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)
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。
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
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:
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。
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。
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。
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。
[1]劉振亞.特高壓電網(wǎng)[M].北京:中國經(jīng)濟(jì)出版社,2005.
[2]李道霖,張雙平,韓宏亮.基于PSCAD/EMTDC的超高壓輸電線路單相接地[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(10):19-22.Li Daolin,Zhang Shuangping,Han Hongliang.Singlephase grounding failures types and determination methods for EHV transmission line based on PSCAD/EMTDC[J].PowerSystem and Clean Energy,2010,26(10):19-22.
[3]國家電網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行部,中國電力科學(xué)研究院.靈活交流輸電技術(shù)在國家骨干電網(wǎng)中的工程應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2008.
[4]張建興,王軒,雷晰,等.可控電抗器綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(增刊):269-272.Zhang Jianxing,Wang Xuan,Lei Xi,et al.Overview of controllable reactor[J].Power System Technology,2006,30(Supplement):269-272.
[5]李仲青,周澤昕,杜丁香,等.超/特高壓高漏抗變壓器式分級(jí)可控并聯(lián)電抗器的動(dòng)態(tài)模擬[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(1):6-10.Li Zhongqing,Zhou Zexin,Du Dingxiang,et al.Dynamic simulation of stepped controllable shunt reactor in type of EHV/HUV-leakage inductance transformer[J].Power System Technology.2010,34(1):6-10.
[6]向秋風(fēng),吳志偉,吳海燕.并補(bǔ)CSR特高壓線路靜態(tài)穩(wěn)定受限的機(jī)理分析[J].電力科學(xué)與工程,2007,23(4):4-6.Xiang Qiufeng, Wu Zhiwei, Wu Haiyan.Mechanism study on lower static stability of EHV lines connected to CSR[J].Electric Power Science and Engineering.2007,23(4):4-6.
[7]王躍.750kV輸電線路過電壓及可控并聯(lián)電抗器的應(yīng)用研究[J].電氣應(yīng)用,2010,29(13):26-29.
[8]賈凱舟.10 kV集合式并聯(lián)電容器的選擇與應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(4):34-36.Jia Kaizhou.Selection and application of 10 kV assembling shunt capacitor[J].Power System and Clean Energy,2009,25(4):34-36.