(國網(wǎng)天津市電力公司,天津 300110)

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一種新的TSC靜止無功補償裝置保護方案

劉 楠，王云昊，吳 杰

(國網(wǎng)天津市電力公司,天津 300110)

靜止無功補償器對維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行有重要作用。提出了一種針對橋型電容器接法的無功補償裝置保護方法，新的保護方案不僅僅對簡單的電容器故障有效，而且對橋臂同側(cè)電容器同時擊穿故障也起到保護作用。基于PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果驗證了結(jié)論的正確性。

靜止無功補償裝置；過流保護；晶閘管投切電容器；平衡電流

0 引 言

全球能源互聯(lián)網(wǎng)力求解決全球環(huán)境問題，需要在全球范圍內(nèi)合理分布清潔能源，因此需要特高壓技術(shù)在洲際之間傳輸清潔能源。為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，特高壓技術(shù)需要大量的無功補償裝置維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的無功補償方法是利用機械開關(guān)對電力電容器進行投切以實現(xiàn)無功補償目的，但傳統(tǒng)的補償方法不能實現(xiàn)無功功率的動態(tài)調(diào)節(jié)，可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此，靜止無功補償裝置應(yīng)運而生[1-2]。

靜止無功補償裝置(static var compensator,SVC)反應(yīng)快速，補償效果好，主要有晶閘管控制電抗器型(thyristor control reactor,TCR)、晶閘管投切電容器型(thyristor switched compensator,TSC)以及兩者的混合裝置[10]。靜止無功補償裝置對維護系統(tǒng)的無功需求，保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定具有重要意義，因此確保無功補償裝置的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

SVC裝置中含有大量的電抗器與電容器等裝置，對于電抗器可以通過電流差動保護實現(xiàn)保護的目的。但電容器故障形式較為復(fù)雜，同時連接方式也不盡相同，因此對電容器的保護尤為重要[3-9]。針對TSC中橋型接線的電容器組的保護展開研究，提出了一種新的過電流保護方案。新的保護方案不僅僅利用橋臂中心平衡電流的變化，也對同側(cè)橋臂同時被擊穿的故障提出了解決措施。利用PSCAD/EMTDC搭建的仿真模型驗證了新保護方案的正確性。

結(jié)構(gòu)主要包括3部分：1)主要介紹了SVC的具體結(jié)構(gòu)以及簡單的保護配置；2)針對橋型電容器組接線提出了新的過電流保護方案；3)利用PSCAD仿真驗證了結(jié)論的正確性。

1 靜止無功補償裝置結(jié)構(gòu)分析

圖1給出了靜止無功補償裝置(SVC)簡單的系統(tǒng)示意圖。靜止無功補償裝置主要依靠晶閘管控制來實現(xiàn)對系統(tǒng)無功補償，最終實現(xiàn)電壓穩(wěn)定的目的。考慮到高電壓等級的晶閘管造價很高，因此靜止無功補償裝置一般需要通過一個降壓變壓器與系統(tǒng)相連[10]。當與晶閘管相連接的元件為電感時，此時SVC為晶閘管控制電抗器型(TCR)；如果是電容，則SVC為晶閘管投切電容器型(TSC)。

圖1 靜止無功補償裝置簡單系統(tǒng)圖

現(xiàn)階段，工程中一般混合使用TCR和TSC兩種補償裝置[1]。圖2給出了SVC典型的無功補償裝置配置圖。顯然，要實現(xiàn)對SVC的保護配置，就要求對SVC每個器件都實現(xiàn)保護。通過圖2可以看出，TCR以電抗器為主，基于電流差動保護就可以很好地實現(xiàn)保護目的，對TSC中的電抗器也是一樣的。但TSC中有電容器組(C1～C4)，并且構(gòu)成了雙橋臂形式；如果其中某一個電容器出現(xiàn)故障，比如被擊穿，此時電流I和I2仍然相同，利用電流差動保護不能起到任何的保護作用。因此針對橋型電容器接線方式提出了一種新的過電流保護方案，從而實現(xiàn)對SVC的全面保護目的。

圖2 典型靜止無功補償器配置圖

2 一種新的過電流保護方案

2.1 保護原理的研究

通過圖2可以看出，如果電容器組穩(wěn)定運行，此時流過橋臂間的電流幅值為0；如果任何一個橋臂或者同旁橋臂發(fā)生了擊穿等故障，如C1、C3或者C2、C4同時故障，此時橋臂不再平衡，電流I1的幅值將會增大，因此依靠電流I1的幅值可以識別大部分電容器內(nèi)部故障。但如果同側(cè)橋臂同時發(fā)生擊穿等故障，此時對于電流I1而言，橋臂仍然平衡，如C1與C2同時被擊穿，電流I1仍然為0。因此僅僅依靠電流I1是不能完全識別電容器組故障。

假設(shè)C1=C2=C3=C4=C，則存在電流I的幅值為

I=ωC(Ua-Ub)

(1)

式中:ω=2πf，表示系統(tǒng)角頻率，f為系統(tǒng)頻率。

當同一側(cè)橋臂同時發(fā)生擊穿故障時，存在

I′=2ωC(Ua-Ub)

(2)

當同側(cè)橋臂同時被擊穿時，電壓Ua、Ub會同時降低，但差值(Ua-Ub)不會變化太大。顯然同一側(cè)電容器擊穿時，電流I的幅值會大約增加1倍，此特征可以作為識別同一側(cè)電容器是否同時被擊穿。顯然，如果4個電容器同時被擊穿，此時存在Ua=Ub的顯著特征變化，但此種情形一般不常見，在此不做討論。

2.2 新的保護邏輯方案提出

通過2.1節(jié)的分析可以得出如下結(jié)論：

1)如果電流I1由0突然增大，則表示電容器組肯定存在故障，要及時隔離SVC，重新對SVC的器件進行檢查或更換；

2)如果電流I1幅值保持為0，并且電流I幅值不變，則表示電容器組并無故障；如果電流I幅值增加，則表示同側(cè)橋臂的電容器同時擊穿，需要迅速隔離SVC，重新對SVC器件進行檢查或更換。

圖3給出了具體的保護邏輯框圖，其中ε和ε1分別表示2個門檻值, ΔI、ΔI1表示電流I和I1幅值的變化。其中由于正常運行時 ΔI≈0，因此ε可取較低的數(shù)值；由于 ΔI1在同側(cè)電容器同時擊穿時可達到正常電流I的2倍，同時為了避免其他因素的影響，因此ε1可取一個相對較大的數(shù)值。

圖3 保護邏輯框圖

3 仿真算例

基于PSCAD/EMTDC搭建了如圖2所示的TSC模型，其中低壓母線電壓為20 kV, 電感L=0.02 H，電容C=0.01 uF，故障時刻為0.5 s。

3.1 C1被擊穿仿真算例

圖4給出了電容器C1被擊穿時電流I1的變化曲線。通過圖4可以看出，在電容器組穩(wěn)定運行時，電流I1幅值幾乎為0。當C1被擊穿時，不平衡電流顯著增大，根據(jù)保護邏輯，需要及時將SVC切除，對損壞的電容器進行更換。

圖4 C1被擊穿仿真結(jié)果

3.2 C1、C2同時被擊穿仿真算例

圖5給出了同側(cè)橋臂C1、C2同時被擊穿時電流I1和I的變化曲線。通過圖5可以看出，雖然電流I1一直為0，但電流I在0.5 s時幾乎增加了1倍左右，顯然根據(jù)新的保護邏輯，電容器組發(fā)生了故障，需要及時將SVC與電網(wǎng)隔離，對器件進行檢查與更換。

圖5 C1、C2同時被擊穿仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

針對SVC的保護問題進行了詳細的研究，并提出了一種新的過電流保護方案：電流I1出現(xiàn)了不平衡電流，則表示TSC發(fā)生了故障；I1電流為0，但如果電流I幅值增加，表示同一側(cè)橋臂同時發(fā)生故障，同樣需要將TSC與電網(wǎng)隔離。新的過流保護方案較為簡單，具有較好的工程應(yīng)用價值。

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The static var compensator plays a key role in keeping the stable operation of power system. A novel protection method for capacitor with bridge connection is proposed. This novel method does not only work for simple capacitor fault, but also for the simultaneous breakdown fault of the capacitors located in the same side of the bridge. The simulation results based on PSCAD/EMTDC prove the conclusion to be correct.

static var compensation (SVC); overcurrent protection; thyristor switched compensator (TSC); balanced current

TM531 <文獻標志碼：a class="emphasis_bold"> 文獻標志碼：A 文章編號：1003-6954(2016)06-0051-03文獻標志碼：a

1003-6954(2016)06-0051-03

A 文章編號：1003-6954(2016)06-0051-03

2016-06-11)

劉 楠(1982)，碩士、工程師，主要從事電網(wǎng)電力調(diào)度、監(jiān)控運行等工作；

王云昊(1986)，碩士、工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運行等工作；

吳 杰(1981)，碩士、工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運行等工作。