陶浩維

（阜寧中學(xué)，江蘇鹽城 224400）

基于VFT的異步電網(wǎng)互聯(lián)

陶浩維

（阜寧中學(xué)，江蘇鹽城 224400）

可變頻變壓器（Variable Frequency Transformer，VFT）是一種新穎的、性能良好的異步聯(lián)網(wǎng)裝置。介紹VFT的基本結(jié)構(gòu)，分析VFT異步聯(lián)網(wǎng)的基本原理，在PSCAD/EMTDC中建立基于VFT的異步聯(lián)網(wǎng)等值系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明，VFT能夠平穩(wěn)地連接兩個頻率不同的電網(wǎng)，且具有良好的故障隔離作用。

可變頻變壓器；電網(wǎng)互聯(lián)；異步聯(lián)網(wǎng)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.41

0 引言

大電網(wǎng)互聯(lián)是現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的基本趨勢。電網(wǎng)互聯(lián)可以使空間距離縮短，實現(xiàn)能源資源互補，跨區(qū)域電力削峰填谷，利用各地區(qū)用電的非同時性進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整。交流同步和直流異步是現(xiàn)階段電網(wǎng)互聯(lián)主要采用的兩種方式。交流同步聯(lián)網(wǎng)的故障隔離能力差，系統(tǒng)穩(wěn)定性易受大負(fù)荷影響，且工程造價隨距離的增大顯著提高，因此不適合電能的大容量長距離運輸。直流異步較交流同步提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，建設(shè)成本較低，但由于采用了大量電力電子器件，易產(chǎn)生諧波污染，安裝維護(hù)成本較高。

為使大電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)安全可靠運行，美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出一種新型異步聯(lián)網(wǎng)裝置——可變頻變壓器（VFT）。與傳統(tǒng)的HVDC（High Voltage Direct Current，高壓直流）背靠背換流站相比，VFT控制簡單，運行費用較少，沒有諧波問題，能夠向無源網(wǎng)絡(luò)供電。本文介紹VFT的基本結(jié)構(gòu)和VFT異步聯(lián)網(wǎng)的基本原理，在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件中建立基于VFT的異步聯(lián)網(wǎng)等值系統(tǒng)模型，并進(jìn)行算例分析。

1 VFT結(jié)構(gòu)與原理

VFT主要由旋轉(zhuǎn)變壓器，直流驅(qū)動電機和集電環(huán)3部分組成（圖1）。旋轉(zhuǎn)變壓器主要包括定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)2個部分。定、轉(zhuǎn)子繞組分別與兩側(cè)子系統(tǒng)三相線路相連，通過磁耦合原理實現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子兩側(cè)系統(tǒng)的功率交換；直流驅(qū)動電機為旋轉(zhuǎn)變壓器提供驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，通過驅(qū)動轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和傳輸功率；集電環(huán)在三相轉(zhuǎn)子繞組與系統(tǒng)靜止母線之間傳導(dǎo)電流，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組與外部系統(tǒng)的直接電氣連接。

圖1 VFT的基本結(jié)構(gòu)

通過可變頻變壓器實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)是在一側(cè)系統(tǒng)的頻率上疊加一個由旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對應(yīng)的一個電氣頻率分量，使得疊加后的合成頻率等于另一側(cè)系統(tǒng)的頻率。通過控制直流驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩、控制旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以補償定、轉(zhuǎn)子所連接電網(wǎng)之間的頻率差。因此，當(dāng)與VFT連接的兩側(cè)電網(wǎng)頻率相同時，即同步時，VFT處于靜止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于一臺變壓器；當(dāng)與VFT連接的兩側(cè)電網(wǎng)頻率不同時，即異步時，VFT處于異步運行狀態(tài)。

2 VFT的建模與仿真

2.1 建立模型

在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真環(huán)境下建立VFT異步聯(lián)網(wǎng)等值系統(tǒng)模型（圖2）。

圖2 VFT異步聯(lián)網(wǎng)等值系統(tǒng)模型

用三相理想電壓源模擬兩側(cè)電網(wǎng)，其中S1為額定電壓230 kV，頻率50 Hz的電網(wǎng)，S2為額定電壓500 kV，頻率60 Hz的電網(wǎng)。變壓器T1的變比為230 kV/13.8 kV，變壓器T2的變比為500 kV/13.8 kV，T1，T2的容量均為 100 MV·A。PSCAD/EMTDC軟件中沒有可變頻變壓器的模型和算例，因此采用三相繞線式異步電機來模擬可變頻變壓器的旋轉(zhuǎn)變壓器部分。變壓器T1一次側(cè)與電網(wǎng)S1相連，二次側(cè)與異步電機的定子側(cè)相連；變壓器T2一次側(cè)與電網(wǎng)S2相連，二次側(cè)與異步電機的轉(zhuǎn)子側(cè)相連。

可變頻變壓器一般由4極或2N（N≥2）構(gòu)成，當(dāng)極對數(shù)越大時，實際轉(zhuǎn)速成比例減小。為簡化問題，建模中設(shè)置三相繞線式異步電機的定、轉(zhuǎn)子繞組比為1:1，額定容量為100 MV·A，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min。參考已有水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)動慣量的取值范圍，轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)取6 s左右大致合理。可以證明，轉(zhuǎn)動慣量的大小對最終系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時各參數(shù)的影響可忽略不計，為縮短仿真時間提高仿真效率，將轉(zhuǎn)子的慣性時間常數(shù)縮短，即取0.5 s。設(shè)置異步電機的機械阻尼系數(shù)為2 p.u.。設(shè)置異步電機定、轉(zhuǎn)子電阻均為0.005 p.u.，定、轉(zhuǎn)子漏感均為0.09 p.u.，勵磁電感為10 p.u.。外加轉(zhuǎn)矩的不同可以影響系統(tǒng)傳輸?shù)墓β蚀笮『头较?。外?.3 p.u.的轉(zhuǎn)矩時，電網(wǎng)S1可以向電網(wǎng)S2傳輸100 MW的有功功率。

2.2 仿真分析

BRK1，BRK2分別為變壓器T1，T2與三相繞線式異步電機之間的斷路器，初始時設(shè)置為斷開狀態(tài)，斷路器在0.5 s時閉合，使VFT投入運行。VFT投運前后定、轉(zhuǎn)子側(cè)電壓如圖3所示。可以看出：斷路器閉合前后，即VFT投運前后定、轉(zhuǎn)子兩側(cè)的電壓幾乎沒有變化。這說明VFT的投運過程對電網(wǎng)電壓幾乎無影響，VFT作為異步聯(lián)網(wǎng)裝置是可行的。

設(shè)置VFT定子側(cè)所連的交流電網(wǎng)S1在1 s時發(fā)生三相短路接地故障，故障持續(xù)時間為0.05 s，然后電網(wǎng)恢復(fù)正常運行狀態(tài)。VFT定、轉(zhuǎn)子側(cè)電壓波形如圖4所示?？梢钥闯觯l(fā)生故障時，定子側(cè)電壓幅值明顯減小，而轉(zhuǎn)子側(cè)電壓幅值幾乎不變。這說明VFT定子側(cè)出現(xiàn)的故障對轉(zhuǎn)子側(cè)幾乎無影響，VFT具有故障隔離作用。

圖3 VFT投運前后定、轉(zhuǎn)子側(cè)電壓

圖4 定子側(cè)發(fā)生三相對地短路故障時定、轉(zhuǎn)子側(cè)電壓

3 結(jié)語

VFT是一種新穎的、性能良好的異步聯(lián)網(wǎng)裝置。本文闡述了VFT的結(jié)構(gòu)和運行原理，建立了VFT仿真模型。仿真結(jié)果表明，VFT可以實現(xiàn)電網(wǎng)的異步互聯(lián)，投運過程對電網(wǎng)的的電壓質(zhì)量幾乎沒有影響，且具有良好的故障隔離作用，為電網(wǎng)的異步互聯(lián)提供了新思路。

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〔編輯 李 波〕