基于PSCAD的分級式可控并聯電抗器仿真研究

劉紅恩，李和明，雷 晰，王 毅

(1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003;2.中國電力科學研究院，北京 100192)

0 引言

發展特高壓電網是我國解決能源資源與生產力呈逆向分布問題的必然選擇。根據國家電網公司“十二五”電網發展規劃:2015年“三華”特高壓電網將形成“三縱三橫一環網”，錫盟、蒙西、張北、陜北能源基地通過三個縱向特高壓交流通道向“三華”地區送電，北部煤電、西南水電通過三個橫向特高壓交流通道向華北、華中和長江三角特高壓環網送電。就特高壓交流線路而言，其單位長度充電功率是500 kV線路的4～5倍，為了限制工頻和操作過電壓，需要在特高壓長線路上裝設高補償度的并聯電抗器，高補償的并聯電抗器為系統重載運行帶來了較大的無功負擔，增加了無功損耗，限制了系統調壓能力，影響系統輸送能力[1]。對于長距離、潮流變化大的特高壓線路，受兩端變壓器低壓繞組容量的限制，低壓無功補償裝置解決調壓問題能力有限，因此需要配套相應的無功調節技術措施和手段。

目前，在世界范圍內，對于超、特高壓長線路，基本采用固定電抗器來限制過電壓，但固定電抗器同樣也限制了系統調壓能力。理論研究和實踐表明，可控電抗器可有效解決限制過電壓與無功補償的矛盾，一旦發生暫態過程，就會快速增大容量而呈現出深度的強補效應，限制操作過電壓和工頻過電壓;在系統潮流發生變化時，可以根據調壓要求調節投入容量。可有效提高系統穩定性，增大輸電能力，提高電網的運行效益[2～4]。

可控并聯電抗器根據其構成原理的不同，基本可以劃分為基于磁控原理 (magnetically controlled shunt reactor，MCSR)和高阻抗變壓器原理兩種類型。而基于高阻抗變壓器原理可控電抗器根據晶閘管調節方式的不同，又可以分為分級式可控并聯電抗器 (stepped controlled shunt reactor，SCSR)和晶閘管控制式可控并聯電抗器 (thyristor controlled transformer，TCT)。以上各種類型可控并聯電抗器在電力系統都已有實際應用，可控電抗器在特高壓交流輸電中的應用研究工作也已展開，其中SCSR以其控制原理簡單、響應速度快、精度高、可靠性高等優點，已經成為我國特高壓輸電系統選用設備的重要研究對象之一。

1 分級式可控并聯電抗器的原理

基于高阻抗變壓器原理的分級式可控并聯電抗器將變壓器和電抗器設計為一體，設計使變壓器的漏抗率達到或接近100%，并在本體二次側串入多組輔助電抗器。容量的控制方式采用晶閘管投切外加電抗器的方式，可分別工作于額定容量的不同等級下，滿足系統對無功的需求。發生故障時，可以快速調至最大容量，達到限制過電壓，抑制潛供電流的目的。分級式可控并聯電抗器的裝置原理圖如圖1所示[5]。

圖1 分級式可控并聯電抗器裝置原理圖Fig.1 Device schematic of step controlled shunt reactor

圖1中，可控高抗的高壓側接線端子A，X直接與電網母線或線路連接，低壓側將高漏抗電抗通過抽頭分成N份，每一份電抗由雙向晶閘管和斷路器并聯組成的復合開關控制投入和切除。Xb1，Xb2……，XbN為低壓側輔助電抗器;TK1，TK2……，TKN為各級容量的控制閥，其作用是通過快速通斷達到快速調節電抗器阻抗的效果;斷路器 QF1，QF2……，QFN的作用是旁路 TK1，TK2……，TKN，從而將電流切換到斷路器上;K1，K2……，KN為隔離刀閘，其作用是防止由于誤操作而導致的電氣故障。

分級式可控并聯電抗器通過控制TKi與QFi(i=1，2，…，N)組成各級容量閥組的開通或關斷來改變二次側的電抗值，從而達到分段調節無功輸出的目的，調節過程為:某級容量閥組導通時先控制晶閘管閥導通，然后控制斷路器導通，斷路器導通后閉鎖晶閘管閥;容量閥組關斷時直接拉開斷路器。

下面以忻州500 kV分級式可控并聯電抗器為例，詳細介紹分級式可控并聯電抗器的工作原理。圖2為忻州可控并聯電抗器原理圖，由3個單相變壓器型的電抗器，可工作在額定容量的25%，50%，75%及100%4個容量級。圖中Xb1，Xb2，Xb3為低壓側輔助電抗器，通過打開、閉合與其并聯的閥組開關組合，使電抗器根據需要輸出不同的感性無功。

忻州分級式可控并聯電抗器各閥組與輸出容量的對應關系如表1所示。輸出容量計算公式為:

式中:Q為SCSR的無功輸出容量;US為低壓側電壓;XCSR為可控并聯電抗器的等效阻抗;

X'd為可控并聯電抗器的固定阻抗，即高阻抗變壓器的漏抗;Xb為可控并聯電抗器的可調節阻抗。

表1 可控并聯電抗器的投切容量控制表Tab.1 Controlled shunt reactor switching capacity control table

其中，×表示斷開，○表示導通。

圖2 忻州分級式可控并聯電抗器結構原理圖Fig.2 Schematic structure of Xinzhou step controlled shunt reactor

2 仿真分析

為了進一步研究分級式可控并聯電抗器的特性，采用了目前廣泛使用的電力系統分析軟件PSCAD/EMTDC進行仿真研究，搭建750 kV仿真系統，如圖3所示。其中S為單端等值系統，短路容量為100 GVA;TLine21為一條200 km空載線路，參數如表2所示;B為斷路器;SCSR安裝在線路末端，額定容量300 MVar;BG為故障點，表示 B 相接地故障[6]。

圖3 仿真系統結構Fig.3 Structure of the simulation system

表2 輸電線路主要參數Tab.2 Main parameters of the transmission line

線路的容性無功為[7]:

SCSR投入額定容量時的補償度為:

2.1 容量調節仿真

設置SCSR容量調節順序按照25%～50%～75%～100%～75%～50%～25%的步驟來執行。仿真結果如下:

(1)SCSR A相無功功率變化波形圖如圖4所示。從仿真波形可以看出，各級容量與設計容量基本一致，仿真參數設置正確。

(2)SCSR容量調節過程中線路末端電壓的變化情況為764 kV～758 kV～753 kV～747 kV～753 kV～758 kV～765 kV，如圖5所示。

(3)SCSR從50%級調節到75%級過程中，閥電流和斷路器電流如圖6所示。可以看出，從50%級往75%級調節時，75%級晶閘管閥先導通，50%級斷路器電流降為0;75%斷路器閉合后，75%級晶閘管閥電流降為0，完成轉換。

從上述仿真波形可以看出，分級式可控電抗器的容量調節基本不存在直流分量和容量重疊過程;調節過程中晶閘管閥可以實現過零觸發，對系統不會造成沖擊，基本不產生諧波。

2.2 線路故障時SCSR的仿真

在線路末端模擬B相金屬性瞬時接地故障，故障發生時間為0.4 s，持續0.5 s，若線路不帶高抗，故障時線路末端各相電壓仿真波形如圖7所示。

圖7 單相接地故障不帶SCSR相電壓波形圖Fig.7 Waveforms of single phase grounding without SCSR

若線路帶可控高抗，且工作于補償容量25%QL狀態，0.4 s發生故障后，SCSR在0.408 s即由25%QL躍變為100%QL，并在故障消失后于0.91 s恢復到25%QL。圖8為故障及SCSR調節過程中系統電壓和SCSR無功變化波形圖。

由以上仿真可知，線路末端故障期間的過電壓發生在健全相 (A，C相)，若線路帶可控高抗，在故障期間可有效限制工頻過電壓，維持系統穩定。

2.3 SCSR特點分析

通過以上仿真，SCSR優點如下:

(1)SCSR采用晶閘管型式，切換次數對壽命沒有影響，適于頻繁調節;

(2)可以有效抑制超、特高壓線路上有功功率波動引起的電壓波動;

(3)采用晶閘管閥可實現過零觸發，對系統無沖擊影響;

(4)閥動作時間小于10 ms，可實現快速調節;

(5)暫態調節容量為額定容量，滿足系統對暫態調節容量的要求;

圖8 單相接地故障帶SCSR相電壓波形圖Fig.8 Waveforms of single phase grounding with SCSR

(6)閥控系統故障時，通過閉合旁路斷路器，可作為固定并聯電抗器使用，保證系統的安全運行。

SCSR的缺點是不能連續調節，也不能參與系統動態調節。而從目前對可控并聯電抗器的功能定位來講，其主要目的是解決超、特高壓電網無功補償與限制過電壓的矛盾。針對于特高壓電網存在的穩定問題，有更有效和更經濟的解決手段，從這點來講分級式可控并聯電抗器完全可以滿足電網的需求。隨著可控電抗器制造技術的成熟和實際應用經驗的積累，可以開發可控電抗器對系統暫態穩定的調節控制功能，使其在系統中發揮更大的作用。

3 結論

本文首先以忻州工程為例，詳細介紹了分級式可控并聯電抗器的原理:然后在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，進行模擬仿真，仿真結果表明此模型的正確性、有效性;最后結合仿真分析，總結了分級式可控并聯電抗器的特點，指出分級式可控并聯電抗器將是超、特高壓輸電線路對可控并聯電抗器的主要選擇。

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