基于PSCAD的分级式可控并联电抗器仿真研究

刘红恩，李和明，雷 晰，王 毅

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003;2.中国电力科学研究院，北京 100192)

0 引言

发展特高压电网是我国解决能源资源与生产力呈逆向分布问题的必然选择。根据国家电网公司“十二五”电网发展规划:2015年“三华”特高压电网将形成“三纵三横一环网”，锡盟、蒙西、张北、陕北能源基地通过三个纵向特高压交流通道向“三华”地区送电，北部煤电、西南水电通过三个横向特高压交流通道向华北、华中和长江三角特高压环网送电。就特高压交流线路而言，其单位长度充电功率是500 kV线路的4～5倍，为了限制工频和操作过电压，需要在特高压长线路上装设高补偿度的并联电抗器，高补偿的并联电抗器为系统重载运行带来了较大的无功负担，增加了无功损耗，限制了系统调压能力，影响系统输送能力[1]。对于长距离、潮流变化大的特高压线路，受两端变压器低压绕组容量的限制，低压无功补偿装置解决调压问题能力有限，因此需要配套相应的无功调节技术措施和手段。

目前，在世界范围内，对于超、特高压长线路，基本采用固定电抗器来限制过电压，但固定电抗器同样也限制了系统调压能力。理论研究和实践表明，可控电抗器可有效解决限制过电压与无功补偿的矛盾，一旦发生暂态过程，就会快速增大容量而呈现出深度的强补效应，限制操作过电压和工频过电压;在系统潮流发生变化时，可以根据调压要求调节投入容量。可有效提高系统稳定性，增大输电能力，提高电网的运行效益[2～4]。

可控并联电抗器根据其构成原理的不同，基本可以划分为基于磁控原理 (magnetically controlled shunt reactor，MCSR)和高阻抗变压器原理两种类型。而基于高阻抗变压器原理可控电抗器根据晶闸管调节方式的不同，又可以分为分级式可控并联电抗器 (stepped controlled shunt reactor，SCSR)和晶闸管控制式可控并联电抗器 (thyristor controlled transformer，TCT)。以上各种类型可控并联电抗器在电力系统都已有实际应用，可控电抗器在特高压交流输电中的应用研究工作也已展开，其中SCSR以其控制原理简单、响应速度快、精度高、可靠性高等优点，已经成为我国特高压输电系统选用设备的重要研究对象之一。

1 分级式可控并联电抗器的原理

基于高阻抗变压器原理的分级式可控并联电抗器将变压器和电抗器设计为一体，设计使变压器的漏抗率达到或接近100%，并在本体二次侧串入多组辅助电抗器。容量的控制方式采用晶闸管投切外加电抗器的方式，可分别工作于额定容量的不同等级下，满足系统对无功的需求。发生故障时，可以快速调至最大容量，达到限制过电压，抑制潜供电流的目的。分级式可控并联电抗器的装置原理图如图1所示[5]。

图1 分级式可控并联电抗器装置原理图Fig.1 Device schematic of step controlled shunt reactor

图1中，可控高抗的高压侧接线端子A，X直接与电网母线或线路连接，低压侧将高漏抗电抗通过抽头分成N份，每一份电抗由双向晶闸管和断路器并联组成的复合开关控制投入和切除。Xb1，Xb2……，XbN为低压侧辅助电抗器;TK1，TK2……，TKN为各级容量的控制阀，其作用是通过快速通断达到快速调节电抗器阻抗的效果;断路器 QF1，QF2……，QFN的作用是旁路 TK1，TK2……，TKN，从而将电流切换到断路器上;K1，K2……，KN为隔离刀闸，其作用是防止由于误操作而导致的电气故障。

分级式可控并联电抗器通过控制TKi与QFi(i=1，2，…，N)组成各级容量阀组的开通或关断来改变二次侧的电抗值，从而达到分段调节无功输出的目的，调节过程为:某级容量阀组导通时先控制晶闸管阀导通，然后控制断路器导通，断路器导通后闭锁晶闸管阀;容量阀组关断时直接拉开断路器。

下面以忻州500 kV分级式可控并联电抗器为例，详细介绍分级式可控并联电抗器的工作原理。图2为忻州可控并联电抗器原理图，由3个单相变压器型的电抗器，可工作在额定容量的25%，50%，75%及100%4个容量级。图中Xb1，Xb2，Xb3为低压侧辅助电抗器，通过打开、闭合与其并联的阀组开关组合，使电抗器根据需要输出不同的感性无功。

忻州分级式可控并联电抗器各阀组与输出容量的对应关系如表1所示。输出容量计算公式为:

式中:Q为SCSR的无功输出容量;US为低压侧电压;XCSR为可控并联电抗器的等效阻抗;

X'd为可控并联电抗器的固定阻抗，即高阻抗变压器的漏抗;Xb为可控并联电抗器的可调节阻抗。

表1 可控并联电抗器的投切容量控制表Tab.1 Controlled shunt reactor switching capacity control table

其中，×表示断开，○表示导通。

图2 忻州分级式可控并联电抗器结构原理图Fig.2 Schematic structure of Xinzhou step controlled shunt reactor

2 仿真分析

为了进一步研究分级式可控并联电抗器的特性，采用了目前广泛使用的电力系统分析软件PSCAD/EMTDC进行仿真研究，搭建750 kV仿真系统，如图3所示。其中S为单端等值系统，短路容量为100 GVA;TLine21为一条200 km空载线路，参数如表2所示;B为断路器;SCSR安装在线路末端，额定容量300 MVar;BG为故障点，表示 B 相接地故障[6]。

图3 仿真系统结构Fig.3 Structure of the simulation system

表2 输电线路主要参数Tab.2 Main parameters of the transmission line

线路的容性无功为[7]:

SCSR投入额定容量时的补偿度为:

2.1 容量调节仿真

设置SCSR容量调节顺序按照25%～50%～75%～100%～75%～50%～25%的步骤来执行。仿真结果如下:

(1)SCSR A相无功功率变化波形图如图4所示。从仿真波形可以看出，各级容量与设计容量基本一致，仿真参数设置正确。

(2)SCSR容量调节过程中线路末端电压的变化情况为764 kV～758 kV～753 kV～747 kV～753 kV～758 kV～765 kV，如图5所示。

(3)SCSR从50%级调节到75%级过程中，阀电流和断路器电流如图6所示。可以看出，从50%级往75%级调节时，75%级晶闸管阀先导通，50%级断路器电流降为0;75%断路器闭合后，75%级晶闸管阀电流降为0，完成转换。

从上述仿真波形可以看出，分级式可控电抗器的容量调节基本不存在直流分量和容量重叠过程;调节过程中晶闸管阀可以实现过零触发，对系统不会造成冲击，基本不产生谐波。

2.2 线路故障时SCSR的仿真

在线路末端模拟B相金属性瞬时接地故障，故障发生时间为0.4 s，持续0.5 s，若线路不带高抗，故障时线路末端各相电压仿真波形如图7所示。

图7 单相接地故障不带SCSR相电压波形图Fig.7 Waveforms of single phase grounding without SCSR

若线路带可控高抗，且工作于补偿容量25%QL状态，0.4 s发生故障后，SCSR在0.408 s即由25%QL跃变为100%QL，并在故障消失后于0.91 s恢复到25%QL。图8为故障及SCSR调节过程中系统电压和SCSR无功变化波形图。

由以上仿真可知，线路末端故障期间的过电压发生在健全相 (A，C相)，若线路带可控高抗，在故障期间可有效限制工频过电压，维持系统稳定。

2.3 SCSR特点分析

通过以上仿真，SCSR优点如下:

(1)SCSR采用晶闸管型式，切换次数对寿命没有影响，适于频繁调节;

(2)可以有效抑制超、特高压线路上有功功率波动引起的电压波动;

(3)采用晶闸管阀可实现过零触发，对系统无冲击影响;

(4)阀动作时间小于10 ms，可实现快速调节;

(5)暂态调节容量为额定容量，满足系统对暂态调节容量的要求;

图8 单相接地故障带SCSR相电压波形图Fig.8 Waveforms of single phase grounding with SCSR

(6)阀控系统故障时，通过闭合旁路断路器，可作为固定并联电抗器使用，保证系统的安全运行。

SCSR的缺点是不能连续调节，也不能参与系统动态调节。而从目前对可控并联电抗器的功能定位来讲，其主要目的是解决超、特高压电网无功补偿与限制过电压的矛盾。针对于特高压电网存在的稳定问题，有更有效和更经济的解决手段，从这点来讲分级式可控并联电抗器完全可以满足电网的需求。随着可控电抗器制造技术的成熟和实际应用经验的积累，可以开发可控电抗器对系统暂态稳定的调节控制功能，使其在系统中发挥更大的作用。

3 结论

本文首先以忻州工程为例，详细介绍了分级式可控并联电抗器的原理:然后在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，进行模拟仿真，仿真结果表明此模型的正确性、有效性;最后结合仿真分析，总结了分级式可控并联电抗器的特点，指出分级式可控并联电抗器将是超、特高压输电线路对可控并联电抗器的主要选择。

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