基于谐波抑制的变电站电压无功自动控制研究

基于谐波抑制的变电站电压无功自动控制研究

卢建树

Ξ

　宋　伟

(华北电力大学,河北保定　071003)

摘　要:由于现代电力电子装置的广泛应用,谐波对电力系统的危害也日趋严重。谐波可能引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,谐波产生的过电流反过来又容易造成电容器等设备的烧毁。本文将充分利用VQC装置中的电容器、电抗器等设备,达到抑制谐波和优化VQC装置的控制策略的目的。最后通过MATLAB仿真分析,验证VQC装置在考虑谐波因素后的功能得到了提高,在调节电压和无功功率的同时,有效地保护了电容器等设备。

关键词:谐波抑制;VQC;变电站自动控制

　　随着供电水平的提高,提高供电的电能质量、降低网损率、实现电网调度经济运行已经是供电部门的一个很重要的目标。电力系统的运行电压水平取决于系统无功功率的平衡,维持电网正常运行下的无功功率平衡是改善和提高电压质量的基本条件。对于联系电网和用户的变电站来说,其主要的任务是保证安全、经济、优质地向用户提供合格的电能,而且保证变电站用户端的电压接近额定值,这对提高全网电压质量有着现实的重要意义。

目前,全国各等级变电站中很多都装设有载调压变压器和并联电容器组,通过合理的调节变压器的分接头和投切电容器组,就能够在很大程度上改善变电站的电压质量,实现无功功率合理平衡。

在变电站中利用有载调压变压器和并联补偿电容器进行局部的电压和无功补偿的自动调节,以保证负荷侧母线电压在规定范围内及母线功率因数尽可能接近1,称为变电站电压无功综合控制(VQC)。VQC装置通过变电站内监控网络获得系统信息,包括相关节点的电压、电流、有功和无功以及相关断路器、隔离开关的位置信息,然后按照预定的控制原则做出调整决策。

近年来,由于电力电子装置的广泛应用使得公用电网的谐波污染日趋严重,由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。为了滤除谐波,常会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频频率下,这些电容器的容抗比系统的感抗大得多,不会产生谐振。但对谐波频率而言,系统感抗大大增加而容抗大大减小,就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍,会对系统,特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁,常常使电容器和电抗器烧毁。在由谐波引起的事故中,这类事故占有很高的比例。

为了有效地避免谐波问题造成的电容器组损坏,本文提出了根据电容器和电抗器的滤波能力,把谐波抑制功能加入

VQC装置。实验仿真计算结果也证明这种方法有效地完善了VQC装置的控制策略。

1.谐波与并联电容器之间的相互影响(1)谐波对并联电容器的直接影响

谐波电流叠加在电容器的基波电流上,使电容器电流有效值增大,温升增高,甚至引起过热而降低电容器的使用寿命或使电容器损坏。谐波电压叠加在电容器基波电压上,不仅使电容器电压有效值增大,并可能使电压峰值大大增加,使电容器运行中发生的局部放电不能熄灭。这往往是使电容器损坏的一个主要原因。

(2)并联电容器对谐波的放大

电容器将谐波电流放大,不仅危害电容器本身,而且会危急电网中的电气设备,严重时会造成损坏,甚至破坏电网的安全运行。

(3)谐波放大的抑制与串联电抗器的选择

并联电容器主要用于无功补偿,不能因为谐波电流过大而其使用。一般采用主变压器低压侧无功补偿电容器支路中串联电抗器的方式,来尽量避免并联谐振的发生,并根据实际存在的谐波次数选择适当的参数为系统中高含量谐波提供通路,就近吸收谐波电流,起到谐波的作用。

在电容器支路上串联电抗器的目的主要为消除电网已存在的谐波电流谐振放大的条件。因此,如何选择电抗器及各个并联电容器在电网无功及不平衡综合补偿中的投放顺序是谐波放大抑制的关键。

传统上,一般按照电容容抗百分比选择电抗值。电力系统中谐波电流一般以5次、7次较大,11次、13次次之,3次并不严重。在3次谐波电流较大的场合,应装一组或二组串12%电抗器的电容器组。另外,当并联电容器组回路串联≥4%的电抗器后,3次谐波电流将被放大。采用串联

6%电抗器对减小电容器5次谐波负荷效果显著,但6%～

Ξ作者简介:卢建树(1970-),男,河北枣强人,华北电力大学电气工程专业04级硕士研究生。

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7%电抗器使3次谐波电流处于谐振状态,对3次谐波严重放

大,不仅使注入系统的3次谐波增加,还加重了电容器的负担,既不利于改善系统谐波,也不利电容器组安全运行。因此,采用5%和12%电抗器组合是以往变电站并联电容器组设计的主要形式。

传统的按百分比选择电抗值带有一定的盲目性,且效果不十分理想。本文采用了按电容支路串联谐振频率点选择电抗值的方法,其物理意义明确,可操作性强,通过仿真取得了较满意的结果

[5]

。对于单个电容器,按串联谐振于200Hz选

取电抗器;对于多个电容器,第1个电容器在145Hz,从第2个电容器起所有电容器在225Hz谐振点选择电抗器。投切时先投谐振于145Hz的支路,此时对3次、5次、7次谐波放大均有较好的抑制作用。

图1中a、b、c、d分别为多电容器投切仿真电路及对3,5,

7次谐波抑制的效果。

a多电容器仿真电路

b多电容器并联补偿时并注入7次谐波电流情况

c多电容器并联补偿时并注入5次谐波电流情况

d多电容器并联补台并注入3次谐波电流情况

图1　多电容器投切仿真

2.VQC动作原理及仿真分析(1)原理接线图

VQC装置应既可装于三线圈主变的变电站,也可装于双

线圈主变的变电站,现以双线圈主变压器为例介绍原理接线,如图所示。

图2　原理接线图

VQC需输入的模拟参数量有:

高压侧B相电流Ib;低压侧B相电流I′b;高压侧AC相电压UAC;低压侧AC相电压U″AC。

(2)控制原则

一般情况下,投切电容器组能够同时影响电压和无功的大小。投入电容器,相当于增大无功电源,系统提供的无功减小,功率因数升高,电压升高;切电容器后,无功增大,功率因数降低,电压降低。调整分接头时,一般只考虑电压的变化而忽略电压变化对功率因数的影响。

图3　改进九区图

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电压无功控制主要以主变低压侧的母线电压和高压侧无功作为控制目标,同时本文将低压侧母线谐波含量作为参考侧控制目标,在保证控制电压和无功质量的基础上,有效地抑制谐波。

电容器组投切时应注意投切次序,低谐振频率点支路应先投切。

(3)控制策略———无功设备优先

控制策略如图采用改进的九区图。①电压上下限的确定采用分时控制原则

电压分时控制是指按日典型负荷曲线或按预测负荷曲线,划分高峰和低谷时段,在调度给定的电压上下限内,分别采用不同的电压控制范围。即:高峰负荷时段定较高的电压控制范围,我们暂定为10.7～10.2kv;低谷负荷时段定较低的电压控制范围,我们暂定为10.5～10.0kv。

电压分时控制的时段划分宜粗不宜细,太细会使被控对象动作频繁。随着季节和运行方式的不同,负荷曲线中的高峰、低谷时间会有所差异,运行中不可能经常修改时段的划分和改变电压上下限定值。

②无功上下限的确定采用分站控制原则

无功分站控制是指,每站无功下限24h不变,但不同的站其下限不同,有的站下限采用0,而有的站则定为不同的数值,关键是系统综合效果。

电容器组的容量是固定的,所以无功上下限的宽度不可能过窄,否则将会出现电容器组反复投切的情况;也不宜太宽,否则会出现电容器组利用率低,经常无法投上的现象。无功上下限现在采用1.3倍电容器组容量。无功上限的确定只需把下限值加上1.3倍电容器组容量即可。

③具体控制策略分析

根据电力系统的习惯,可以通过预测投切电容器是否可以达到最优的效果来进行优化控制。如果投切电容器既可保证功率因数合格和抑制谐波,又可以调整电压,则可以通过投切电容器来进行调压;如果投切电容器不合适,则调整主变分接头。

动作策略分析如下:

A.如果投切电容器不会使功率因数超过上限值,则优先

投切电容器,如果投切电容器后电压仍然不满足,再调主变分接头升压。

B.投切电容器不会使电压越上限和功率因数越上限,则

只投切电容器。

C.电压高但功率因数又偏低,则只调主变分接头降压,

动作后的再次决策视运行情况而定。

D.电压高,但切一组电容器会导致功率因数超过下限

值,则调主变分接头。

E.如果切电容器不会使功率因数超过下限值,则优先切

电容器,如果切电容器后电压仍不满足,则调主变分接头降压。

F.切电容器不会使电压越下限和功率因数越下限,则只

切电容器。

G.电压低但功率因数又偏高,则调主变分接头升压,动

作后的再次决策视运行情况而定。

H.电压低,但投切一组电容器会导致功率因数超过上限

值,则只调主变分接头升压。

I.3′区,检测到投电容器使电压越上限值,此时如果有

电容器可投切,则先调主变分接头降压,然后再检查电容器是否需要投入。如果出现其它运行情况,则重新决策。如果在该区中检查到没有电容器可投,则暂时维持现状而不操作主变分接头。

J.7′区,检测到切电容器使电压越下限值,此时如果有

电容器可切,则先调主变分接头升压,然后再检查电容器是否需要切掉。如果出现其它运行情况,则重新决策。如果在该区中检查到没有电容器可以切,则暂时维持现状而不操作主

变分接头。

(4)设计实例及MATLAB仿真

通过检测某低压电网,已知3次谐波被放大。在低压母线侧每相设置并联电容器组,取单相分析,仿真电路如图4。设电压源峰值为311V,谐波电流源峰值为10A。

图4　仿真电路设计图

谐波电流源作用于电路,电容器组未投入时,母线电压

低于设定的下限,波形畸变,运行点处于九区图中的8区,且

谐波含量过高。此时电压波形如图5。

图5　VQC动作前电压波形

按照VQC装置的控制策略,此时投入一组电容器,达到

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提高电压,抑制谐波的目的。电容器投入运行后,系统电压得到提升,波形基本恢复正常,电容器支路的电流也控制在额定范围内见图6,图7。

电压波形

tΠs

图6　VQC动作后电压波形

电流波形

tΠs

图7　电容器电流

　　3.结论

作为对传统VQC控制策略的补充和完善,本文从谐波与并补电容器组的相互影响着手,提出了谐波抑制和变电站电压无功自动控制的研究的结合,在理论上提出了VQC电压无功控制整定范围的新方法,并建立了相应的控制策略。装置根据不同时段的电压无功定值和谐波次数自动判断是否调整变压器分接头和投切电容器,使电容器组和有载变压器调压功能得到充分利用,满足系统电压无功调节“电压合格,无功基本平衡,尽量减少调节次数”的要求,顺便顾及降低系统网损的目的。同时避免因电容器发生并联或串联谐振造成谐波含量放大的现象,从而延长设备的使用寿命,减少保护装置的误动作。

参考文献:

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