基于Zigzag變壓器的交直流疊加輸電線路特性研究

李泓駿 彭寒梅++李澤蘭++李灣

摘 要：基于Zigzag變壓器的交直流疊加輸電技術(shù)，能有效解決直流功率注入普通變壓器二次側(cè)易引發(fā)的直流偏磁問題，可較大程度提高現(xiàn)有交流輸電網(wǎng)絡(luò)的輸電能力，實(shí)現(xiàn)交直流功率的靈活傳輸。給出基于Zigzag變壓器的交直流疊加輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及輸電原理，分析Zigzag變壓器避免磁飽和的機(jī)理；與純交流輸電方式比較下，研究交直流疊加輸電系統(tǒng)線路的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性，得出系統(tǒng)滿足一定電氣條件時(shí)，該系統(tǒng)具有更小的電壓降和功率損耗。搭建交直流疊加輸電系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明研究得出的特性的正確性。

關(guān)鍵詞：交直流疊加輸電；Zigzag變壓器；直流偏磁；特性；仿真

中圖分類號(hào)：TM 72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引 言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)電力需求進(jìn)一步增加?，F(xiàn)有輸電網(wǎng)絡(luò)已無法滿足電力負(fù)荷增長(zhǎng)的需求[1-2]，為此，尋求和探討一種新的輸電方式便成為解決該問題的一種新思路。交直流疊加輸電方式是一種新的輸電方式[3-4]，該輸電方式無需重新架設(shè)新的輸電線路，能夠大幅度地節(jié)省輸電線路的投資成本和運(yùn)營(yíng)成本。交直流疊加輸電系統(tǒng)通過快速地調(diào)節(jié)直流功率潮流，將直流功率與交流系統(tǒng)功率進(jìn)行盈虧調(diào)劑，使得輸電線路的交直流功率傳輸?shù)玫接行У馗纳?，提高交流輸電系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離輸電方式下的穩(wěn)定性，克服在輸電線路上因直流電流缺乏自然過零點(diǎn)難以滅弧的技術(shù)困難。同時(shí)，該輸電系統(tǒng)最大限度地融合了傳統(tǒng)直流輸電方式和純交流輸電方式各自的優(yōu)良特點(diǎn)，具有明顯的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。因此，相關(guān)學(xué)者將其稱為一種新型柔性輸電系統(tǒng)。

上個(gè)世紀(jì)50年代原蘇聯(lián)提出了在交流輸電線路上疊加輸送直流功率的概念，并引起英國(guó)、德國(guó)和美國(guó)等國(guó)家的廣泛關(guān)注和深入研究。60年代到80年代，電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展給交直流疊加輸電系統(tǒng)帶來了更大的發(fā)展機(jī)遇。1991年，IEEE國(guó)際會(huì)議對(duì)電網(wǎng)交直流疊加輸電方案高度重視，并認(rèn)為該系統(tǒng)能夠有效地“挖潛”現(xiàn)有輸電線路傳輸能力，具有良好的發(fā)展前景。目前，交直流疊加輸電系統(tǒng)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、增容研究等方面取得了一定的研究進(jìn)展。文獻(xiàn)[3]提出了交直流疊加輸電系統(tǒng)方案的最初構(gòu)想。文獻(xiàn)[4]指出了在交流輸電系統(tǒng)中疊加少量的直流功率，能夠有效地改善交流輸電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

交直流疊加輸電技術(shù)在我國(guó)研究起步較晚。文獻(xiàn)[5]將交直流疊加輸電方案應(yīng)用于分布式配電網(wǎng)中，分析了單極大地返回運(yùn)行時(shí)允許入地的額定電流值，并論證了該方案相對(duì)于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)具有更均勻的電壓和更小的網(wǎng)絡(luò)損耗。為進(jìn)一步推動(dòng)該輸電技術(shù)的發(fā)展，本文闡述了交直流疊加輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與機(jī)理，分析了其關(guān)鍵部件Zigzag變壓器的基本結(jié)構(gòu)與避免磁飽和特性；研究了π形等值電路的疊加輸電線路電壓、有功及無功功率特性。

2 Zigzag變壓器的交直流疊加輸電系統(tǒng)拓

撲結(jié)構(gòu)

單回路交直流疊加輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ椭饕ǎ航涣飨到y(tǒng)、Zigzag變壓器、整流器、逆變器和輸電線路。

交直流疊加輸電系統(tǒng)由交流網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和直流網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)組成。交流網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要包括交流等效系統(tǒng)、Zigzag變壓器以及輸電線路。直流網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要由換流變壓器、換流器、平波電抗器、接地極及輸電線路構(gòu)成。直流功率是通過交流系統(tǒng)1經(jīng)過換流器整流成直流功率注入在Zigzag變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)交直流功率的“耦合”。在滿足輸電線路電氣特性條件下，交流功率與直流功率在初始交流輸電線路上傳輸。三相線路同時(shí)疊加相同的直流分量，使得輸電線路的線電壓不發(fā)生改變，而相電壓增加一個(gè)直流分量。

為了降低直流功率的諧波含量，防止換流器換相失敗，在換流器端口和Zigzag變壓器直流端口之間串聯(lián)平波電抗器。在輸電線路的末端，交直流疊加功率經(jīng)過Zigzag變壓器二次側(cè)實(shí)現(xiàn)交直流功率的“解耦”，分離出來的直流功率經(jīng)過逆變器傳輸給交流系統(tǒng)2。同時(shí)，系統(tǒng)通過接地極線路或地面構(gòu)成直流電流回路；為防止入地電流過大造成電化學(xué)腐蝕，最大限度地減小電流密度和表面電壓梯度，使用接地裝置將電位鉗位到盡可能小。

3 Zigzag變壓器分析

Zigzag變壓器屬于特種變壓器范疇，其獨(dú)特結(jié)構(gòu)在于它的繞組接線結(jié)構(gòu)不同于一般普通變壓器，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該特種變壓器研究較少[6-7]。Zigzag變壓器的最早研究及應(yīng)用領(lǐng)域是電力系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地或非直接接地的三相系統(tǒng)中作Zigzag接地變壓器使用。該Zigzag接地變壓器能夠人為地提供一個(gè)中性點(diǎn)，該中性點(diǎn)可以直接接地，也可以經(jīng)電抗器、電阻器或消弧線圈接地。

Zigzag變壓器作為一種新型特種變壓器，是實(shí)現(xiàn)交直流功率疊加與分離的關(guān)鍵設(shè)備，也是Zigzag接地變壓器的一種演變與創(chuàng)新。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，一次側(cè)采用三角形接線，二次側(cè)為曲折形聯(lián)結(jié)，對(duì)于二次側(cè)a相繞組有a=a1+a2，其中a1表示二次側(cè)主繞組電壓相量，a2表示二次側(cè)副繞組電壓相量，得到二次繞組總電壓相量有效值Ea：

Ea=E2a1+E2a2+Ea1Ea2 （1）

當(dāng)二次側(cè)兩繞組匝數(shù)相同時(shí)，得到：

Ea=3Ea1=3Ea2 （2）

同理，可以得到b、c相繞組電壓關(guān)系。

Zigzag變壓器的二次側(cè)繞組中性點(diǎn)為直流功率注入點(diǎn)，當(dāng)在繞組中性點(diǎn)上注入直流時(shí)，同一鐵芯上兩繞組的直流磁勢(shì)互相抵消，變壓器保持原有的工作特性曲線，從而避免了直流功率引起的變壓器磁飽和現(xiàn)象。

圖2 Zigzag變壓器繞組接線圖

4 疊加輸電線路特性研究

交直流疊加輸電線路流過的功率分量包含交流與直流分量，兩者在輸電線路產(chǎn)生不同的電氣損耗，由此，有必要研究?jī)烧咴诏B加輸電線路的特性關(guān)系。以單回路輸電系統(tǒng)的集中參數(shù)π型等值電路表示交直流疊加輸電線路[8]，其單相等值模型如圖3所示。假定交直流疊加線路上的交直流分量滿足輸電線路絕緣裕度的要求，且線路的交直流負(fù)荷均為對(duì)稱負(fù)荷，系統(tǒng)單相負(fù)荷總功率（PLac+PLdc）+jQLac恒定不變，即系統(tǒng)以三相對(duì)稱方式運(yùn)行。交直流疊加輸電方式運(yùn)行時(shí)，輸電線路初始端交流電壓為Ⅰac、直流電壓為

4.1 純交流輸電方式線路的電氣特性

當(dāng)系統(tǒng)以純交流輸電方式供給交直流負(fù)荷時(shí)，輸電線路末端并聯(lián)導(dǎo)納支路功率ΔSy2，串聯(lián)阻抗支路功率損耗ΔSZ分別為：

4.2 交直流疊加輸電方式線路的電氣特性

4.2.1 直流電源供電的電壓、功率損耗

直流電源供電方式下的串聯(lián)阻抗支路始端電壓UⅠdc，直流輸電線路總功率損耗ΔSdc分別為：

4.2.2 交流電源供電的電壓、功率損耗

為了與4.1中的公式加以區(qū)別，本節(jié)采用字母上方加橫線表示疊加輸電系統(tǒng)中純交流運(yùn)行方式的功率表達(dá)式。輸電線路末端并聯(lián)導(dǎo)納支路功率ΔSy2，串聯(lián)阻抗支路末端功率S′2分別為：

4.3 輸電線路電氣特性比較與分析

綜合純交流、交直流疊加兩種不同運(yùn)行方式下輸電線路特性研究，進(jìn)一步比較兩種運(yùn)行方式下線路的特性，得到交直流疊加輸電線路的電壓、有功功率、無功功率傳輸特性。

4.3.1 電壓損耗特性

由式（7）和（17），采用純交流輸電方式時(shí)，輸電線路電壓損耗縱分量ΔUac為：

由式（20）-（22）可知，采用交直流疊加輸電方式時(shí)，輸電線路電壓損耗包含交流、直流分量損耗。線路上直流功率被串聯(lián)支路中的電阻消耗，直流電壓降損耗與直流負(fù)荷大小成正比。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡可能讓交直流疊加輸電方式線路的電壓損耗比交流輸電方式小，即電壓損耗比率01。進(jìn)一步，分析可知，系統(tǒng)電壓損耗比率與交直流負(fù)荷大小以及輸電線路參數(shù)無關(guān)，僅取決于電壓疊加比例系數(shù)。因此，得到：當(dāng)系統(tǒng)疊加的直流電壓分量有效值大于交流分量有效值，交直流疊加輸電方式比傳統(tǒng)純交流輸電方式具有更小的電壓損耗特性。

4.3.2 有功損耗特性

比較式（8）和（19），得出采用純交流輸電方式時(shí)，輸電線路有功功率損耗ΔPac為

由式（26）可知：對(duì)于交、直流負(fù)荷恒定的交直流疊加輸電線路，PLac、PLdc、G為定值。M值與x、UⅡdc有關(guān)，即輸電線路有功功率損耗差函數(shù)值正負(fù)與交、直流電壓疊加比例系數(shù)x和疊加的直流電壓有效值UⅡdc有關(guān)。進(jìn)一步，可以得到：在滿足交直流疊加分量規(guī)則和輸電系統(tǒng)絕緣安全的條件下，當(dāng)系統(tǒng)中疊加的直流分量越大，則交直流疊加系統(tǒng)中的有功功率損耗越小。

4.3.3無功損耗特性

無論系統(tǒng)采用何種方式運(yùn)行，交流網(wǎng)絡(luò)電力線路始末端電壓與系統(tǒng)頻率均保持不變。

構(gòu)建無功功率損耗差函數(shù)N：

由式（28）可知，兩種輸電方式的無功損耗差函數(shù)N與系統(tǒng)直流負(fù)荷PLdc有關(guān)，當(dāng)直流負(fù)荷有功功率PLdc大于零時(shí)，疊加系統(tǒng)無功損耗差函數(shù)N<0。此時(shí)，交直流疊加輸電系統(tǒng)具有更小的無功功率損耗特性。

5 仿真分析

在MATLAB環(huán)境下，搭建采用Zigzag變壓器實(shí)現(xiàn)新型高壓交直流疊加輸電系統(tǒng)方案模型，系統(tǒng)采用雙回路供電方式。系統(tǒng)通過Zigzag變壓器和300 km輸電線路連接雙端交流等效系統(tǒng)與換流器，交流系統(tǒng)額定電壓分別為500 kV和345 kV，傳輸功率1000MW，π型等值輸電線路參數(shù)：z=0.01273+j0.29331Ω/km，y= j4.00238×10-6 S/km，系統(tǒng)頻率均為50Hz，系統(tǒng)離散采樣時(shí)間Ts =50us。

交直流功率疊加輸送的仿真設(shè)計(jì)思路是給定導(dǎo)線最大允許溫升電流，通過測(cè)量導(dǎo)線交流電流分量，輸出直流電流指令以實(shí)現(xiàn)整流器和逆變器協(xié)調(diào)控制的目的。仿真系統(tǒng)通過主控制中的啟動(dòng)器模塊啟動(dòng)和停止直流參考電流。t=0.1s時(shí)，兩端換流器開始對(duì)交、直流功率進(jìn)行換流；當(dāng)t=0.33s時(shí)，直流電流進(jìn)入最小穩(wěn)態(tài)參考電流0.1p.u.。t=0.5s時(shí)，直流電流達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)參考電流1p.u.。此后，交直流疊加輸電系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，整流器控制直流電流，逆變器控制直流電壓[9-10]。仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

（a）變壓器二次側(cè)相電壓

（b）變壓器勵(lì)磁電流

圖4 Zigzag變壓器仿真波形

圖4（a）為變壓器二次側(cè)相電壓。圖4（b）為Zigzag變壓器在直流功率疊加后的勵(lì)磁電流波形。在t=0.1s時(shí)，系統(tǒng)開始向變壓器注入直流功率，由圖4（a）可看出，變壓器二次側(cè)相電壓變化較小，電壓基本保持恒定。由圖4（b）可看出變壓器在直流功率注入前后其勵(lì)磁電流基本保持不變。由此可知，增加的直流功率能夠在變壓器繞組中順利通過且不影響變壓器初始運(yùn)行狀態(tài)，表明了Zigzag變壓器能有效地避免變壓器鐵芯飽和的現(xiàn)象，驗(yàn)證了采用Zigzag變壓器實(shí)現(xiàn)交直流功率疊加傳輸?shù)目尚行院陀行浴?/p>

圖5（a）為輸電線路相電壓波形，圖5（b）為輸電線路始末端電壓波形比較圖，實(shí)線表示輸電線路始端相電壓，虛線表示線路末端相電壓。圖5（c）為輸電線路線電流波形。由圖5（a）可看出，三相輸電線路同時(shí)疊加直流功率，使得輸電線路的相電壓峰峰值上升了一個(gè)水平分量，從而驗(yàn)證了理論分析的正確性。圖5（b）表示輸電線路始末端電壓比較，實(shí)線表示輸電線路始端相電壓，虛線表示線路末端相電壓。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，一部分直流功率被輸電線路阻抗支路中的電阻消耗。因此，末端電壓峰值低于始端電壓峰值。由圖5（c）可看出，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，電流曲線可以經(jīng)過零點(diǎn)。說明了疊加輸電系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)缺乏自然過零點(diǎn)的缺點(diǎn)，從而能夠較好地熄滅電弧。

（a）輸電線路相電壓

（b）輸電線路始末端電壓波形比較

（c）輸電線路電流

圖5 輸電線路運(yùn)行參量波形

（a）輸電線路有功功率

（b）輸電線路無功功率

圖6 輸電線路功率

圖6（a）為單回路輸電線路傳輸?shù)挠泄β?，圖6（b）為單回路輸電線路傳輸?shù)臒o功功率。由圖6可看出，在單回路輸電線路上，線路傳輸500MW的有功功率正好是雙回路輸電線路輸送總功率的二分之一，符合理論分析結(jié)論，驗(yàn)證了本文提出的新型交直流疊加輸電系統(tǒng)的可行性和有效性。