（电力系统及其自动化专业论文）500kv磁饱和式可控电抗器电气特性及其保护研究.pdf

摘要 本文主要针对5 0 0 k v 磁饱和式可控并联电抗器电气特性及其保护展开研究。首 先介绍了磁饱和式可控电抗器的理论基础、基本结构和工作原理，分析了其基本电 气特性，针对磁饱和电抗器谐波含量高的缺点提出了谐波治理方法；在r t d s 以及 p s c a d 上建立5 0 0 k v 磁饱和式可控电抗器仿真模型，通过仿真实验研究了电抗器的 控制特性、触发控制系统，并对电抗器可能发生的各类故障进行了分析；在对其故 障类型进行全面分析的基础上，确定了保护方案并对保护原理进行了分析；磁饱和 式可控电抗器工作容量为连续调节，根据这一特点引入了浮动门槛的保护原理，以 提高保护的灵敏度；针对电抗器二次控制绕组匝间短路灵敏度低的问题，通过大量 仿真研究，提出了匝间短路保护方案，分析了其保护原理。 关键词：磁饱和、可控电抗器、保护 a b s t r a c t t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h es t u d yo f5 0 0 k vc o n t r o l l a b l e m a g n e t i c - s a t u r a t i o nr e a c t o r e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i ca n dp r o t e c t i o n f i r s t l y , t h eb a s i c s t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo fc o n t r o l l a b l em a g n e t i c - s a t u r a t i o nr e a c t o rw e r ei n t r o d u c e d ， i no r d e rt or e d u c et h eh a r m o n i co fr e a c t o r , an e wh a r m o n i cs u p p r e s s i o nw a yi s p u t f o r w a r d t h r o u g hb u i l d i n gas i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nr t d sa n dp s c a d ，t h i sp a p e r s t u d i e dt h ec o n t r o l c h a r a c t e r i s t i co fr e a c t o ra n da n a l y z e di t sf a u l tt y p e s ，a l s o ，i t st r i g g e r s y s t e mw a ss t u d i e d t h e nt h ep r o t e c t i o ns c h e m ew a sf i x e da n di t sp r i n c i p l ew a sa n a l y z e d i no r d e rt op r o t e c tt u r n - t o - t u r nf a u l to fs e c o n d a r ys e r i e sr e a c t o r , t h ep a p e rp r o p o s e si t s p r o t e c t i o ns c h e m e ，a n da n a l y s e si t sw o r kp r i n c i p l e f i n a l l y ，t h ep r o t e c t i o nd o m a i na n d s e n s i t i v i t yo fe a c hp r o t e c t i o np r o v e dt om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h es t a n d a r d w a n gq i n 自i e ( e l e c t e i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i a n f e i k e y w o r d s ：m a g n e t i c s a t u r a t i o n ，c o n t r o l l a b l er e a c t o r ，p r o t e c t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文5 0 0 k v 磁饱和式可控电抗器电气 特性及其保护研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：圣鑫垒 日 期：勘蔓：苎：! 华j t , e g 力大学硕f ：学位论文 1 1 引言 第一章绪论 北美电力可靠性理事会在2 0 0 1 年5 月指出：“国家正面临或接近面临电网可靠 性的危机”，因此开始发展柔性交流输电系统( f a c t s ) ，其首要特点就是可靠。我国 发电站与大城市人口密集地相距很远，需要建立长距离高电压输电线，且有大量水 电站建设联网，电网负荷波动较大，希望电网达到最佳无功平衡。若采用固定电抗 器作为无功并联补偿手段，虽然能限制过电压水平，但在正常负荷方式下会降低高j 玉 线路功率传输能力；另一方面，为保证正常功率输送，输电线路及受端电网需要补 偿大量容性无功。可控并联电抗器( c s r ) 功率容量可调的特点使其具有广泛的应用 前景。成为超高压以及特高压无功补偿的必然选择。 我国的地域特点是幅员辽阔，发电能源资源的分布和用电负荷的分布极不均 衡。这些基本特征决定了我国电力发展战略需要建设功能更强大的输电网络以实现 跨大区电力传输和跨流域水火互济，为全国能源资源优化配置提供充分支持，满足 我国经济社会发展的需要。国家计划于2 0 1 0 年前后建成国家特高压骨干电网，随 着国家电网特高压骨干网架的建设，特高压、超高压线路传输功率有较大的调整， 系统的无功需求变化很大，因而对电网的无功电压控制带来很大的困难。从无功平 衡和限制过电压的角度出发，特高压、超高压线路需要采用高压电抗器进行无功补 偿。总之，远距离超高压输电线路的对地电容很大，电压波动大，应在输电线路两 端或一端装设对地并联电抗器来保证系统的安全可靠运行：一方面为了吸收容性无 功功率、限制系统的操作过电压；另一方面为了限制潜供电流，提高单相重合闸的 成功率。 可控电抗器的作用具体表现在以下几个方面： 1 、限制工频过电压。在电网正常运行时，可控电抗器容量可根据线路传输的 功率自动平滑的调节从而稳定工作电压水平。 2 、抑制潜供电流。超高压电网中多采用单相重合闸来提高系统运行的可靠性。 但当系统中发生单相接地故障时，由于导线间的分布电容和电磁感应电压而使故障 点的电弧不能随着故障切除而立即熄灭，形成潜供电流。电抗器补偿感性电流可以 有效抑制潜供电流，提高单相重合闸的成功率。 3 、补偿线路容性无功功率，是高压电网理想的无功补偿设备。 4 、限制操作过电压。由于可控电抗器的补偿作用，空载线路的工频电压得以 限制，从而降低了系统的操作过电压水平。当发电机以额定转速合闸于空载线路时， 由于发电机残压加于线路容抗之上，电容电流的助磁作用使发电机电压不断升高， 华北电力人学硕十学位论文 当发电机和线路参数满足一定条件时，会出现发电机电压超出额定电压很高的的情 况，这就是所谓的发电机自励磁现象。可控电抗器能大量补偿线路容性无功功率， 从而可以有效防止发电机自励磁情况的发生。 可控电抗器能否正常工作直接关系着电力系统的输电能力和电压稳定性，是电 网可靠运行的重要保障，而其很容易受系统的各种故障、干扰、气候以及地理条件 的影响而发生故障，因此，为可控电抗器装设保护是非常必要的。 1 2 国内外研究现状 图1 1 所示为三相可控电抗器( c s r ) 的单线接线工作原理图，当电网负荷变化 导致无功功率和电压变化时控制器给出控制信号，使c s r 随着电网功率和电压的 变化而平滑快速改变自己的输出无功，平衡电网无功，维持电压水平在规定的范围 内。 目前比较成熟的可控电抗器( c s r ) 按工作原理的不同土要可分为变压器式可 控电抗器( t c s r ) 和磁饱和式可控电抗器( m c s r ) 。变压器式可控电抗器基于高阻抗 变压器原理，将变压器和电抗器设计为一体，变压器阻抗设计为1 0 0 ，变压器低 压侧接入晶闸管进行调节，实现感性无功的分级调节，目前该类可控电抗器的最大 容量是在印度生产的4 0 0 k v 、5 0 0 m v a r 。磁饱和式可控电抗器通过控制系统改变铁 芯的饱和度来改变电抗器的容量。根据不同的容量和结构设计，m c s r 可以用于直 至1 1 5 0 k v 电压等级的连续无功控制。目前已经实际运行的可控电抗器最高电压等 级为5 0 0 k v ，容量为1 8 0 m v a r 。 = 图1 - 1 z 相c s r 的单线接线工作原理图 1 9 5 5 年英国通用电气公司( g e c ) 成功制造了世界上第一台2 2 k v ，1 0 0 m v a r 可控电抗器。1 9 7 9 年b b c 公司设计制造成功了类似变压器的7 5 0 k v ，4 5 0 m v a r 可 控电抗器。都因技术上的问题而未得到推广。现代意义的可控电抗器概念由前苏联 圣彼得堡技术大学的科学家提出，并率先在1 9 7 8 年投运了第一套3 5 k v ，2 5 m v a r 华北电力人学硕j ：学位论文 可控电抗器。 “磁阀”的概念是前苏联学者在1 9 8 6 年提出的，它使可控电抗器的理论又向 前发展了一大步。前苏联在5 0 0 k v 和7 5 0 k v 系统都曾采用带火花间隙投入的并联电 抗器。带火花间隙投入并联电抗器比较复杂，火花间隙的放电电压的分散性较大， 可靠性不高，在特高压系统使用存在一定困难。因此在前苏联在特高压系统中实 际上仍然使用固定式的并联高压电抗器。也有专家的考察报告中提到，前苏联特高 压系统使用了此类带火花问隙投切的高压电抗器。另外，俄罗斯还一直在研制可控高 压电抗器。它可根据线路上的负载大小和电压高低自动调节电抗器的容量。从理论 上讲是比较理想的高压电抗器。近年来可控电抗器的研究有了重要发展。分析表明： 最具应用前景的为变压器式和磁饱和式可控电抗器。 我国有7 5 0 k v 和5 0 0 k v 并联固定电抗器的制造经验，但是可控电抗器的研究起 步比较晚。现阶段在高压领域只有3 5 k v 、1 1 0 k v 和3 3 0 k v 三种线路的可控电抗器 投入使用，由西安变压器厂试制的5 0 0 k v 变压器式可控电抗器去年在山西忻州刚刚 投入运行，现在还属于试运行阶段。特变电工沈阳变压器厂正在研制5 0 0 k v 磁饱和 式可控电抗器，在湖北荆州试运行，技术成熟后将应用到我国的1 0 0 0 k v 特高压线路。 1 3 变压器式与磁饱和式可控电抗器 变压器式可控电抗器兼具电抗器本体和降压两功能，降压的目的在于降低串接 晶闸管的总体耐压及其串级数量。这种电抗器的独特之处还在于：不产生涌流；双 向晶闸管的动作时间不超过控制信号给出后的半个工频周期，故可满足上述快速补 偿要求。此外，在高低压绕组之间增绕第3 个低压绕组，它们结成三角形后可形成3 次及其奇倍数谐波电流的短路通道而不注入电网；而在每个低压绕组上接入相应的 滤波器，则可去除其它高次谐波电流。印度已在俄罗斯专家的协助下在4 2 0 k v 线路 中投运这种电抗器。 变压器式电抗器的缺点，一是有高低压两个绕组( 常规电抗器只有一个) 而增 大造价，二是降压后的工作电流按变比增大并全部通过晶闸管，必须象直流阀站那 样设置相应的散热控制装置，占地和运行维护工作量大，谐波含量大；三是容量只 可以分级调节。 为满足系统对可控电抗器连续可调的迫切要求，根据磁饱和原理工作的磁饱和 式可控电抗器得到了重视。磁饱和式可控电抗器除具有一般电抗器的作用外，如能 够限制工频电压升高和潜供电流，提高系统的输电能力和稳定性；还大幅度限制工 频过电压，显著减少线路空载( 轻栽) 损耗，提高电网可靠性和优化电网运行状况。 另外，磁饱和式可控电抗器的突出优点是容量平滑连续可调，能在很短的时问内， 从空载功率调节到额定功率。经分析认为在超高压电网中采用结构简单、成本低廉、 华北电力人学硕十学位论文 性能优良的磁饱和式可控电抗器前景广阔。 电抗器的性能比较如下表所示 表1 - 1 几种电抗器性能比较 容最谐波能否限制操能否限响应能否增加电网 结构和戍用特 调节含量作过电压制潜供速度输电能能力点 电流 同定电不可较少能 能 不能在长距离高电 抗器调 压系统中投切 困难 变压器分级较少能能 较快 能 需要大量品闸 式可控可调 管等设备，损 电抗器 耗大 磁饱和连续较多能能 较慢 能 损耗小、结构 式可控可调 坚固、造价低 电抗器 廉、维护办便 4 本文的主要研究内容 本文主要围绕我国第一台磁饱和式可控电抗器电气特性以及保护配置的工作 展开，主要包含以下几个方面： 【l 】简要回顾了可控电抗器的发展历史和目前存在的问题，分析了可控电抗器 及其保护配置在国内外的研究背景。 2 】介绍了磁饱和式可控电抗器工作原理、分析了电抗器的电气特性和谐波特 性以及谐波治理方法。 【3 在r t d s 以及p s c a d 上建立了5 0 0 k v 磁饱和式可控电抗器仿真模型，通 过仿真实验数据研究电抗器的控制特性、设计触发控制系统，并对电抗器可能发生 的故障进行了仿真分析。 【4 】提出5 0 0 k v 磁饱和式可控电抗器的保护配置方案，完成了所配保护的保护 原理、保护逻辑分析和保护的整定。 【5 针对匝间保护灵敏度低的问题提出了解决匝间保护的方案 6 】结论与展望。 华北电力人学硕l 学位论文 2 1 引言 第二章磁饱和式可控电抗器工作原理与特性分析 可控电抗器的发展历史悠久，结构复杂多样，特性各异，近年的研究表明，最 具应用前景的是磁饱和式可控电抗器，本文所研究的电抗器是我国自行研制的第一 台5 0 0 k v 磁饱和可控电抗器，是国家电网公司科研立项示范项目。在第一章中已经 对磁饱和可控电抗器的发展和应用前景做了介绍。本章将详细介绍磁饱和电抗器的 基本工作原理和特性分析。 2 2 理论基础 2 2 1 铁心磁化曲线 己知磁场强度h 、磁通密度b 和磁化强度m 的关系如下所示： j m 2 厶h( 2 - 1 ) b = p q h + | l q m = p q q + z 3 h = 弘氆p r h = 1 t h 式中：屁为磁化系数 从为绝对磁导率 为磁导率 铁心磁化曲线一般具有如图2 1 所示的特性，在起始部分，当励磁电流较小时 磁导率很低，中间的直线部分磁导率最高，当励磁电流足够大后铁心呈现饱和，磁 导率下降。 图2 1 铁心磁化曲线 h ，u 么= 一 i ， 1 融化i 乜流 图2 2 变压器等效阻抗z 变化曲线 随着铁心磁化曲线上工作点的变化，变压器等效阻抗z 也就不是一个常数，z 和磁化电流的关系如图2 2 所示。 2 2 2 铁心磁饱和度 华北电力人学硕j j 学位论文 磁饱和式可控电抗器是利用控制绕组中直流来控制电抗器铁心饱和度，从而调 节电抗器容量。如图2 3 所示，当控制绕组中直流电流为零时，毋：0 ，交流磁感 应强度b 在一忍e 之间变化，幅值为b i 。= e 。增加控制绕组中直流电流使b 中直 流分量增大，从而它的顶部升( 降) 至一口，一b ，范围以外，图中阴影部分所对应的 横轴部分( 电角度为2 ) 标志着铁心在一个工频周期内的饱和时间，用表示，称 为磁饱和度。 o 已翻毛忍 茅二二一 h 一一一一一一忍 图2 - 3 铁心磁饱和原理图 2 3 磁饱和式可控电抗器基本结构及工作原理 2 3 1 基本结构 图2 - 4 所示为一单相磁饱和式可控电抗器的结构原理图。电抗器有两个等截面 ( 截面积为a ) 、等长度( 长度为1 ) 的主铁心1 、2 组成。旁轭截面大于主铁心截面。每 个铁心上绕有匝数分别为、m 的上、下两个绕组，上方左右两个绕组同向并联至 电网，下方左右两个绕组反向并联至直流控制电源。 2 3 2 工作原理 图2 4 单相磁饱和式可控电抗器的结构原理图 华北电力人学硕一l j 学位论文 磁饱和式可控电抗器是根据电网的电压变化( 电网电压相对于标准值的偏移) 自动的调节触发角口，通过改变直流控制绕组中直流来改变电抗器铁心饱和度，从 而改变电抗器的等效阻抗，达到调节电抗器容量的目的。 2 4 特性分析 在p s c a d e m t d c 上建立的三相磁饱和式可控电抗器模型如图2 5 所示，模型 中电抗器由六组相互连接的变压器和直流电源( 六脉冲整流器，触发角口根据电网 的电压变化自动调节) 组成。六组变压器的一次侧为a 、b 、c 三相工作绕组，每 相由两个并联绕组组成。二次侧接成两个反相并联的开口三角形，每个开口三角形 分别为a 、b 、c 三相工作绕组的提供直流励磁。 幢 呕 o 咖 心 k ，a r ：1 i 2 - ，a 厂= c 1 ir l l o v 州一。1 巾 ，l 型 里警竺 口 盟 寻l 。卜_ 僦苎田 鲁 一蛔 一每广j 口c l ：砸i ! 鹭1 警j幢 暖 g i p 口鲁 j j：6 p ii l l e 曾 i n坐一 庸i 自 - _ 一 i d p - 嗍 嚼| = 竺= 划1 百珈锝南，横耳f 谥毳。 ，i mj 堆 一q 啦岫口- 啪 j ， i n 州i i l ，f 舷 1 d 砷一删 ， ；船矗 箱； 2 4 1 电抗器的控制特性 图2 5 三相磁饱和式可控电抗器 通过对仿真数据的分析处理我们可以得到磁饱和式可控电抗器电流标幺值随 导通触发角口变化的控制特性曲线如图2 - 6 所示，随着触发角口的增大，整流器直 流输出变小( 相当于直流电源减小) ，铁心饱和度减小从而使可控电抗器等效电感 增大，工作电流减小，以此调节电抗器无功容量。 华北电力人学硕。 ：学位论文 ，一、 蚓 稍 馨 、- ， 螺 删 世 h 控制角 图2 - 6 控制特性 2 4 2 电抗器的伏安特性 磁阀式可控饱和电抗器的又一个优点是它具有近似线性的伏安特性，在不同触 发角口下的伏 电流辟示幺值 图2 7 控制伏安特性 2 4 3 电抗器的响应速度 电抗器的响应速度可用以下关系表示 3 1 1 一万 刀= 一 2 8 ( 2 2 ) 其中：n 为周期数，万为电抗器控制绕组和工作绕组匝数比( 万总是远小于1 ， 一般为0 0 1 5 - 0 0 5 ) 可见响应时间与万成反比，通过适当调节万可以使响应时间符合要求，本电抗 器取万= 0 0 5 。 r 华北电力人学硕一 二学位论文 2 5 电抗器的谐波特性以及治理 2 5 1 谐波特性 磁饱和式可控电抗器主要的弱点之一就是谐波含量较多，因此有必要对其谐波 特性进行一定的分析并提出解决方法。为便于计算，我们取磁饱和电抗器单相模型， 如图2 4 所示，图中上半部分绕组为匝数的工作绕组，下方为直流控制绕组( 反 向并联) 。 由图列出单相可控电抗器的基本方程如下： e ms i n 刎= 删鲁 牛+ n k a 等瑚2 + n k a 等 in+i,im=lhi(2-3) i n i k 2 m = i h 2 h 1 = 厂( e ) h 、= f l b 、 其中：a 为工作绕组铁芯截面积、a7 为控制绕组铁芯面积 n 为工作绕组匝数，。为控制绕组匝数 f 为电抗器工作电流，、丘，分别为两个控制绕组电流 由于可控电抗器工作绕组电阻相对于电抗很小，在谐波分析中，忽略可控电抗 器工作绕组电阻并假定单相电抗器两端接至电势为e = es i n g o t 的电源。铁芯磁化曲 线我们取小斜率理想磁化曲线模型，关系式如下所示。 h = 0 俐b s + s s b b 硒 根据可控电抗器两半铁芯及绕组工作状态的对称性， 关系： f 尽( g o t ) = 一层( g o t + z ) 【8 2 ( g o t ) = - b , ( g o t + z ) ( 2 4 ) 相应的磁感应强度有如下 ( 2 5 ) 华北电力人学硕l j 学位论文 通常b i 、垦为非正，不失一般性，设e 有如下形式： e ( a r t ) i 吃+ 且。s i n ( o j t 一仍) + b 2 。s i n ( 2 0 ) t 一仍) + b 。s i n ( 3 c o t - 丘p 3 ) + ( 2 6 ) 由式2 、3 可以得到： 垦( 矾) = 一色+ b i 。s i n ( c o t 一仍) 一易。s i n ( 2 c o t 一仍) + b 。s i n ( 3 c o t 一仍) + ( 2 7 ) 可控电抗器注入电网的电流可由方程组1 解得( m 数倍小于1 ，且由于对称关 系，丘。，：近似相等) ： f = 嘉 厂m ) 卜f b 2 ( r ) 】) ( 2 8 ) 考虑到磁化曲线( 此处为理想磁化曲线) 为奇函数，将式2 带入b ) 中有： 【且( 刎) 】_ 川一垦( 刎+ 石) 】- 一厂【岛( 刎+ 石) 】 ( 2 9 ) 联立可得f ( t ) 只含奇次谐波分量，又由f ( t ) 波形的对称关系，我们将f ( t ) 表示为 如下谐波之和 砸) = ，( ：川) 。c o s ( 2 n + 1 ) c o t 】 n = o 式中各次谐波分量幅值正。由下式决定 ( 2 1 0 ) i ( 2 n + 1 ) m = 三7 f r 去 巾旧，+ 垦。耐， ) c o s ( 2 川) c o t d m t 删，2 ，3 ( 2 由图不难得出饱和度与e 、吃的关系为 ：2 a r c c o s 皇丛 b ， 厂 蜀( f ) 】、川毋( f ) 】可由下式决定： o ，rm 、ib , ( - c o s c o t - c o s 譬) 化( f 】_ _ 乙_ 一 0 o 刎万一生 2 万一旦叫石+ 曼 22 石+ 曼刎2 万 2 ( 2 1 2 ) 华北电力人学硕1 ：学位论文 f b 2 ( t ) 】_ o 刎 生 2 曼耐 2 石一生 2 2 2 x - 笪刎2 万 2 将式1 0 、11 代入式9 后推导整理得 l ( 2 n + 1 ) m = 昙f r 去 ，屿科， ) c o s ( 2 川) c o t d c o t n = 1 , 2 , 3 - - = 昙磋专c c o s m + ) c o t d c o t + 昙f 匆c c o s m + - ) m t d c o t = 丽i b l ) , 矾 s i nn,fl一筹】川12n n - i - ，2 ，3 = 一 一一l 玎= ( 2 刀+ 1 ) 刀碥 2 (1 ) 。 令，m + 1 ) ，= 2 n + 1 ) m f 些n “。胤 _ 。= 去( _ s i n ) 旷去c 警 n = 1 ，2 ，3 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 可以看出当= 2 z r 时，。= 1 o 这说明式2 - 1 4 中的标么基准值恰好为可控电 抗器极限饱和( = 2 x ) 时的基波电流幅值。 单纯的讨论可控电抗器在不同的容量下的各次谐波电流幅值相对于该容量下 基波电流的幅值的百分比是没有太多意义的，当电抗器容量相对于额定容量调至很 小时，可能某次谐波电流幅值相对于该容量下基波电流的幅值很大，但此谐波的幅 值相对于额定容量下基波电流可能是很小的。所以，我们分析磁饱和可控电抗器在 不同容量下( 从最小到额定) ，各次谐波电流最大值，然后将它们分别于额定容量 下基波电流进行比较，从而可以清楚的电抗器的谐波情况。表2 - 1 所示为在不同的 额定磁饱和度下，最大谐波电流与极限饱和( = 2 n ) 时的基波电流幅值比值。 可控电抗器额定工作状态下的磁饱和度尾选择在石一2 万之间，谐波性能较好。 但尾= 2 t r 时，由于电抗器铁心充分饱和，其容量达到极限值。因而过负荷能力受到 限制。额定磁饱和度越小，电抗器过负荷能力越大，这对于限制操作过电压是十分 有利的。从限制操作过电压的角度出发，本可控电抗器在操作间能产生高于额定容 生辫 华北电力人学硕匕学位论文 量的3 倍的极限功率，根据式2 1 4 ，此时i 。取1 3 解得尾= 1 4 8 。此时，我们根 据上图可以得到3 、5 、7 、1 1 次谐波电流相对于基波电流比值分别为：1 9 2 、6 6 7 、 5 2 、3 1 。可见需要一定的手段滤除谐波。 表2 1 最人谐波电流相对值与的关系 万2 n 4 n 5 n 2 n - 辔拨 333 3 1 0 2 6 5 0 3 3o 5 0 7 50 9 3 3l 3 0 2 5 7 20 2 0 6 7 6 o 1 3 7 8 4 0 0 9 1 8 90 0 7 3 8 7 0 0 6 8 9 2 50 0 9 5 6 60 0 7 5 6 90 0 5 0 4 60 0 3 3 6 40 0 2 7 0 4 0 0 2 5 2 3 7 0 0 4 8 30 0 3 8 7 90 0 2 5 8 60 0 1 7 2 4o 0 1 3 8 6 0 0 1 2 9 3 1 10 0 1 9 5 9o 0 1 5 7 50 0 1 0 50 0 0 7 0 0 0 5 4 1 20 0 0 5 2 5 2 5 2 谐波治理 由上面的分析可以看出谐波以3 次谐波影响最大，为此，本可控饱和电抗器二 次侧接成两个反向并联的三角形，该回路为3 次谐波提供了良好的流通回路，从而 使3 次谐波电流对电网的影响大大减小，如图2 8 所示三次谐波降到很小。 。 。翻。 一一，一一，r 7 _ 1 _ = 12 i - i 1 0 0nr m 图2 - 8 额定容量下各次谐波与基波电流的比值( 控制角口= 0 0 ) 华北电力人学颀1 二学位论文 如表2 一l 所示，当电抗器的饱和度越高时谐波含量越低，为此，在超高压电网 中，为减少5 次及以上谐波对电网的影响，我们可以采用多台分组投入的运行方式 投入电抗器。对于大容量的的可控电抗器可以将它分为两组( 或者更多组) 投入， 假设总的容量为q ，则每组为粤，进行无功调节时首先将第一组投入运行，容量 范围在0 鲁之间变化，此时产生的最大谐波相对于容量蜴下的基波电流的比值减 少一半，当第一组额定容量投入时谐波很小，然后投入第二组。 2 6 小结 本章分析了磁饱和式电抗器的结构、工作原理，对其主要电气特性进行了分析。 针对本电抗器谐波含量较高的问题，本文提出了将可控并联电抗器二次绕组接成三 角形来减小三次谐波的影响，仿真结果显示谐波减小显著，完全符合标准的要求， 同时提出了可以通过合理设定铁芯的额定饱和度，分组投切电抗器等方法来减小谐 波的影响。 ， 吖 们 蛇 蕾疆卸蟮警菇冲 华北电力人学硕 ：学位论文 3 1 引言 第三章：可控电抗器的建模和仿真分析 长距离、大容量、高电压等级已经成为我国电力系统今后的走向。如此复杂的 系统，在进行设计规划时必须对各种预想情况进行分析模拟，以防止各种事故的发 生，保证电力系统的安全运行，因此需要使用正确的电力系统仿真软件进行仿真分 析。现在电力仿真计算软件已成为电力科研工作者进行系统规划、设计、确定运行 方式，以及进行事故分析和开发自动装置等的重要工具。目前国内外在电力系统电 磁仿真方面最具有代表性的软件主要有r t d s 和p s c a d e m t d c 等。 3 2 可控电抗器仿真元件的选取 3 2 1r t d s 简介 实时数字仿真系统( r t d s r e a l t i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) ，是一套专门用来对 电力系统电磁暂态过程进行全数字模拟的计算机装置，是计算机并行处理技术和数 字仿真技术结合的产物。r t d s 硬件基于d s p ( 数字信号处理器) 和并行计算，计算 速度可达到实时输出的目的。r t d s 的基本组成部分为r a c k ，多个r a c k 之间通 过总线和工作站接1 2 1 卡w i f ( w o r k s t a t i o ni n t e r f a c e ) 相连，r a c k 的数量视仿真系统 的规模而定。每个r a c k 包括多个r p c ( r i s c p r o c e s s o rc a r d ) 卡3 p c ( t r i p l ep r o c e s s o r c a r d ) 卡，每个3 p c 卡包括3 个s h a r ca d 2 1 0 6 2 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ，d s p ) ，速度更快，功能更强。一个或多个d s p 可仿真一个电力系统的基 本元件，如母线、线路、开关、电压互感器( p t ) 、电流互感器( c t ) 、发电机、励磁 系统等。r t d s 通过这些基本元件构成系统。构成的系统运行于其上层工作站的 p s c a d ( 电力系统计算机辅助设计) 软件。p s c a d 是r t d s 专用的图形界面，可供用 户完成构成系统、运行监控、分析结果等工作。r t d s 的核心软件为e m t d c 软件， 该软件是可以进行直流研究的电磁暂态计算程序。r t d s 通过以太网与工作站相连。 在工作站上，可以通过p s c a d 对r t d s 完成各种操作。r t d s 最重要的特性是它能 维持实时条件下的连续运行，也就是说，它能足够快地求解电力系统的方程并连续 地产生输出，这些输出真实地代表了实际网络的状态。由于计算结果的实时性，仿 真系统能直接连到电力系统控制和保护设备上进行闭环试验。这种试验方法可在多 种故障条件下对设备进行测试，其中许多测试条件是无法用其他办法或不允许在实 际系统中实现的。因此，r t d s 仿真系统可用来做保护系统的闭环试验并且大大优 于其他试验方法，还能校验保护设备的性能及设置。放大器常被接入回路以使继电 华北电力大学硕士学位论文 保护能用其在运行中所使用的工作电压和电流来测试。r t d s 仿真系统是先进的计 算机硬件和大量的计算机软件的综合体。电力系统的模型是通过从任意数目的用户 自定义的电力系统元件库中取出元件模型构造而成，同时显示在计算机屏幕上。软 件是与r t d s 仿真系统硬件联系的主要界面。它的设计允许用户完成所有必需的步 骤，包括准备和进行仿真工作，分析输出结果等。硬件是完全模块化的，允许用户 随时扩展设备以适应最复杂和详细的系统模型。 r t d s 拥有一切数字仿真的特点：高精度、快速响应时间、参数修改方便、建 模简单等等。此外还有如下功能： ( 1 ) 大规模电力系统实时数字仿真； ( 2 ) h v d c 以及交直流混合系统仿真； ( 3 ) 继电保护装置测试； ( 4 ) 一般交流暂态网络分析仪( t n a ) 的功能； ( 5 ) 模拟仿真装置的扩充； ( 6 ) 科研和调度部门的事故分析； ( 7 ) 培训和教学工具。 保护装置的动作行 如同在实际的系统 一样，并将动作信 反馈到仿真系统。 功率放大器将仿真数 据按相应比例放大肝 送到保护装置。 图3 - 1r t d s 保护装置闭环测试示意图 r t d s 仿真得到的 需实时数据送到功 放大器。 上个世纪八十年代，第一台r t d s 装置诞生于加拿大m a n i l o b a 直流研究中心 ( 1 9 9 4 年创建经济实体一r t d s 科技公司) 。r t d s 科技公司生产的实时数字仿真系 统广泛应用于全世界的电力系统保护和控制等测试开发和系统分析中。许多世界上 最著名的电力设备制造商( 如g e 、a b b ) 、电力公司、研究机构、大学和设计院都采 用r t d s 技术公司提供的高质量的电力系统实时仿真设备来完成其科研、生产和开 华北电力人学硕j ：学位论文 发任务。r t d s 可以将仿真得到的电压电流量送至功率放大器，按相应的比例放大 后输送到保护装置，而保护装置的开关量动作信号又可反馈到r t d s 仿真系统，从 而实现保护装置的闭环测试。本文所基于的r t d s 实时数字仿真装置是华北电力大 学保护与动态安全监控教育部重点实验室从加拿大r t d s 科技公司引进的。 3 2 2p s c a d e m t d c 简介 p s c a d e m t d c ( e l e c t r 0 2 m a g n e t i ct r a n s i e n ti nd cs y s t e m ，直流电磁暂态计算 程序) 是目前世界上广泛使用的一种离线仿真电力系统分析软件，是分析和研究直流 输电系统和交直流相互影响等问题的有力工具。1 9 7 6 年d e n n i s w o o d f o r d 博士为了 研究高压直流输电系统，在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了初版e m t d c 。多年来 该高压直流输电研究中心在d e n n i sw o o d f o r d 博士的领导下对e m t d c 的元件模型 库和功能不断进行完善，使之发展为既可以研究交直流电力系统问题，又能够完成电 力电子仿真及非线性控制的多功能工具，特别是p s c a d 图形界面( g u i ) 的开发成功， 使用户能更方便地使用e m t d c 进行电力系统仿真计算，该软件还可以作为实时数 字仿真器( r t d s ) 的前置端。e m t d c 是p s c a d e m t d c 仿真的核心程序，p s c a d 是与e m t d c 完美结合的一个强大的图形用户界面，用户可以在一个完全集合的图 形环境下构造仿真电路，运行、分析结果，处理数据，从而保证研究工作的质量和 效率。 p s c a d e m t d c 主要有以下功能： ( 1 ) 直流输电控制保护系统参数优化的研究功能； ( 2 ) 故障暂态工况的离线分析功能，在负荷变化、电压或电流整定值改变等情 况下的系统动态特性研究功能，直流输电系统不同控制方式或运行方式间的相互转 换时的动态特性研究功能； ( 3 ) 交直流联网系统的相互作用研究功能； ( 4 ) 在非理想条件下直流输电系统的谐波特性研究功能； ( 5 ) 利用p s c a d e m t d c 程序的m a t l a b 接口进行可视化数值计算功能； ( 6 ) 工程数据库功能，直流输电系统数字仿真模型中包含了系统的结构和参数、 一次主设备的结构和参数、h v d c 控制保护系统的结构和参数等； ( 7 ) 可进行电力系统时域和频域计算仿真，反映电力系统遭受扰动或参数变化 时，电参数随时间变化的规律； 【8 】可广泛应用于高压直流输电、f a c t s 控制器的设计，以及电力系统谐波分 析、电力电子领域的仿真计算。 3 2 3r t d s 与p s c a d i e m t d c 的比较 r t d s 与p s c a d e m t d c 的核心程序是一样的；都具备一切数字仿真的特点， 1 6 华北电力人学硕 j 学位论文 如精度高、响应时间短、修改参数方便、建立模型简单、操作方便、模拟事故不会 引起设备损坏等优点。他们的元件模型库( l i b r a r y ) 提供了很多常用的电力系统元件 模型( 但在实际的直流输电系统中，有很多元件具有特殊的功能和特性，为了准确地 在仿真模型中表达这些元件，需要用户自定义元件模型) ；在所建立的仿真系统中， 可根据需要对交流系统中的发电机、线路、负荷、变压器等采用不同的模型；具有 图形用户界面，所有元件的参数均可通过弹起菜单输入，通过弹起菜单修改仿真系统 中某个元件的参数；可在r u n t i m e 中显示曲线，在程序的运行过程中可以观察到曲 线的变化情况；也可以把滑块、按钮、刻度盘和仪表等加在r u n t i m e 中，以便交互 地控制程序；可以通过曲线显示输出，也可以通过仪表进行模拟或数字显示等等。 不同之处在于p s c a d e m t d c 是一种离线仿真电力系统分析软件，r t d s 是实 时全数字电磁暂态电力系统模拟装置，其模拟电磁暂态过程的原理和算法与电磁暂 态程序e m t d c 相同，是e m t d c 的实时化，仿真步长为5 0 1 0 0 0 s ，频率响应精 确到3 0 0 0 h z 。r t d s 元件模型库在p s c a d e m t d c 基础上进行了扩充，更多类型 元件可以很方便的找到。 本文研究的磁饱和式可控饱和电抗器仿真中核心元件为单相双绕组变压器，要 求能够很好的模拟铁心的磁饱和特性。上述两种仿真软件中变压器模型都可以很好 的模拟铁心的磁饱和特性( 可以通过参数设置对话框选择变压器为磁饱和型或理想 型) 。但是r t d s 中的变压器模型根据的是传统的变压器等效方法，没有考虑各线圈 之间的磁偶合。p s c a d e m t d c 中的u m e ca p p r o a c h 克服了传统变压器模型的局限， 在模型建立和等效时同时考虑了不同相以及不同绕组之间的磁耦合关系，可以更 好、更准确的模仿本文的电抗器。 3 3p s c a d e m t d c 仿真建模 3 3 1 系统状况 荆州换流站接入系统方案5 0 0 k v 交流出线为1 3 回，分别为左二3 回、右一电 厂2 回、右换2 回、益阳2 回、潜江2 回，荆门2 回。三右一江陵有2 - - - 3 回5 0 0 k v 线路，其中在一回线路上装设一组额定容量为1 2 0 m v a r 的高压可控电抗器，安装位 置为江陵线路侧。线路上装设可控高抗的主要目的：一是满足系统潮流变化对母线 电压控制的要求；二是限制工频和操作过电压。系统为中性点直接接地，并联可控 电抗器经过中性点小电抗接地。 标么值( p u ) 的基准单位取1 0 0 m v a 、5 2 5 k v 、5 0 h z 。 3 3 2 系统数据 系统额定电压为5 2 5 k v ，最高持续电压为5 5 0 k v 。并联电抗器额定容量1 2 0 m v a r ， 1 7 华北电力人学硕 ：学位论文 电压正常变化范围5 0 0 k v 5 5 0 k v ，事故后变化范围4 7 5 k v 5 5 0 k v 。最高暂态电压为 1 4 p u ( 1 p u = 5 5 0 ；k v ) ，持续时间为l s 。母线正常电压不平衡度小于2 ，正常平 率为5 0 h z ，频率正常波动范围为5 0 + 0 2 h z 。主要参数见下表： 表3 一l 电抗器主要参数 参数规定值允许的偏差 1 额定容量( m v a r ) 3 * 4 0 2 额定电压( k v ) 5 5 0 历 3 最高连续运行电压( k v ) 5 5 0 以 4 最低连续运行电压( k v ) 5 5 0 压 5 额定频率( h z ) 5 0 蜘2 h z 6 额定电流( a ) 1 2 6 7 额定容量下的电抗( q ) 2 5 2 0 5 8 额定状态下网侧绕组电感偏差 3 9 容量平稳调节范围( ) 5 1 0 0 1 0 冷却方式 0 n a n 3 3 3 可控电抗器仿真建模 如图3 2 所示，磁饱和式并联可控电抗器由工作绕组和控制绕组组成，三个单 相电抗器一次侧为工作绕组，二次侧为直流控制绕组，由晶闸管和整流变压器组成 的整流系统提供控制直流，可控电抗器经过中性点小电抗接地。 华北电力人学硕i ：学位论文 3 4 仿真分析 = 图3 - 2 可控电抗器系统仿真模型 3 4 1 可控电抗器的基本仿真波形 电抗器一次三相工作电流在额定容量时的仿真波形如图3 - 3 所示。 o2 0 0 一02 0 0 o2 0 0 _ 02 0 0 o2 0 0 o 2 0 0 m 日h ：o r a p h 一 图3 3 电抗器额定容量时一次三相电流 1 9 华北电力人学硕f ：学位论文 l ，、气分别为电抗器两个分支电流，波形呈现如图3 4 所示的特征，和在电科院 做的实验波形相吻合。根据分析和推理是由于三相各绕组之间的偶合作用所致。 图3 4 电抗器a 相两个分支电流 电抗器一次三相工作电流在在二次控制绕组a 相1 0 匝间故障时的仿真波 形，如图3 5 所示。 1 0 6 0 04 0