超特高壓高漏抗變壓器式分級可控并聯電抗器模擬技術研究

0可控串聯電抗器隨著高壓協調實驗的開展，中國的能源系統進入了一個新階段，高壓、遠程傳輸、區域供電和能源網絡。越來越多的新設備、電子電氣技術以及能夠提高能源效率的設備越來越受到重視。聯合電氣器是重要的組成部分。并聯電抗器是高壓遠距離輸變電系統中的重要設備之一,它具有補償長線電容效應、限制工頻電壓升高、保護用電設備、降低線路有功損耗、防止諧振過電壓、避免同步發電機自勵磁、減少潛供電流和加速潛供電弧熄滅、抑制操作過電壓等多種功能。然而,高補償度的不可控并聯電抗器為系統重載運行帶來了較大的無功負擔,影響線路輸電能力,增加了電網運行的經濟負擔。與不可控并聯電抗器相比,可控并聯電抗器控制靈活,能隨線路傳輸功率的變化而自動地調節自身容量,不僅可平滑調節系統無功功率,限制工頻過電壓和潛供電流,降低線路操作過電壓水平,而且對系統擾動所引起的動態穩定反應迅速,可抑制電壓波動,提高系統穩定性,增大輸電能力,提高電網的運行效益?？煽夭⒙撾娍蛊髟诔?特高壓輸電系統中的應用已成為電力系統的發展方向之一。根據工作原理的不同,可控并聯電抗器可分為高漏抗變壓器分級式(steppedcontrollableshuntreactor,SCSR)、磁控式(magneticallycontrolledshuntreactor,MCSR)及晶閘管控制式(thyristorcontrolledtransformer,TCT)等多種類型?？煽夭⒙撾娍蛊髟陔娏ο到y中早已應用,到目前為止,俄羅斯等國已經有多臺高壓(110~500kV)可控電抗器投入商業運行。在國內,可控并聯電抗器在500kV輸電系統中的應用也已取得成功,如在忻都變電站應用的500kVSCSR,在江陵換流站應用的500kVMCSR。而可控并聯電抗器在我國特高壓輸電線路中的應用研究工作也已展開。SCSR以其控制原理簡單、響應速度快、精度高、可靠性高等優點,已經成為我國特高壓輸電系統選用設備的重要研究對象之一。為了進一步提升對超/特高壓輸電技術的動模仿真能力,擴大對交流輸電系統的模擬范圍,國家電網仿真中心動模實驗室已將應用于超/特高壓交流輸電系統的SCSR的動模仿真研究列入“國家電網仿真中心——動模實驗室建設子課題”中。SCSR模型的研制將在參考我國已投運的可控并聯電抗器設備的基礎上,同時考慮未來應用于特高壓1000kV交流輸電系統的情況。1scsr結構及工作原理SCSR基于高漏抗變壓器原理,將普通變壓器做成100%的高漏抗,并將高漏抗電抗通過抽頭分成N份,每一等份電抗由雙向晶閘管和斷路器并聯組成的復合開關控制投入和切除。本文以N=3為例介紹SCSR的結構及工作原理。應用于超/特高壓輸電線路的SCSR三相為3個單相變壓器型的電抗器,高壓側三相繞組采用星型接線,中性點直接接地(可根據需要裝設中性點小電抗);低壓側采用星型接線,低壓側高漏抗電抗分成3份,對應控制100%、75%、50%、25%共4組輸出容量,以實現容量調節,低壓側中性點直接接地。SCSR的單相結構如圖1所示。圖1中XL1、XL2、XL3為低壓側電抗,由并接其兩側的雙向晶閘管及斷路器控制其投退。當設備運行時調解輸出容量,需要退出相應電抗時,雙向晶閘管快速導通,將相應電抗旁路,雙向晶閘管導通后并接其兩端的旁路斷路器合閘,承擔回路長期短路電流,雙向晶閘管退出運行。2scsr模擬裝置的設計2.1scsr容量用于1000kV輸電系統模擬時,參考實際系統中SCSR的CT變比kIr=1000/1,PT變比kUr=1000/0.1,實驗室動模系統SCSR選取CT變比kIm=2/1,PT變比kUm=1.5/0.1,則實際系統中SCSR與實驗室模擬SCSR的容量比為若模擬實際系統中容量為960Mvar的SCSR,則實驗室SCSR容量為將SCSR模擬裝置的最大容量定為2.88kvar。若將SCSR模擬裝置的最大輸出容量控制為75%級,則可模擬1000kV輸電線路中額定容量為720Mvar的SCSR。當用于模擬750kV輸電系統中SCSR時,參考實際系統中SCSR的CT變比kIr=800/1,PT變比kUr=750/0.1,實驗室動模系統SCSR選取CT變比kIm=2/1,PT變比kUm=1.5/0.1,則實際系統中SCSR與實驗室模擬SCSR的容量比為若模擬實際系統額定容量為360Mvar的SCSR,則模擬SCSR的額定容量為即62.5%級。當用于模擬500kV輸電系統中SCSR時,參考實際系統中SCSR的CT變比kIr=500/1,PT變比kUr=500/0.1,實驗室動模系統SCSR選取CT變比kIm=2/1,PT變比kUm=1.5/0.1,則實際系統中SCSR與實驗室模擬SCSR的容量比為若模擬實際系統額定容量為150Mvar的SCSR,則實驗室SCSR的額定容量為即62.5%級。SCSR模擬裝置與不同電壓等級SCSR的容量及分級對應關系如表1所示。2.2scsr模擬裝置考慮未來用于模擬1000kV輸電系統試驗研究的需要,SCSR模擬裝置在參考我國山西忻都變電站500kVSCSR設備的基礎上,對結構和功能做了一些特殊設計。模擬裝置本體一次側為單相分立式,三相聯結成“Y”型。為檢驗SCSR匝間短路故障時的特性,SCSR模擬裝置一次繞組設置12個匝間短路抽頭。從中性點起抽頭的位置依次為1%、3%、6%、10%、15%、25%、50%、75%、90%、94%、97%、99%。SCSR模擬裝置本體二次側為單相閉合連接,末端直接接地,考慮用于模擬1000kV、750kV及500kV輸電系統中SCSR時的情況,容量共分9級設計,即100%、75%、62.5%、56.25%、46.875%、37.5%、31.25%、18.75%、15.625%。SCSR模擬裝置本體一次、二次側均裝設電流互感器和電壓互感器。其中一次側CT變比為2:1,二次側CT變比為15:1,一次側PT變比為1500:100。SCSR模擬裝置的監控后臺由多CPU微機控制器及上位機監控軟件組成,由微機控制器實時測量系統的電壓、電流,計算有功、無功潮流,測量電抗器的一次及二次輸出電流值,由微機控制器的開入開出板檢測必要的開關量信息,由RS485接口實現與上位機軟件的通信。主控制板上輸出6路開關控制信號M1~M6,開入開出板輸出2路開關控制信號M7、M8共8組,作為有級控制的輸出信號,三相同時控制。圖2給出了SCSR模擬裝置的結構及接入系統的示意圖(圖中僅詳細畫出A相結構)。2.3scsr模擬設備的功能設計SCSR模擬裝置的主要控制功能如下:控制模式2)~4)的選擇是互斥的單選項,每次只能選擇一種控制目標模式。3基于scsr的試驗系統為測試SCSR模擬裝置的性能和控制功能,動模實驗室搭建了500kV仿真系統,系統結構如圖3所示。其中S為單端等值系統,短路容量為10GVA;L為一條200km空載線路,參數如表2所示;B為斷路器;SCSR根據試驗需要安裝在線路首端或末端,額定容量QL=150Mvar;K為故障點。線路的容性無功為SCSR投入額定容量時的補償度為1%ql狀態將SCSR接于線路首端(系統側),工作于補償容量為60%QL狀態。通過控制后臺將補償容量設定為100%QL,調節過程系統的無功功率變化如圖4所示,其中、、分別為A、B、C相無功功率,負號表示容性無功(下文相同)。2按電壓目標值設定scsr將SCSR接于空載線路末端,將線路末端電壓調至290.8kV(A相),在SCSR控制后臺設定目標電壓值為275kV,圖5為SCSR按電壓目標值調節系統電壓的過程錄波,其中Ua、Ub、Uc分別為線路末端A、B、C相電壓,q為系統三相總無功功率。3scsr補償容量誤移將SCSR接于線路首端,工作于補償容量25%QL狀態,通過控制后臺設定線路故障時SCSR補償容量為100%QL,在線路K點模擬A相金屬性瞬時接地故障,SCSR補償容量在故障發生后131ms由25%QL躍變為100%QL,并在故障消失后68ms恢復25%QL。圖6為故障及SCSR控制過程中系統電壓和無功變化過程錄波圖,其中Ua、Ub、Uc分別為線路末端A、B、C相電壓,q為系統三相總無功功率。4r-scsr特性1)國家電網仿真中心動模實驗室研制的超/特高壓SCSR模擬裝置的設計特點可滿足對500kV、750kV及1000kV系統中不同容量的SCSR的模擬。2)超/特高壓SCSR模擬裝置具備多種容量輸出控制方式及控制功能,適用于對超/特高壓SCSR的控制邏輯及裝設SCSR的超/特高壓輸電系統特性進行研究。3)超/特高壓SCSR模擬裝置結構上設置了匝間短路抽頭,設有與線路保護及開關狀態的聯動功能,既可用于研究和檢測SCSR的本體保護裝置,也可用于裝設SCSR輸電線路的線路保護裝置的測試工作。4)結合超/特高壓SCSR模擬裝置,國家電網仿真中心動模實驗室將深入開展對不同原理可控并聯電抗器應用于超/特高壓輸電系統的調節響應特性的研究、可控并聯電抗器正常運行及異常情況對系統可靠性及安全性影響的研究等課題項目。1后臺容量設計SCSR模擬裝置設計了9級可控容量,可通過監控后臺設定其中一個容量為SCSR允許輸出的最大容量,此功能便于實現對不同容量的實際目標的仿真模擬。2scsr輸出容量的調整此方式可設定為投入或退出。當投入此方式時,不論當前SCSR輸出容量為何值,可通過監控后臺更改輸出容量,設定范圍為任一級容量,當設定完成后,微機控制器自動控制SCSR將輸出容量調整為該設定值。3控制器輸出容量此方式可設定為投入或退出。當投入此方式時,可通過監控后臺設定線路的目標電壓值,微機控制器逐級控制調節可控電抗器的輸出容量,最大程度減小線路電壓與目標值的偏離程度。如果電抗器已經輸出了指定的最大容量值,線路電壓依然高于目標值,則電抗器維持在指定的最大容量值;如果電抗器容量已調至最小,線路電壓依然低于目標值