基于VFT的异步电网互联

陶浩维

（阜宁中学，江苏盐城 224400）

基于VFT的异步电网互联

陶浩维

（阜宁中学，江苏盐城 224400）

可变频变压器（Variable Frequency Transformer，VFT）是一种新颖的、性能良好的异步联网装置。介绍VFT的基本结构，分析VFT异步联网的基本原理，在PSCAD/EMTDC中建立基于VFT的异步联网等值系统模型。仿真结果表明，VFT能够平稳地连接两个频率不同的电网，且具有良好的故障隔离作用。

可变频变压器；电网互联；异步联网

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.41

0 引言

大电网互联是现代电网发展的基本趋势。电网互联可以使空间距离缩短，实现能源资源互补，跨区域电力削峰填谷，利用各地区用电的非同时性进行负荷调整。交流同步和直流异步是现阶段电网互联主要采用的两种方式。交流同步联网的故障隔离能力差，系统稳定性易受大负荷影响，且工程造价随距离的增大显著提高，因此不适合电能的大容量长距离运输。直流异步较交流同步提高了系统稳定性，建设成本较低，但由于采用了大量电力电子器件，易产生谐波污染，安装维护成本较高。

为使大电网互联系统安全可靠运行，美国通用电气公司（GE）开发出一种新型异步联网装置——可变频变压器（VFT）。与传统的HVDC（High Voltage Direct Current，高压直流）背靠背换流站相比，VFT控制简单，运行费用较少，没有谐波问题，能够向无源网络供电。本文介绍VFT的基本结构和VFT异步联网的基本原理，在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件中建立基于VFT的异步联网等值系统模型，并进行算例分析。

1 VFT结构与原理

VFT主要由旋转变压器，直流驱动电机和集电环3部分组成（图1）。旋转变压器主要包括定子侧和转子侧2个部分。定、转子绕组分别与两侧子系统三相线路相连，通过磁耦合原理实现转子与定子两侧系统的功率交换；直流驱动电机为旋转变压器提供驱动转矩，通过驱动转矩可以调节旋转变压器转子转速和传输功率；集电环在三相转子绕组与系统静止母线之间传导电流，以实现转子绕组与外部系统的直接电气连接。

图1 VFT的基本结构

通过可变频变压器实现异步联网的实质是在一侧系统的频率上叠加一个由旋转变压器转子转速对应的一个电气频率分量，使得叠加后的合成频率等于另一侧系统的频率。通过控制直流驱动电机的输出转矩、控制旋转变压器的转子转速，以补偿定、转子所连接电网之间的频率差。因此，当与VFT连接的两侧电网频率相同时，即同步时，VFT处于静止状态，相当于一台变压器；当与VFT连接的两侧电网频率不同时，即异步时，VFT处于异步运行状态。

2 VFT的建模与仿真

2.1 建立模型

在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真环境下建立VFT异步联网等值系统模型（图2）。

图2 VFT异步联网等值系统模型

用三相理想电压源模拟两侧电网，其中S1为额定电压230 kV，频率50 Hz的电网，S2为额定电压500 kV，频率60 Hz的电网。变压器T1的变比为230 kV/13.8 kV，变压器T2的变比为500 kV/13.8 kV，T1，T2的容量均为 100 MV·A。PSCAD/EMTDC软件中没有可变频变压器的模型和算例，因此采用三相绕线式异步电机来模拟可变频变压器的旋转变压器部分。变压器T1一次侧与电网S1相连，二次侧与异步电机的定子侧相连；变压器T2一次侧与电网S2相连，二次侧与异步电机的转子侧相连。

可变频变压器一般由4极或2N（N≥2）构成，当极对数越大时，实际转速成比例减小。为简化问题，建模中设置三相绕线式异步电机的定、转子绕组比为1:1，额定容量为100 MV·A，额定转速为3000 r/min。参考已有水轮发电机组转动惯量的取值范围，转子惯性时间常数取6 s左右大致合理。可以证明，转动惯量的大小对最终系统稳态时各参数的影响可忽略不计，为缩短仿真时间提高仿真效率，将转子的惯性时间常数缩短，即取0.5 s。设置异步电机的机械阻尼系数为2 p.u.。设置异步电机定、转子电阻均为0.005 p.u.，定、转子漏感均为0.09 p.u.，励磁电感为10 p.u.。外加转矩的不同可以影响系统传输的功率大小和方向。外加1.3 p.u.的转矩时，电网S1可以向电网S2传输100 MW的有功功率。

2.2 仿真分析

BRK1，BRK2分别为变压器T1，T2与三相绕线式异步电机之间的断路器，初始时设置为断开状态，断路器在0.5 s时闭合，使VFT投入运行。VFT投运前后定、转子侧电压如图3所示。可以看出：断路器闭合前后，即VFT投运前后定、转子两侧的电压几乎没有变化。这说明VFT的投运过程对电网电压几乎无影响，VFT作为异步联网装置是可行的。

设置VFT定子侧所连的交流电网S1在1 s时发生三相短路接地故障，故障持续时间为0.05 s，然后电网恢复正常运行状态。VFT定、转子侧电压波形如图4所示。可以看出，发生故障时，定子侧电压幅值明显减小，而转子侧电压幅值几乎不变。这说明VFT定子侧出现的故障对转子侧几乎无影响，VFT具有故障隔离作用。

图3 VFT投运前后定、转子侧电压

图4 定子侧发生三相对地短路故障时定、转子侧电压

3 结语

VFT是一种新颖的、性能良好的异步联网装置。本文阐述了VFT的结构和运行原理，建立了VFT仿真模型。仿真结果表明，VFT可以实现电网的异步互联，投运过程对电网的的电压质量几乎没有影响，且具有良好的故障隔离作用，为电网的异步互联提供了新思路。

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〔编辑 李 波〕