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TCR+FC型SVC静止动态无功补偿装置简介


TCR+FC 型 SVC 静止动态无功补偿装置简介
随着国民经济的发展和现代化技术的进步,电力网负荷急剧增大,对电 网无功功率的要求与日俱增。特别是如轧机、电弧炉等冲击、非线性负荷的 不断增加,加上电力电子技术的普遍应用,使得电力网发生了电压波形畸变、 电压波动闪变和三相不平衡等,产生了电能质量降低、网络损耗增加等不良 影响。因此解决好电网的无功功率因数补偿和谐波滤波问

题,对于提高电能 质量、安全运行、降低损耗、节能、充分利用电气设备的出力等具有重要的 意义。

1、谐波的危害: 、谐波的危害:
1.电能的生产,传输和利用效率降低,电器设备过热,产生附加的振动和 噪声 2.绝缘老化,寿命缩短 3.设备故障,引起电力系统局部发生串联谐振或者并联谐振 4.谐波发生放大,造成电容器过热,膨胀甚至产生破裂 5.继电保护和自动化控制装置误动作,使电能计量失准,造成混乱 6.对通信和电子设备产生干扰。

2、简介 、
90 年代以来,随着高压晶闸阀的制造技术日趋成熟,绝大部分用户采用 TCR+FC 型 SVC 这种动态无功补偿及滤波装置来改善电网电能的质量。晶闸管 控制电抗器型静止动态无功补偿装置是一种可以自动调节的无功功率补偿装 置。它具有 3 个主要功能:抑制电压波动, 改善功率因数,吸收电网谐波。 TCR+FC 型 SVC 全称如下: 全称如下:

图 1:TCR+FC 型 SVC 主回路接线图

无源单调谐滤器 FC 以其结构简单、成本低、运行维护方便等特点被广泛 应用于负荷冲击不大的有污染的供电系统中,具有吸收电网谐波和补偿无功功 率两个功能。安装于母线或者设备侧,设备组合方便,性能稳定。 TCR(Thyristor Controlled Reactor)是晶闸管投切电抗器型静止无功补偿 装置。由于单独的 TCR 只能吸收感性的无功功率,因此往往与并联电容器配合 使用。并联电容器后,使得总的无功功率为 TCR 与并联电容器无功功率抵消后 的净无功功率。

3、TCR 型补偿装置工作原理 、
TCR 型动补装置的补偿原理见图 2 所示。 图中 QC 为电容器功率, L 为负载 Q 感性无功功率,QLS 为补偿器所提供的感性无功功率。

图 2 动态补偿原理

负载工作在不同的状态所产生的无功功率也是不同的,例如当负载起动时, 所消耗的无功功率很大,功率因素很低,补偿器无功功率 QLS 降为 0,此时容性 无功功率 QC 全部用于补偿负载无功功率 QL。当负载进入等速运行阶段后,所 需的无功功率减小,电容器会产生过补偿,TCR 的控制器提供一部分感性无功 功率 QLS,以补偿容性无功功率的多余部分。当负载停止时,补偿器全部容量投 入,用于补偿过剩的容性无功功率 QC。

控制器感性无功功率 QLS 对负载的感性无功功率 QL 和电容器组的容性无功 功率 QC 起平衡作用,以使系统电压及功率因数保持为恒定值。

图 3 TCR 主电路

图4

晶闸管连线原理

图 5 不同控制角 a 时的电流波形

控制器感性无功电流的大小通过控制角 α 进行调节,调节范围为 α=90?~ 180?(此即相对于 β=0?~90?)。图 4 中阀 1 导通正半周,阀 2 导通负半周。

图 6 AC 控制器谐波电流控制角的关系

4、 设备组成 、
SVC 型动补装置由开关、触发监控系统,晶闸管阀组及主电抗器,FC 滤波 器组等组成。 下面介绍各单元的功能。 主电抗器: 主电抗器: 主电抗器为空芯结构,自然空冷。为了避免晶闸管承受过高的短路应力, 将每相电抗器分为两部分,中间接 AC 控制器。当某一部分电抗器发生短路后, 晶闸管最大承受 2 倍的额定电流。相当于一个可控的感性负载,通过电子调节 器和反并联连接的晶闸管阀的相位控制,改变补偿电抗器的电流大小,从而达 到动态无功补偿的目的。 晶闸管阀组: 晶闸管阀组: 晶闸管阀组由串连的若干只晶闸管元件组成, 串连后的晶闸管阀组可以承受 系统电压的 4 倍以上,有足够的可靠性和裕度。晶闸管阀组采用相位触发控制方 式,用于控制主电抗器的电流,实现动态无功功率的调节和补偿的目的。晶闸管 阀组采用光电触发的方式。 采用原装优质产品,开通、关断、触发、一致性好,高温特性优良,通态压 降低,适合多只串联应用。 因晶闸管阀为正、反向并联,我公司提供的晶闸管参数一致性好,晶闸管更 换时,用我公司提供的备件更换即可。 每臂串联的晶闸管有 2 只冗余,当冗余晶闸管损坏时,设备可正常运行,控 制器发出报警信号,可在设备检修期间查明原因,进行更换。如果晶闸管损坏数 量超过冗余数时,发出报警信号同时,立即跳闸,应立即查明原因进行更换。 晶闸管阀由晶闸管串联而成, 每臂阀组都有相应的阻容吸收回路, 均压回路, 晶闸管换向过电压保护电路及晶闸管击穿保护。晶闸管触发采用光电触发。晶闸 管触发角:110 度~165 度,触发角误差小于 0.1 电角度。 晶闸管的过载能力:1.3 倍电流:300S,1.5 倍电流:60S,2 倍电流:10S。 均压阻容回路 因晶闸管的伏安特性不完全一致及开通与关断过程中的分散性,在多只晶闸

管串联使用下必须进行动态及静态均压措施。 该装置每一反并联晶闸二端并有阻 容元件,以吸收晶闸管换向过电压,同时起动态、静态均压作用,使每相中每只 晶闸管的电压差小于 5%。在每相晶闸管两端并有阻容吸收装置吸收分合闸产生 的瞬态过电压,以对晶闸管起到保护作用,避免发生击穿及损坏。 同时阻容回路也起到静态均压效果。 BOD 保护回路

图 7 BOD 元件图

BOD 器件是一种两端四层 PNPN 结构,可恢复可重复使用的雪崩击穿元件, 其特性与晶闸管的正向转折特性相似,在加在 BOD 上的电压小于动作电压时, 流到 BOD 的电流很小(?A 级) ,当电压超过动作电压时,BOD 迅速击穿产生击 。 穿电流(峰值约为 14A,持续时间 1?s) 保护原理: 当某种原因(主要是由触发电路引起,或某个触发脉冲的触发幅值不够或触 发回路永久损坏时) ,没有开通的晶闸管两端电压上升到 BOD 的动作电压时, BOD 击穿,击穿电流通过晶闸管控制级使晶闸管触发导通,所以在晶闸管两端 电压未达到击穿电压时,晶闸管已被触发导通,从而保护了晶闸管。 光电回路 晶闸管触发回路采用光电触发,把控制单元和功率单元进行光隔离,提高 控制系统的抗干扰性。

图 8 晶闸管阀的光电触发 阀的触发监控系统: TCR 阀的触发监控系统:

晶闸管开关的控制系统,通过测量、比较、放大、移相触发环节,按一定的 调节规律产生晶闸管开关所需要的触发脉冲,控制其触发角大小,调节补充电抗 器的电流,达到所要求的无功功率。 控制系统 控制系统的任务是通过测量系统变量及人为给定量,计算出系统的有功功 率,无功功率,电容器组的容性无功功率和主电抗器的感性无功功率,经过运算 处理,产生相应的触发脉冲,调节 AC 控制器的控制角,控制主电抗器的无功功 率,以使电网电压保持稳定。控制系统接线见图 9 所示。

图9

控制系统接线

控制系统的组成及功能 整个控制系统由测量单元、 计算单元、 处理单元、 触发单元和同步单元组成。 其组成框图见图 10

图 10 控制系统框图 测量单元 测量以下变量:负载电流;补偿回路电流;AC 控制器电流;10kV 线电压。 电流电压信号均采用三相输入。虽然对于三相对称负荷,采用单相测量方法 比较简单经济,但由于对输入信号进行滤波而使测量值具有惯性。因此,为了保 证调节速度,需采取三相全信号输入。 10kV 电压测量 通过 10000/100V 电压互感器得到 100V 交流电压,然后再降至 7.07V 输入 电子电路。交流输入信号经三相全波整流器整流滤波,放大为直流 10V,相当于 交流 10kV。 电流测量 负载电流回路,补偿回路和 AC 控制器回路均采用□/5A 电流互感器,然后 再经 5/0.1A 中间电流互感器将信号输入电子回路。 计算单元

计算单元根据输入信号计算出各回路的有功功率、无功功率。 无功功率信号的计算 采用司坦因麦兹的方法,首先,三个无功功率是 U×I,此值包含一个直流成 份和一个大于 100Hz 的交流成份。三个无功功率相加可消去 100Hz 成份,而剩 下的直流成份总值正比于三个相无功功率值,即

Q = (u 2 s i1 + u s1i2 + u12 i s ) 3
有功功率信号的计算 采用的计算公式为 P = u1i1 + u 2 i2 + u 3i3 由于

u XY = u X ? uY
i1 + i 2 + i3 = 0 可得 P = u 2 s i 2 ? u s1i1 处理单元 处理单元包括一个电压及功率因数调节器,一个电流调节器和线性化环节。 电压及功率因数调节器 将实际无功功率与设定无功功率进行比较, 然后输出一个电流信号到电流调 节器。数学表达式为

I ctset
式中

(1τ )? ∫ [P × tg? =
L

set

? (QL ? QC )dt ? QL ] U

I ctset —AC 控制器设定电流; PL—负载有功功率; QL—负载无功功率; QC—补偿无功功率;

tg?set—设定功率因数; τ—时间常数 电流调节器 将电压及功率因数调节器输出的电流 I ctset 与控制器实际电流进行比较, 输出 一个电压信号到线性化环节。 线性化环节 将电流调节器输出的电压信号进行处理, 以补偿其与触发角之间的非线性关 系,补偿后的信号称为控制电压。 触发单元 根据处理单元提供的控制电压信号,产生触发脉冲去触发晶闸管。 触发单元包括触发脉冲发生器和放大器。 触发脉冲发生器的工作原理见同步 单元的叙述。触发脉冲放大器的作用是将触发脉冲的上升沿变陡,并将其功率放 大,以保证可靠触发。 同步单元 同步单元的作用是使触发脉冲与电网交流电压同步,以保证晶闸管触发正 确。 同步单元由锁相环及锯齿波发生器组成, 锁相环产生一个跟随电网频率及相 位的时钟信号,并使锯齿波发生器产生与电网交流电源同步的锯齿波。 触发脉冲产生电路将锯齿波电压与控制电压进行比较, 当锯齿波电压大于控 制电压时,产生触发脉冲。由于锯齿波与电网交流电压是同步的,所以触发脉冲 与电网电压也能保持同步。 4、FC 滤波回路 、 单调谐滤波回路由电容器和电抗器组成, 电容器选用金属全膜介质的滤波电 容器,具有较高的场强和稳定性,并装有内放电电阻。电抗器为铝导线绕制,空 芯结构,带间隙无级可调。 在谐振频率下,XCn=XLn,可对相关谐波形成近似短路回路。 5、保护功能 、 TCR 过电压保护采用国际上先进的 BOD 器件, 它与其他电子器件一起构成

晶闸管二次触发回路,使晶闸管免受过电压冲击而损坏。当晶闸管的端电压超 过某一指定值时,BOD 立即触发晶闸管,将高电压泄放到电抗器等设备上,以 避免过高的行波电压对晶闸管产生破坏作用。 动态均压采用 RC 电路,可避免各阀端电压的不平衡。 SVC 除装有电流速断和过流保护还设有以下保护: 过电压保护 低电压保护 短路保护 开口三角电压保护 电容器电压不平衡保护 过载保护:当电流出现过载时,监控系统即发出就地和远方报警信号。发出 1.5 报警信号后, 监控系统将 1.3 倍、 倍和 2 倍额定电流的过载电流分别在 300S、 60S 和 10S 内降至额定值。当电流超过 2.4 倍额定电流时,将瞬时关闭晶闸管, 同时联跳高压开关。 每相晶闸管阀组中任一只晶闸管击穿时,即发出就地和远方报警信号。当任 一晶闸管阀组中有 2 只以上的晶闸管击穿时,即瞬时关闭晶闸管阀组,同时联跳 高压开关。 其他: 其他如控制电源、 直流电源和控制系统等出现异常时均能发出报警信号和联 跳开关。 控制系统具备自诊断功能及各种故障信号。 6、TCR 型 SVC 装置的技术特点: 、 装置的技术特点: 1.控制系统采用基于 DSP 的全数字化控制器,动态响应快、控制精度高、 编程功能强,模块化设计,对几兆至几十兆装置均可提供一体化的构 造方式。 2.监控系统提供友好人机界面,实时显示系统工作状态。 3.冷却系统采用自然通风冷却,冷却效率高,运行可靠。 4.控制方式灵活,可实现三相同时控制、分相控制和三相平衡化等多种控 制方式。


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