可控并联电抗器励磁系统设计李福龙张凌俊温延男北京四方继保.docx
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可控并联电抗器励磁系统设计李福龙张凌俊温延男北京四方继保
可控并联电抗器励磁系统设计
李福龙 张凌俊温延男
（北京四方继保自动化股份有限公司北京100084）
【摘要】磁控式可控并联电抗器已在俄罗斯、美国等应用超过30年，我国在近几年已有应用，如500kV荆州换流站可控高抗和一些110kV及以上变电站无功补偿设备，相信今后在国内会有更广泛的应用。
本文介绍了可控并联电抗器的发展和工作原理；阐述了磁控式可控并联电抗器励磁系统主回路及控制原理等设计内容。
【关键词】并联电抗器 磁控 高压 MCSR励磁系统
1、可控并联电抗器概述
电抗器是电力系统中重要的设备，在电力系统中广泛的应用于限制工频过电压、消除发电机自励磁、限制操作过电压和线路容性充电功率、潜供电流抑制、限制短路电流和平波等。
目前电力系统中使用的电抗器主要是固定电抗器，但随着电力工业的发展，电能质量和节能的要求的提高，固定电抗器越来越不能满足系统的要求，而根据实际需要改变电抗值的可控电抗器也越来越受到关注。
可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的，20世纪50年代科学家把磁放大器的工作原理引入了电力系统，1955年英国通用电气公司制造了世界上第一台可控电抗器。
从此，可控电抗器引起了国内外学者的广泛关注，并围绕可控电抗器结构原理，控制策略进行了广泛的研究，并大力引进新兴的电力电子技术，产生了大量研究成果和应用实例。
20世纪70年代，晶闸管技术应用于电抗器，产生了晶闸管控制电抗器（TCR）。
当时，BBC公司提出一种基于高抗变压器的可控电抗器，1979年，BBC公司在加拿大Kvebek郡Loreatid变电站投运了450Mvar/750kV这种可控电抗器，现仍在运行。
其优点：
响应速度快（10ms）；其缺点是：
谐波含量大（达到6%），损耗为传统变压器的5倍，该项技术未能推广。
2001年，圣彼得堡理工大学在本体设计上进行较大改进，并增加了用于滤波的补偿绕组，大大减少了这种可控电抗器的谐波损耗，BHEL公司在印度Itarsi投运了一套50Mvar/420kV这种变压器型可控电抗器，目前该系统仍然运行良好。
20世纪70年代，俄罗斯提出了一种基于直流磁饱和式可控电抗器，这种电抗器是通过在电抗器中注入直流励磁，调整电抗器铁心的饱和程度，从而实现电抗器输出容量的可控。
随后，俄罗斯先后在一些变电站投运了这种磁控式的可控电抗器，这些可控电抗器一直可靠运行至今。
1986年，前苏联学者改进磁控式可控电抗器结构，又提出了新型的磁阀式可控电抗器，这种磁阀式可控电抗器也是通过调节直流励磁实现电抗器可控的，但是它具有不需要外接电源的优点，因此磁阀式可控电抗器很快成为研究的热点。
磁阀式可控电抗器在俄罗斯和乌克兰得到了良好的应用。
俄罗斯、白俄罗斯等国开展磁控式并联电抗器（magneticallycontrolledshuntreactor，MCSR）技术研究30多年，在前苏联地区110、220、330kV系统安装有多套MCSR并发挥了重要作用；现已开展接入500kV系统的研究，设计制造了单相试验样机。
美国也计划在电网中大规模采用MCSR。
2、磁控电抗器的工作原理
磁控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的，其简化结构如图1所示。
工作绕组每相均由两个并联绕组组成，三相星型连接。
工作绕组同名端并联接到系统高压侧，中性点经小电抗接地。
控制绕组三角形连接，为零序谐波电流提供一个闭合回路。
控制绕组的异名端并联接入整流器的输出侧。
图1磁控电抗器结构图
超高压线路中磁控电抗器应具有快速响应能力，在断路器计划操作或者故障跳闸时。
用旁路断路器（图中的Bal和Ba2、Bb1和Bb2、Bc1和Bc2）将控制绕组短路，这样能迅速将磁控电抗器调节到高短路阻抗状态，起到抑制过电压和补偿潜供电流的作用。
磁控电抗器的容量取决于铁心的饱和程度。
改变整流器输出的直流控制电流，对铁心分别起到增磁和去磁的作用，进而调节铁心磁饱和度，即可达到平滑调节电抗器容量的目的。
磁控电抗器工作在极限饱和状态时的输出电流如图2所示，磁控电抗器的输出电流可由下式
确定，其中l为两铁芯的长度，N为工作绕组匝数，H1和H2分别为两铁芯的磁场强度。
图2磁控电抗器工作曲线
超高压、特高压电网可提高输电能力，集约资源配置，但由于线路充电功率大，潮流变化大，使得电网无功、电压控制更为困难。
在现有的无功功率控制措施中，静止补偿装置通常装设在低压侧，补偿容量受变压器容量的限制，而未广泛采用；普通高压并联电抗器可吸收感性无功，但容量不可控。
为了协调超高压、特高压电网限制过电压与无功补偿对并联电抗器不同需求之间的矛盾，可以考虑在长距离重载线路、水电外送输电通道以及受端电网电力受入线安装可控并联电抗器。
可控并联电抗器是柔性交流输电技术的重要组成部分，可限制工频过电压、操作过电压，动态补偿线路容性功率，配以合适的中性点小电抗和一定的控制方式，在线路发生单相接地故障时可加速潜供电弧的熄灭，抑制恢复电压，提高单相重合闸成功率，已经成为超高压、特别是特高压电网的核心技术之一。
磁控式并联电抗器属于可控电抗器的一类，除了具有上述优点外，还具有容量可大范围连续调节、可靠性高、综合成本低的显著特点，因而有着广阔的应用前景。
3、磁控式可控并联电抗励磁系统
3.1磁控式可控并联电抗器主接线图
图3为磁控式可控并联电抗器主接线图：
图3磁控式可控并联电抗器主接线图
主接线图中设备如下：
⏹磁控式可控并联电抗器本体，三绕组变压器结构，包括网侧绕组、补偿绕组、控制绕组，补偿绕组用于自励磁取能，并连接到滤波回路，控制绕组用于容量控制，连接到自励磁和站用电外励磁的整流输出回路；
⏹自励磁整流电路，包括两路励磁整流变压器、整流器；
⏹站用电外励磁整流电路，包括一路励磁整流变压器、整流器；
⏹整流及滤波支路断路器、隔离开关，用于各支路故障切除及隔离检修。
3.2磁控式可控并联电抗器励磁系统
磁控式可控并联电抗器励磁系统包括两个自励磁系统和一个外励磁系统。
整流变压器与整流器连接关系图如图4：
图4励磁系统主接线图
为了保证磁控式可控并联电抗器工作，磁控式可控并联电抗器励磁系统包括两个自励磁系统和一个外励磁系统。
每个励磁系统包括一个整流变压器，两组全控晶闸管整流桥；自励整流变压器还考虑双副边绕组，一组工作绕组，一组强励绕组，采用低压开关进行绕组之间切换。
变压器保护采用CSC-241C保护装置，采用IE61850协议标准通过网络交换机和控制系统实现信息交换和控制。
励磁系统控制结构图如图5：
图5励磁系统控制结构图
监控控制系统分为A、B两套系统，一主一备，A系统分别和自励磁系统的AVRA、AVRB、外励磁系统的AVRA、AVRB相连，B系统同样，自励磁系统的AVRA和AVRB均和IPU1～IPU4相连，作为正常工作情况下的调节。
另外A系统、B系统又可以直接发解/闭锁节点信号，直接控制IPU1～IPU4。
3.3磁控式可控并联电抗器励磁系统保护
图6励磁系统主回路保护配置图
整流器输出保护元件中包括BOD触发晶闸管投切电阻（对地），平衡电阻、测量电阻、避雷器、间隙等。
BOD触发晶闸管投切电阻（对地）励磁系统直流母线过电压进行保护；平衡电阻在磁控式可控高抗正常运行中起到固定直流母线电位的作用。
测量用电阻的电流作为继电保护判断和切除故障的依据。
避雷器，主要用于吸收雷电过电压和操作过电压；此外，避雷器还可吸收当控制绕组发生匝间短路时产生的尖峰过电压，保护励磁设备。
磁控式可控并联电抗器励磁系统还具有各种故障报警及保护功能，对故障及非正常状态的判断迅速准确，响应迅捷，保护完备。
设备的保护最少有：
过流保护、过压保护、欠压保护、冷却系统保护、变压器温度报警、功率柜温度报警、变压器阀侧氧化锌避雷器、压敏电阻、阻容保护、接地保护等。
励磁系统采用快熔进行过电流保护，具有最大励磁电流限制等保护功能单元；励磁系统设置故障自检报警，微机或电源报警等；励磁系统过流保护：
检测输出电流，当超过输出电流最大值1.1倍（可设定）时发出过流故障信号，封锁脉冲、断开进电高压并发出声光报警；励磁系统过压保护：
检测输出电压，当超过输出电压最大值1.1倍（可调节）时发出过压故障信号，封锁脉冲、断开进电高压并发出声光报警；励磁系统整流单元超温报警等等。
所以，通过以上主接线连接，励磁系统控制结构，励磁系统保护进行设计工作，自励系统与外励系统原理图如图7：
图7自励励磁系统原理图
图8外励励磁系统原理图
4、磁控式可控并联电抗励磁系统控制
励磁系统控制结构图如图9：
图9励磁系统控制结构图
监控控制系统与励磁控制系统采用光纤串行编码通讯，接口控制信号和状态信息传递使用串行通讯方式，其格式如图10所示：
图10光纤编码格式
传输路径有效性判断和实时性保证的方法：
首先，为了保证信号实时有效送达和接收端的传输路径有效性，如果没有写入新的数据，发送模块会定时将旧的数据重新发送。
定时的时间可根据应用灵活通过寄存器设置；
其次，当数据信号空闲时间超时、连续多次CRC校验不通过时，接收模块会置位传输路径无效标志。
空闲时间超时的时间和CRC校验不通过的次数可通过寄存器根据应用灵活配置。
整个发送模块和接收模块都使用FPGA实现，可根据实际应用灵活调整数据传输速率、编码发送模块和接收解码模块的数量。
励磁控制系统和后台信息交换采用CSC-2000C通讯管理机以以太网方式实现。
励磁控制系统分自励励磁系统和外励励磁系统，由两套GEC-300励磁控制系统组成。
自励励磁系统由两套AVR控制器和4个IPU（智能整流单元）组成，分别两个晶闸管整流桥对应一个自励励磁变压器，组成一组，每组设备都能满足磁控式可控并联电抗器励磁电流的要求；外励励磁系统由两套AVR控制器和2个IPU（智能整流单元）组成，两个晶闸管整流桥和整流变压器能满足磁控式可控并联电抗器励磁电流的要求。
GEC-300励磁控制系统体系结构如下：
图11GEC-300结构图
GEC-300励磁控制系统分为三层体系结构，最上层为ECU（扩展通讯单元），实现图形化可定制的人机面MMI，可与DCS等电厂自动化信息网相连接，进行网络远程发布，实现对客户零距离即时服务。
中间层为AVR（自动电压调节单元），采用SOC系统级芯片技术、32位DSP技术等实现励磁的快速、准确的调节，可实现与监控控制系统通讯、受监控控制系统控制等控制策略。
最下层为IPU（智能功率单元），标准6U单元，实现脉冲的直接产生、智能反馈均流及对功率单元的过流、超温停风等就地保护功能。
AVR与IPU之间采用CAN通讯，CAN（现场控制总线网络），实现IPU与AVR之间实时、可靠的信息交换。
CAN的应用大大减少了IPU与AVR之间的联线电缆，实现励磁控制器与励磁整流柜的分开布置。
监控控制系统与励磁控制系统除光纤串行编码通讯控制外，还通过开入开出量对励磁控制系统进行有效控制，监控控制系统的开入开出量如下表：
开关量输入：
序号
名称
信号来源
1.
1#整流器故障
表示整流器控制有问题，2个整流桥接点串接后给高抗控制器
2.
2#整流器故障
3.
3#整流器故障
4.
1#整流器闭锁成功
5.
2#整流器闭锁成功
6.
3#整流器闭锁成功
7.
1#整流器1启动成功
8.
1#整流器2启动成功
9.
2#整流器1启动成功
10.
2#整流器2启动成功
11.
3#整流器1启动成功
12.
3#整流器2启动成功
13.
1#整流器远方/就地控制方式
14.
2#整流器远方/就地控制方式
15.
3#整流器远方/就地控制方式
16.
1#整流器交流电源故障
17.
1#整流器直流电源故障
18.
2#整流器交流电源故障
19.
2#整流器直流电源故障
20.
3#整流器交流电源故障
21.
3#整流器直流电源故障
22.
1#整流变低压侧1分位
23.
1#整流变低压侧1合位
24.
1#整流变低压侧12分位
25.
1#整流变低压侧12合位
26.
2#整流变低压侧开关1分位
27.
2#整流变低压侧开关1合位
28.
2#整流变低压侧开关2分位
29.
2#整流变低压侧开关2合位
开关量输出：
序号
名称
信号来源
1.
启动1#整流器1#整流桥
按整流桥划分，共6个
2.
启动1#整流器2#整流桥
3.
启动2#整流器1#整流桥
4.
启动2#整流器2#整流桥
5.
启动3#整流器1#整流桥
6.
启动3#整流器2#整流桥
7.
闭锁1#整流器
8.
闭锁2#整流器
9.
闭锁3#整流器
10.
可控续流
1个
5、结论
通过对磁控式可控并联电抗器励磁系统的详细设计，完善了高抗监控控制系统与励磁控制系统的数字化、智能化控制水平，使磁控式可控并联电抗器及其励磁系统成为智能变电站智能高压设备的可靠组成部分。
高抗励磁控制系统分为自励励磁系统和外励励磁系统，每套系统均能为磁控式可控并联电抗器提供足够的励磁电流，实现了主回路的在线冗余；完善的一次回路保护系统，提高了磁控式可控并联电抗器励磁系统的可靠性，是可控高抗成功投运技术保障，在智能电网和柔性输电领域充分发挥了可控高抗的技术优势。
参考文献
[1]王轩，邓占锋，于坤山，武守远，邱宇峰超高压磁控式并联电抗器稳态特性
[2]北京四方吉思电气有限公司GEC-300励磁控制系统技术说明书（V1.2）
[3]北京四方吉思电气有限公司磁控式可控并联电抗励磁系统设计图
作者简介：
李福龙（1970.06-）,男，江西省弋阳人，毕业于西安交通大学，本科，高级工程师，长期从事发电机励磁开发及应用研究工作。
张凌俊（1971.09-）,男，新疆石河子人，毕业于清华大学，硕士，高级工程师，长期从事发电机励磁开发及应用研究工作。
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