琚澤立¹，吳玲²，武佳³，蒲路¹，趙學風¹

(1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，西安700100； 2.西安高壓電器研究院有限責任公司，西安710077；3.西安森寶電氣工程有限公司，西安710119)

 

摘 要：針對沖擊性負荷造成配電網電壓波動的問題，提出了一種基于晶閘管開關控制技術的電壓調節裝置——晶閘管高壓自動調壓裝置（thyristor voltage regulator，TVR)。首先分析了TVR工作原理、主回路和功能，然后介紹了裝置中晶閘管的控制時序，最后給出了某變電站一條10kV線路安裝TVR后的仿真結果與現場運行效果。結果表明，提出的晶閘管高壓自動調壓裝置可在具有沖擊性負荷的工況下很好地穩定電壓，提高電壓質量。

關鍵詞：沖擊性負荷；配電網；晶閘管；電壓調節；TVR

 

0 引言

電壓質量對電網穩定、電力設備安全、線路損耗及居民生活用電都有影響。目前，中國配電網電壓質量不合格現象非常普遍，部分電網線路供電半徑滿足國家規定，但容載比低，特別是具有沖擊性(快速變動)功率負荷，例如煉鋼電弧爐、軋鋼機、電弧焊機等，該類負荷在生產過程中有功和無功功率隨機地或周期性地大幅度變動，造成電網電壓波動劇烈。同時分布式發電系統的迅猛發展，其輸出功率受自然環境的影響，具有不確定性，這將加劇電網電壓的波動，對配電網的安全穩定運行具有一定的影響。

對于上述場合造成電網電壓大幅度、頻繁波動的問題，常規的調壓技術手段難以解決。需采用專門針對該類問題的調壓設備，為此提出一種晶閘管高 壓自動調壓裝置(thyristor voltage regulator,TVR),應用于中壓配電線路,保證電網電壓在允許的范圍內波動，提高配電網電壓合格率。

1 傳統高壓自動調壓裝置

目前市場上應用最多的調壓器為機械式有載分接開關的高壓調壓裝置，由于是機械設備，機械接觸部分容易磨損，壽命有限、動作次數受限，當使用時觸頭拉弧還會污染變壓器絕緣油，需要定期維護，使用真空有載分接開關時雖然觸頭不拉弧，但是觸頭磨損產生的銅屑也使得設備需要定期維護；而且響應速度慢且不能無時間差連續調節，不適合應用在電壓波動怏、波動頻繁的負荷場合。有載分接開關自動調壓裝置與晶閘管高壓自動調壓裝置各項目的對比見表1:可看出晶閘管高壓自動調壓裝置的優勢所在。

 

表1  兩種線路高壓調壓設備對比

  

 

2 晶閘管高壓自動調壓裝置

2.1結構及設計原理

晶閘管高壓自動調壓裝置(TVR)的結構原理圖見圖1。采用的是橋式開關補償電路，主要由智能控制器、組合式變壓器和晶閘管無觸點靜止有載分接開關組成。組合式變壓器是由串聯變壓器和并聯變壓器組成。晶閘管無觸點靜止有載分接開關是由晶閘管、晶閘管觸發單元和晶閘管保護單元組成。

  

 圖1 TVR裝置結構原理圖

由圖i可以看出，串聯變壓器的二次側串聯在 饋電線路中，其一次側通過靜止有載調壓裝置與并 聯變壓器相連。智能控制器采集輸出電壓，判斷是 否偏離穩壓范圍，并確定目標檔位，然后向晶閘管 觸發單元發出控制指令，觸發相應檔位的晶閘管導 通，從而改變并聯變壓器的變比，使得并聯變壓器的電壓反饋到串聯變壓器上，達到調節輸出電壓的目的。其原理通過式（1）可表示，其中?U

根據并聯變壓器變比k₁與串聯變壓器k₂，可進一步得到（2）—（4）。

 

  

通過式（3）可得出輸出電壓與輸入電壓的比值k,如式（4）所示?？梢钥闯?，通過調整k₁、k₂變化大小，就可以改變輸出電壓U_out。其中串聯變壓器變比k₂為一定值，變比k₁可通過改變并聯變壓器二次側抽頭位置，得到不同的值。

2.2主電路及工作過程

TVR裝置主電路見圖2。它主要由串聯變壓器、并聯變壓器、過渡電路以及由6組正反并聯的晶閘管組成的三橋臂電路構成,其中晶閘管三橋臂電路與并聯變壓器的3個抽頭連接，共同構成一個7檔調壓快速調壓裝置。開關擋位與補償電壓、輸人電壓范圍的對應關系見表2。其中為基準電壓值，?Ufw為允許的正電壓波動值。

并聯變壓器檔位選擇的控制策略通過控制器實時監測TVR輸出電壓U_out的大小進行計算判斷，確定目標檔位。首先判斷輸出電壓，若U_out>(U_zjz+?Ufw)或U_out<(U_zjz+?Ufw)則進一步檢測TVR當前檔位，查表2,找出對應的變比值，根據式(3)計算出輸人電壓U_in；再次查表2找到U_in所處的電壓范圍，調節到對應目標檔，如果U_in同時處于表2中兩個調壓范圍之間，則分別計算出1號目標檔位和2號目標檔位的輸出電壓Uout1和Uout2，若｜Uout1- U_zjz｜-｜Uout2- U_zjz｜>0，則調節到2號目標檔位，反之，則調到1號目標檔位。

表2  TVR裝置調壓檔位切換表

  

 

換擋過程中需考慮很多因素影響如換擋過程時序錯亂，若當前擋位對應的晶閘管還沒有完全斷開，目標檔位對應的晶閘管已經觸發導通，會造成并聯變壓器二次側部分或全部短路，較大的短路電流會沖擊變壓器本體及晶閘管，甚至燒毀器件。因此，需要合理的設計換擋過渡過程的時序。晶閘管屬于半控器，在TVR中，其作為有載分接開關使用，可以控制其導通時刻，當需要轉換導通晶閘管時，撤去其觸發信號，使其在電流過零時刻自然關斷。為了避免出現在當前檔位對應的晶閘管還沒有完全斷開時，目標檔位的晶閘管已經鮭發導通的現象，增加了過渡電路，如圖2所示，在換擋過程中，先將過渡電路導通，對采樣電流信號進行 過零檢測，判斷當前電流狀態，當確定當前電流已經為零時，再觸發相應的目標檔位的晶閘管導通，最后撤掉過渡電路，這樣可以避免短路現象出現。

3 TVR應用

某變電站一條10kV線路，線路的具體參數見表3。整條線路大部分負荷集中在線路后端分支線上，且有大型電機型負荷，考慮線路最極端的運行狀態，即當線路負荷電流達到全年峰值(180A)，結合相應的變壓器、導線、負荷等參數建立節點導納矩陣，采用牛頓-拉夫遜法對其進行潮流計算，其潮流仿真模型見圖3。經反復迭代可得出線路各節點的電壓結果，見表4。從表4可以看出，該線路中后段電壓不滿足國標，最低達到8.99kV，需對該線路的電壓進行治理。

表3  10kV線路參數表

 

 

圖3  無調壓裝置時線路電壓仿真結果示意圖

  

表4  無調壓裝置時時線路電壓仿真結果

 

 

為使整條線路電壓符合國標GB/T 12325—2008供電電壓偏差標準規定:20kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%.在線路主干線中后段，19-170號桿附件安裝該TVR裝置，技術指標見表5。其中TVR裝置容量可根據電網負荷的實際需求計算而得，可取任意大小容量，電壓調整范圍也可根據電網電壓波動的實際需求而定。

對于該10kV線路的19-170號桿(設備安裝點處)，對無調壓設備、安裝傳統機械式有載分接開關的調壓裝置與安裝TVR裝置在電機啟動過程中的調壓效果進行對比，見圖4。

表5 TVR裝置樣機技術指標

 

 圖4  電機啟動過程中的調壓效果對比

圖4(a)電機啟動過程中，線路電壓急速下降為8.80 kV,電機在12s啟動成功后，電壓穩定在9.15kV;圖4(b)中，安裝傳統機械式有載分接開關的調壓裝置后，電機啟動過程中，線路電壓急速下降為9.50 kV,電機在10s啟動成功后，電壓穩定在10.10 kV，由于傳統調壓器調節速度慢，在電機啟動期間并沒有調壓動作；圖4(c)中，安裝TVR裝置后，電機啟動過程中，線路電壓急速下降為9.50kV，調壓器 迅速把電壓調至10kV，電機在8s啟動成功后，線路電壓急速上升到10.50kV,調壓器再次把電壓調制10.10 kV?？梢钥闯?，TVR裝置對于有電機型沖擊負荷的線路，調壓效果更好。

對該線路安裝TVR裝置，進行仿真分析，仿真圖見圖5。

  

 圖5  有TVR調壓時線路電壓仿真結構示意圖

其結果見表6。

從表6可以看出，線路各個節點處的電壓都處在合格范圍內，線路末端電壓從8.99 kV調至9.98kV，很好地解決了電壓低問題。

表6  有TVR調壓時線路電壓仿真結果

 

  

針對上述仿真分析結果，依據圖2所示TVR主電路和該條線路的調壓要求，按照表2的技術指標，研制了一套10 kV系統電壓調節的樣機，并在該線路掛網運行，其安裝點某一天的輸人輸出電壓波形見圖6。從圖6可以看出，TVR提高了線路定壓，運行效果良好。

 

 圖6  TVR現場運行輸入輸出電壓波形

4 結語

通過對某變電站10 kV線路低電壓問題的仿真 分析以及對有載分接開關自動調壓裝置與晶閘管 高壓自動調壓裝置在電機啟動過程中調壓效果的 對比分析，驗證TVR裝置針對有沖擊性負荷工況調壓的可行性，并且樣機在該線路已掛網運行，運行良好，調壓效果顯著。晶閘管高壓自動調壓裝置在配電網的應用可總結如下：TVR裝置調壓速度快，可頻繁操作，可有效解決長線路低電壓、易發生電壓驟變、且對電壓穩定度要求高的場合，對提高智能配電網的供電質量，具有良好的市場應用前景。