1 引言
随着工业技术的飞速发展,工矿企业的自动化程度越来越高,用电设备的容量不断增大,在生产过程中一些大功率设备(如煤矿的提升机、采掘机)启动频繁,负荷变化大,瞬间产生的大电流冲击电网,造成电网电压的波动和闪变。另外,工矿企业的变频器、大功率整流器等非线性设备逐年增多,运行中将产生大量的高次谐波,降低了电网的电能质量,影响其他设备的安全稳定运行。因此,必须在工矿企业的变电站安装无功补偿及消谐装置。目前一些工矿企业采用相控电抗器的TSVC型无功补偿装置[1],能起到较好的补偿效果,但其补偿呈阶梯性,且晶闸管两端承受电压高,发热量多,易被击穿,需要配备专用的冷却设备,结构复杂,占地面积大。同时,晶闸管的移相触发控制产生的谐波流入电网,造成了二次谐波污染。为此,推出磁控式动态无功补偿装置——简称MSVC[2],它主要采用磁控电抗器(MCR)、自耦励磁和晶闸管光电移相触发控制装置和DWK/BR-C型高压无功自动补偿控制器,运用全数字化控制技术,对补偿滤波支路和磁控电抗器进行综合控制。通过动态调节磁控电抗器的感性无功,平衡因负荷波动形成过补偿的容性无功,使系统无功平衡和工作电压稳定。由于磁控电抗器控制系统采用自耦励磁和磁饱和控制方式,具有系统产生的谐波少、晶闸管承受的电压低、发热量小、功耗低、结构简单、占地面积小、可靠性高等显著优点[3]。此补偿装置特别适用于负荷波动严重,如电弧炉、矿井提升机及整流设备等大型无功冲击设备的工矿企业。MSVC解决了供电系统的电压波动、无功平衡和谐波滤波问题,对于提高电能质量、安全运行、降低损耗、节能和提高用电设备的利用率等具有重要的意义。
本文主要对MSVC控制系统的原理进行分析,通过在矿区110KV变电站的应用,分析系统的测试数据,确定MSVC具有较好的动态补偿效果。
2 MSVC概述
如图1所示,MSVC主要由补偿滤波支路、MCR及主控制系统组成。补偿滤波支路采用单调谐滤波器,通过高压真空开关或接触器接于母线,与谐波源并联,在谐振频率下,感抗与容抗相等时,可对相应频次谐波表现为低阻抗,从而有效地抑制了流向供电系统或其他负荷的谐波电流,因此起到无功补偿和滤波作用。MCR控制采用直流助磁原理和极限磁饱和技术,利用附加直流励磁磁化铁心,根据控制系统要求,通过控制晶闸管的角度调节电路励磁电流的大小,使小截面段铁心磁饱和程度随之变化,从而改变MCR的输出电感量 [4]。主控制系统是MSVC的核心部件,采集的电压和电流信号输入主控系统,经过A/D转换处理后,再根据系统实际运行情况进行判断,自动生成调容与调抗的控制策略。因此MSVC能够根据瞬时负荷波动进行动态无功调节,使系统无功达到最佳的补偿状态。
2.1 MSVC控制系统
MSVC控制系统主要由DWK/BR型控制器、DSP控制器、微机监控系统、光电触发控制装置、同步装置、显示与控制界面等组成。结构框图如图2所示,MSVC控制系统能够自动识别变电站主变的不同运行方式,根据系统的无功需求,由DWK/BR型控制器控制投切开关,将一些补偿滤波支路投入电网中;然后通过电压和电流互感器采集母线电压和进线电流信号,经功率变送器处理后输入到DSP控制器,计算出电容器补偿后的无功量和功率因数,再由DSP控制器再进行判断并计算,得出对应的晶闸管控制角,对晶闸管进行移相控制,改变控制电流的大小,从而改变MCR感性无功量,以补偿负载无功功率的冲击。
2.1.1 DSP控制器
DSP控制器主要完成信号的A/D转换处理、功率计算和触发脉冲输出等任务,是系统动态无功补偿的控制核心[5]。它采用TI公司的TMS320F2812芯片,是高性能32位CPU,时钟频率为150MHz,芯片内部具有12位高速同步采样A/D转换器、16个通道和两个串行通讯接口,具有强大的数字信息处理、控制和通讯功能,适用于高性能数字化控制系统。同步装置采集MCR母线电压信号,进行多阶滤波处理,滤除电压中的高次谐波和直流分量成分,然后对所剩基波进行方波变换,得到与母线电压基波相位一致的方波信号,波形如图3所示。DSP控制器通过光纤接口接收来自同步装置的三相同步信号,根据计算出的控制角,由光发射口向MCR发送同步的触发脉冲信号,同时,RS485通讯接口把DSP控制器相关参数传送至微机监控系统显示界面,并响应微机监控系统的相关命令。
2.1.2 微机监控系统
微机监控系统能对整个控制系统所有的模拟量与开关量进行监测,可实时更新系统的电压、总进线电流、MCR进线电流、系统功率、功率因数和高次谐波等信息,并绘制成相应曲线,显示在人机界面,用户可在显示界面上查询到所有相关数据信息,同时这些数据信息通过RS485通讯接口传送至后台机,便于值班人员远程监控。另外微机监控系统还具有故障自诊断功能,当系统发生信号异常、过压、欠压、过流、磁控三相电流不平衡和磁控电抗器本体故障时,微机监控系统发出报警信号并将故障指令传到系统保护电路,控制高压开关分闸,完成系统的保护。
2.1.3 MCR控制器
MCR控制器主要由三套完全相同的磁控阀及其光电触发控制装置和配套的触发光纤组成。MCR控制器连接如图4所示。在MCR控制端设端子盒,将压力释放阀、瓦斯继电器和测温装置等用电缆接至端子盒,端子盒还留有足够端子与外部连接。每个磁控阀由两个晶闸管和一个二极管组成的单相全波整流电路,且晶闸管采用先进的光电触发控制方式。而光电触发控制装置主要由高电位逻辑触发单元和辅助电源组成,从RC回路中取电,作为高电位触发装置的直流电源,同时接受来自触发装置的光编码信号并解码,产生符合晶闸管触发要求的门极触发脉冲。
2.2 MSVC控制系统工作流程
MSVC控制系统工作流程如图5所示,首先系统启动后进行初始化和自检,判别是否有通讯、参数设置和手动控制要求;数据采集单元把检测的母线电压和进线电流数据送入DSP控制器的A/D转换进行处理,并校验相关保护参数的数值,判断该数值是否越限,若越限,确定是电抗器或电容器过压、欠压、过温等原因,调用相应的故障处理子程序进行处理;当系统处于正常状态时,DWK/BR控制器根据电压优先原则对电容器组进行自动投切;根据瞬时检测的电压、电流信号,DSP控制器快速计算系统的瞬时有功功率(Ps)、无功功率(Qs)和功率因数等参数,将瞬时无功功率(Qs)与投入的补偿电容器提供容性无功量(Qc)进行比较,当Qc>Qs,且功率因数不在设定范围内时,根据电容器组无功补偿和设定的参数情况,计算出系统有待补偿的感性无功量,得出对应的晶闸管控制角,从而调节MCR的电抗值,实现平滑调节无功的目的。最后,调用系统显示程序,在界面上显示相应的图表信息。
3 MSVC在矿区变电站的应用
某大型矿区配备110kV的变电站,装有两台容量为31500KVA主变压器(一用一备),电压为110/35/10.5,35kV及10kV侧均单母线分段接线,采用组合电容器和串联电抗器组成的无功补偿设备,由有载调压变压器进行调压,持续使用多年后发现系统负荷波动时容易出现过补、欠补和谐波带来的继电保护误动等现象,且系统功率因数偏低。为此,对该矿区变电站的无功补偿进行重新设计。通过对系统进行的测量、计算和分析,为了实现良好的无功补偿效果和滤除谐波的目的,提出基于磁控式的动态无功补偿装置的方案[6],在10KV侧母线安装一台型号为MSVC-W-10.5-10000动态无功补偿装置,且配一台型号为BKS-Y/10.5-4000的磁控电抗器。MSVC在110KV变电站应用接线图如图6所示。补偿兼滤波电容器组总安装容量为10000kVar,分为三组,其中2000kVar和3000kVar两组电容器经高压真空断路器接入Ⅰ母线,另一组5000kVar电容器经真空接触器接入Ⅱ母线。各补偿电容器组与磁控电抗器配检修隔离开关和防误闭锁,确保检修安全。按照设计方案MSVC投运后进行验收测试,其中部分测试数据如表1所示。
MSVC在某矿区投入使用后,可实时测算和显示系统的电压、有功、无功、功率因数和控制角等参数,能平滑调整磁控电抗器输出感性无功,实现系统无功平衡。应用效果综合表现在三个方面,首先能有效抑制系统因冲击性负荷引起的电压波动与闪变,使三相供电电压偏差控制在标称电压的±7%范围内,系统电压稳定,保证矿区设备供电电压的安全可靠;其次MSVC能实时跟踪负荷变化,进行动态无功补偿,保证系统功率因数在0.95以上,降低损耗,节省电费开支;最后,MSVC能有效滤除非线性负荷产生的谐波,基本消除谐波干扰导致继电保护装置误动的问题。
4 结束语
MSVC具有控制可靠性高,补偿冲击小,谐波低,损耗低,节能效果好,维护方便,占地面积小等优点,非常适用于作业设备多且工况复杂的矿区变电站,能显著改善供电质量,节约用电成本。
参考文献:
[1] 张帅,刘锦,谢建明等.SVC高压动态无功补偿系统在宣钢的应用[J].冶金动力.2010,(7):7-9.
[2] 王宝安,金丽莉,罗亚桥等.基于磁控电抗器的动态无功补偿装置[J].电力自动化设备.2010,30(4):97-100.
[3] 荣俊锋,杨圣利.磁阀式静止型动态无功补偿装置在智能电网中的应用[J].电气技术.2010,(8):157-160.
[4] 阎琦.MSVC磁控动态无功补偿装置的设计与实现[J].制造业自动化.2009,32(12):116-117.
[5]艾朝阳,章健,李耀.基于TMS320F2812的磁控电抗器的设计[J].微计算机信息.2008,24(4-2):160-161,247.
[6] 屈有哲.基于磁控电抗器的无功补偿在煤矿中的应用[J].矿山机械,2011,39(4):116-119.
作者简介:陈元招(1977-),女,讲师,硕士,研究方向:无功补偿技术及电力电子技术应用。