（电力系统及其自动化专业论文）四相输电系统的仿真研究.pdf

四相输电系统的仿真研究 关键词：多相输电；四相输电；经济性；电磁场辐射：三相变四相变压器 1 h 硕士学位论文 a b s t r ac t h i g h p h a s eo r d e rp o w e rt r a n s m i s s i o ni s a ni m p o r t a n tm e t h o dt oi n c r e a s et h e p o w e rd e n s i t yb e c a u s ei tc a no b v i o u s l yd e c r e a s et h es u r f a c ep o t e n t i a lg r a d i e n to ft h e t r a n s m i s s i o nc o n d u c t o r t h er e s e a r c ha n df i e l de x p e r i m e n to p e r a t i o nh a v eb e e nc a r r i e d o u tf o rm o r et h a nt w e n t yy e a r si nt h eu s aa n do t h e rc o u n t r i e s ，a n dal o to fn o t a b l e r e s u l t sh a v e b e e no b t a i n e d i nt h ep a s t ，t h er e s e a r c hf o rm u l t i - p h a s et r a n s m i s s i o n s y s t e mi sc o n f i n e dt ot h em u l t i t i m ep h a s e so f3 ，t h a ta r e6 ，1 2p h a s e s ，a n ds oo n h o w e v e ri ti sd i f f i c u l tt os u s p e n dt h em u l t i p h a s ec o n d u c t o r s ，f u r t h e r m o r et h ep o l e s t r u c t u r ei sc o m p l e x ，a n dt h ec o s to ft r a n s m i s s i o nl i n e si sh i g ha n dt h et y p e so ff a u l t f o rm u l t i p h a s et r a n s m i s s i o ni n c r e a s er a p i d l y a l lo ft h e s ed e f e a t sc o n s t r a i na p p l i c a t i o n o ft h es i x p h a s ea n do v e rs i x p h a s et r a n s m i s s i o ns y s t e m s f o u r p h a s et r a n s m i s s i o n s y s t e mh a st h el e a s tp o s s i b l ee v e np h a s e s ，i th a st h ea d v a n t a g e sa n do v e r c o m e st h e d i s a d v a n t a g e s o f m u l t i - p h a s ep o w e rs y s t e m a l t h o u g h t h e f o u r - p h a s ep o w e r t r a n s m i s s i o nm e t h o di sn e w , t h et e c h n o l o g i e sa r er o u g h l ys i m i l a rt ot h o s eo ft h ee x i t i n g t h r e e p h a s et r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt e c h n i c a l l yt h e r ea r en od i f f i c u l t i e st oa p p l yi t ， a n dt h e r e f o r et h ef o u r p h a s ep o w e rs y s t e mc a nb ed e v e l o p e da n da p p l i e db ys e i z i n gt h e o p p o r t u n i t yo ft h ef a s tb o o m i n gp o w e ri n d u s t r yi nt h e2 1c e n t u r y t h ek e ye q u i p m e n to ff o u r - p h a s ep o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m si sat h r e e - p h a s et o f o u r p h a s e t r a n s f o r m e ra n dt h ei n v e r s e t r a n s f o r m e r p r i n c i p a l l y ，w h e n t h e w i n d i n g - c o n n e c t i o ns c h e m ei sa d o p t e dt oa d das e to fa u x i l i a r yw i n d i n g so nt h e t w o p h a s es i d eo fab a l a n c et r a n s f o r m e r ，w ec a ng e t at h r e e p h a s et o f o u r p h a s e t r a n s f o r m e r b u ti nf a c t ，t h e r ea r em a n yw i n d i n g so ne a c hl e go fab a l a n c et r a n s f o r m e r ， a n dt h ew i n d i n gi m p e d a n c er e l a t i o n s h i p st h mt h eb a l a n c ec o n d i t i o nr e q u i r e sa r es t r i c t ， s oi ti sd i f f i c u l tt od e s i g na n dm a k es u c ht r a n s f o r m e r s i fa d o p t i n gt h ec o n n e c t i o n s c h e m eo fd u a lw i n d i n g s ，t h ew i n d i n g so ns i n g l el e gw i l li n c r e a s ea l m o s td o u b l y i ti s m o r ed i f f i c u l tt os a r i s f yt h eb a l a n c ec o n d i t i o na n dp r o b a b l yi tw i l lc o n f r o n tc o n f l i c t w h e na r r a n g i n gt h e s ew i n d i n g s ，s op a r a m e t e r so fv a r i o u sp h a s e sc a nn o tb eb a l a n c e d t h et h r e e p h a s et of o u r p h a s et r a n s f o r m e rw i t haf o u r - p h a s ef o u r l e gs t r u c t u r es o l v e s t h ep r o b l e m t h ew i n d i n g so ne a c hl e go ft h i st r a n s f o r m e ra r en o tm o r et h a nt h r e e i ti s t h es i m p l e s tf o r ma m o n gt r a n s f o r m e r si nt h i sk i n d f o re v a l u a t i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ee r r o ro fw i n d i n gi m p e d a n c ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h et h r e e p h a s et o f o u r p h a s ep o w e rt r a n s f o r m e r ，t h i sp a p e ru s e s “m a t l a b ”a s a d i g i t a ls i m u l a t i o n p l a t f o r mt oe x a mt h em a t h e m a t i cm o d e la n da n a l y z et h eb a l a n c ec o n d i t i o na sw e l la s 四相输电系统的仿真研究 t h eg r o u n dc o n n e c t i o no ft h ep o w e rt r a n s f o r m e r i ta l s od i s c u s s e st h e i m p a c to f i m p e d a n c ee r r o lw h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dt e c h n i c a ls u p p o r t st ot h e d e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，o p t i m i z a t i o na n da p p l i a n c eo ft h et h r e e p h a s et of o u r p h a s e p o w e rt r a n s f o r m e r t h ee l e c t r i c a l p a r a m e t e r s a n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dr a d i a t i o nc o n d i t i o na r e i m p o r t a n tc o n t e n to ft h er e s e a r c ho nf o u r p h a s ep o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e ma sw e l la s t h ek e yf o u n d a t i o no fi t se c o n o m i c a la n a l y s i s t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l ec o m p r e h e n s i v e l y c a l c u l a t e s t h ee l e c t r i cf i e l d ，m a g n e t i cf i e l d ，r a d i oi n t e r f e r e n c ea n da u d i b l en o i s e i n t e n s i t yo ft h r e e - p h a s ea n df o u r p h a s ep o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e sw h i c ha r ea r r a n g e di n d i f f e r e n tw a y t h r o u g hc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e s et w ok i n d so fp o w e rt r a n s m i s s i o n m e t h o d ，i ti n d i c a t e st h a tw i t ht h es a m en a t u r a lp o w e r ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d d i s t u r b a n c el e v e lo ff o u r p h a s ep o w e rt r a n s m i s s i o nl i n ei sr e m a r k a b l yl o w e rt h a nt h a t o ft h et h e r e p h a s ep o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e a n ya d o p t i o no fak i n do fn e wt e c h n o l o g yn e e d st oc o n s i d e ri t sc o s t sa n di ti sa l s o t h ek e yt ot h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no ff o u r p h a s ep o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m f o r e v a l u a t i n gt h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo ff o u r p h a s ep o w e rs y s t e m ，t h i sp a p e rc a r r i e so n a s i m p l i f y i n gd e s i g no fap o w e rp r o j e c tu s i n gf o u r - p h a s et r a n s m i s s i o nm e t h o da n d a n a l y s e si t s c o s t sf u l l yc o n s i d e r i n gt h ea s p e c t so fe l e c t r i c i t yr e q u i r e m e n t ，g e o l o g y e n v i r o n m e n ta n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti ne x i s t e n c e ，i ts h o w st h a tt h ef o u r - p h a s e p o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mc a nh i g h l yi n c r e a s et h ep o w e rd e n s i t yt r a n s m i t t e dw h i l e s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s et h et r a n s m i s s i o nc o s t s ，i t se c o n o m i c a lb e n e f i t sa r ee x t r e m e l y r e m a r k a b 】e k e yw o r d s ：h i g hp h a s eo r d e rp o w e rt r a n s m i s s i o n ；f o u r - p h a s ep o w e rt r a n s m i s s i o n ； e c o n o m i cb e n e f i t s ； e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ；t h r e e - - p h a s e t o f o u r - p h a s e t r a n s f o r m e r v 硕十学位论文 插图索弓 图2 ，1 三相变口q 相电力变压器接线原理1 3 图2 2 三相变四相变压器原副边电流相量关系l4 图2 3 三相变四相电力变压器绕组同名端标注1 6 图2 4a 相与b 相两个单相三绕组变压器的三射线等效电路1 6 图2 5 用于仿真的三相变四相电力系统原理图2 0 图2 6 中性点接地时短路阻抗的偏差和零序分量与讵序分量的比值2 3 图2 7 中性点接地时短路阻抗的偏差和负序分量与正序分量的比值2 3 图2 8 中性点不接地时短路阻抗的偏差和负序分量与正序分量的比值2 3 图2 9 四相输电系统仿真原理图2 5 图3 1 导线j 和它们的镜像3 0 图3 ，2 输电导线位置的坐标系3 l 图3 3 单回四相与三相线路地面电场分布比较3 2 图3 4 不同架设高度单回四相正方形布置线路的电场分布3 3 图3 5 不同架设高度单回四相平行布置线路的电场分3 3 图3 6四相双回线路逆序排列示意图3 4 图3 7 三相双回线路逆序排列示意3 4 图3 8 双回四相与三相线路地面磁场分布3 4 图3 9 参量的定义3 5 图3 10 单回四相与三相线路地面磁场分布比较3 7 图： ll 不同架设高度单回四相正方形布置线路的磁场分布3 8 图3 12 不同架设高度单回四相平形布置线路的磁场分布3 8 图3 ，1 3 双回四相与三相线路地面磁场分布比较3 9 图3 1 4 单回四相与三相线路地面无线电干扰场强比较4 0 图3 1 5 不同架设高度单回四相正方形布置线路地面处的无线电干扰场强4 2 图3 1 6 不同架设高度单回四相平形布置输电线路的无线电干扰场强4 2 图3 17 单回四相与三相输电线路的可闻噪声分布4 4 图3 1 8 不同架设高度单回四相平形布置线路的可闻噪声分布4 4 图3 1 9 不同架设高度单回四相正方形布置线路的可闻噪声分伟4 4 图3 2 0 双刚四相与三相线路可闻噪声分布比较4 j 图4 1 相导线分裂结构图4 9 图4 2 四分裂导线电晕起始电压5 0 图4 3 六分裂导线电晕起始电压5 0 四相输电系统的仿真研究 图4 4 八分裂导线电晕起始电压5 0 图4 j 四分裂导线表面最大电位梯度j o 图4 6 六分裂导线表面最大电位梯度5 0 图4 7 八分裂导线表面最大电位梯度5 0 图4 8 四分裂导线四相线路的自然功率5 l 图4 9 六分裂导线四相线路的自然功率5 l 图4 1 0 八分裂导线四相线路的自然功率5 l 图4 1 l 线路电磁环境指标计算的坐标系5 2 图4 1 2 六分裂四相输电线路的电场分布5 3 图4 13 八分裂四相输电线路的电场分布5 3 图4 1 4 六分裂四相输电线路的磁场分布j 3 图4 1 j 八分裂四相输电线路的磁场分布5 3 图4 1 6 六分裂四相输电线路的无线电干扰分布5 3 图4 1 7 八分裂四相输电线路的无线电干扰分布5 3 图4 1 8 六分裂四相输电线路的可闻噪声分布5 3 图4 1 9 八分裂四相输电线路的可闻噪声分布j 3 图4 2 0 四相输电线路相导线的排列及其结5 5 图4 2 1 四相正方形布置线路的电场分布5 5 图4 2 2 四相正方形布置线路的磁场分布5 6 图4 2 3 四相正方形布置线路的无线电干扰场强分布5 6 图4 2 4 四相正方形布置线路的可闻噪声分布5 6 图4 2 5 三相输电线路的杆塔结构j 7 图4 2 6 四相输电线路的杆塔结构5 7 图4 2 7 三相与四相输电方式单位建设成本与送电距离的关系6 0 图4 2 8 三相与四相输电方式单位建设成本的对比与送电距离的关系6 0 d ( 硕士学位论文 附表索弓 表2 1 变压器中性点接地时的仿真参数和结果2 l 表2 2 变压器中性点不接地时的仿真参数和结果2 l 表2 3 变压器的短路阻抗2 2 表2 4 中性点接地时变压器四相侧短路实验的仿真结果2 2 表2 5 中性点不接地时变压器四相侧短路实验的仿真结果2 2 表2 6 中性点接地条件不满足且负载对称时变压器平衡性的仿真结果2 4 表2 7 中性点接地条件不满足时任意负载条件下的仿真结果2 5 表2 8 满足短路阻抗约束条件时四相输电系统仿真实验的结果2 6 表2 9 中性点接地时四相输电系统的仿真结果2 6 表2 1 0 中性点不接地时四相输电系统的仿真结果2 7 表3 1 三相输电线路的设计参数3 l 表3 2 单回输电线路导线的坐标3 2 表3 3 单回输电线路最大电场强度及其出现位置3 2 表： 4 不同架设高度单回四相线路的最大地面电场强度3 3 表3 5 双回输电线路最大电场强度及其出现位置3 4 表3 6 单回输电线路导线的坐标3 6 表3 7 单回输电线路地面最大磁场强度及其出现位置3 7 表3 8 不同架设高度单回四相线路的最大地面电场强度3 8 表3 9 双回输电线路地面最大磁场强度及其出现位置3 9 表3 1 0 单回输电线路地面最大无线电干扰场强及其出现位置4 l 表3 1 l 不同架设高度单回四相线路地面处的最大无线电干扰场强4 2 表3 1 2 单回输电线路地面最大可闻噪声及其出现位置4 3 表3 13 不同架设高度单回四相线路的最大可闻噪声4 4 表3 1 4 双回输电线路最大可闻噪声强度及其出现位置4 5 表4 1 导线的选型及规格4 8 表4 2 导线的主要结构参量4 9 表4 3 四相输电架空线结构参量的约束条件5 l 衷4 44 2 9 k v 四相输电架空线的结构和电气参量5 2 表4 5 结构参数对四相输电线路电磁环境指标的影响5 4 表4 6 我国超高压输变电工程电磁环境评价指标( 通过居民区) j 4 表4 7 三相及四相线路的相导线结构参数5 5 表4 8 四相输电线路各项对地辐射指标最大值5 6 x 四相输电系统的仿真研究 表4 95 0 0 k v 送电线路带电部分与卡t 塔构建的最小空气间隙j 6 表4 1 0 三相与四相输电线路的波阻抗和自然功率指标5 7 表4 1 14 2 9 k v 四相输电线路基本技术组合方案j 8 表4 1 25 0 0 k v 四相输电线路主要材料单位公里指标5 8 表4 134 2 9 k v 四相输电线路造价估算j 8 表4 1 45 0 0 k v 三相变电工程的典型综合参考造价指标5 9 表4 1 54 2 9 k v 四相变电工程的典型综合参考造价估算5 9 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：闻第 日期：，口“年f 月，p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：l 习毙暂 导师躲1 舛 日期：z 0 0 6 年f 月p 日 日期：2 一c 年，月i o 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 输电技术的回顾与发展 自从18 8 2 年法国人德普勒用第一条直流输电线把电力输送到5 7 k m 外的慕尼 黑国际博览会驱动水泵电动机，1 8 9 1 年第一条三相交流高压输电线在德国劳奋一 法兰克福竣工以来，开始了电力系统交直流输电一个多世纪的应用和发展。输电 技术发展的一个目标是努力减少线路损失，而要减少线损一般有两种方法：一是增 加导线截面，二是提高输电电压。经济合理的减少线损方法是提高输电电压。随 着电压等级的提高，输电线路的输送功率和输送距离也不断增大。至今为止商业 化的交流输电工程其电压等级己高达7 6 5 k v ，但输电电压的提高却出现明显的饱 和趋势。随着经济的发展和人口增加，各种新能源的开发、不同负荷对电力需求 的多样化和技术、经济、环境等多方面要求的变化，传统的输电方式己不能适应 现代电力输送的要求。未来输电发展的重点将是采用新的技术，充分利用线路走 廊输，提高单位走廊的输电密度。这也是许多国家共同面临的问题，于是各种新 型输电方式的概念不断地被提出来并得到积极地研究。在2 0 世纪7 0 年代，各国 学者相继提出多相输电与交流紧凑型输电，8 0 年代又提出灵活交流输电，与此同 时直流输电，分频输电、微波输电和激光输电也得到了新的发展 3 i 。 1 1 1 紧凑型交流输电 紧凑型输电线路，是在交流输电线路的杆塔上，用缩小线间距离和增加分裂 导线根数的方法，降低电抗和增大电容，从而减小输电线路的波阻抗，增加自然 功率，以达到提高线路输送能力的目的。采用紧凑型线路，相导线的线间距离大 为减少。例如，对于l l o k v 线路，其相间距离可以从3 m 减少到1 s m ；2 2 0 k v 线 路可从6 6 5 m 减少到2 5 3 o m ；5 0 0 k v 线路则可减少到6 5 7 o m 。导线在塔头上 布置紧凑，杆塔结构尺寸缩小，线路走廊也可以缩小，其最大优点是提高了线路 的输送密度。若导线分裂根数选择得当，导线排列合适，则输送容量可以增3 0 以上，经济效益和社会效益比较显著。前苏联学者还提出了“高自然功率”的概 念，可以把线路的输送能力提高一倍以上，但需要对导线、杆塔、金具结构做根 本性改动，结构比较复杂。以往输电线路分裂导线的排列方式多采用正多边形结 构，当分裂数增大时，相间距离增大，且当分裂数增至一定数量后，线路波阻抗 的下降将出现饱和，因此一般分裂数都控制在较小的范围内，以免线路尺寸增大 而得不偿失。紧凑型线路突破了传统线路的思路，实现了线路结构的紧凑化、轻 型化，这主要通过采取以下措施来实现： 四相输电系统的仿真研究 ( 1 ) 采用多根分裂导线并优化导线排列，这是设计紧凑型线路的核心。常规 线路导线的相间距离、分裂导线根数及排列方式都有相当大的潜力，通过深入分 析其传输功率与导线电磁场的内在联系，在设计分裂导线时不仅仅考虑提高电晕 的起始电压，而且联系到降低波阻抗以提高线路的自然功率。 ( 2 ) 改善杆塔结构，应用合成棒式绝缘子和相闾间隔棒。相间问隔棒使导线 在档柜中问仍能保持固定的相间距离以控制风偏，避免闪络：把操作过电压限制 在1 8 倍最大工作电压以内。这些措施均以减小相间距离为目的。 紧凑型线路虽然有比较小的代价提高线路输送能力的优点，但其结构复杂， 它需要优化分裂导线的排列方式，使每根子导线表面上的电场强度均等于或接近 某定值；线路会具连接较为复杂，分裂导线间要加间隔棒；需用棒式合成绝缘子， 将金属横担改为柔索横担，以达到使导线布置紧凑的目的；塔头连接也更为复杂； 线路充电功率大、无功补偿容量增加、相闻电容大而潜供电流不易熄灭、带电作 业比较困难等问题需要解决，由此增加了线路的运行费用和维护工作量，提高了 线路造价。目前在紧凑型输电线路的应用上，俄罗斯处于前列，我国目前也在研 究和试用 4 , 5 1 。 1 1 2 柔性交流输电 柔性交流输电( f l e x i b l e a l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s - - f a c t s ) 又 叫做灵活交流输电，最早是在1 9 8 8 年由美国电力科学研究院( e p r i ) 的 n g h i n g o r a n i 博士提出来的。柔性交流输电技术是将电力电子技术、微处理机技 术和控制技术等高新技术集中应用于高压输变电系统，以提高输配电系统可靠性、 可控性、运行性能和电能质量并获取大量节电效益的一种新型综合技术。早期受 电力电子设备发展的限制，f a c t s 技术在经济上和运行可靠性方面的优势不明显。 随着大功率高压电力电子技术、微处理机技术和控制技术近年来的高速发展和日 趋稳定成熟，f a c t s 技术的可靠性有了很大提高，造价也不断降低。这些发展使 我们直接对高压大功率输电系统进行可靠和快速控制已成为可能，而与电力电子 器件配套的驱动回路、保护和冷却等辅助技术也日趋完善，使f a c t s 技术逐步进 入了成熟。具体来说，柔性交流输电技术主要经历了以下几个发展阶段； ( 1 ) 从二十多年前就出现的s v c 开始，主要由晶闸管开关快速控制的电容 器和电抗器组成的装置，以提供动态电压支持，其技术基础是常规晶闸管整流器 ( s e m i c o n d u c t o rc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ，s c r ) ，后来出现的第一代f a c t s 装置是晶闸 管控制的串联电容器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o r ，t c s c ) ，它利用s c r 控制串联在输电线路中的电容器组来控制线路阻抗，从而提高输送能力。 ( 2 ) 第二代f a c t s 技术装置同样具有支持电压和控制功率等功能，但在外部 回路中不需要加设大型的电力设备( 电容器、电抗器或移相变压器等) 。这些新型 - 2 一 硕士学位论文 装置如静止无功发生器( s t a t i cc o m p e n s a t o r ，s t a t - c o m ) 、串联补偿器( s o l i d s t a t e s e r i e sc o m p e n s a t o r ，s s s c ) 等，均采用了全控型的门极可关断器件f g a t et u r no f f t h r i s t o r ，g t o ；i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，i g b t ) ，使电子回路能够模拟出电容 器和电抗器组的作用，从而使设备造价大大降低，性能却明显提高。 ( 3 ) 第三代f a c t s 技术将两台或多台控制器复合成一组f a c t s 装置，并使 其具有一个共同的、统一的控制系统。如将一台s t a t - c o m 和一台s s s c 复合而 成的综合潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ，u p f c ) ，它可以通过控制线路 阻抗、电压或功角的方法控制输电线路的有功和无功潮流。调节双回路潮流的线 间潮流控制器( i n t e rp h a s e p o w e rf l o w c o n t r o l l e r ，i f p c ) 和可控移相器 ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dp h a s ea n g l er e g u l a t o r ，t c p r ) 都属于复合控制器。 f a c t s 技术用于配电领域也取得了显著的成果，它主要用于改善配电网电压 和电流的质量，包括有功无功电压和电流控制、高次谐波消除以及蓄能等应用。 目前已开发的装置有配电静止补偿器( d s t a tc o m ) 、电池蓄能器( b e s s ) 、超导蓄 能( s m e s ) 、有源电力滤波器( a p f ) 、动态电压限制器( d v l ) 及固态断路器( s s c b ) 等。 f a c t s 技术的出现，突破了过去单一控制器形成的局部作用及影响，开辟了 提高交流输电线路和电网运行整体控制能力和水平的技术渠道，为高压和超高压 交流输电性能的革新改造指明了方向。它可以用来对系统的有功和无功潮流进行 灵活控制，以达到大幅度提高线路输送能力，阻尼系统振荡，提高系统稳定水平 的目的，具体来说，f a c t s 技术具有以下作用： ( 1 ) 充分利用现有线路的输送能力和资源。现行电力系统由稳定条件限定的 输送功率的极限偏低，线路的输送能力远未被充分利用，而采用f a c t s 技术，理 论上可使线路输送功率的极限大大提高，甚至接近导线的热稳定极限，从而提高 输电线路资源的利用率。 ( 2 ) 提高电网和输电线路的安全稳定性、可靠性和运行经济性。f a c t s 技术 的应用将有助于抑制功率振荡，提高系统的安全稳定水平；有助于控制电网中的 潮流大小和方向，实现潮流的合理流动和电网的经济运行；有助于限制电网和设 备故障的影响范围，减小事故恢复时间及停电损失。 ( 3 ) 优化整个电网的运行状况。在电网中采用f a c t s 有助于建立全网统一 的实时控制中心，实现全系统的优化控制。以提高全系统运行的安全性和经济性。 ( 4 ) 将改变交流输电的传统应用范围。整套应用并协调控制的f a c t s 控制 器将使常规交流输电柔性化，改变交流输电的功能范围，使其在更多方面发挥作 用。由于应用f a c t s 控制器的方案常常比新建一条线路或换流站的方案更便宜， 它甚至可以扩大到原属于直流输电专有的应用范围，如定向传输电力，功率调制， 延长水下或地下交流输电距离等。 - 3 - 魍相输电系统的仿真研究 尽管灵活交流输电技术已在多项输电工程中得到了初步应用，并证明了它在 提高线路输送能力，阻尼系统振荡，快速调节系统无功与提高系统稳定性等方面 的优越性能，目前f a c t s 技术的发展还没有完全成熟。如果大规模应用f a c t s 装置，还需要解决一些问题，例如多个f a c t s 装置控制系统的协调配合与f a c t s 控制器需要的一些新的辅助性支持技术，研制经济性能好、歼断功率大的电力电 子器件，进一步降低以电力电子器件为核心的f a c t s 装置的造价等f 1 , 6 , 7 1 。 1 1 3 分频交流输电 为了提高输电容量和输电距离，除提高输电线路的额定电压外，还可降低系 统电抗。如果利用降低输电频率来减小输电线路的电抗，可以大幅度提高线路的 输送容量，达到减少线路回路数和出线走廊数的目的。分频输电( f f t s ) 是我国西 安交通大学王锡凡教授于1 9 9 4 年在东京l e e 年会及1 9 9 5 年7 月i e e e p e s 夏季会 议上首先提出的一种全新的输电方式峭l ，它突破了传统的仅依靠提高输电电压的做 法，通过降低输电频率来减小线路电抗从而提高线路的输电能力。分频输电由水 轮机组发出约1 7 h z 的电能，经变压器升压后由长距离输电线路将电能输送到受 端，然后用倍频变压器将低频电力变换为5 0 h z 并向工频系统供电。由于水轮发电 机组转速很低，适合于低频发电，因此对常规水轮机设计不需作大的改动，只需 将发电机的极对数减小即可。输电线路可利用常规线路，倍频变压器可采用铁磁 型倍频变压器。在分频输电的概念提出后，西安交通大学的课题组对其进行了全 面的研究，阐述了分频输电的原理和结构，利用数字仿真研究了分频输电的可行 性和实用性，并用电力系统模拟设备在实验室条进行了动态模拟，取得了丰硕的 成果。在此之前除2 0 世纪初，美、加边境的布法罗水电站曾采用2 5 h z 的频率进 行过发电实验外，分频输电没有更多的研究和应用，主要是因为目前许多发达国 家的水力资源己基本开发利用，各国的电力系统大多以火电或核电为主，利用分 频输电输送水电的前景不大。水电站的水轮发电机组因转速较低，发出的电能频 率较低，如采用分频输电，将会使水轮发电机组及其输电系统都能运行在各自较 合理的频率之下，提高整个电力系统的运行指标，获得较大的经济效益，因此， 水电站更适于采用分频输电方式。我国水力资源十分丰富，大多集中在中西部地 区，而电力负荷多在东部沿海，输电距离一般都达到1 0 0 0 2 5 0 0 k m ，因此对分频 输电的研究对我国很有现实意义。与传统的输电方式相比，分频输电具有以下优 势： ( 1 ) 分频输电可提高输电容量。频率降低为工频的1 3 时，输电线路的输送 容量大致可提高3 倍，已接近输电线路的热极限，从而可以充分发挥输电线路的 潜力。研究表明常规5 0 0 k v 交流系统在距离为1 0 0 0 k m 时输送功率不超过8 0 0 m w ， 而同样条件下f f t s 的输送功率可达1 8 0 0 m w 。 4 硕士学位论文 ( 2 ) 在适当输电距离下有明显的经济效益。以5 0 0 k v 输电电压为标准，与常 规交流输电系统和直流输电系统相比，当距离大于6 5 0k m 时，分频输电具有较好 的社会经济效益。分频输电的结构简单，效益显著，在成倍提高线路输送能力的 同时，还可显著提高系统的稳定运行水平减少电压波动和无功补偿容量。 ( 3 ) 分频输电的运行性能较好。对倍频变压器进行的初步研究表明，其效率 高于9 5 。对分频输电作短路及暂态稳定分析表明：这种输电方式不会提高受端 电力系统的短路电流水平，却能提高系统的暂态稳定性。倍频变压器具有可逆性， 即分频输电系统有功功率的流向可改变。降低频率使输电系统各项运行指标，如 木端空载电压，末端补偿容量，电压波动率等均有显著改善。 然而作为一种全新的输电方式，分频输电还存在以下问题有待研究和探讨： 电力系统重负荷、轻负荷时的无功控制；这种大容性电流系统的长时间运行和暂 态控制；采用更精确的电力系统数学模型和分析方法研究各种运行状态下的特性， 同时还需开发分频输电的保护与控制系统：研制分频输电所需的关键电力设备， 如大型倍频电力变压器、开关设备等 3 , 8 , 9 1 。 1 1 4 高压直流输电 自从1 9 5 4 年，世界上第一条1 0 0 k v ，2 0 m w 的海底电缆直流输电工程在瑞典 投入运行以来，高压直流输电技术( h v d c l 的商业化运行已有近5 0 年的历史。随 着电力电子技术、计算机技术、光纤技术和新材料技术的发展，高压直流输电技 术不断得以改进和提高，并在电力系统中得到了更为广泛的应用。 简单的讲，直流输电是先将交流电通过换流闽转换成直流电，然后通过输电 线路传输，在受电端再把直流电转换成交流电送入受端交流电网。直流输电系统 由换流站、接地极、接地线路和直流输电线路构成。换流站是用于联接交流侧和 直流侧的装置，也就是在交流电与直流电之间进行转换的换流装置。换流装置由 换流变压器、换流器、控制极触发装置、控制保护装置及其它辅助装置构成。直 流线路与交流线路一样，由导线、地线、绝缘子、金具、杆塔、基础和接地装置 等组成。地线、基础