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基於磁閥式可控電抗器的無功補償係統

作者:亚美真人来源:[亚美真人公司]访问:331时间:2019-11-20

摘 要 電氣化鐵路自然功率因數低,現有的並聯電容補償方式難以使係統達到標準要求,影響了企業的經濟效益。用磁閥式可控電抗器調節電氣化鐵路係統的無功功率,首要需要解決的內容有非線性電路的無功功率的丈量和快速調節,保證功率因數保持在0.9以上 。以利用直流電流控製鐵芯的磁飽和度來達到平滑調節目的的磁閥式可控電抗器為補償元件,晶閘管為履行元件,用80C196KC單片機進行控製,保證了補償的快速性、精確性、公道性。實驗和樣機試運行均表明:該動態無功補償係統能快速補償係統無功,使功率因數保持在較高水平,很好地改善了供電質量 ,進步了供電係統的經濟效益。 關鍵詞 電氣化鐵路 磁閥式可控電抗器 無功功率 平滑調節 功率因數 經濟效益

1 引言 隨著電網規模的不斷擴大,和各種用電設備接進電網消耗大量的無功,無功不足和電壓波動大的題目日益突出。這時候僅靠調節發電機勵磁電流的手段已不能滿足要求。從20世紀初開始 ,人們就對無功補償技術進行了大量的研究,為改善負荷功率身分,慢慢采用了同步調相機、並聯電容器、並聯電抗器、串聯電容器、現代靜止補償器等無功補償手段。控製方式也有集中式控製、分散控製和關聯控製等方式,控製策略更是從經典控製轉進了智能控製。  電氣化鐵路是首要的電力用戶,其無功題目也一向很嚴重。電氣化鐵路電力機車和牽引變電所無功補償裝配的技術狀況,直接關係到運輸生產的經濟效益 。進步電氣化鐵路功率因數有兩種方法:一是進步負荷(電力機車)的功率因數,這可通過改造原有電力機車或研製高功率因數的電力機車來實現;二是實時監測、調節係統的無功功率,使功率因數始終保持較高值。前一種方式由於需要大量的資金,短時間內還不能實現 。現在比較常用的無功補償裝配有兩種:一是開關投切電容器組,但是當供電饋線沒有電力機車通過期,並聯的電容器組向係統倒送無功,而電力部分對無功補償裝配實行"反轉正計"(即把用戶反送電力係統的無功與取用的無功電量盡對值相累加),使功率因數達不到0.9標準;開關投切電容器組還產生湧流和電磁暫態 ,造成過電壓,實際運行曾出現過用開關投切電容器組而激發的係統過電壓事故;二是使用晶閘管控製電抗器(TCR),但價格貴,占地麵積大,諧波含量大。  采用可控電抗器配合並聯電容器組,能滿足電力機車運行方式多變,負荷變化快的特點,並且該裝配能平滑調節無功功率,造價低,可靠性高,產生諧波小 ,是電氣化鐵路係統動態無功補償的較好選擇。  本課題的首要工作是:對無功補償裝配的控製方案進行研究,確定一種更有效的、對電網更有益的控製方式;設計晶閘管觸發電路,確定精確的導通角;進行基於磁閥式可控電抗器的控製裝配的設計;對樣機進行實驗和調試。 2 磁閥式可控電抗器及特性  圖1為磁閥式可控電抗器的道理圖。由圖可見,磁閥式可控電抗器的鐵芯磁路由大截麵段和小截麵段串聯而成。兩個匝數為N的線圈分別對稱地繞在兩個半鐵芯柱上,每一半鐵芯柱上下兩繞組各有一抽頭比為δ=N2/N的抽頭,它們之間接有可控矽K1(K2)。不同鐵芯的上下兩個繞組交叉連接後,並聯至電網電源。

  在可控電抗器全部容量調節範圍內,大截麵段鐵芯始終處於磁鐵性的未飽和線性區,磁阻相對於小截麵段可忽略;小截麵段的磁飽和度可設計得接近極限值。此時,可控電抗器所產生的諧波很小,大約為晶閘管控製電抗器所產生諧波的一半。此時容量已達到極限值 ,所以磁閥式可控電抗器過負荷能力較差 ,但其特別適合於高壓配電網中調壓和無功補償;若不考慮長線過電壓限製題目,亦可用於線路充電功率的補償。  在電源的一個工頻周期內,可控矽的輪流導通起全波整流的感化。改變可控矽K1和K2的觸發角便可改變控製回路電流的大小 ,以改變電抗器的飽和度,從而平滑連續地調節可控電抗器的容量〔2〕。 3 動態無功補償裝配道理  圖2為電氣化鐵道供電係統和動態無功補償器接線方式。動態無功補償係統由單相可控電抗器和固定電容器構成。當電力機車進進牽引變電所所轄範圍時 ,固定電容器組充分補償機車感性無功,可控電抗器的容量調到最小(空載);當電力機車駛出所轄電網以外後,電容器向係統倒送無功,此時,迅速調節磁閥式可控電抗器的容量到最大值,以吸收留性無功;在電力機車負荷變化的過程中 ,可控電抗器快速跟蹤補償剩餘容性無功,從而保證了高功率因數。與此同時,電容器組同時還起著3次,5次和高次諧波濾波器的感化。

4 無功檢測和控製回路 為簡化分析和實際情況出發,假定電氣化鐵路係統電壓為正弦波 ,電流為非正弦波,分別表示為:

式中I1為基波電流有效值,I為總電流有效值,cosφ1為基波功率因數。  由於本係統中可控電抗器和電容器組的首要功能是補償基波無功 ,其可表示為:

  為快速調節可控電抗器的容量,可以設定一個閾值,當Q′的盡對值大於此值時,我們把電抗器全投進或全退出(根據ΔQ的符號)。此閾值的設定要根據動態補償裝配中電容器組的容量來設定 ,避免負荷在電感和電容之間不停振蕩。當ΔQ的盡對值小於此值時,根據ΔQ和觸發角的關係 ,發出相應的觸發脈衝。 5 控製裝配硬件結構 控製裝配道理框圖如圖3所示。各部分功能先容如下。5.1 信號取樣部分  從係同一次側取出的電壓、電流信號,經變換、濾波後送至微處理器。5.2 采樣部分  利用CPU(80C196KC)的片內A/D。由於其A/D為單極性,所以要用+2.5V的電壓基準LM385,把峰峰值為5V的交流信號上抬為0-5V的直流信號。5.3 信號輸出部分  可控飽和電抗器是通過改變可控矽的觸發導通角來改變控製電流的大小,從而改變鐵芯的磁飽和度,來平滑地調節可控電抗器的容量。在每個工頻周期,都必須發出觸發可控矽的脈衝。此時必須精確確定時間基準,我們取電壓同步信號,利用過零比較器LM311,把弦信號變為方波。把此方波信號接至CPU的HSI.0腳,采用HSI.0中斷,可在任何希看的時刻觸發晶閘管。為保證強電和弱電的分離,輸出信號經過4N25光電隔離,再接進晶閘管 。5.4 外部接口  采用人機接口,通過鍵盤,可手動調節可控矽的觸發角,也可顯示無功功率、功率因數 、電流、有功功率等值。不使用鍵盤時,可主動調節可控矽的觸發角。

6 諧波抑製  利用可控電抗器上述的諧波分布和相位特征,將兩組可控電抗器並聯,通過一定的控製策略 ,可以使兩組電抗器所產生的大部分諧波相互抵消。圖4為單相可控電抗器組的接線道理圖。圖中L1為可控電抗器組第一單元,其額定工作狀況下的磁飽和度為π,額定容量占總容量的三分之一;L2為可控電抗器組第二單元,其額定工作狀況下的磁飽和度為2π,額定容量為總容量的三分之二。  

  對可控電抗器的控製策略為:在0~1/3額定容量(兩組電抗器總額定容量)範圍內調節可控電抗器L2的,使滿足容量要求;在1/3~1額定容量範圍內變化時,則協調控製電抗器L1和L2,使得兩者產生的大部分高次諧波相互抵消,即其中某單元電抗器所產生的諧波由另一單元電抗器所旁路(吸收),即圖4中的in 。  由於電抗器單元L2的額定容量占電抗器組總容量的2/3,根據可控電抗器諧波分布特性,所產生的最大三次諧波電流幅值為總額定基波電流的(2/3)×7%,故在0~1/3容量調節範圍內電抗器組所產生的最大三次諧波電流約為額定基波電流的4.67%。電抗器單元L2在到達1/3總額定容量時所對應的磁飽和度為β=π。  在1/3~1的容量調節範圍內,電抗器單元L1的磁飽和度在β1=0~π間變化,而單元L2則在β2=π~2π間改變。不難理解,在上述容量調節範圍內,電抗器單元L2所產生的三次諧波與單元的三次諧波反相。若通過控製,使β1和β2具有如下的關係: 可計算出電抗器組的諧波分布如圖5所示。[2]橫坐標為基波電流標幺值,基準值為額定基波電流;縱坐標為各次諧波電流均方根標幺值,基準值為額定基波電流。曲線1為單個電抗器運行時的情況;曲線2為具有諧波自補償功能電抗器組的情況。由圖可見,電抗器組在1/3~1容量調節範圍內的諧波含量不大於額定基波電流的2.8%。

  具有諧波自補償功能的可控電抗器組在不同磁飽和度β(單元L2)下的輸出電流波形如圖6所示。

7 實驗分析  用兩台320 V、1000 VA的可控電抗器,其中一組可控電抗器的額定磁飽和度為βn=2π;另一組βn=π。所測得三次和五次諧波的分布如圖7所示,圖中三次諧波電流分布與圖5中的理論1頁

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