新型可控電抗器的研究背景及意義

    新型可控電抗器的研究背景及意義
    電網(wǎng)中的無(wú)功平衡對(duì)提高全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益和改善供電質(zhì)量至關(guān)重要。根據(jù)電力 工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展，新型無(wú)功補(bǔ)償裝置的研制和應(yīng)用是我國(guó)當(dāng)前電力系統(tǒng)需要著重解決的重大關(guān)鍵技術(shù)課題。

   新型可控電抗器是電力系統(tǒng)中電壓控制與無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾�裝置，近年來(lái)受了廣泛重視并得到初步應(yīng)用。與現(xiàn)有無(wú)源及有源靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，可控電抗器具有適用電壓范圍廣、可靠性高、諧波小、占地面積省、維護(hù)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高性能的靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功(感性)補(bǔ)償裝置。

    可控電抗器的應(yīng)用前景十分廣泛，對(duì)于控制高壓和超高壓電網(wǎng)電壓、無(wú)功潮流，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加傳輸功率，限制超高壓電網(wǎng)工頻和操作電壓；補(bǔ)償單相接地電流(消弧)以及抑制大功率整流系統(tǒng)的諧波等都具有顯著的效果�？煽仉娍蛊鞯慕Y(jié)構(gòu)形式千變?nèi)f化，特性各異，研究表明，調(diào)電路式可控電抗器是最具有應(yīng)用前景的一種可控電抗器。

    本文研究了調(diào)電路式可控電抗器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其工作特性進(jìn)行全面的分析，提出了各級(jí)控制繞組的限流電抗值計(jì)算方法。結(jié)合多繞組變壓器多邊形等值電路模型，以 Matlab/PSB 為平臺(tái)，建立了無(wú)級(jí)連續(xù)可控電抗器的仿真模型。本文提出了單相傳輸線(xiàn)與負(fù)載相互關(guān)系的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)了單相超高壓長(zhǎng)線(xiàn)的電壓控制系統(tǒng)，利用動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償理論和工程設(shè)計(jì)方法建立了仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了當(dāng)傳輸功率變化時(shí)，電壓控制系統(tǒng)能夠有效地改變電抗器的輸出功率，同時(shí)保持傳輸網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定在額定電壓范圍內(nèi)。在工程應(yīng)用方面，文中提出了一種基于無(wú)級(jí)連續(xù)可控電抗器型消弧線(xiàn)圈的工作原理，分析了它產(chǎn)生諧波電流的原因，設(shè)計(jì)了一種三控制繞組結(jié)構(gòu)的無(wú)級(jí)連續(xù)可控電抗器型消弧線(xiàn)圈，并提出了合理設(shè)計(jì)各控制繞組額定輸出電流的方法。
 
     無(wú)功功率平衡對(duì)提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和改善供電質(zhì)量至關(guān)重要。根據(jù)電力工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展，新型無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的研制和應(yīng)用是我國(guó)當(dāng)前電力系統(tǒng)需要解決的重大關(guān)鍵技術(shù)課題�？煽仉娍蛊髡�是在這一背景下誕生和發(fā)展的，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的生命力。對(duì) 6～220kV 電網(wǎng)，系統(tǒng)用戶(hù)負(fù)荷通常為感性，一般采用固定電容器組進(jìn)行集中或分散補(bǔ)償，以提高功率因數(shù)，降低損耗。在遠(yuǎn)距離、400kV 以上電壓電網(wǎng)通常需要安裝電抗器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

    另外，隨著電力工業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)供電質(zhì)量及可靠性的要求越來(lái)越高。由此產(chǎn)生了一系列問(wèn)題：如超/特高壓大電網(wǎng)的形成及負(fù)荷變化加劇，要求大量快速響應(yīng)的可控?zé)o功電源來(lái)調(diào)整電壓，維持系統(tǒng)無(wú)功潮流平衡，減少損耗，提高供電可靠性。

    但電網(wǎng)中現(xiàn)有的自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置主要為同步調(diào)相機(jī)、開(kāi)關(guān)投切電容器組、晶閘管投切電容器(Thyistor Switched Capacitor, TSC)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(StaticSynchronous Compensator, STATCOM)等。同步調(diào)相機(jī)由于響應(yīng)速度慢，運(yùn)行維護(hù)困難等缺點(diǎn)而逐漸被淘汰，而具有機(jī)械開(kāi)關(guān)的補(bǔ)償設(shè)備在應(yīng)用中會(huì)遇到許多問(wèn)題。比如：開(kāi)關(guān)故障頻率高、響應(yīng)速度慢等，且由于開(kāi)關(guān)的合閘涌流和重燃容易產(chǎn)生過(guò)電壓和諧振現(xiàn)象。TSC 造價(jià)高，控制復(fù)雜，且不能連續(xù)調(diào)節(jié)。晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]，主要原因：(1)直流輸電和工業(yè)逆變裝置的研究和開(kāi)發(fā)促進(jìn)了大功率可控硅閥的發(fā)展，為 TCR 的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)；(2)可控硅閥和空心電抗器的制造工藝簡(jiǎn)單；(3)TCR 控制靈活，響應(yīng)速度快。

    雖然 TCR 具有以上優(yōu)點(diǎn)，但其接入 6kV 電壓等級(jí)以上的電網(wǎng)時(shí)需要器件串聯(lián)以承受高電壓；同時(shí)，可控硅閥要求精確的控制和復(fù)雜的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)裝置；如果控制不當(dāng)，就會(huì)產(chǎn)生直流分量使變壓器飽和。當(dāng) TCR 投入電網(wǎng)時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生較大的諧波電流，因而需添加輔助濾波裝置；同時(shí)高電壓晶閘管的價(jià)格頗為昂貴。因此，這些技術(shù)先進(jìn)的無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備造價(jià)高昂、維護(hù)復(fù)雜，在超/特高壓系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用還不現(xiàn)實(shí)。

    因此有必要尋求更為經(jīng)濟(jì)可靠的可控?zé)o功電源。調(diào)電路式可控電抗器就在這個(gè)背景下產(chǎn)生的，逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。調(diào)電路式可控電抗器能隨著傳輸功率的變化自動(dòng)平滑地調(diào)節(jié)自身容量，在線(xiàn)路傳輸大功率時(shí)，運(yùn)行在小容量范圍內(nèi)，當(dāng)線(xiàn)路新型調(diào)電路式可控電抗器的研究輕載或者為空載時(shí)，它會(huì)增大容量呈現(xiàn)出深度地補(bǔ)償效應(yīng)，能夠起到降低工頻電壓升高的作用。這就在很大程度上提高了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

    另外，調(diào)電路式可控電抗器在保持 TCR 優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又在很大程度上克服了它的不足。初步的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明：
    (1)調(diào)電路式可控電抗器的造價(jià)不超過(guò)同等容量 TCR 的造價(jià)，且產(chǎn)生諧波又比后者少得多；
    (2)調(diào)電路式可控電抗器的損耗小，低TCR的損耗；
    (3)調(diào)電路式可控電抗器在過(guò)負(fù)荷下可以持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間比在同等條件下的TCR 要長(zhǎng)得多；
    (4)在不安裝濾波裝置的情況下，調(diào)電路式可控電抗器的電流畸變比同樣情況下的TCR的電流畸變要小得多。可見(jiàn)作為一種低成本、高性能的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，調(diào)電路式可控電抗器具有廣闊的應(yīng)用前景。

    綜上所述，調(diào)電路式可控電抗器對(duì)于提高電網(wǎng)的輸電能力、調(diào)整電網(wǎng)電壓、補(bǔ)償無(wú)功以及限制過(guò)電壓等方面都有非常大的應(yīng)用潛力。這將為今后我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展起到重要作用。
 
    早在1916年美國(guó)學(xué)者就提出了磁放大器的概念，主要應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中作為控制元件。20世紀(jì)50年代，俄羅斯的科技工作者將磁放大理論引入電力系統(tǒng)中，對(duì)飽和式可控電抗器進(jìn)行了深入的研究。1955 年世界上第一臺(tái)可控電抗器在英國(guó)制造成功。隨著70年代晶閘管的發(fā)展，晶閘管控制電抗器(TCR ) 以其控制靈活的特點(diǎn)成為了研究熱點(diǎn)。1986年，原蘇聯(lián)的學(xué)者A.M.Брянцев提出了新型的可控電抗器結(jié)構(gòu)，使直流飽和式可控電抗器有了突破性的進(jìn)展。20 世紀(jì)70 年代，BBC公司研制了一種晶閘管控制變壓器型可控電抗器(Thyristor Controlled Transformer, TCT)。如圖1.1，安裝在Kvebek省Loreatid變電站，

    一直運(yùn)行到今天。它的快速調(diào)節(jié)功能和響應(yīng)時(shí)間(不超過(guò)工頻的半個(gè)周波)，不僅能滿(mǎn)足在正常運(yùn)行方式下，同樣可以完成補(bǔ)償功能。因此，在線(xiàn)路上裝設(shè)此電抗器后，可以保證將過(guò)電壓幅值限制在額定電壓之內(nèi)，因此能有效地限制操作過(guò)電壓。美中不足的是該電抗器產(chǎn)品存在兩個(gè)嚴(yán)重地缺陷：一是電抗器電流中含有很大的高次諧波成分；二是正常運(yùn)行方式下有功損耗特別大。

    目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)可控電抗器的研究主要集中在磁閥式可控電抗器上，俄羅斯學(xué)者在這方面進(jìn)行了深入的研究，取得了顯著的進(jìn)展。俄羅斯的磁閥式可控電抗器已經(jīng)大面積地推向了市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)武漢大學(xué)對(duì)磁閥式可控電抗器的研究開(kāi)展得較早，成功地研制出磁閥式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置和消弧線(xiàn)圈。國(guó)內(nèi)的電氣廠(chǎng)商現(xiàn)在已開(kāi)始生產(chǎn)基于磁閥式可控電抗器的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置和消弧線(xiàn)圈。但是磁飽和式可控電抗器(Magnetically Controllable Reactor, MCR)雖然具有功率自動(dòng)連續(xù)平滑調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。但是MCR存在如下缺點(diǎn)：①因?yàn)殍F心的飽和而使MCR的工作電流中含有很大的諧波成分；②由于直流偏磁的存在，使MCR的電磁慣性大，響應(yīng)速度慢。

    針對(duì)上述情況，俄羅斯學(xué)者在20世紀(jì)末首先提出了無(wú)級(jí)連續(xù)可控電路式可控電抗器。此電抗器除了具有MCR的優(yōu)點(diǎn)以外，還具有諧波電流更小、響應(yīng)速度更快、功率損耗較小等特點(diǎn)，它不僅可以用于電網(wǎng)的無(wú)功控制，而且由于響應(yīng)速度快，也可以用于電網(wǎng)過(guò)電壓限制和用作快速消弧線(xiàn)圈；另外，在諸如擁有大功率設(shè)備的煉鋼廠(chǎng)等工廠(chǎng)里，因?yàn)樨?fù)荷功率變化大，無(wú)級(jí)連續(xù)可控電抗器還可以作線(xiàn)路電壓的調(diào)整和穩(wěn)定設(shè)備。

    國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)級(jí)連續(xù)可控電抗器的研究基本上處于剛剛起步的階段，有關(guān)理論和應(yīng)用方面的研究也很有限，到目前為止，無(wú)級(jí)連續(xù)可控電抗器雖然在電氣化鐵路動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和自動(dòng)調(diào)諧消弧線(xiàn)圈方面得到了很好的應(yīng)用，但是在其他方面應(yīng)用的很少，所以對(duì)無(wú)級(jí)連續(xù)可控電抗器進(jìn)行深入和全面的研究很有必要，特別是隨著超高壓、特高壓電網(wǎng)的興建和發(fā)展以及電力負(fù)荷變化的日益加劇，無(wú)級(jí)連續(xù)可控電抗器的理論和應(yīng)用將會(huì)有更大的意義。