（电力系统及其自动化专业论文）超高压输电线路变耦电抗式可控串补基本应用的研究.pdf

苎竺查竺! 主竺苎兰查竺! 兰竺兰兰竺苎竺兰兰苎! 竺! 竺兰! 竺竺竺 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，a i m e da tt h ei m p r o v e m e n to ft r a n s m i s s i o na b i l i t yo fh i g l lv o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e s t h eb a s i ca p p l i c a t i o no ft h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t a n c es e r i e s c o m p e n s a t i o nb ya d j u s t a b l ec o u p l i n gt ot h eh i 曲v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e sw a s s t u d i e di nd e t a i l _ t h et e s tr e s u l to fb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sw a sa n a l y z e dt os h o wt h e c o r r e e te x p l a n a t i o no ft h ed e v i c em e c h a n i s m ；t h et e s tr e s u l t so ft h ea d j u s t a b l ec u r r e m c h a r a c t e r i s t i c sa n do ft h et a p - c h a n g i n gt r a n s i e n tc u r r e mc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d t op r o v et h ec o r r e c tp r i n e i p l ea n du p s t a n d i n ga d j u s t a b l ep e r f o r m a n c eo f 也ed e v i c e t h eb a s i cm e t h o dt oc a l c u l a t et h ec o m p e n s a t i o np e r c e n t a g eo ft h et h y r i s t o r - c o n t r o l l e d s e r i e sc o m p e n s a t i o nd e v i c ew a sc o n f k r m e dt h e nt h ec o m p e n s a t i o np e r c e n t a g ei nl o n g r u nw a sf u n d a m e n t a l l yw o r k e do u tt om e e tt h er e q u i r e m e n to fs t a t i cs t a b i l i t yi nt h i s w a y i no r d e rt or e s t r a i nt h eb i g g e s tp e n d u l o u sv o l t a g ea n g l ei nt r a n s i e n ts t a b i l i t y p r o c e s s ，t h ec o m p e n s a t i o np c r c e n t a g ei ns h o r tt e r mw a sf i g u r e d0 u t t h ev a r i o u s c o n t r o l l i n gf u n c t i o n so ft h et 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 i o nd e v i c ew e r e r e s e a r c h e d ；t h ea d j u s t i n gm e t h o do ft h ep o s i t i v ep o w e ri nt r a n s m i s s i o nl i n e sa n dt h e c o n t r o lp o l i c yw e r ea n a l y z e dd e t a i l e d l y t h eb a s i ca d j u s t i n ga n dc a l c u l a t i n gm e t h o do f t h es i n g l el i n ep o s i t i v ep o w e rw a sc o n f i r m e d ，t h e na e c o r d i n gt ot h ed i g i t a ls i m u l a t i o n ， t h em e t h o dw a sp r o v e df ；o i t e c t n 惦c o n f i g u r a t i o no fw h o l ec o n t r o ls 3 ，s t e mw a s e l e m e n t a r i l yw a sd e s i g n e d n 坨c a l c u l a t i n gm e t h o do ft h ed e v i c ec o n t r o l l i n gt h e t r a n s i e n ts t a b i l i t yo fs y s t e mw a sw o r k e do u ta n dt h ea c c o r d i n gt ot h ed i g i t a l s i m u l a t i o n ，t h em e t h o dw a sp r o v e dc o r r e c t 耵1 e s t u d y r e s u l t si n d i c a t et h a t t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t a n c es e r i e s c o m p e n s a t i o nb ya d j u s t a b l ec o u p l i n ga p p l y i n gt ot h eh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e s c a ni m p r o v et h et r a n s m i s s i o na b i l i t yo fl i n e s n l et e c h n i c a la n de c o n o m i c a l p e r f o r m a n c ei sg o o d 1 1 地a d j u s t i n gm e t h o do f t h ep o s i t i v ep o w e ri nt r a n s m i s s i o nl i n e s c h a n g e st h ee q u i v a l e n tr e a c t a n c eo fl i n e st or e a l i z et h ep o w e ra d j u s t i n ga n dt o m a i n t a i nt h es t a t i cs t a b i l i t yo fs 3 ，s t e mw h e nt h ed e v i c ei sa p p l i e di nt h es v s t e m o p e r a t i o n t h em e t h o di m p r o v e st h es t a t i cs t a b i l i t yl i m i to ft h es y s t e m m a i n t a i n st h e s e c u r eo p e r a t i o na n dc o m b i n e st h eg r a d u a la p p r o a c h i n go f f i i n ea n da d j u s t i n go n l i n e s k i l l f u l l y , w h i c hm i n i s h st h ee r r o rf r o mc a l c u l a t i o n ，s h o r t e n st h et i m eo fa d j u s t i n g o n l i n er e m a r k a b l y , a v o i d st h ef r e q u e n ts w i t c h i n go no ro f fo ft h et h y r i s t o rs w i t c h e s ， a n dr e l i e v e st h ei m p a c tf r o mt h ep o w e rs u r g eo nt h es t a b l eo p e r a t i o no fs y s t e m k e yw o r d s ： t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t a n c es e r i e sc o m p e n s a t i o nb ya d j u s t a b l ec o u p l i n g s t a t i cs t a b i l i t yl i m i t t r a n s m i s s i o na b i l i t y c o m p e n s a t i o np e r c e n t a g e a d j u s t i n gp o s i t i v ep o w e r g r a d u a la p p r o a c h i n go f f i i n e c o n t r o l l i n gt h et r a n s i e n ts t a b i l i t y - 2 - 量州大掌砸掌位论文 超高压输电出路室耦电执或可控率* l 丰应用的研究 第一章绪论 本章概述了我国5 0 0 k v 远距离输电系统运行现状，电力电子技术在电力系统的应用的 重要性，变耦式可控串补的技术经济性能的内容。 1 1 我国5 0 0 k v 远距离输电系统现状【周孝信等，2 0 0 1 1 自1 9 8 1 年我国第一条5 0 0 k v 输电线平武线投入运行，经过2 0 多年的发展5 0 0 k v 线 路长度已经超过2 7 0 0 0 公里，占2 2 0 k v 及以上输电线总长度的1 9 ，目前，华北、东北、 华中、华东己形成了5 0 0 k v 跨省电网，广东、广西、云南和贵州通过5 0 0 k v 输电线路联系 成南方四省联营电网，四川、山东和福建也出现了5 0 0 k v 线路。我国5 0 0 k v 电网正在形成 井将逐步成为我国电网的主网架。 我国5 0 0 k v 电网是随着长距离、大容量输电丽出现和逐步形成的。我国煤炭储量的8 2 币i 可开发的水电资源的6 7 5 主要集中在西部地区，而电力消费主耍集中在中部和沿海地 区，能源资源和消费在地理分布上的不平衡使得我国5 0 0 k v 线路主要承担长距离、大容量 的输电任务，输电距离长、供电范围大是其发展过程中的主要特点。由于5 0 0 k v 电网还未 形成较为坚强的网状结构，用2 q 段双回5 0 0 k v 线路将大容量的电力从远方电厂或远方电 源输送到远方负荷，中间存在较大负荷却没有大的电源支持点( 等值电源点间的电气距离在 9 0 0 - - 1 0 0 0 公里左右) 的这种电网发展初期的长距离链形结构或专厂专送在一些地方还存在， 如山西阳城电厂向江苏送电工程、天广交流输电工程、二滩输电工程等，这些输电线路的输 送能力主要取决于线路的稳定极限，中间缺乏足够的电源支撑又会使长距离输电线路的稳定 极限通常较低。如1 9 9 4 年年投运的天广5 0 0 k v 交流输电线，由于中间广西5 0 0 k v 电网不强 且缺乏大电源的支撑，使得9 3 7 k r a 的天广线受端侧的稳定极限每回在7 0 0 m w 以下。8 0 年 代我国5 0 0 k v 输电线的输电能力在6 0 - 9 0 万千瓦，随着电网建设的加强，目前设计正常情 况下输电能力在8 0 t 0 0 万千瓦左右，而考虑n - 1 情况下。为正常情况的两倍传输能力为 1 5 2 0 g w 。但我国5 0 0 k v 系统传输能力究竟能达到多少呢? 我国5 0 0 k v 输电线路多采用l q j 4 * 4 0 0 型的导线，其波阻抗l c - - - - 2 7 0 q 自然功率 d-r 1 n = 9 6 1 m w 。热极限电流1 热= 8 0 0 4 = 3 2 0 0 a ，经济电流1 经薪= 1 4 4 0 a 。 撒据输l 乜线路的传输功率设计原则，正常运行时，5 0 0 k v 输电线路的传输功率应该按照 经济电流密度和传输功率接近自然功率综合确定，事故或检修运行方式可按照一l 原则， 导线传输功率不超过热稳定极限电流来确定。 1 ) 传输功率接近自然功率传输时，线路电能电压损耗小，技术性能是好，按照此原则 确定： 尸2 ( 0 8 1 2 ) + 只 ( 1 1 ) 此方法计算得到p “0 7 6 8 。1 1 5 g w 2 ) 线路传输功率由经济传输功率确定： p = g + 如挤+ + c o s q ( 1 - 2 ) 取u 洲_ 5 2 5 k v ，c o s o = 0 9 8 ，得p 1 2 1 3 g w 根据式( 1 - 1 ) 、( 1 - 2 ) 两种方法求得的传输功率求交集，可以看出，正常运行时的传输 3 贵州夫掌硕士掌位论文 旭离噩输电媸路麦j 融电戴式可控丰卜基奉应用的研j 0 功率p “1 2 g w 是比较合理的。 3 ) 按热极限传输功率极限确定： 岛2 3 + 如+ + c o s o “2 9 g w( 1 3 ) 线路最大传输功率以单回1 2 g w 计算，考虑n - i 情况，非正常情况下的最大传输功率 为2 1 2 = 2 4 2 9 g w 。 根据上述分析可以得出这样的结论：现阶段，我国8 0 0 1 0 0 0 k m 的5 0 0 k v 输电系统的利 用率仅为5 0 左右，正常运行和n - 1 情况下的传输功率远远没有达到这两个功率的极限值， 传输系统利用不充分，是对现有资源的极大浪费，输电系统还有充分的传输能力潜力有待挖 掘。阻碍当前我国远距离输电线路传输能力提高的原因是输电距离远，线路电抗大，造成线 路的静稳定和暂稳定的极限都不高。例如，一条1 0 0 0 k i n 的5 0 0 k v 输电线路，若线路两端电 压维持不变，线路的功率极限只= 匕“1 2 0 0 掰矿。若再考虑线路两端的等值内抗，输 s i n 硎 电系统的实际功率极限还要远小于这个数字。要保证最低要求的静稳定储备，正常允许的传 输功率就只能在7 0 0 , 一8 0 0 m w 。而要保证暂稳定就更加困难了。要解决现有线路的这个问题， 采用电力电子技术是最为适宜的。另外，当前电网的潮流是按照阻抗自然分布，这就产生了 许多线路潮流分布不合理的情况。要改善潮流使其合理分布，也是当前电力工作的一大任务， 电力电子技术同样可以实现这一目标。 1 2 电力电子技术在电力系统的应用的重要性【张一工等，1 9 9 9 随着经济发展和西部大开发战略的实施，我国电力需求快速增长，电力建设力度不断加 强，电网建设进入全面推进西电东送、南北互供和全国联网，实现更大范围资源优化配置的 新阶段。电力系统规模和容量的不断扩大，大容量远距离输送电能，快速提高超高压线路输 电能力，并进行灵活有效的调节控制，合理分配潮流等成为系统发展中的迫切课题。传统的 补偿调控装置由于机械开关动作时间长、响应慢、调节级差大、不允许频繁调节，无法适应 快速提高输电能力、阻尼系统振荡的要求，无法解决我国当前电网潮流的一系列实际问题。 近年来，被国内外一些权威的输电工作者称为“未来输电系统新时代的三项支持技术( 柔性 输电技术、先进的控制中心技术和综合自动化技术) 之一，综合了电力电子技术、微处理 和微电子技术、通信技术和计算机控制技术的灵活交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m s ) 技术迅猛发展使对高电压、大功率输电系统进行可靠、快速调节控制成为可能。 f a c t s 技术应用大功率、高性能的电力电子组件制成可控的有功或无功电源以及电网 的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原 来基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定 性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。其功能实现有如下几点： 1 ) 能在较大范围有效地控制潮流； 2 ) 线路的输送能力可增大至接近导线的热极限，例如：一条5 0 0 k v 线路的安全送电极 限为1 0 0 0 2 0 0 0 m w ，线路的热极限为3 0 0 0 m w ，采用f a c t s 技术后，可使输送能力提高 5 0 0 p 1 0 0 ： 3 ) 备用发电机组容量可从典型的1 8 减少到1 5 ，甚至更少； 4 ) 电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩大； ! 型查兰! ! 主竺苎竺查：芸娄呈竺苎竺竺苎竺兰苎苎! 兰! 竺兰! 璺! ! ! ! 兰兰 5 ) 易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。 柔性交流输电系统的建设，并非要毁掉原有的输电系统，而是在原有的交流输电系统中 根据需要选择利用灵活交流输电系统技术及大功率电子设备，加以逐步改造形成柔性交流输 电系统。 目前，在我国部分高等院校、电力生产和设计部门及一些电气设备制造厂家都己开始 f a c t s 技术方面的规划和研究试制工作。如在静止无功补偿器( s v c ) 、静止无功发生器 ( a s v g ) 、综合潮流控制器( u p f c ) 和可控串联电容补偿器( t c s c ) 等方面均已有较深 入的研究。具体的研究进展如下：1 ) 国内5 个省电力系统已有5 套s v c 在5 0 0 k v 电网运行， 效果良好；2 ) 电力部电力科学研究院、东北电业管理局及清华大学等单位合作研制5 0 0 k v 的t c s c 装置：3 ) 清华大学与河南省电力局联合研制我国首台用于2 2 0 k v 电网的：t ：2 0 m v a r 的s t a t c o m ( a s v g ) ，以便提高其控制功率和控制电压能力，并提高其稳定性；4 ) 哈工大 和清华大学正联合进行u p f c 物理模型研究工作。 国家电网公司调度通信中心负责人在2 0 0 5 年3 月4 日上午召开的国家电网提高输电能 力新闻发布会上宣布表示为了进一步缓解电力供应紧张局面，公司在加快规划和建设特高压 电网的同时，采取多项措施充分发掘现有5 0 0 千伏电网的潜能，电网输电能力将全面“提速”。 国家电网公司对现有5 0 0 千伏线路的送电能力情况进行了全面分析，结台电网实际情况，研 究并提出提高5 0 0 千伏电网送电能力的具体措施，努力实现电网技术水平和综合效益的全面 提升。据国家电力调度通信中心负责人介绍，国家电网公司主要采取五方面措施增加输电能 力：一是采用仿真技术，加快电网仿真建模工作，进一步提高模型仿真精度和适应性；二是 采用控制技术。主要是加装必要的安全稳定控制装置，采用控制措施，提高系统稳定水平； 三是采用灵活输电技术，安装灵活交流输电设备，提高电网输电能力；四是通过管理手段， 主要是加强机网协调，发挥并网机组应有的调节作用，综合提高电网输电能力；五是加强设 备改造，对电网中“卡脖子”输变电设备和回路中“卡脖子”组件实施改造，发挥网络整体能力。 我国5 0 0 千伏电网是我国电网的主网架，是优化电力资源配置，进行跨区、跨省送电的 物质基础。但长期以来，我国5 0 0 千伏输电线路送电能力受电网薄弱和稳定的约束，与国外 先进电网的运行水平存在一定的差距。全国人大代表、国家电网公司总经理刘振亚介绍说， 此前，国家电网公司采取了合理安排运行方式，优化电网调度，加大跨区电力电量交换力度 等多项措施，对缓解电力供应紧张发挥了重要作用。此次提高输电能力的措施将进一步挖掘 现有5 0 0 千伏电网潜力，通过各种手段，努力解决电网瓶颈制约，提高输配电能力和安全性。 目前，提高电网输电能力的第一阶段措施和设备调试工作已经全面展开。通过技术改造 和跨区电网建设，预计2 0 0 5 年跨区电力交换可提高1 4 0 0 m w ，同比增长1 4 7 ；2 0 0 6 年跨 区电力交换再提高1 4 0 0 m w ，同比增长1 2 8 。2 0 0 5 - - 2 0 0 6 年两年，跨区、跨省联络线和网 内重要送电线路将增供电量5 1 亿度。同比增长7 7 。预计两年内减少因拉闸限电造成的经 济损失约3 1 0 亿元，具有显著的社会效益和经济效益。今后，国家电网公司还将针对不同电 压等级电网开展技术升级工作，全力提升电网输电能力，建设坚强电网。 国家电网公司总经理刘振亚表示，通过提高现有5 0 0 k v 电网输送能力，公司将进一步 加大跨区、跨省送电力度，更大限度地实现资源优化配置，更好地服务党和国家的工作大局， 服务电力客户，服务发电企业，服务社会发展。 串联调节输电线路电抗的输电线路串联补偿技术是一项十分成熟的技术。【雷宪章等，9 9 8 目前在电力系统中实际应用己经有近8 0 年的历史，世界上已经安装的串联补偿电容总容量 已经超过9 0 0 0 0 m v a r 。传统的串联补偿技术是用机械开关组合构成不同的容抗，但是机械开 关反映慢，不能频繁调节，而且切换时产生电弧。9 0 年代以后，随着电力电子技术的发展， 在常规串补技术的基础上又发展了可控串补技术。对于长距离输电线。其输电能力主要取决 于线路的稳定极限，采用串补、可控串补可使其稳定极限大幅度提高，从而提高线路的输电 5 - 能力，瑞典、加拿大和巴西等国均采用串补技术提高输电能力、降低输电工程投赁。国内 5 0 0 k v 线路的可控串补装置也在相继投入使用，如天广线平果站。 可控串补相对于并联调节，尽管实现技术要求比较高，但是在相同的作用实现下，所需 设备容量和所需投资都低于并联补偿。可控串补装置结构比较简单、经济，已经成为f a c t s 技术在我国输电系统中应用的一个主要方向。现代方法中，调节部分完全用晶闸管开关控制 的串联补偿装置有s s s c 、t c s c 以及本文讨论的变耦电抗式可控串补等。 1 3 变耦式可控串补与其它串补装置的技术经济性能比较 当前国内外讨论实现的可控串补方式主要有三种：s s s c 、t c s c 和变耦式可控串补。【林 集圳等，1 9 9 7 ；李民族等，2 0 0 1 1 无功功率发生器是通过调节逆变电压来调节装置等效电抗，当串联于线路中，可调节输 电线路等效电抗，也可以构成可控串补，国内文献称为s s s c 。从而达到调节潮流的作用。 s v g 中的逆变器采用多重化技术来减少装置本身发出的谐波减轻滤波器的负担，但这也 增大了变压器的复杂性。也可以采用p w m 技术实现减少谐波的作用，但是大容量的要求要 做到完善的p w i v l 的s s s c 还有不少困难。 t c r 式可控串补( t c s c ) 是在运行中可以快速调节线路电抗参数的串补方式，可以按 照系统控制和调节的要求随时改变串补的电抗，使线路总电抗发生变化。装置由t c r 和电 容器并联构成，装置等效电抗既可以呈容性，也可以呈感性。由于t c r 含有高次谐波。必 须并联一定容量的电容器来吸收高次谐波。装置的等值电抗从感性到容性存在调节死区和谐 振区，对串联调节不利。为避开死区和谐振区，要求装置触发角有大的跃变，电容和电感能 量耍发生大的变化，这将延长过渡过程，影响了装置的快速调节特性。另外，要缩小或消除 死区。容抗和感抗必须选得比较小。因此缩小或消除死区和降低调节容量始终存在矛盾。 本论文研究的变耦电抗式装置由两个三相串联互感器组成，它们的一次侧串联后再接于 三相输电线路中，它们的二次侧经过晶闸管开关装置连接而成。晶闸管开关装置可改变两个 串联互感器二次侧的连接使互感器的磁耦台变化，从而改变装置的等效电抗。该装置和电容 串联后构成串补装置，可大范围调节线路电抗，该方法运行时没有高次谐波。 下面我们对这三种串补装置的技术经济性能进行比较。 1 3 1 比较对象 1 、变耦电抗式可控串补装置的技术经济性能比较对象是： 1 ) t c r 式可控串补( t c s c ) ： 2 ) s v g 式可控串补( s s s c ) 。 2 、变耦电抗式可控串补较之于这两种串补方法具有相同的技术性能： 1 ) 这三种方法都体现出快速的阻抗控制，因而均具有快速的功率调节性能，均能快速 提高线路输电能力； 2 ) 均具有频繁调节的能力； 3 ) 若t c s c 主要工作在容性段。变耦电抗式和它一样，当晶闸管装置故障处于断开状 态，串补装置呈现最小容抗，一方面能部分提高输电能力，另一方面还能保证线路运行安全， 但s s s c 一旦变流装置故障串联变压器二次开路，线路串联一次绕组大电感，必然降低输 电系统运行的稳定性，这只能通过快速旁路来解决； 4 ) 变耦电抗式只能分级调，但可以做到高达2 0 多级，可满足调节精度要求，而且是快 速换级，不会对暂稳定性带来多大影响； 6 蕾埔夫掌硪掌位论文 超离玉输电避珞，：牺龟藏式穹毽串补| 茹矗【用的研究 5 ) 变耦电抗式主要应用于容性调节，若要进入感性调节，其经济性能就有所降低，但 我国输电系统大都只需要容性调节； 6 ) 当线路短路故障，三种装置的晶闸管为防止过流损坏而应立即断开，此时三种装置 的晶闸管都要承受严重的断态过电压，均需通过避雷器和火花间隙来快速限压。但严重程度 三种装置有所不同，t c s c 和接线有关，变耦电抗式相对较弱，s s s c 最严重。 1 3 2 变耦电抗式可控串补装置与其它可控串补装置的经济性能比较 其经济性能比较，均遵守下列相同条件： 1 、系统背景相同： 2 、未补偿前传输功率相同： 3 、补偿装置调节时两端系统等值电势维持不变： 4 、装置固定补偿度和可控补偿度分别相同： 5 、可控补偿度均能长期运行。 表1 - 1 三种串补装置组成设备基波最大工作参数( 单位： nk a 、脑附、m - y a r ) 电容器电抗器( 互感器、s v g )晶闸管装置 c lc 2c i + c 2电抗器 “ 3 2 4 49 7 59 7 52 6 4 4 t c s c 茹。 2 4 3 57 3 04 。8 74 8 9 置卵删 2 3 72 1 3 62 3 7 41 4 2 47 7 5 c 1 1t 23 1 + t 2 变耦电 一 1 3 02 4 6 83 2 31 1 2 6 抗式 l * 。 2 4 3 42 4 3 42 4 3 45 7 l s * 9 4 81 4 92 0 1 3 5 01 5 4 3 c s v g 装置 【k 一 9 7 5 2 3 2 5 s s s c m 2 4 3 52 4 3 5 s _ 印缸 7 1 22 3 7 对于3 8 0 公里的双回5 0 0 k v 输电系统，设线路两端所连系统( 包括所联链式线路及负 荷) 的等值参数为o 5 k k 互。z ，一被控单回路阻抗，取k k = 1 2 ，固定补偿度2 5 ，可控补 偿度2 5 ，取n = i ，x u = 1 3 2 5q ，最= 5 3q ，以装设补偿装置前每条线路传输功率 p o = i o o o m w 为基准值。【林集鸲等。1 9 9 7 1 当一回线切除，另一回线投入补偿装置。在诵节 过程中，设两端系统等值电势不变，串补装置可控部分，其传输功率调节范围为( 1 6 5 , - - 2 0 2 ) p o 。分别对三种串补装置进行稳态调节计算，墨= 2 6 7 q 一5 3 4 q ，在此范固内可调，分 别计算出各组件的最大工作电压u g 一( 相) ，最大工作电流，g 。及最大工作容量s o ，其 7 苎苎查竺竺主竺苎竺查 竺! 苎竺! 苎竺兰竺兰苎苎! 兰! 竺兰! 皇里竺! 竺 计算结果如表i - 1 所示。 从表1 1 计算结果看出，变耦电抗式可控串补较之于t c s c 所需电容器容量要降低6 0 ， 所需电抗器容量要降低7 5 4 ，这是个使人十分兴奋的数据。即使所需晶闸管装置容量要增 加一倍，但晶闸管单位工作容量的造价要比电容器、电抗器单位容量造价低得多；即使变耦 电抗式的互感器单位容量造价要比t c s c 的电抗器高，据分析最高多出2 0 , , - 3 0 。变耦电 抗式较之于t c s c ，仍有可能大幅度降低总造价。 从表1 1 计算结果还看出，虽然s s s c 较之变耦电抗式所需电容器容量要降低2 4 8 ， 所需装置本体容量要降低7 5 4 ，但s v g 装置的综合单位容量造价十分昂贵，其工程总造 价无疑要比变耦电抗式高得多。 必须说明，t c s c 可控串补可调容抗可高达任意值，可充分利用电容器的短时过负荷能 力，还可调节装置等效容抗短时超出正常范围一定值，有利于提高系统暂稳定性。这一特性， 其它两种方法并不具有。 1 4 本论文的研究内容 本课题所研究的新型的可控电抗串联补偿的方法，用变耦电抗装置与电容串联构成变耦 电抗式可控申补装置，只要变耦电抗装置的构成设计合理和串联电容参数设置适当，不仅线 路传输功率在要求范围内可做到均匀分级调节，而且可实现大跨级调节，响应速度快，过渡 过程时间短，无高次谐波的影响。前几届的研究生在李老师的指导下，已对该装置的原理、 接线方案、数学模型、稳态分析、工作过程、技术经济性比较进行了较深入的研究，对装置 的暂态特性也有了初步的认识，但变耦电抗式可控串补的基本实际还有很多问题值得研究， 作为本论文主要工作包括： 1 装置的基本特性和稳态特性的测试，以此证明变耦电抗式可控串补装置原理和机理 解释的正确性，以及其良好的调节特性； 2 按照系统静稳定的要求，制定超高压输电线路可控串补补偿度的基本方法，并确定 装置长期运行的补偿度； 3 确定有功功率调节要求。研究制定串补装置调节输电线路有功功率算法，对单回路 有功功率的调节算法进行分析仿真，规划综合调节的控制系统； 4 分析系统暂稳定过程，确定装置控制要求，研究制定装置对系统的暂稳定控制算法， 并对算法进行数字仿真，确定串补装置短时运行的补偿度。 - 8 - 查苎些壁竺苎兰查竺苎竺兰兰竺苎竺! 苎苎三竺! 竺苎兰竺璺竺竺 第二章变耦电抗式可控串补装置的原理、特性及应用背景 2 1 变耦电抗式可控串补装置的原理、特性 2 1 1 变耦电抗式可控串补装置的原理【李民族等，2 0 0 4 ；王庆斌等，2 0 0 3 ；l i m i n z uc t c 2 0 0 2 葛俊等2 0 0 1 】 变耦电抗装置原理接线如图2 1 所示。两个三相串联互感器b t l 和b t 2 ，其一次侧串联 后可接于同一个三相电路中，它们的二次侧经过晶闸管开关装置v t 连接，v t 装置可改变 两个串联互感器二次侧的连接，包括连接组别和绕组匝数，以改变每个互感器的磁耦合。 设互感器b t ，和b t 2 均为y 一1 2 连接，每个互感器的空载电势比为k l ，k 2 。定义 图2 - 1 装置原理接线图2 - 2 单相等值接线 v t 装置的接线系数k c = 色d f 色c l ，引入复数变比j r ( c 的理想变压器来反映b t l 和b t 2 一 绕组的连接状况。单相等值接线图如图2 - 2 所示。 忽略绕组漏感后，由等值接线图可得： 回路方程： 仨左童11-一a或宫2=。o。l一。2 仨2 竺竺， 宣= 等锻，( k , - i 1 ) 或= 等= j x 一枷如) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中墨、也玢别为b t i 、b t 2 的变比 j ，m l 、。k 2 分别为b t i 和b t 2 的互 感抗。 将电势方程代入回路方程，化简，可得整个装置的等效电抗： k = 半= ，壁罨茅址隅 c ：4 ， 9 - 式中，疋= k c ( c o s 占+ j s i n 5 ) ，五1 = 等一肭b t i 雨1 b 一 次忽略漏感后自感抗，一经设计后不变；= 等卅t 1 和肌一次侧自感抗比值 k ：垒_ b t l 和b 亿变比比值。 k i 2 1 2 变耦电抗装置电抗特性的选取【徐政， 由式( 2 - 4 ) 可看出，二次绕组具有不 同连接形式的变耦电抗装置，仍具有纯电 抗特性，影响特性的参数有互感器变比比 值世，接线系数岛。改变置、砭均 可以调节x r ，这样为等效电抗的调节提 供了多种手段。若取心，墨= 去， 装置的蜀。( k ) 的特性曲线如图2 - 3 所 示。当两个互感器二次绕组分别为y y 1 2 、 y y - 6 二种连接形式，按( 2 - 4 ) 式计算几 种典型情况装置的电抗特性如图2 3 所 图2 - 3 变耦电抗装置电抗特性 示。 根据图2 - 3 所示电抗特性，研究表明，选用这个特性，控制简单，两个互感器的一次 绕组电抗充分应用，所需互感器容量最小，当用于输电线路可控串补时，即使t 2 、t l 二次 绕组全断开时，装置呈现最大电抗。也属于串补装置正常工作范围，不影响输电安全。选用 此特性虽然所需晶闸管容量较大，计算表明，晶闸管装置造价所占比重仍然较小。图3 所示装置电抗特性。很容易得到简明的物理解释：当y ，y - 1 2 连接时，两个二次绕组电势串 联，若置= l ，即k 2 = k l ，又因n = 1 ，则此时两个互感器的一、二次绕组匝数分别相等 装置可视为一个二次绕组短接的变压器，当忽略漏抗后，故z r “0 ；当y ，y 连接且世= l 时，两个互感器二次绕组电势并联，且相等，二次回路电势k 2 = o ，二次电流为零，相当于 两个互感器二次绕组开路，所以x r = x ，+ x l ：= 2 x h ：当k - - 0 - 即x l 2 = 0 ，此时 t 2 二次绕组实为匝数相等的两部分线圈正反连接，t 2 - - - 次绕组i ：0 ，但等效安匝数为0 对于t 2 相当于二次绕组开路，对于t 1 相当于二次绕组短接，故z r = x l 2 = z l l 。 1 0 整墨 = 苎苎查竺! 圭竺苎丝查 竺苎墨竺兰苎竺苎竺兰苎苎! 竺! 竺苎查竺竺兰苎 2 1 3 变耦电抗式可控串补装置接线及功率调节特性 图2 _ 4 和图2 - 5 分别示出变耦电抗式 可控串补装置的具体接线，图中z 线 路本身阻抗c 串联电容，卜一1 2 表 示晶闸管开关，均由两个品闸管反向并联 构成。互感器t 1 变比k l 不变，互感器t 2 变比置，及两个互感器二次绕组不同连接 方式通过晶闸管开关对调节绕组( 匝数分 捌为w ；、w ；，、址，、) 进行不同连 接组合米实现。合适确定各调节绕组的匝 数，f 采取措施，可实现装置调节电抗均匀 分级，井可构成2 0 多级。图4 和图5 中的 品闸管开关装置采用不同结线。图5 结线 t 2 二次绕组容量大约增加一半，但每相接 通的晶闸管开关串比图4 减少，有利于晶 闸管开关串工作可靠性的提高。 当图2 - 4 方案接线用于3 8 0 公里的双 回5 0 0 k v 输电系统，设线路两端所连系统 ( 包括所联链式线路及负荷) 的等值参数 国2 4 装置单相具体结线 为0 5 y - k z z ，互一被控单回路阻抗，取 2 - s 线路功率调节特性 嗣降1 2 ，固定补偿度2 5 ，可控补偿度 2 5 ，取n = i x l i = 1 3 2 5q ，x c = 5 3q ，以装设补偿装置前每条线路传输功率p o = i o o o m w 为基准值。当一回线切除，另一回线投入补偿装置，在调节过程中，设两端系统等值电势不 变，当结线为y ，y 和y ，y 1 2 且调节参数置在( o 1 o ) 之间变化时，可得可控部分的传输 功率p 的调节特性如图2 - 5 所示。可看出，串补装置可控部分。其传输功率调节范围为 ( 1 6 5 - , 2 0 2 ) p o 。 2 2 变耦电抗式可控串补装置的暂态特性 2 2 1 串补装置的换级控制方法： 我们从不同理论角度详细分析了串补装置投入及换级过程的电流瞬时特性，以及晶闸管 开关串断态电压特性，并提出了晶闸管开关换级控制方法，要点如下； 1 、换级操作的时序是：1 ) 撤掉前级状态( 调节参数为k ，简称芷7 状态) 的晶闸管开 关的触发控制脉冲，使之待断晶闸管开关在电流过零时自然断开进入中间状态；2 ) 选择 合适时刻对新级状态( 调节参数为置，简称足状态) 施加触发脉冲，接通该状态待通晶闸 管开关。 k 和k 状态均有相同的电路拓扑结构，特征是两个互感器二次绕组闭合连接，称闭合 贵州 国i 砸掌位钝： 状态，具有相同的电路状态方程 这两个状态方程如下： k 和k 状态： 超离e 输电雠路变耦电戴式可控睾补l 奉应用的研究 而中间状态，其电路特征是两个互感器二次绕组断开。 ( - 嘉c + r i + p ) i l - 撇铲咖 ( ：5 ) 【- m m p i l + ( r 2 + l l 2 p ) i 2 = 0 中间状态： ( r i 一+ 必p ) i l = d u ( 2 6 ) 口。 式中，p = 导一一微分操作数，l l i = 厶+ ( 1 + ) 厶i ，l l 2 = l 2 + ( 1 + k 2 ) 砰厶l ， d t 删却+ n k ) 犁咖锄氆，= 每，k = 百9 2 “、r - l 2 , r 2 分别为一次 2 、有序求解这两个状态方程，可得投入 及换级电流瞬时特性及晶闸管开关断态电压 特性，但这些特性和x 状态接入时亥0 有关。 设k 状态电流过零时的时刻为t o 。在 t l - - - - - t o + a t 时刻接入k 状态，在a t = 0 l 0 20m s 范围内，以上一个状态的电感电 流和电容电压的末值为下一个状态的初值， 连续求解量。、中间、足三个状态方程，并 求出中间状态至k 状态时二次绕组电流自 由分量最大值屯”一同f 的关系，以及整个 图2 - 6 o 自由分量最大幅值曲线 过程晶闸管开关串的断态电压的最大幅值 “。一同a t 的关系，就可以确定合适的接入 时刻a t 。 3 、以图2 - 5 功率调节特性的系统为背 景，图2 - 6 所示如z r 。阻) 曲线，图2 - 7 所 示“。但) 曲线以及足状态接入时刻待通 晶闸管开关串所承受的断态电压曲线，从这 些曲线看出：i ) 要降低换级电流的自由分量 的最大幅值，优化换级瞬时性能，k 状态的 晶闸管开关最佳接入时刻是f = 0 ，虽然此时 图 7k 状态不同接入时的断鑫电压曲 线曲线l 一一断态电压最大值曲线：曲线 2 一一接入时刻待通晶闸管开关串承受电压 曲线 - 1 2 - 苎苎查竺竺主竺苎兰竺 竺苎墨竺苎苎竺兰竺兰坚! 苎! 竺苎苎! 竺竺兰 刻晶闸管开关串的接入电压十分高，对晶闸管开关的串联触发技术提出了高要求，但这相当 于t c r 当触发角口= 石2 的情况，t c r 串联触发技术已得到成功解决。故晶闸管开关最佳 换级条件是，丘状态电流过零结束时立刻接入芷状态；2 ) 在整个换级过程中晶闸管开关 串断态电压最高幅值“。一= o 0 5 6 ，与接入时刻a t 无关，且小于允许电压峰值2 5 0 0 4 7 ( 0 0 4 7 一晶闸管开关正常工作电压幅值) 。投入过程也有类似结论，故投入和换级过程无 断态过电压危险。 2 2 2 换级暂态特性 对于图2 - 5 所示的功率调节特性的实际系统，图2 - 8 的a ) 、b ) 分别示出了晶闸管开关 按最佳换级条件接入时，两种典型换级情况二次绕组电流自由分量f 2 ：，( f ) 和晶闸管开关串断 态电压u t c o ) 波形曲线。由曲线看出：1 ) 由最低级( p = 1 6 5 p o ) 直接调至最高级 ( p = 2 0 2 只) 时，二次绕组电流自由分量最大值仅为0 5 8 ，只占该级正常基波电流幅值 ( 4 2x 4 5 ) 的9 左右，且在5 个周波内降至1 8 ，其瞬时性能是良好的。2 ) 最高级直 调最低级时断态电压水平最高峰值仅为0 0 5 6 。只出现在k 状态电流过零时，且二次绕组断 开瞬间，最低级实为二次绕组开路，经分析正一次绕组电压最高，故二次绕组及晶闸管开 关串断态电压最高，此为确定晶闸管开关串最大工作电压u g 。的依据， u 一= 0 0 4 7 1 2 。 a ) 最低级直调至最高级二次电流自由分量曲线 b ) 最高级直降至最低级晶闸管开关串断奋电压曲线 圉2 - 8 抉级时电流、电压波形 一1 3 - 兰竺查竺壁竺竺兰苎 竺! 苎竺! 竺竺苎竺兰苎苎! 兰! 竺苎竺兰里竺苎! 竺! 2 3 变耦电抗式可控串补装置的基本特性试验 为验证基本特性的理论分析的正确性，我们做了两个基本特性实验，实