电容器来发出所需的容性/感性无功功率到高压电网侧, 从而达到高压无功补偿的目的[5]。同时采用PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理, 以及现场各种操作信号和状态信号的协调。系统整体结构图如图2所示。

3 控制系统软件设计

本系统控制核心由高速32位数字信号处理器DSP、大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA和一体化人机界面协同运算来实现, PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理, 以及与现场各种操作信号和状态信号的协调, 增强了系统的灵活性。

系统中DSP主程序的功能主要为计算谐波与无功补偿指令电流、对直流侧总电压及上下电容均压进行控制, 接收外部的启动信号进行软启动, 接收外部的关断信号将指令电流置零等。主程序流程图如图3所示[7,8]。

当采样信号到来后, 首先对两路系统电流信号与三路电压控制信号进行采样保持与A/D转换, 然后根据系统电流与电压控制信号计算出指令电流, 对关机信号和开关模态判断后, 输出指令电流PWM信号。

4 算例与分析

4.1 现场概况

为了验证本文设计研究矿用一般型高压动态无功补偿装置的可行性, 本文选取兖矿东滩煤矿井下高压供电系统作为典型研究对象, 并以煤矿三采区供电系统作为试验地点。

装置并联在井下中央变电所与采区三变电所之间的供电主回路上, 主变压器由10k V变压供电, 容量为4.5MVA, 三采区变电所母线直接带负荷设备有一台东翼二皮机尾电机、两台皮带机头电机和3204泵站及一台运输机、皮带机等, 总运行有功功率P约为3.5MW;三采区一号变电所带的设备有两台皮带运输机、五台大型风扇及其它二次设备, 总运行有功功率约为800k W;3204综采工作面通过高防开关所带设备为一台采煤机、一台转载机、一台破碎机、两台乳化泵和两台清水泵, 推算总运行有功功率约为1.6MW。

4.2 测试结果与分析

为了更好的获得装置投入运行前后补偿效果, 在此采用FLUKE电能质量分析仪对是生产时段实验数据进行测量, 测量结果如下:

4.2.1 10k V母线电压

三相母线电压值基本维持在10.15k V上下波动不大, 电压波动小于等于2.0%, 电压总畸变斜率DTH小于等于3.9%, 母线电压能够保持在一个很高水平, 能够很好的稳定线路末端电压, 保证负荷面电气设备顺利启动和正常工作。

4.2.2 10k V母线电流

由图4对比图可知, 装置未投入运行时, 母线电流达到130A, 电流波动范围大;装置投入运行时, 电流波动变化范围明显减小, 电流大小大约在95A左右, 大大降低线路损耗, 减少了企业生产成本。

4.2.3 功率因数

比较分析功率因数趋势图5可得, 装置未投入运行时, 母线功率因数最大值0.92, 最小值0.87, 平均值0.90;投入运行后, 母线功率因数最大值0.99, 最小值0.88, 平均值0.98, 母线功率因数大大提高, 电能质量大大改善。

5 结论

矿用一般型高压动态无功补偿及谐波治理设备通过在井下实际运行, 实现了以下效果:

5.1能够提供从感性到容性连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿, 响应时间快, 可快速跟踪负荷变化。

5.2装置补偿效果显著, 能够提供供电线路功率因数, 稳定线路末端电压, 抑制谐波、三相不平衡、电压波动和闪变, 保证了煤矿企业生产的顺利进行。

5.3社会和经济效益方面, 该装置的投运, 大大提高了线路的功率因数, 减小了无功损耗, 节约了电能, 经济效益显著;同时能够提高电气设备的利用率, 大大减轻了企业员工的劳动强度, 提高劳动效率。

摘要：针对目前煤矿井下高压供电系统存在的功率因数过低、谐波含量高、电压波动大等电能质量问题, 本文设计了一套以全控桥静止型无功补偿技术 (SVG) 为核心, 采用H桥链式功率单元级联技术的高压动态无功补偿及谐波治理装置;完全避免采用传统补偿技术带来的补偿输出滞后、过补或欠补影响电压稳定、补偿能力受电压变化影响降低等固有缺陷。最后, 以东滩煤矿井下实际电网为例进行测试表明, 加装该补偿装置以后, 电网电压波动减少, 功率因数明显提高, 波形畸变基本消失, 验证了系统的可行性和优越性。

关键词：高压,无功补偿,谐波治理,H桥链式

参考文献

[1]王强, 郑瑜, 王玉奎, 等.无功补偿装置在煤矿井下供电系统的应用[J].神华科技, 2011, 9 (6) :55-59.

[2]范莹.煤矿6 kV供电系统无功动态补偿技术的应用[J]煤矿机电, 2012, 1 (5) :105-107.

[3]董君, 陈田.静止型动态无功补偿装置在松河煤矿的应用[[J].工矿自动化, 2010, 9 (10) ;76-79.

[4]庄文柳, 张秀娟, 刘文华.静止无功发生器SVG原理及工程应用的若干问题[J].华东电力, 2009, 37 (8) :1295-1298.

[5]张立, 丘东元, 张波.基于DSP的高压动态无功补偿控制器设计[J].电力自动化设备, 2010, 3 (30) :121-125.

[6]蒋建国, 腾达, 林川.级联H桥型静止同步补偿器控制方法仿真分析[J].电力系统及其自动化学报, 2011, 1 (4) :52-56.

[7]汪玉凤, 刘芳芳, 薛建清.针对矿井电网的机械投切电容器组动态无功补偿控制系统的设计[J].2011, 8 (35) :218-221.

静止型动态无功补偿器 篇7

与静止无功补偿装置SVC相比, 静止同步无功补偿器 (STATCOM) 能够快速并连续、大幅度补偿无功功率, 无论在装置容量还是面积及各种损耗程度上都优于SVC。在电网中应用STATCOM用来稳定公共连接点处电压, 使其保持在所要求的范围内, 最终改善系统的稳态性能和动态性能。应用在配电系统中简称称为DSTATCOM (STATCOM in Distribution System) 。为了提高配电系统中电能质量问题, 对补偿装置的研制是一个新的研究热点。在配电网公共连接点处连接D-STATCOM装置用以抑制电压波动并提高功率因数, 进而提高电能质量。最终为了保持公共节点处电压处于恒定值, 使DSTATCOM装置提供的无功功率完全补偿负载所需要的无功功率。

2 D-STATCOM的数学模型

D-STATCOM的主电路分为电压型桥式电路和电流型桥式电路。装置接入系统中产生的谐波对电网电压会造成一定影响, 而电压型桥式电路中的电抗器消除这种谐波所带来的影响。

在电网电压平衡情况下, 根据基尔霍夫电压定律将三相静止坐标系直接转化d-q坐标系, 并将d轴方向与配电网公共节点处电压处于同向下的D—STATCOM数学模型:

其中, w为配电网的基波角频率。ed、eq为d、q坐标系下D-STATCOM装置输出电压的d、q分量, id、iq为装置输出电流的d、q分量。由上式知, D-STATCOM交流侧瞬时电流id、iq的调节与其交流侧瞬时电压ed、eq存在对应关系;但由于耦合项w Liq、w Liq使其不能快速调节。

3 D-STATCOM的间接电流控制策略

电流间接控制无论在结构上还是在你技术应用、系统运行的动态性能上都具有一定优势, 并能维持直流侧电容电压为恒定值。电流间接控制就是使DSTATCOM装置交流侧电流大小的调节通过控制装置输出电压基波的相位和幅值的大小。D-STATCOM双闭环控制系统模型如图1所示。

图中为了达到稳定D-STATCOM公共节点处电压的目的, 并考虑系统中损耗以及补偿快速性和动态性上, 将直流侧电容电压进行控制。图中是一种两输入的双闭环控制系统, 并能够实现电流内环的解耦控制。

4 系统仿真分析

通过MATLAB/Simulink建立电压电流双闭环控制系统进行仿真分析。系统仿真参数如下:配电变压器容量:100KVA、电压:400V、频率:50Hz;补偿装置直流侧电容:4500u F;连接电抗器等效电感:5m H、等效电阻为0.1Ω。系统负荷为三相平衡负荷。

4.1无功补偿仿真研究

为模拟配电网公共节点电压的变化, 通过将大容量感性负荷接入电网, 即t=1.115s时使闭合开关即可接入。其中图2为1.115s后突加负荷后系统A相电压电流波形, 图3为直流母线电压波形图。

根据图2所示, 1.115秒加入冲击性负荷以后, 经过半个周期的短暂过程, 电压电流波形重新快速达到稳定状态, 且电压电流相位保持一致, 因此可以获得较高的功率因数, 降低配电变压器有载调压的压力, 而且D-STATCOM调节效果连续快速可靠不过幅值有所增加, 这是因为冲击性负荷有一定的有功分量。所以系统电流的有功分量有所增加, 而无功分量则被STATCOM实时补偿。

根据图3所示, 由系统动态方程可知系统中有功电流和无功电流存在耦合关系, 所以当投入大容量感性负荷时不但引起公共节点处电压变化, 同时逆变器直流侧电压也会变化, 通过电压电流双闭环控制策略最终使直流侧电压维持在550V, 直流侧电压与有功电流有关, 图中电压波动正体现出了这种耦合作用。

5 结论

通过对电流间接控制策略的分析, 实现了基于电流间接控制方法的D-STATCOM的电压电流双环控制。结合仿真模型进行了静止同步补偿器对配电网所带负荷和突加负荷情况下进行无功补偿的研究, 验证D-STATCOM进行无功补偿的有效性。研究成果有助于在配电网中进行实际应用。并且为其他方面无功补偿研究提供了技术支持。考虑到电流直接控制要求主电路半导体器件有较高的开关频率, 笔者认为, 在低压配电领域情况下, 采用电流直接控制, 在控制精度和电流响应速度上会有更大的提升空间, 可以针对其作进一步研究, 可以根据不同实际需要进行使用。

参考文献

[1]翁立民, 靳建峰.STATCOM与SVC的性能比较与应用分析[J].电力电容器与无功补偿, 2010, 2 (8) :3-4.

[2]Reza Sirjani, Azah Mohamed.Comparative study of effectiveness of diffent var compensation devices in large-scale power networks.2013, 30 (20) :715-723.

[3]李涛, 常鲜戎.三相四线制D-STATCOM的工作原理与仿真[J].电气技术, 2011, 10 (12) :1-2.

[4]张茂松, 查小名.链式D-STATCOM的无源性控制[J].中国电机工程学报, 2011, 20 (5) :1-2.

[5]唐杰, 王跃球.配电网静止同步补偿器的子抗扰控制[J].电网技术, 2012, 10 (1) :1-2.

[6]罗映红, 张鹏.基于电流间接控制的STATCOM系统仿真研究[J].现代电子技术, 2011, 4 (6) :2-3.