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)中的無功平衡對提高全網(wǎng)經(jīng)濟效益和改善供電質(zhì)量至關(guān)重要。根據(jù)電力 工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展，新型無功補償裝置的研制和應(yīng)用是我國當(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)中電壓控制與無功補償?shù)闹匾�裝置，近年來受了廣泛重視并得到初步應(yīng)用。與現(xiàn)有無源及有源靜止型動態(tài)無功補償裝置相比，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、維護簡單等顯著優(yōu)點，是一種經(jīng)濟、高性能的靜止型動態(tài)無功(感性)補償裝置。

    可控電抗器的應(yīng)用前景十分廣泛，對于控制高壓和超高壓電網(wǎng)電壓、無功潮流，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)上對其工作特性進行全面的分析，提出了各級控制繞組的限流電抗值計算方法。結(jié)合多繞組變壓器多邊形等值電路模型，以 Matlab/PSB 為平臺，建立了無級連續(xù)可控電抗器的仿真模型。本文提出了單相傳輸線與負載相互關(guān)系的計算方法，設(shè)計了單相超高壓長線的電壓控制系統(tǒng)，利用動態(tài)無功功率補償理論和工程設(shè)計方法建立了仿真模型，仿真結(jié)果驗證了當(dāng)傳輸功率變化時，電壓控制系統(tǒng)能夠有效地改變電抗器的輸出功率，同時保持傳輸網(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級連續(xù)可控電抗器型消弧線圈的工作原理，分析了它產(chǎn)生諧波電流的原因，設(shè)計了一種三控制繞組結(jié)構(gòu)的無級連續(xù)可控電抗器型消弧線圈，并提出了合理設(shè)計各控制繞組額定輸出電流的方法。
 
     無功功率平衡對提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益和改善供電質(zhì)量至關(guān)重要。根據(jù)電力工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展，新型無功功率補償裝置的研制和應(yīng)用是我國當(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)出了極強的生命力。對 6～220kV 電網(wǎng)，系統(tǒng)用戶負荷通常為感性，一般采用固定電容器組進行集中或分散補償，以提高功率因數(shù)，降低損耗。在遠距離、400kV 以上電壓電網(wǎng)通常需要安裝電抗器進行無功補償。

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

    但電網(wǎng)中現(xiàn)有的自動無功補償裝置主要為同步調(diào)相機、開關(guān)投切電容器組、晶閘管投切電容器(Thyistor Switched Capacitor, TSC)、靜止無功補償器(StaticSynchronous Compensator, STATCOM)等。同步調(diào)相機由于響應(yīng)速度慢，運行維護困難等缺點而逐漸被淘汰，而具有機械開關(guān)的補償設(shè)備在應(yīng)用中會遇到許多問題。比如：開關(guān)故障頻率高、響應(yīng)速度慢等，且由于開關(guān)的合閘涌流和重燃容易產(chǎn)生過電壓和諧振現(xiàn)象。TSC 造價高，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發(fā)促進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單；(3)TCR 控制靈活，響應(yīng)速度快。

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

    因此有必要尋求更為經(jīng)濟可靠的可控?zé)o功電源。調(diào)電路式可控電抗器就在這個背景下產(chǎn)生的，逐漸成為當(dāng)前的研究熱點。調(diào)電路式可控電抗器能隨著傳輸功率的變化自動平滑地調(diào)節(jié)自身容量，在線路傳輸大功率時，運行在小容量范圍內(nèi)，當(dāng)線路新型調(diào)電路式可控電抗器的研究輕載或者為空載時，它會增大容量呈現(xiàn)出深度地補償效應(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)濟效益。

    另外，調(diào)電路式可控電抗器在保持 TCR 優(yōu)點的同時，又在很大程度上克服了它的不足。初步的技術(shù)經(jīng)濟分析表明：
    (1)調(diào)電路式可控電抗器的造價不超過同等容量 TCR 的造價，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負荷下可以持續(xù)運行的時間比在同等條件下的TCR 要長得多；
    (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�？梢娮鳛橐环N低成本、高性能的靜止無功補償裝置，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于提高電網(wǎng)的輸電能力、調(diào)整電網(wǎng)電壓、補償無功以及限制過電壓等方面都有非常大的應(yīng)用潛力。這將為今后我國電力系統(tǒng)的發(fā)展起到重要作用。
 
    早在1916年美國學(xué)者就提出了磁放大器的概念，主要應(yīng)用于自動化系統(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，對飽和式可控電抗器進行了深入的研究。1955 年世界上第一臺可控電抗器在英國制造成功。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成為了研究熱點。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，

    一直運行到今天。它的快速調(diào)節(jié)功能和響應(yīng)時間(不超過工頻的半個周波)，不僅能滿足在正常運行方式下，同樣可以完成補償功能。因此，在線路上裝設(shè)此電抗器后，可以保證將過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電壓。美中不足的是該電抗器產(chǎn)品存在兩個嚴(yán)重地缺陷：一是電抗器電流中含有很大的高次諧波成分；二是正常運行方式下有功損耗特別大。

    目前，國內(nèi)外對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)者在這方面進行了深入的研究，取得了顯著的進展。俄羅斯的磁閥式可控電抗器已經(jīng)大面積地推向了市場。國內(nèi)武漢大學(xué)對磁閥式可控電抗器的研究開展得較早，成功地研制出磁閥式動態(tài)無功補償裝置和消弧線圈。國內(nèi)的電氣廠商現(xiàn)在已開始生產(chǎn)基于磁閥式可控電抗器的動態(tài)無功補償裝置和消弧線圈。但是磁飽和式可控電抗器(Magnetically Controllable Reactor, MCR)雖然具有功率自動連續(xù)平滑調(diào)節(jié)的特點。但是MCR存在如下缺點：①因為鐵心的飽和而使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。

    針對上述情況，俄羅斯學(xué)者在20世紀(jì)末首先提出了無級連續(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，它不僅可以用于電網(wǎng)的無功控制，而且由于響應(yīng)速度快，也可以用于電網(wǎng)過電壓限制和用作快速消弧線圈；另外，在諸如擁有大功率設(shè)備的煉鋼廠等工廠里，因為負荷功率變化大，無級連續(xù)可控電抗器還可以作線路電壓的調(diào)整和穩(wěn)定設(shè)備。

    國內(nèi)對無級連續(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，無級連續(xù)可控電抗器雖然在電氣化鐵路動態(tài)無功補償和自動調(diào)諧消弧線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，所以對無級連續(xù)可控電抗器進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)展以及電力負荷變化的日益加劇，無級連續(xù)可控電抗器的理論和應(yīng)用將會有更大的意義。