基于磁阀式可控电抗器的变电站电压无功控制策略的研究

基于磁阀式可控电抗器的变电站电压无功控制策略的研究潘靖
【摘要】针对变电站存在的无功倒送和电容器组只能进行分级无功补偿的缺点,分析了基于自励磁磁阀式可控电抗器的动态无功补偿方案,利用MATLAB进行仿真,以实时计算为基础,实现电抗器的连续平滑调节,再配合固定电容器组具有抑制电压波动,稳定功率因数,快速补偿无功的特点,满足变电站无功电压综合控制的需要.【期刊名称】《广东电力》
【年(卷),期】2014(027)005
【总页数】6页(P61-65,71)
【关键词】磁阀式可控电抗器;动态补偿;无功电压;控制策略
【作者】潘靖
【作者单位】广东电网公司汕头供电局,广东汕头515041
【正文语种】中文
【中图分类】TM714.3
电网无功电压的优化控制是电网安全、稳定和经济运行的基本要求。

目前一些产业园区变电站的工业负荷大，波动大，功率因数低，依靠有载调压变压器和电容器组进行无功电压调节的设备运行中存在以下3个问题［1－3］：
a）常规补偿装置动作次数的限制，如考虑主变压器有载调压机构寿命，一天内调压次数一般为20次；考虑电容器组开关及其本体的物理特性，一天内动作次数为
10次。

b）开关投切电容器组的调节方式是分级的，所产生的涌流和过电压对系统和设备本身都十分有害，且对无功电压不能进行平滑连续调节，有时还会造成投切振荡。

c）维护麻烦，若有载调压装置动作次数过多，大修时维护很繁琐，而电容器在投切过程中产生的过电压易使其损坏，增加了检修的工作量。

在35 kV及以下电网中，静止无功发生器（stati c reactive power generator，SVG）的应用日益普及，它具有响应时间快、谐波低、电网故障时可提供快速的无功电压支撑等特点，但一次性投资大，对运行环境的要求较高［4］。

本文研究的基于磁阀式可控电抗器（magnetism valve type controllable reactor，MCR）技术的新型动态无功补偿装置可实现容性至感性无功范围内连续可调，响应速度快，产生的谐波小，相比晶闸管可控电抗器（thyristor controlled reactor，TCR）、晶闸管投切电容器（thyristor switched capactiors，TSC）等无功补偿装置，具有可靠性高、易于维护、成本低、占地面积小、适用于恶劣环境等特点，适合电网的发展需求［5－6］。

1 MCR的工作原理
MCR采用了磁阀结构，即在电抗器铁心中分布有可饱和小截面段，其结构如图1所示。

图1 小截面铁心磁阀结构
工作时，电抗器铁心大截面始终工作在不饱和状态，而小截面随直流控制电流增大而饱和。

由于将电抗器铁心饱和限制在一定范围内，故漏磁和损耗大大减小。

将铁心磁路设计在极限磁饱和状态，电抗器所产生的谐波也因此大大减小［7－8］。

为现场安装方便，免除外加直流控制电源，特别设计出自给直流励磁电路结构，原理如图2所示。

图2 自给励磁MCR的工作原理e—MCR两端的电势电压。

从图2可知，MCR铁心由两个并联的工作主铁心柱及交流旁路铁心组成，主铁心柱上分别对称地绕有匝数为N/2的两个线圈。

每柱的绕组有抽头比δ＝Nk/N的
抽头，它们之间接有三级晶闸管VT1、VT2，不同铁心的上下两个主绕组交叉连接，续流二极管VD则横跨在交叉端点上。

当电抗器工作时，在VT1、VT2两端感应出5% 左右控制电压。

在电源电压的正、负半周轮流导通VT1、VT2，则在回路中产生直流控制电流，使铁心磁阀饱和，从而实现电抗值的连续可调。

磁阀式可控电抗器输出电流大小取决于VT1、VT2的
导通角度，导通角越大，产生的控制电流越强，电抗器感抗越小。

由于MCR采用了独特的磁阀结构和极限磁饱和技术，可控电抗器所产生的谐波很小，大大低于晶闸管直接控制产品所产生的谐波。

2 MCR的控制策略
2.1 综合补偿装置控制模式
安装10 kV的MCR，实质就是注入系统一个可变的感性电流源，注入的感性电流越大，在等效电源内阻上的压降越大，则接入点10 kV电压越低。

由于系统电压允许在一定的范围内波动，设定电压运行的上限、下限值，当电压满足运行范围要求时，可控电抗器的运行控制以系统控制无功补偿为主；当电压超出了设定的运行范围，可控电抗器的运行控制以电压的控制模式为主，当系统电压超上限时，增加可控电抗器的输出容量，直至电压回到合格的运行范围或电抗器输出容量达到最大；系统电压越下限时，减小可控电抗器的输出容量，直至系统电压回到合格的运行范围或电抗器的输出容量为空载时。

2.2 电压无功控制策略
2.2.1 分时控制策略
主要以变电站低压侧电压为目标来进行分时控制：按照枢纽变电站的典型负荷曲线，划分高峰与低谷的时段，分别采取不同的电压控制范围，即高峰期间设置较高的控
制电压上限和下限，而低谷期间则设置较低的上下限电压值，解决深夜和凌晨最低谷期间的电压过高及系统无功过剩的问题。

2.2.2 逆调压控制
为了充分利用MCR输出容量快速平滑调节输出容量的特点，实现系统逆调压，即在重负荷时，使电压较高；负荷轻时，使电压较低，有利于系统稳定并降低网损。

根据系统有功设定的上限和下限值，求取系统电压控制的目标值，它们之间的关系可以是线性关系，也可以是非线形的关系，如果实际平均有功值超过了设定的上限值，则参考电压就选择电压运行的上限值Umax；如果实际平均有功值P低于设定的下限值Pmin，则参考电压就选择电压运行下限值Umin，如果有功值在设定值的范围内，则参考电压选择对应曲线上的Ur，如图3所示。

图3 逆调压控制示意图Pmax—有功功率最大值。

2.2.3 控制系统工作在无功模式
根据我国目前的有关规定，高压供电线路的功率因数应满足cosφ≥0.9。

因此，为尽量保证线路的功率因数在要求范围内，实现无功功率的就地补偿，当电压在设定工作范围内时，控制系统工作在无功模式，当电压超出设定工作范围，控制系统工作在电压模式，这样可以首先保证电压合格，在此基础上，尽量做到无功的就地平衡。

2.3 闭环控制方法
用分时控制和逆调压的方法确定参考电压Ur，通过检测变电站10 kV侧电压U与Ur相比较，得到差值ΔU，然后进行以下步骤的操作，如图4所示。

通过检测与采样计算，得到负荷端电压U与电流I。

将电压U与Ur相比较，得到差值ΔU。

判断ΔU是否大于A，当的值大于A值（A为一较小的数值）时，进行MCR容量的粗调：
a）如果ΔU为正，则导通角α减小θ1，返回判断ΔU是否大于A；
b）如果ΔU为负，则导通角α增大θ1，返回判断ΔU是否大于A；
c）直到当值小于A，而大于B（B为一极小的数值）时，则对MCR容量进行细调；
d）如果ΔU 为正，则导通角α减小θ2（θ1＞θ2），返回判断ΔU是否大于A；e）如果ΔU为负，则导通角α增大θ2，返回判断ΔU是否大于A；
图4 闭环控制流程
f）当ΔU 值＜B时，可认为MCR对电压的调节已达到目的，转而判断功率因数cosφ是否满足要求。

此时检测电压U和电流I，计算线路的功率因数cosφ，并
与0.9相比较。

如果cosφ＞0.9，MCR不再动作；如果cosφ＜0.9，则导通角增
加θ3（θ2＞θ3）；
g）检测ΔU ，当ΔU 值＜B时，返回判断cosφ与0.9大小；
h）当ΔU 值大于B时，MCR不再动作。

2.4 具体实施方式
基于MCR的电压无功控制方法结构如图5所示。

图5 基于MCR的电压、无功控制方法结构
以110 kV变电站为例，如图6所示，根据变电站的典型日负荷曲线，初步划分23～6 h时段为低峰时段，10 kV母线控制电压上下限分别设定为10.5 kV与10 kV；8～23 h时段为高峰时段，控制电压上、下限分别设定为10.8 kV与10.2 kV。

图6 某变电站典型负荷曲线及电压分时控制示意图
对变电站和电抗器的输出端进行电压与电流采样，并通过可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）计算出当前变电站低压侧的电压值。

对采样结果进行计算，得出当前变电站10 kV侧实际电压值、有功功率值和无功
功率值，根据图6得到参考电压值Ur，并将实际电压值与Ur进行比较，得到实
际电压和Ur之间的差值ΔU后，经线性化和逻辑判断，控制装置发出命令给触发
控制系统。

2.5 抗饱和积分PID设计
比例－积分－微分（proportion－integrationdifferentiation，PID）控制由于
算法简单、鲁棒性好及可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制。

在该控制器的设计过程中，为了解决由于静差引起的性能下降问题，定会包含积分环节。

若系统存在一个方向的偏差，由于积分作用的不断累加而加大，从而导致执行机构达到极限位置，若控制器输出继续增大，执行机构却不能再增大，此时控制输出量超出了正常运行范围而进入饱和区，即积分饱和现象，一旦系统出现反向偏差，控制输出量逐渐从饱和区退出。

进入饱和区时间越长则退出饱和区所需时间越长。

这段时间执行机构停留在极限位置而不能随偏差即时作出改变，系统就像失去控制一样，这不仅会使系统的性能下降，甚至会使系统出现不稳定。

系统采用抗饱和PID算法，解决了由于控制角度有限制引起的积分饱和问题，使控制系统具有良好的动态性能。

PLC系统完成晶闸管控制角度的PID算法，由于增加了抗饱和的计算环节，因此
设计时，没有直接应用PLC内部嵌入的PID模块，而是采用了分离算法完成。

具
有抗饱和积分PID计算的主要环节如图7所示。

图7 具有抗饱和积分PID控制算法流程
图7中，ir（t）为给定的目标值，i（t）为实时测得的值，e（t）＝ir（t）－i（t）为误差，uk（t）为控制电压，uk（k）是指uk（t）在k 时刻的值，uk（k－1）
是指在k－1时刻的值，ukmax、ukmin分别是uk的最大、最小值。

由于恒定电压控制时，电抗器的输出电流需要由起始电抗迅速控制调整到目标电压需要的电抗值，因此初期时必然有i（k）＜ir（k），有时候即使采用了抗饱和的
措施，也可能造成跟踪速度慢或超调量大的问题，因此实际工程应用时，又增加了变结构的PID算法，该变结构PID算法如图8所示。

图8 具有变结构的PID算法结构
通过优化改进，使设计后的PLC控制程序无论是在实验室模拟实验，还是大量现
场的应用，只要在MCR的控制范围内，都能达到了良好的起动效果。

2.6 仿真研究分析
为验证MCR及其控制系统对变电站无功电压控制的有效性，以汕头电网某变电站实际数据为基础，采用MATLAB软件建立仿真模型如图9所示。

图9 仿真模型示意图
仿真过程中通过负载变化和无功负荷的投切来模拟公共连接点无功电压的波动现象，对电抗器投入情况作了仿真分析。

图10（a）显示了没有安装MCR的情况下负荷波动造成电压波动超过电压标准的情况，在1 s时切换负荷，2 s时恢复，在1～2 s时系统发生电压升，增幅达
3.9%；如图10（b）所示，安装 MCR后，由于电抗器的实时补偿作用，明显降
低了电压，且响应时间极短，经过0.15 s的过渡过程可将电压降低到允许电压水平。

图11给出了无功负荷波动过程中可控电抗器输出电流波形图，从图11可以
看出，由于负荷的突变，引起了电网电压升高，当本文所研制的控制系统投运后，系统快速补偿突变的无功量，改善了电网电压质量。

图10 负荷波动时电抗器抑制电压波动的仿真曲线
图11 电抗器输出电流
仿真结果表明，系统具有抑制电压波动、快速补偿无功的特点，满足变电站无功电压控制的需要。

3 结束语
在原有电压无功控制系统的基础上，增设基于MCR的动态无功补偿装置可达到如下效果［9－12］：
a）电抗器容量可以连续无级调节，消除了仅有电容器投切时的阶梯式无功补偿，
以及投切产生的涌流和过电压，实现了无功的就地平衡，降低网损，提高系统的传输能力。

b）双向的无功功率补偿扩大了变电站无功调节的工作范围，对目前使用越来越广的电缆线路具有良好的应用前景，达到了无功优化调节的目的。

c）扩大了变电站的无功调节容量，具有更优越的电压调节效果，减少了分接头的调整频次。

d）控制策略合理，具有灵活性和适应性。

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