基于PSCAD的分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器仿真研究

劉紅恩，李和明，雷 晰，王 毅

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003;2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引言

發(fā)展特高壓電網(wǎng)是我國解決能源資源與生產(chǎn)力呈逆向分布問題的必然選擇。根據(jù)國家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃:2015年“三華”特高壓電網(wǎng)將形成“三縱三橫一環(huán)網(wǎng)”，錫盟、蒙西、張北、陜北能源基地通過三個(gè)縱向特高壓交流通道向“三華”地區(qū)送電，北部煤電、西南水電通過三個(gè)橫向特高壓交流通道向華北、華中和長江三角特高壓環(huán)網(wǎng)送電。就特高壓交流線路而言，其單位長度充電功率是500 kV線路的4～5倍，為了限制工頻和操作過電壓，需要在特高壓長線路上裝設(shè)高補(bǔ)償度的并聯(lián)電抗器，高補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)電抗器為系統(tǒng)重載運(yùn)行帶來了較大的無功負(fù)擔(dān)，增加了無功損耗，限制了系統(tǒng)調(diào)壓能力，影響系統(tǒng)輸送能力[1]。對(duì)于長距離、潮流變化大的特高壓線路，受兩端變壓器低壓繞組容量的限制，低壓無功補(bǔ)償裝置解決調(diào)壓問題能力有限，因此需要配套相應(yīng)的無功調(diào)節(jié)技術(shù)措施和手段。

目前，在世界范圍內(nèi)，對(duì)于超、特高壓長線路，基本采用固定電抗器來限制過電壓，但固定電抗器同樣也限制了系統(tǒng)調(diào)壓能力。理論研究和實(shí)踐表明，可控電抗器可有效解決限制過電壓與無功補(bǔ)償?shù)拿?，一旦發(fā)生暫態(tài)過程，就會(huì)快速增大容量而呈現(xiàn)出深度的強(qiáng)補(bǔ)效應(yīng)，限制操作過電壓和工頻過電壓;在系統(tǒng)潮流發(fā)生變化時(shí)，可以根據(jù)調(diào)壓要求調(diào)節(jié)投入容量。可有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增大輸電能力，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效益[2～4]。

可控并聯(lián)電抗器根據(jù)其構(gòu)成原理的不同，基本可以劃分為基于磁控原理 (magnetically controlled shunt reactor，MCSR)和高阻抗變壓器原理兩種類型。而基于高阻抗變壓器原理可控電抗器根據(jù)晶閘管調(diào)節(jié)方式的不同，又可以分為分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器 (stepped controlled shunt reactor，SCSR)和晶閘管控制式可控并聯(lián)電抗器 (thyristor controlled transformer，TCT)。以上各種類型可控并聯(lián)電抗器在電力系統(tǒng)都已有實(shí)際應(yīng)用，可控電抗器在特高壓交流輸電中的應(yīng)用研究工作也已展開，其中SCSR以其控制原理簡單、響應(yīng)速度快、精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為我國特高壓輸電系統(tǒng)選用設(shè)備的重要研究對(duì)象之一。

1 分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器的原理

基于高阻抗變壓器原理的分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器將變壓器和電抗器設(shè)計(jì)為一體，設(shè)計(jì)使變壓器的漏抗率達(dá)到或接近100%，并在本體二次側(cè)串入多組輔助電抗器。容量的控制方式采用晶閘管投切外加電抗器的方式，可分別工作于額定容量的不同等級(jí)下，滿足系統(tǒng)對(duì)無功的需求。發(fā)生故障時(shí)，可以快速調(diào)至最大容量，達(dá)到限制過電壓，抑制潛供電流的目的。分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器的裝置原理圖如圖1所示[5]。

圖1 分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器裝置原理圖Fig.1 Device schematic of step controlled shunt reactor

圖1中，可控高抗的高壓側(cè)接線端子A，X直接與電網(wǎng)母線或線路連接，低壓側(cè)將高漏抗電抗通過抽頭分成N份，每一份電抗由雙向晶閘管和斷路器并聯(lián)組成的復(fù)合開關(guān)控制投入和切除。Xb1，Xb2……，XbN為低壓側(cè)輔助電抗器;TK1，TK2……，TKN為各級(jí)容量的控制閥，其作用是通過快速通斷達(dá)到快速調(diào)節(jié)電抗器阻抗的效果;斷路器 QF1，QF2……，QFN的作用是旁路 TK1，TK2……，TKN，從而將電流切換到斷路器上;K1，K2……，KN為隔離刀閘，其作用是防止由于誤操作而導(dǎo)致的電氣故障。

分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器通過控制TKi與QFi(i=1，2，…，N)組成各級(jí)容量閥組的開通或關(guān)斷來改變二次側(cè)的電抗值，從而達(dá)到分段調(diào)節(jié)無功輸出的目的，調(diào)節(jié)過程為:某級(jí)容量閥組導(dǎo)通時(shí)先控制晶閘管閥導(dǎo)通，然后控制斷路器導(dǎo)通，斷路器導(dǎo)通后閉鎖晶閘管閥;容量閥組關(guān)斷時(shí)直接拉開斷路器。

下面以忻州500 kV分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器為例，詳細(xì)介紹分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器的工作原理。圖2為忻州可控并聯(lián)電抗器原理圖，由3個(gè)單相變壓器型的電抗器，可工作在額定容量的25%，50%，75%及100%4個(gè)容量級(jí)。圖中Xb1，Xb2，Xb3為低壓側(cè)輔助電抗器，通過打開、閉合與其并聯(lián)的閥組開關(guān)組合，使電抗器根據(jù)需要輸出不同的感性無功。

忻州分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器各閥組與輸出容量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。輸出容量計(jì)算公式為:

式中:Q為SCSR的無功輸出容量;US為低壓側(cè)電壓;XCSR為可控并聯(lián)電抗器的等效阻抗;

X'd為可控并聯(lián)電抗器的固定阻抗，即高阻抗變壓器的漏抗;Xb為可控并聯(lián)電抗器的可調(diào)節(jié)阻抗。

表1 可控并聯(lián)電抗器的投切容量控制表Tab.1 Controlled shunt reactor switching capacity control table

其中，×表示斷開，○表示導(dǎo)通。

圖2 忻州分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic structure of Xinzhou step controlled shunt reactor

2 仿真分析

為了進(jìn)一步研究分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器的特性，采用了目前廣泛使用的電力系統(tǒng)分析軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真研究，搭建750 kV仿真系統(tǒng)，如圖3所示。其中S為單端等值系統(tǒng)，短路容量為100 GVA;TLine21為一條200 km空載線路，參數(shù)如表2所示;B為斷路器;SCSR安裝在線路末端，額定容量300 MVar;BG為故障點(diǎn)，表示 B 相接地故障[6]。

圖3 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the simulation system

表2 輸電線路主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the transmission line

線路的容性無功為[7]:

SCSR投入額定容量時(shí)的補(bǔ)償度為:

2.1 容量調(diào)節(jié)仿真

設(shè)置SCSR容量調(diào)節(jié)順序按照25%～50%～75%～100%～75%～50%～25%的步驟來執(zhí)行。仿真結(jié)果如下:

(1)SCSR A相無功功率變化波形圖如圖4所示。從仿真波形可以看出，各級(jí)容量與設(shè)計(jì)容量基本一致，仿真參數(shù)設(shè)置正確。

(2)SCSR容量調(diào)節(jié)過程中線路末端電壓的變化情況為764 kV～758 kV～753 kV～747 kV～753 kV～758 kV～765 kV，如圖5所示。

(3)SCSR從50%級(jí)調(diào)節(jié)到75%級(jí)過程中，閥電流和斷路器電流如圖6所示?？梢钥闯?，從50%級(jí)往75%級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)，75%級(jí)晶閘管閥先導(dǎo)通，50%級(jí)斷路器電流降為0;75%斷路器閉合后，75%級(jí)晶閘管閥電流降為0，完成轉(zhuǎn)換。

從上述仿真波形可以看出，分級(jí)式可控電抗器的容量調(diào)節(jié)基本不存在直流分量和容量重疊過程;調(diào)節(jié)過程中晶閘管閥可以實(shí)現(xiàn)過零觸發(fā)，對(duì)系統(tǒng)不會(huì)造成沖擊，基本不產(chǎn)生諧波。

2.2 線路故障時(shí)SCSR的仿真

在線路末端模擬B相金屬性瞬時(shí)接地故障，故障發(fā)生時(shí)間為0.4 s，持續(xù)0.5 s，若線路不帶高抗，故障時(shí)線路末端各相電壓仿真波形如圖7所示。

圖7 單相接地故障不帶SCSR相電壓波形圖Fig.7 Waveforms of single phase grounding without SCSR

若線路帶可控高抗，且工作于補(bǔ)償容量25%QL狀態(tài)，0.4 s發(fā)生故障后，SCSR在0.408 s即由25%QL躍變?yōu)?00%QL，并在故障消失后于0.91 s恢復(fù)到25%QL。圖8為故障及SCSR調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)電壓和SCSR無功變化波形圖。

由以上仿真可知，線路末端故障期間的過電壓發(fā)生在健全相 (A，C相)，若線路帶可控高抗，在故障期間可有效限制工頻過電壓，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.3 SCSR特點(diǎn)分析

通過以上仿真，SCSR優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)SCSR采用晶閘管型式，切換次數(shù)對(duì)壽命沒有影響，適于頻繁調(diào)節(jié);

(2)可以有效抑制超、特高壓線路上有功功率波動(dòng)引起的電壓波動(dòng);

(3)采用晶閘管閥可實(shí)現(xiàn)過零觸發(fā)，對(duì)系統(tǒng)無沖擊影響;

(4)閥動(dòng)作時(shí)間小于10 ms，可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié);

(5)暫態(tài)調(diào)節(jié)容量為額定容量，滿足系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)調(diào)節(jié)容量的要求;

圖8 單相接地故障帶SCSR相電壓波形圖Fig.8 Waveforms of single phase grounding with SCSR

(6)閥控系統(tǒng)故障時(shí)，通過閉合旁路斷路器，可作為固定并聯(lián)電抗器使用，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

SCSR的缺點(diǎn)是不能連續(xù)調(diào)節(jié)，也不能參與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。而從目前對(duì)可控并聯(lián)電抗器的功能定位來講，其主要目的是解決超、特高壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償與限制過電壓的矛盾。針對(duì)于特高壓電網(wǎng)存在的穩(wěn)定問題，有更有效和更經(jīng)濟(jì)的解決手段，從這點(diǎn)來講分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器完全可以滿足電網(wǎng)的需求。隨著可控電抗器制造技術(shù)的成熟和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，可以開發(fā)可控電抗器對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)控制功能，使其在系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

3 結(jié)論

本文首先以忻州工程為例，詳細(xì)介紹了分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器的原理:然后在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果表明此模型的正確性、有效性;最后結(jié)合仿真分析，總結(jié)了分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器的特點(diǎn)，指出分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器將是超、特高壓輸電線路對(duì)可控并聯(lián)電抗器的主要選擇。

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