超特高压输电系统中可控高压并联电抗器的研究

超特高压输电系统中可控高压并联电抗器的研究

0可控高压串联电抗器随着中国电网装置的快速发展，我们需要建设一个基于高压的示范网络来实现大规模能源传输，解决当地电网装置能力有限的问题。超/特高压交流输电线路剧烈的潮流变化、巨大的容性无功功率对系统的抑制过电压和无功调节能力要求甚高［１］。风电、光伏发电等新能源发电的大规模集中接入,使得输电通道上潮流变化及无功电压波动更加频繁,进一步加剧了无功电压控制的难度［２－３］。可控高压并联电抗器作为一种新型柔性交流输电系统(FACTS)装置,通过动态补偿输电线路过剩的容性无功功率,可以有效地抑制超/特高压输电线路的容升效应、操作过电压、潜供电流等现象,降低线路损耗,提高电压稳定水平及线路传输功率,在超/特高压电网中应用前景广阔［４－６］。超/特高压电网对可控并联电抗器在技术和性能上提出了更高的要求。超/特高压可控高压并联电抗器(简称可控高抗)关键技术主要包括本体结构设计、电磁暂态仿真模型构建、本体保护配置及原理研究、控制系统设计。本体结构设计关系到可控高抗的容量调节范围、谐波含量、控制响应时间、过负荷能力、制造成本等重要技术性能和经济指标;电磁暂态仿真模型是可控高抗电磁暂态研究及保护配置整定的基础;本体保护配置是可控高抗安全可靠运行的保障;控制系统设计决定了可控高抗工程应用后性能的优劣。解决好上述4个方面的技术问题是超/特高压可控高抗安全、稳定、高效运行的关键。本文总结了超/特高压可控高抗关键技术的国内外研究现状,评述了各类技术方案的优缺点、适用范围及在国内外的工程应用情况,指出了各技术的重、难点,并对相关技术的发展趋势做出了展望。1可控高压电抗器可控高抗的本体结构设计包括本体结构形式及工作原理、铁芯结构及绕组联结方式、本体参数优化设计等方面。可控高抗根据其结构形式及原理不同,可分为晶闸管控制电抗器(TCR)［５，７］、磁控式并联电抗器(MCSR)［１－２，７－１２］、变压器式［１，５，７－８，１３－１７］和超导型［１８］等。TCR应用于高压大容量场合,造价高昂,目前应用范围限于35kV及10kV配电网。而超导型可控高压电抗器目前存在超导材料难以满足性能要求的技术瓶颈［１８］。工程应用于超/特高压系统的可控高抗主要有磁控式和变压器式两大类,磁控式可控高抗可分为直流助磁式和磁阀式,变压器式可控高抗可分为分级式和晶闸管控制变压器式。1.1网侧5个助磁式可控阻燃组分串联设计方案直流助磁式可控高抗在文献中又称作裂芯式可控高抗。图1为其单相铁芯结构及绕组接线示意图,网侧绕组(对应编号1)和控制绕组(对应编号2)均采用两分支绕组结构,分别套在分裂铁芯柱p,q上。网侧绕组直接与电网相连,控制绕组反极性串联于直流电源。控制绕组中的直流电流Iｋ在p,q两个芯柱中产生等幅反向的直流偏置磁通,该直流偏置磁通对网侧电压在p,q芯柱中引起的交流磁通分别形成正向和反向偏置,使得两芯柱在交流磁通的正、负半周内轮流饱和。通过改变Iｋ的大小,可以改变主铁芯的饱和程度,变相改变铁芯磁导率进而控制电抗器的电抗值大小和工作容量。在同时受到交流和直流激磁作用下p,q两芯柱中磁感应强度波形是非正弦的,除基波外还含有高次谐波分量。芯柱p和q的磁感应强度呈镜像对称关系,使得反极性串联的控制绕组两端的总感应电动势只含有偶次谐波,且以2倍频交流分量为主［１０］。直流助磁式可控高抗网侧绕组的联结方式有2种设计方案,分别为串联结构和并联结构,如图1所示。当网侧绕组采用图1(a)所示串联结构时,网侧电流中只含奇次谐波分量。当网侧绕组采用图1(b)所示并联结构时,网侧绕组中有偶次谐波环流,该环流对铁芯中的偶次谐波磁通有去磁的作用,能有效地减小控制绕组中2次谐波电流的含量。不过该种结构会降低可控高抗的响应速度［１９－２０］。三相直流助磁式可控高抗本体多采用3个单相电抗器组合构成,其三相网侧绕组多接成星形;三相控制绕组的联结方式也有2种设计方案,分别为三串两并式[10-11]和两串三并式,一次接线见图2。三串两并接线方式下,控制绕组感应电动势中正序和负序分量三相各差120°,相互抵消,零序分量反向并联,在并联的两组控制绕组间形成环流,可对网侧电流中零序谐波分量起到良好的滤波效果。两串三并接线方式下的分析过程与之前单相可控高抗相同,每相控制绕组中除了流过直流电流外,还将流过偶次谐波电流,以2次谐波电流为主。2次谐波电流经三相控制绕组支路构成回路,仅在三相控制绕组间流通。直流助磁式可控高抗容量大范围平滑连续可调,能在很短时间内从空载调节到额定功率,其稳态控制特性优良、谐波含量小,且结构简单,造价低廉,维护方便,在超/特高压电网建设中应用前景广阔。国外直流助磁式可控高抗主要在俄罗斯、白俄罗斯等前苏联国家有应用,多用作母线高抗,电压等级为110~500kV［２１］。目前中国已有一台直流助磁式可控高抗投入应用,其装设在峡江Ⅱ线江陵换流站侧,额定电压500kV,于2007年9月顺利投运［１１］。1.2小容量持续型矛盾主导电特性分级式可控高抗结构如图3所示。主电抗器包含原边和副边绕组,副边接有负载小电抗,通过晶闸管阀和旁路断路器改变接入小电抗的数量以分级调节容量。三相分级式可控高抗采用YNyn接线,低压侧中性点直接接地,作母线高抗时高压侧绕组中性点也直接接地,作线路高抗时高压侧绕组中性点经小电抗接地。单相分级式可控高抗容量S与副边串接阻抗的关系为:式中:U为一次侧相电压;Xｅｑ为额定容量下电抗器折合到副边的总电抗值;Xｋ为串接小电抗的电抗值;N１,N２分别为原、副边绕组匝数。分级式可控高抗从小容量向大容量切换时先利用晶闸管阀的高速关合能力,使大容量阀导通,随后将大容量旁路断路器合闸以承担回路中的长期短路电流同时使大容量阀被旁路,最后退出大容量阀并打开小容量旁路断路器,实现切换;从大容量向小容量切换时,先打开大容量旁路断路器并发出小容量阀导通命令,待小容量阀导通、该级阻抗投入后闭合小容量断路器,最后将小容量阀退出,完成切换。分级式可控高抗原理简单,响应速度快,且晶闸管工作时处于全导通或全关断,理论上不产生谐波污染。缺点在于容量只能分级调节。考虑到成本等因素,其分级容量又不宜设置过多,故分级式可控高抗更适合于潮流变化剧烈但具有季节负荷特性的超/特高压输电系统。目前,中国已掌握了超/特高压分级式可控并联电抗器设计和研制方面的所有核心技术,具有完全的自主知识产权,已完成了500kV忻州分级式可控并联电抗器示范工程［１６］、750kV敦煌变分级式可控并联电抗器示范工程［１７］等在超/特高压输电系统中的工程应用。1.3tct式可控阻燃结构单相晶闸管控制变压器(TCT)式可控高抗原理如图4所示。TCT式可控高抗本质上是变压器与TCR的结合,利用变压器阻抗变换的特性,通过调节晶闸管的触发角,改变副边绕组等效电抗大小进而平滑地调节容量。TCT式可控高抗往往将一、二次侧绕组间漏抗设计得很大(达100%额定阻抗)以省去TCR中同晶闸管串联的小电抗。三相TCT式可控高抗有角形和星形2种接线方式,如图5所示。无论是角接还是星接,图5所示结构的TCT式可控高抗一次侧线电流中都含有6k±1次谐波(k为整数),而在触发角相同情况下角形接线方式比星形接线方式的谐波含量少［２２］,故工程应用上多采用角形接线方式。为进一步减小谐波电流,可在副边设置2个绕组,一个星接一个角接,形成30°的相位差,从而构成12脉波TCT［２３］,该结构的TCT式可控高抗一次侧线电流中仅含12k±1次谐波(k为整数),且当其中一个6脉波TCT故障时,另一个仍能正常工作。TCT式可控高抗响应速度快,有较强的过负荷能力,既可作为线路高抗解决无功补偿和过电压抑制间的矛盾,又可作为母线高抗控制系统无功电压。总之,TCT式可控高抗兼具分级式响应速度快和直流助磁式容量大范围平滑可调的优点,在风电大规模集中接入的超/特高压交流输电系统中应用独具优势。TCT式可控高抗在国外应用较多,比较典型的如安装于大阪Higashi-Osaka变电站的60MvarTCT式可控高抗、加拿大Loreatid变电站的735kV、450MvarTCT式可控高抗以及印度Itarsi的420kV、50MvarTCT式可控高抗等［２１］。虽然目前中国TCT式可控高抗在装置的关键技术研究和工程应用方面尚未成熟,但笔者认为若能借鉴国外TCT式可控高抗的研究成果,从本体结构设计的角度出发有效降低谐波含量,其在中国超/特高压电网将有广阔的应用前景。2铁芯磁路分解和等效物理模型的建立可控高抗的电磁暂态研究及保护配置整定大多建立在数字仿真的基础之上,建立准确可靠的电磁暂态仿真模型尤为重要。目前国内外主要的几种电力系统电磁暂态仿真软件(如:ATP/EMTP,PSCAD/EMTDC,MATLAB/SIMULINK)及电力系统实时数字仿真系统(RTDS)中尚未集成各类可控高抗的模型,给仿真分析带来了很大困难。分级式和TCT式可控高抗结构与变压器类似,只是在漏抗等参数方面有别于普通变压器,且正常运行时铁芯饱和度低,其模型尚能通过常规变压器、小电抗及晶闸管阀的组合搭建;而直流助磁式和磁阀式可控高抗由于其各电路与磁路结构的特殊性、工作原理与谐波含量的复杂性,建模难度最大。如何根据可控高抗的本体结构、工作原理、控制特性建立准确可靠的电磁暂态仿真模型是可控高抗关键技术中的重、难点之一。文献[10-12]分别提供了不同控制绕组联结方式下的直流助磁式可控高抗的仿真模型,其方法采用常规变压器的简单组合近似等效原有结构,由于忽略了铁芯旁轭的磁路效应,模型存在一定误差,仿真结果中零序谐波含量大于实际情况。针对直流助磁式可控高抗特殊的磁路结构与绕组接线方式,文献提出了一种磁路分解的思想,对于图6所示的单相MCSR的铁芯结构和绕组分布,依据基尔霍夫磁路定理和安培环路定理对直流助磁式可控高抗的铁芯磁路进行拆分,将原有铁芯结构按图6所示A~F五段磁路(E和F归为同一段)拆分成5个部分,拆分后构建的五段磁路模型如图7所示,实现了通过3个常规双绕组变压器和2个电抗器的组合对原有结构进行等效。网侧绕组和控制绕组不同的接线方式均可通过改变等效五段磁路模型中电压端口的连接方式实现,对于三柱、五柱等其他铁芯结构或增设补偿绕组的情况,该方法依然适用。该模型除了能够应用于各种工频和操作过电压校核、单相重合闸过程对潜供电流及恢复电压的影响、线路非全相运行时谐振过电压校核等各项电磁暂态研究外,其在内部故障仿真尤其是匝间故障仿真方面独具优势,为直流助磁式可控高抗的保护配置与整定提供了必要的技术支持。动模试验和现场录波都验证了该建模方法的有效性和可靠性。磁阀式可控高抗结构与接线相对更加复杂,建模较直流助磁式可控高抗更为困难,文献推导了单相磁阀式电抗器的数学模型并给出了相应的仿真模型;文献通过引入绕组端口等效磁通的概念建立了磁阀式可控高抗的数学模型,并给出了其等效物理模型;文献具体给出了该等效物理模型的设计方法与设计步骤,以独立控制绕组结构代替原有结构,从而可以按照直流助磁式可控高抗的仿真建模方法对磁阀式可控高抗进行处理。文献基于动态磁阻的思想,结合可控高抗在不同励磁条件下等效电抗的动态变化特性,以反双曲函数描述铁芯的磁化曲线推导出可控高抗的瞬时等效电抗。用带阻尼的隐式梯形积分算法对瞬时电抗值差分化,把电抗值的调节变化归入等效导纳和等效电流源中,建立了一种描述磁控式可控高抗非线性磁饱和特性的实用化解耦电磁暂态模型,通过模型数据和系统的实时计算动态更新。该方法考虑了铁芯磁化曲线的非线性特征,相比于以分段线性化为基础的方法具有更高的准确性。但该方法只能描述可控高抗的外特性,不便实现可控高抗内部故障的电磁暂态仿真。文献提出通过线性电感并联电容器的并联电抗器简化模型,但只适用于铁芯带气隙的固定高抗。文献提出一种单相并联电抗器的非线性模型,其由反映铁芯磁化特性的非线性电感和反映铁芯损耗的非线性电阻并联再和漏抗串联而成,并给出了非线性电感和电阻的求解方法。该模型简单易实现且有较高的准确度,但其针对的仍是固定高抗,如何应用于可控高抗还有待研究。综上所述,基于磁路分解思想的可控高抗仿真建模方法原理清晰、建模灵活、适用范围广,关键在于无需单独开发MCSR模型,易于实现,且在内部故障仿真方面独具优势,为保护配置和整定提供了必要的技术支持,该方法广泛应用于具有复杂磁路的可控高抗建模。如何准确实现可控高抗绕组匝间、匝地等内部故障仿真以及如何精确模拟铁芯磁化曲线的非线性特征、考虑直流激磁对磁化特性的影响将是未来可控高抗电磁暂态仿真建模需要进一步关注的内容。3可信抗高压锁的配置和原理的研究3.1平衡差动保护可控高抗本体结构较为复杂,故障率远高于同电压等级的其他设备,对保护要求很高［３０］。目前国内可控高抗本体保护配置主要针对的是直流助磁式和分级式可控高抗。文献给出了直流助磁式可控高抗的本体保护方案,如图8所示。图中:TA为电流互感器;TV为电压互感器。网侧绕组主保护配置有分侧差动保护、零序差动保护和匝间保护,保护范围分别为主电抗器网侧绕组的接地和相间故障、接地故障、匝间故障。后备保护配有过流保护和零序过流保护,过流和零序过流保护延时动作于跳开本体网侧开关及整流支路。过负荷保护延时动作于发信号告警。控制绕组配备的平衡差动保护实质是由TA1和TA2构成的电流横差保护结合由TV1与TV2构成的电压差动保护,保护范围为控制绕组接地、相间故障及匝间故障,动作跳开本体网侧开关及整流支路。文献介绍了安装在忻州500kV开关站分级式可控高抗的本体保护配置,其原边绕组的保护与直流助磁式可控高抗的网侧绕组保护配置类似,不同之处在于增设纵差动保护(文献中称为大差动保护)作为原、副边绕组内部故障的主保护,侧重于保护副边绕组的相间故障。电抗器副边设有外接零序电流保护和带零序电压闭锁的自产零序电流保护作为后备保护,前者侧重于保护电抗器副边绕组及负载小电抗的接地故障,后者可作为电抗器内部接地和匝间故障的后备保护。文献提出用分侧差动取代零序差动和纵差动保护,除了在原边设置分侧差动保护针对原边绕组的接地故障外,在副边另外增设两组分侧差动保护分别针对副边绕组和负载小电抗的接地故障。后备保护设有高压侧中性点零序电流保护和低压侧零序电流保护。文献详细介绍了国外TCR的保护配置方案,TCT可控高抗保护配置与此大同小异。主电抗器高低压侧绕组与变压器类似,配有纵差、相间和接地过流等电量保护及瓦斯、压力、油温等非电量保护;小电抗支路同样配有差动保护和过电流保护,辅以过负荷保护,同时针对小电抗匝间短路及晶闸管阀短路故障取角形连接的每相小电抗支路基波电流构成平衡电流保护。3.2零序功率方向保护可控高抗匝间故障率较高,匝间保护一直是可控高抗本体保护技术的关键。传统电抗器匝间保护多采用零序功率方向保护,主要有以下2个问题。1)小匝间短路时零序电压、电流较小,保护灵敏度不足。2)空充电抗器、非全相运行、区外故障引起振荡等暂态过程中保护易勿动,可靠性不足。针对上述2个问题提出了一些匝间保护新方案。文献提出以绕组中性点电流代替各相电流构成零序功率方向保护以克服空充电抗器时各相电流互感器饱和程度不同带来的测量误差,不过对于磁控式可控高抗,空充时网侧绕组中涌流较大,中性点有零序电流流过,仍然存在误动可能。文献[30-31]利用电抗器匝间故障时负序分量模值比零序分量大的特点提出以负序功率方向替代零序功率方向保护以提高灵敏度,但事实上对于中性点直接接地的母线高抗,电抗器零序电抗等于负序电抗,负序功率方向保护的灵敏度与零序功率方向保护相差不大。文献在传统方法基础上,提出带容错复判的自适应零序功率方向保护,在小匝间短路时对零序电压进行补偿,保证匝间保护的灵敏度;辅以突变量和稳态判据构成的辅助判据保证匝间保护的可靠性。文献除了对零序电压进行补偿,还增加了零序阻抗元件、故障开放元件、谐波闭锁元件以及工频变化量浮动门槛的保护启动元件,提高了匝间保护的可靠性和灵敏度。文献提出绝对值比较式负序及零序复合型方向保护,在区内小匝间短路情况下,动作量远大于制动量,保证了保护的灵敏度。文献提出了一种基于等效电感的匝间保护新原理,实质是对故障前后相邻周期进行能量积分,以二者之差作为是否发生匝间故障的判据。该方法单纯依靠自身电气量构成两种判据,提高了保护的可靠性。文献提出一种基于可控高抗漏感变化的匝间保护新原理。该方法利用电抗器等效总漏感和两侧漏感值在匝间故障、正常运行及其他工况下的不同变化规律,以等效总漏感变化的标准差作为动作量,以两侧漏感变化平稳性的量作为制动量,构成比率制动式匝间保护,仿真结果显示具有较高的灵敏度和可靠性。针对于直流助磁式可控高抗控制绕组反极性串联的特殊结构,在正常运行时两分支绕组感应电动势相互抵消、匝间故障时电压不平衡的特点,文献提出电压差动保护作为控制绕组匝间故障的主保护。此外,文献还指出对于油浸式的可控高抗,液压保护和瓦斯保护能够较为灵敏地动作于电抗器匝间故障。考虑到可控高抗保护对可靠性要求很高,保护原理与运算过程不宜太复杂,目前实际工程中对于小匝间故障仍然没有很好的方法,如何在保证匝间短路保护安全可靠性的前提下提高保护的灵敏度仍然是未来可控高抗本体保护研究的重点。笔者认为可利用超/特高压可控高抗电压等级高、容量大等特点,从可控高抗自身的绕组结构特点出发,寻求故障特征,探索简单可靠、高灵敏度的匝间保护新原理。4超/特高压可控光催化系统控制策略就控制模式来说,可控高抗可以采用开环控制,也可以采用闭环控制。开环控制相对简单,响应速度快,多用于直接对负载进行补偿的情况;闭环控制策略相对复杂,响应速度慢,但控制精度高,适用于对线路进行补偿的情况［３９］。由于超/特高压系统对无功补偿的稳定性和精确性要求较高,故多采用闭环控制模式。超/特高压可控高抗的控制系统设计方案主要可分为以传统比例—积分(PI)环节构成的控制系统［４０－４１］和以现代控制理论构成的控制系统［４２－４４］。相比于以各种现代控制理论构成的控制系统,以传统PI为控制器的控制系统具有稳定、可靠的特点,且有较高的性价比,故多应用于实际工程。图9给出了一种典型的带PI控制环节的可控高抗控制系统框图。图中输入为系统电压或系统无功功率,输出的调节信号用于控制直流励磁电流(直流助磁式可控高抗)或投切旁路断路器(分级式可控高抗)。超/特高压可控高抗按照具体控制方法可以分为基于电压的控制方法和基于无功功率的控制方法［４５］。基于电压的控制方法多用于母线高抗,主要利用无功负荷增大时母线电压下降的特点,维持安装点电压在一定范围内。基于电压的控制方法又可以分为基于电压变化的控制方法［４０］和基于母线电压范围的控制方法［４６］。基于电压变化的控制方法以可控高抗接入点的母线电压为输入,计算出电压变化量,与母线短路容量相乘得到可控高抗的投切容量,该方法多用于直流助磁式母线高抗。基于母线电压范围的控制方法预先设定母线电压上下限,当检测到的母线电压值在设定时间段连续越上限,便增大一级的电抗器工作容量,设定时间重新计时,如设定时间段内电压仍然连续越上限,再继续增大一级的电抗器容量,依此类推,该方法多用于分级式母线高抗。上述两种基于电压的控制方法以电压为控制目标,物理意义明确、便于操作,但不能反映本地无功平衡情况,另外由于高压电压互感器的误差大,可能对控制效果有较大影响。基于无功功率的控制方法［４７－４８］以无功平衡为出发点,根据线路传输或母线上交换的无功功率的变化改变可控高抗的容量以实现无功补偿。其可以分为基于本线路输送功率大小的控制策略和基于变电站高、中压侧无功功率变化的控制策略,前者用于线路高抗,后者用于母线高抗。基于无功功率的控制方法能够将无功功率控制在最小的范围内,是最直接的控制方案。目前中国分级式可控高抗采取的控制策略是基于无功增量结合基于母线电压的控制方法,其由基于无功需求增量内层控制和基于母线电压的外层控制构成。内层控制以电流为输入,计算无功增量控制可控高抗的投切;外层控制以电压量为输入,为内层控制器阶段性附初值,兼有动态无功控制功能［４５，４９］。超/特高压可控高抗控制系统设计的关键在于在确保控制精确稳定的前提下尽可能地提高响应速度。未来可控高抗的控制系统将朝着多目标协调优化的方向发展,除了稳态控制策略,还将包含机电暂态控制策略、电磁暂态控制策略等,保证系统在遭受偶然性扰动处于暂态过渡过程中时,通过可控高抗的调节对系统电压、无功等进行有效的控制。5可控产生的新趋势本文综述了超/特高压可控高抗在本体结构设计、电磁暂态和数字仿真模型构建、本体保护研究、控制系统设计这四个方面关键技术的研究现状,评述了