基于PSCAD的調(diào)容式消弧線圈設(shè)計

1、電力電子技術(shù)Power ElectronicsVol.42,No.3March ,2008第42卷第3期2008年3月 定稿日期:2007-11-30作者簡介:王振浩(1964-,男,山東濰坊人,高級工程師,研究方向為電氣設(shè)備運行監(jiān)視與控制及供配電教學(xué)等。1引言以某變電所10kV 電壓等級的電容電流補償實際問題為背景,對輸電線路電容電流的參數(shù)進行了估算,建立了集中參數(shù)的輸電線路模型,同時對調(diào)容式自動跟蹤消弧補償系統(tǒng)進行了詳細的建模分析。在PSCAD/EMTDC 中沒有接地變壓器模型的情況下,提出了單相變壓器以Z 型連接方式構(gòu)造接地變壓器的模型,并詳細分析了其有效性。仿真控制系統(tǒng)以信號注入法為依

2、據(jù),設(shè)計了掃頻電流源,分析了其測量電容電流的原理及有效性。在仿真程序中,以自定義模塊的方式,設(shè)計了TSC 回路中過零觸發(fā)、電容電流測量、自動識別投切等控制模塊,使仿真程序?qū)崿F(xiàn)了對自動跟蹤消弧補償系統(tǒng)的完全數(shù)字化模型,對其動態(tài)行為及補償性能進行了詳細仿真。實驗結(jié)果表明,該測控儀能快速、可靠地對電容電流進行補償。2調(diào)容式消弧補償仿真系統(tǒng)設(shè)計調(diào)容式自動跟蹤消弧補償仿真系統(tǒng)包括用于引出10kV 系統(tǒng)中性點的接地變壓器、調(diào)容式消弧線圈、掃頻電流源和控制器,如圖1所示。調(diào)容式消弧線圈采用TSC 技術(shù),控制器通過對10kV 信息量的采集,完成電容電流的測量控制、電網(wǎng)運行狀態(tài)識別和晶閘管的投切控制功能。2.1

3、接地變壓器模型1-2國內(nèi)的10kV 配電網(wǎng)大多采用中性點不接地的運行方式,10kV 側(cè)的變壓器一般為三角形接線方式,故系統(tǒng)沒有中性點。為接入消弧線圈,必須引出系統(tǒng)中性點,接地變壓器可以提供一個中性點。在此針對Z 形連接的變壓器進行建模分析。根據(jù)接地變壓器繞組連接特點和磁勢關(guān)系,采用單相接地變壓器的初、次級繞組Z 形連接來建立Z 形接地變壓器的模型。如圖1中Z 形變壓器,每個單相變壓器的初級繞組作為等效接地變壓器一個鐵心的上半繞組,次級繞組作為下半繞組,A ,B ,C 相基于PSCAD 的調(diào)容式消弧線圈設(shè)計王振浩,孫偉紅,辛業(yè)春,李國慶(東北電力大學(xué),吉林吉林132012摘要:為了實現(xiàn)配電網(wǎng)電容

4、電流的智能化補償,現(xiàn)以電容電流的測量為切入點,在各種電容電流測量方法的基礎(chǔ)上提出了一種新的測量方法,即掃頻法;同時對調(diào)容式消弧線圈補償接地電容電流的原理及其補償特性進行了研究。利用PSCAD/EMTDC 仿真軟件對調(diào)容式自動跟蹤消弧補償系統(tǒng)進行了建模和仿真。實驗結(jié)果表明,掃頻法能準確測量對地電容電流,且系統(tǒng)能對單相接地故障進行智能識別,并能快速、可靠地實現(xiàn)單相接地時電容電流的完全補償。關(guān)鍵詞:配電網(wǎng);電容器;線圈/掃頻法;電容電流中圖分類號:TM46文獻標識碼:A文章編號:1000-100X (200803-0046-03Design of New Capacitor Automatic Tu

5、ning Arc-suppression Coil based on PSCADWANG Zhen-hao ,SUN Wei-hong ,XIN Ye-chun ,LI Guo-qing(Notheast Dianli University ,JinLin 132012,China Abstract :To achieve capacitive current compensation of distribution network automaticlly ,deep analysis and studies based on various methods of capacitive cu

6、rrent calculation were carried on ,and a new method of scanning frequency was put out.The principle of arc suppression coil (ASC which inductance value was changed by switching parallel connected capaci-tors and its compensating characteristic were specified.Auto-turning ASC model was builded and si

7、mulative system was carried on in PSCAD/EMTDC.The experimental results show that the method of scanning frequce can measure the capaci-tive current accurately.The system can identify occurrence of single phase to ground fault in network and compensate ca-pacitive currenteffectively.Keywords :distrib

8、ution network ;capacitor ;coil /the method of scanning frequency ;capactive current 46I L /A表1補償檔位與容量101.751212001.5167kW/131kvar表210kV 系統(tǒng)參數(shù)繞組相互按照Z 形變壓器的連接方式進行連接,并將每個單相變壓器繞組的變比設(shè)為1,且電壓等級為電網(wǎng)的相電壓。2.2消弧線圈的設(shè)計調(diào)容式消弧線圈的電感量是通過改變并聯(lián)于其兩端的電容來改變其等效電感量的,即:L eq =n 2n 2-2LC xL (1式中:n 為消弧線圈初、次級繞組的變比;C x 為投入運行時的電容器容量;

9、L 為消弧線圈的電感。由式(1可知,改變C x 即可改變L eq 。C x 的組合有好多種,這里采用多個容量相差不大的電容器進行組合,如190kvar 的電容器柜可按8組配置,容量為25kvar 7+15kvar 1,電容器容量差只有10kVA ,投切容量中,最小級差容量是10kvar ,最大級差容量為15kvar 。其補償檔位和容量見表1。2.3基于掃頻法的電容電流的測量從PT 次級注入恒幅變頻電流信號i m c ,該電流在消弧線圈的初級感應(yīng)出一電流i 0。i 0流經(jīng)對地電阻R A ,R B ,R C 及對地電容C A ,C B ,C C ,通過大地構(gòu)成回路。若注入電流信號i m c 的頻率

10、f 變化到某一值f m 時將發(fā)生并聯(lián)諧振,即f m =m /(2=(2L 3C !-1?？傻脝蜗嘟饘俳拥貢r的電容電流為:i C =U s 3C=U f s2f m 2L(2式中:L 為消弧線圈的電感;C 為電網(wǎng)的對地電容;f s 為電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率,f s =50Hz 。脫諧度為:v=1-i L i C =1-U /(j s L -U j s 3C =1-f m 2/(22s 2=1-f m 2f s為得到頻率可變,幅值恒定的電流源,仿真采用了如圖1中掃頻信號源部分所示的變頻電源,其中直流側(cè)電壓為300V ;由于經(jīng)PT 折算到逆變器側(cè)的初級系統(tǒng)阻抗值非常小,故在逆變器出口串接阻值為300的限流電

11、阻,控制兩組IGBT ,即VI 1,VI 4和VI 2,VI 3的導(dǎo)通和關(guān)斷時間,即可得到幅值為1A 的變頻電流。2.4控制器部分模型在設(shè)計控制部分模型時,利用PSCAD/EMTDC 的Component Workshop 定義Definition Component ,通過Fortran 語言編程來對IGBT ,SCR 模型的脈沖信號進行控制。在控制部分主要設(shè)置了電容電流測量單元模塊、控制器模塊和晶閘管電壓過零觸發(fā)模塊,圖2示出其控制部分模型。圖3示出其控制系統(tǒng)流程。310kV 系統(tǒng)線路參數(shù)的估算及建模在建模時,設(shè)定兩條線路,其總對地電容電流分別為15A 和10A ,這樣就可知道每條線路的長

12、度,再經(jīng)過計算得到電阻、電抗、電容等參數(shù)之后,就可以得到用集中電容和電阻來代替電纜電路。具體值如表2所示。4試驗4.1電容器調(diào)節(jié)柜TSC 投切試驗針對所設(shè)計的TSC 回路,在實驗室做了全壓試驗,試驗的接線如圖4所示,晶閘管的控制信號由控制器給出,試驗波形由DL750示波器記錄。經(jīng)過12小時的反復(fù)試驗,晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷良好,幾乎沒有沖擊,其溫度為4050(在室溫為25下,試驗波形如圖5所示。(1晶閘管開通過程當控制器向晶閘管模塊基于PSCAD 的調(diào)容式消弧線圈設(shè)計47電力電子技術(shù)Power ElectronicsVol.42,No.3March ,2008第42卷第3期2008年3月輸出+12V

13、 控制電平時,在晶閘管兩端電壓u scr 過零時導(dǎo)通,此時電容電壓u C 從零開始充電,由圖5a 可見,u C 從零開始增長。(2晶閘管導(dǎo)通過程晶閘管一旦導(dǎo)通, 門極失去控制作用,如果使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷,只能使流過晶閘管的電流降低到接近于零的某一數(shù)值以下,所以對于反并聯(lián)的兩只晶閘管而言,一個周波內(nèi)有兩次輪換導(dǎo)通,輪換點在u C 最大值即電網(wǎng)電壓峰值的時刻(電容器電流由正到負或由負到正。且晶閘管一旦導(dǎo)通,其壓降很小。由圖5b 可見,只有1V 的壓降,導(dǎo)通情況較為理想。(3晶閘管關(guān)斷過程在控制信號u p 撤消后,晶閘管并不能立即截至,直到電容兩端電壓為峰值,即電流為零時關(guān)斷,如圖5c 所示。電容

14、上電壓逐漸降低,此時晶閘管兩端電壓為電源電壓與電容器兩端電壓之和。通過以上試驗可知,所設(shè)計的驅(qū)動和元件選擇正確無誤,可滿足TSC 的基本要求。4.2控制器電容電流測量實驗為了驗證掃頻法測量電容電流的準確性,在實驗室搭建了如圖6的電路。用33.3mH 的電感來代替消弧線圈,用258.6F 的電容作為對地電容,用180V/220V 單相隔離變壓器作為消弧線圈PT ,按照圖6方式連接成試驗電路。圖中的限流電阻R 1=200,采樣電阻R 1=1。由于試驗條件所限,輸入變頻信號的電壓幅值為30V 。根據(jù)掃頻原理,多次測量,其試驗波形由DL750示波器記錄,如圖7所示,而測得電容值與實際電容值的比較結(jié)果見

15、表3。圖7a 是整個掃頻過程,圖7b 是掃頻剛開始時,u R 超前u L ,圖7c 是在諧振點附近,此時u R 和u L 的相位相差基本重合,圖7d 是過了諧振點,此時u L 的相位超前u R 的相位,u L 的電壓也存在畸變。意即在整個掃頻過程開始時電路容性,電流的相位超前電壓的相位;達到諧振點附近時,電流和電壓同相;過了諧振點后,電路呈感性,電壓超前電流。圖中的u L 波形為反相。由表3可知,最大相對誤差為2.01%,最小誤差為0.12%,平均誤差為1.01%。實驗結(jié)果表明:掃頻法測量電容電流精確度高,誤差小。5結(jié)論研究了調(diào)容式消弧線圈原理及其自動跟蹤補償方法,在PSCAD/EMTDC 的

16、基礎(chǔ)上,搭建了調(diào)容式自動跟蹤消弧補償數(shù)字化系統(tǒng)。同時按照仿真模型設(shè)計了電容調(diào)節(jié)柜,在實驗室做了全電壓試驗,試驗結(jié)果驗證了設(shè)計的正確性。在實驗室用電容來代替電路的集中電容,能夠準確地測量電容電流,使消弧線圈準確自動跟蹤補償?shù)那疤釛l件得到了保證。現(xiàn)該方法正應(yīng)用于某66kV/10kV 變電所所轄的配電網(wǎng)電容電流過大問題上。參考文獻1要煥年,曹梅月,等.電力系統(tǒng)諧振接地M.北京:中國電力出版社,2000.2李玲,李國慶,王振浩.小電流接地系統(tǒng)Z 變壓器的設(shè)計J.吉林電力,2006,34(3:24-27.3曾祥君,尹相根,于永源,等.基于注入變頻信號法的消弧線圈自動調(diào)諧新技術(shù)J.電力系統(tǒng)自動化,2000,24(5:38-41.4連鴻波,裴扇鵬,曲軼龍,等.諧振接地電網(wǎng)的電容電流自動跟蹤測量J.鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版,2005,26(2:51-54.