王惠中 郭文科 秦睿

(1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

近年來隨著超/特高壓、長距離電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，特別是新疆與西北750 kV聯(lián)網(wǎng)工程的建設(shè)投運(yùn)，這將對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和靈活控制的要求日益提高，新型的與電力電子技術(shù)相結(jié)合的設(shè)備逐漸增多，并作為改善輸電控制的有效手段被推廣應(yīng)用，并聯(lián)電抗器就是其中的重要組成部分［1］。

作為高壓長距離輸電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，并聯(lián)電抗器具有降低線路有功損耗、補(bǔ)償長線電容效應(yīng)、防止諧振過電壓、減少潛供電流、限制工頻電壓升高、抑制操作過電壓等多種功能。然而，傳統(tǒng)的并聯(lián)電抗器具有響應(yīng)速度慢、連續(xù)可控性差的缺點(diǎn)，不能很好地滿足動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)男枰Ｅc傳統(tǒng)的不可控的并聯(lián)電抗器相比，可控并聯(lián)電抗器控制靈活，能根據(jù)線路傳輸功率的變化，自動(dòng)地調(diào)節(jié)自身容量，能平滑調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)擾動(dòng)反應(yīng)迅速，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大了電網(wǎng)的輸電能力，降低了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)［1，2，6］。

根據(jù)工作原理的不同，可控高壓并聯(lián)電抗器(簡(jiǎn)稱可控高抗)可分為分級(jí)投切式和磁閥式。分級(jí)投切式可控高抗以其響應(yīng)速度快、控制原理簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，成為我國輸電系統(tǒng)選用設(shè)備的重要研究對(duì)象之一。此次，河西750 kV輸電工程敦煌變電站即將投運(yùn)300 Mvar750 kV分級(jí)投切式可控高抗。

1 分級(jí)投切式可控高抗的結(jié)構(gòu)及工作原理

分級(jí)投切式可控高抗是將變壓器和電抗器設(shè)計(jì)成一體，理論上將變壓器的漏抗設(shè)計(jì)為100%，充分利用變壓器的降壓作用，使晶閘管閥能工作在低電壓狀態(tài)下，在變壓器的低壓側(cè)接入晶閘管閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)感性無功功率的控制［4］。其原理接線圖如圖1所示。

圖1 分級(jí)投切式可控高壓并聯(lián)電抗器單相原理接線

圖中:分級(jí)式可控高抗一次繞組(工作繞組)接線端子A、X直接與河西750 kV輸電工程中的敦煌變電站母線連接。XK1、XK2、XK3為電抗器，與可控高抗二次繞組(控制繞組)接線端子 a、x并聯(lián)連接;QF1、QF2、QF3是斷路器，分別與相對(duì)應(yīng)的反向并聯(lián)晶閘管和隔離開關(guān)串聯(lián)組合電路并聯(lián)，作用是旁路TR1、TR2、TR3，從而將電流切換到斷路器上;TR1、TR2、TR3是晶閘管閥，分別為50%級(jí)、75%級(jí)和100%級(jí)，作用是通過快速通斷達(dá)到快速調(diào)節(jié)分級(jí)投切式可控高抗阻抗的效果;K1、K2、K3為隔離開關(guān)，作用是將TR1、TR2、TR3接入系統(tǒng)，進(jìn)行電路之間的切換操作，以改變系統(tǒng)的運(yùn)行方式，同時(shí)還可以防止由于控制操作失誤而導(dǎo)致的電氣故障。

當(dāng)分級(jí)投切式可控高抗需要退出相應(yīng)電抗調(diào)解自身輸出容量時(shí)，反向并聯(lián)晶閘管快速導(dǎo)通，將相應(yīng)電抗旁路，緊接著旁路斷路器合閘，承擔(dān)回路短路電流，然后，雙向晶閘管退出運(yùn)行。隨著負(fù)載由空載向額定功率變化，有規(guī)律地控制TR1、TR2、TR3導(dǎo)通或截止，達(dá)到分段調(diào)節(jié)工作繞組電流的目的，例如，在此電路中，如果TR1斷開，TR2導(dǎo)通，不管TR3導(dǎo)通與否，此時(shí)只有電抗器XK3接入控制繞組中。這時(shí)可以通過調(diào)節(jié)TR2的導(dǎo)通角，達(dá)到逐步調(diào)節(jié)無功功率的目的。因?yàn)殡娍蛊鱔K1、XK2、XK3只能逐臺(tái)接入，所以分級(jí)投切式可控高抗的無功功率調(diào)節(jié)是分段的［5］。

2 諧波分析

在某一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)晶閘管始終處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，可以認(rèn)為繞組電流為不含諧波成分。但是，假如晶閘管僅在某一周期內(nèi)的部分時(shí)段內(nèi)導(dǎo)通時(shí)，它所在控制繞組中的電流就會(huì)含有諧波成分［7］。根據(jù)分級(jí)投切式可控高抗的原理，畫出其等效電路圖2，便于對(duì)其進(jìn)行諧波分析。定義電流符號(hào):Inj、inj，其中 I 表示有效值，i表示瞬時(shí)值，n表示繞組序號(hào)(如圖2中所示，n=1、2、3、4、5)，k 表示共有 k 個(gè)控制繞組處于短路狀態(tài)(k=2、3、4)，k不取1，原因是25%級(jí)控制繞組是從空載直接跳變到其額定值的，沒有通過晶閘管進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣也避免了在輕載時(shí)將有很大高次諧波電流注入電流。例如，i1，2表示當(dāng)25%級(jí)和50%級(jí)兩個(gè)控制繞組都處于短路狀態(tài)時(shí)，工作繞組中的電流瞬時(shí)值。

假設(shè)第k個(gè)控制繞組處在調(diào)節(jié)狀態(tài)，且TRk+1的觸發(fā)角為φ，忽略勵(lì)磁電流。由圖2得到工作繞組的電流為:

圖2 分級(jí)投切式可控高壓并聯(lián)電抗器等效原理

定義:

則(1)式變?yōu)?

由(3)式可知:

即βk為容量遞增系數(shù)，當(dāng)已知可控高抗的額定容量時(shí)，級(jí)間容量遞增系數(shù)就決定了各級(jí)的容量，即決定了控制繞組的數(shù)目，最終決定了可控高抗注入電網(wǎng)電流的諧波系數(shù)，在本文的300Mvar750 kV 分級(jí)投切式可控高抗中，β2=2，β3=1.5，β4=1.33。

將(4)式進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)變換，可得到工作繞組電流基波幅值的相對(duì)值為:

工作繞組h次諧波電流幅值為:

令:

由式(3)、(8)、(9)可得:

則式(6)、(7)變?yōu)?

由式(10)、(11)、(12)可得工作繞組電流的h次諧波系數(shù)為:

即諧波系數(shù)與第k個(gè)控制繞組本身的電流及已經(jīng)處于短路狀態(tài)的第1、2、…、k-1個(gè)控制繞組的電流都有關(guān)系。

根據(jù)傅立葉分析可知，使用晶閘管作開關(guān)器件不可避免地使控制繞組中的電壓和電流中含有諧波，并且所含諧波的次數(shù)為各奇次。由于晶閘管是半控型開關(guān)管，它一旦導(dǎo)通就不能自行關(guān)斷，關(guān)斷晶閘管必須強(qiáng)迫關(guān)斷即設(shè)置關(guān)斷電路，因而電流中會(huì)含有大量的低次諧波，諧波序次越低，諧波的幅值也就越大;當(dāng)晶閘管控制角越大時(shí)，諧波的幅值也就越大;但是隨著諧波次數(shù)的增加，諧波的含量將會(huì)減少;這些都是由于晶閘管移相控制的特點(diǎn)所致［10-12］。

根據(jù)上述公式計(jì)算可得到，當(dāng)φ=30°時(shí)，F(xiàn)3=13.8%，當(dāng)φ=18°時(shí)，F(xiàn)5=5%，結(jié)合傅立葉分析可知，當(dāng)晶閘管觸發(fā)角在0°～180°之間變化時(shí)，偶次諧波的幅值大小的數(shù)量級(jí)為10-3，近似為0，可以忽略;晶閘管控制角在50°～160°之間變化時(shí)3次諧波的幅值還是很大的，在有些晶閘管控制角度時(shí)，諧波相對(duì)基波幅值比例達(dá)到了50%-7 0%，5次諧波的幅值相對(duì)基波幅值比例最大達(dá)到60%。隨著諧波的次數(shù)增大，諧波的幅值越小，根據(jù)這些理論分析的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)分級(jí)投切式可控高抗控制繞組存在低次諧波污染，高次諧波污染相對(duì)不大。

然而，對(duì)于分級(jí)投切式可控高抗的總?cè)萘縼碚f，每個(gè)控制繞組的容量只占其一部分，并且每一個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)下只有一個(gè)繞組處于調(diào)節(jié)狀態(tài)之中，其它繞組要么始終短路要么始終開路，所以，盡管處于調(diào)節(jié)狀態(tài)的控制繞組的電流中存在諧波污染，而且諧波成分占有該控制繞組基波電流的比重可能很大，不過從工作繞組側(cè)來看，電流諧波與總工作電流相比并不是很大，能夠滿足電網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電能質(zhì)量諧波方面的要求［7］。并且，將分級(jí)投切式可控高抗設(shè)計(jì)成平滑調(diào)節(jié)也是為了減少由于晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)部分導(dǎo)通時(shí)所引起的諧波含量。

3 工程應(yīng)用

按照國家電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，2010年西北主網(wǎng)通過了長達(dá)1780 km的750 kV緊湊型輸電線路與新疆電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交流互聯(lián)。新疆與西北750千伏聯(lián)網(wǎng)工程，是國家深入實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重點(diǎn)工程之一，是實(shí)現(xiàn)國家能源戰(zhàn)略布局，促進(jìn)全國范圍內(nèi)能源資源優(yōu)化配置的重大舉措。該工程橫跨新疆烏魯木齊、吐魯番、哈密，通過甘肅河西走廊進(jìn)入安西、酒泉、金昌，到達(dá)永登，與已經(jīng)建成的西北750千伏電網(wǎng)相連。是西北電網(wǎng)發(fā)展史上工程規(guī)模最大、線路最長、建設(shè)環(huán)境最為惡劣、系統(tǒng)調(diào)試最為復(fù)雜的一項(xiàng)輸變電工程。

在規(guī)劃建設(shè)的河西750k V輸電工程中，采用緊湊型輸電技術(shù)。由于線路充電功率大，并且主要是大容量風(fēng)電廠作為送端電源，功率波動(dòng)頻繁，無功平衡和電壓穩(wěn)定問題亟待解決。所以經(jīng)相關(guān)專題研究后認(rèn)為［8-9］，本工程需在敦煌變電站母線上裝設(shè)1組300 Mvar750 kV分級(jí)投切式可控高抗?，F(xiàn)階段750 kV分級(jí)投切式可控高抗還處于研究階段，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)和運(yùn)行特性尚未完全弄清。因此有必要在其應(yīng)用之前，對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

750 kV分級(jí)投切式可控高抗在敦煌母線上的裝設(shè)對(duì)敦煌—永登750 kV系統(tǒng)來說，其運(yùn)行方式的不同將會(huì)對(duì)敦煌—酒泉線路酒泉側(cè)甩負(fù)荷工頻過電壓產(chǎn)生一定影響。因?yàn)樵摽煽馗呖寡b設(shè)在母線上，其輸出容量的變化在一定程度上相當(dāng)于改變饋電側(cè)電源的等值阻抗，但沒有影響到線路充電無功功率的補(bǔ)償情況，因此對(duì)線路甩負(fù)荷工頻過電壓的影響不大。

4 結(jié)束語

(1)分級(jí)投切式可控高抗是將變壓器和電抗器設(shè)計(jì)成一體，將變壓器的漏抗設(shè)計(jì)為100%，理論上可實(shí)現(xiàn)無過渡過程控制，具有響應(yīng)速度快、功率損耗小、諧波電流小等優(yōu)點(diǎn);

(2)分級(jí)投切式可控高抗一次繞組(工作繞組)輸出電流的諧波含量與處于全導(dǎo)通狀態(tài)的控制繞組的個(gè)數(shù)及容量、處于調(diào)節(jié)狀態(tài)繞組容量占電抗器總?cè)萘康谋壤?、處于調(diào)節(jié)狀態(tài)繞組的晶閘管觸發(fā)角等因素有關(guān)。從一次繞組(工作繞組)側(cè)來看，總工作電流的諧波含量較小，能夠滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量諧波方面的要求;

(3)裝設(shè)在敦煌變電站母線的750 kV分級(jí)投切式可控高抗對(duì)系統(tǒng)工頻過電壓影響較小，當(dāng)敦煌750 kV母線可控高抗輸出容量不同時(shí)，工頻過電壓的最大變化幅度滿足電網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求，不必對(duì)其運(yùn)行控制策略作更多的要求。

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