新型可控電抗器的研究背景及意義

    新型可控電抗器的研究背景及意義
    電網中的無功平衡對提高全網經濟效益和改善供電質量至關重要。根據電力 工業(yè)的現狀和發(fā)展，新型無功補償裝置的研制和應用是我國當前電力系統(tǒng)需要著重解決的重大關鍵技術課題。

   新型可控電抗器是電力系統(tǒng)中電壓控制與無功補償的重要裝置，近年來受了廣泛重視并得到初步應用。與現有無源及有源靜止型動態(tài)無功補償裝置相比，可控電抗器具有適用電壓范圍廣、可靠性高、諧波小、占地面積省、維護簡單等顯著優(yōu)點，是一種經濟、高性能的靜止型動態(tài)無功(感性)補償裝置。

    可控電抗器的應用前景十分廣泛，對于控制高壓和超高壓電網電壓、無功潮流，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加傳輸功率，限制超高壓電網工頻和操作電壓；補償單相接地電流(消弧)以及抑制大功率整流系統(tǒng)的諧波等都具有顯著的效果。可控電抗器的結構形式千變萬化，特性各異，研究表明，調電路式可控電抗器是最具有應用前景的一種可控電抗器。

    本文研究了調電路式可控電抗器的基本結構和工作原理，建立了相應的數學模型，并在此基礎上對其工作特性進行全面的分析，提出了各級控制繞組的限流電抗值計算方法。結合多繞組變壓器多邊形等值電路模型，以 Matlab/PSB 為平臺，建立了無級連續(xù)可控電抗器的仿真模型。本文提出了單相傳輸線與負載相互關系的計算方法，設計了單相超高壓長線的電壓控制系統(tǒng)，利用動態(tài)無功功率補償理論和工程設計方法建立了仿真模型，仿真結果驗證了當傳輸功率變化時，電壓控制系統(tǒng)能夠有效地改變電抗器的輸出功率，同時保持傳輸網絡電壓穩(wěn)定在額定電壓范圍內。在工程應用方面，文中提出了一種基于無級連續(xù)可控電抗器型消弧線圈的工作原理，分析了它產生諧波電流的原因，設計了一種三控制繞組結構的無級連續(xù)可控電抗器型消弧線圈，并提出了合理設計各控制繞組額定輸出電流的方法。
 
     無功功率平衡對提高電網的經濟效益和改善供電質量至關重要。根據電力工業(yè)的現狀與發(fā)展，新型無功功率補償裝置的研制和應用是我國當前電力系統(tǒng)需要解決的重大關鍵技術課題。可控電抗器正是在這一背景下誕生和發(fā)展的，表現出了極強的生命力。對 6～220kV 電網，系統(tǒng)用戶負荷通常為感性，一般采用固定電容器組進行集中或分散補償，以提高功率因數，降低損耗。在遠距離、400kV 以上電壓電網通常需要安裝電抗器進行無功補償。

    另外，隨著電力工業(yè)的高速發(fā)展，人們對供電質量及可靠性的要求越來越高。由此產生了一系列問題：如超/特高壓大電網的形成及負荷變化加劇，要求大量快速響應的可控無功電源來調整電壓，維持系統(tǒng)無功潮流平衡，減少損耗，提高供電可靠性。

    但電網中現有的自動無功補償裝置主要為同步調相機、開關投切電容器組、晶閘管投切電容器(Thyistor Switched Capacitor, TSC)、靜止無功補償器(StaticSynchronous Compensator, STATCOM)等。同步調相機由于響應速度慢，運行維護困難等缺點而逐漸被淘汰，而具有機械開關的補償設備在應用中會遇到許多問題。比如：開關故障頻率高、響應速度慢等，且由于開關的合閘涌流和重燃容易產生過電壓和諧振現象。TSC 造價高，控制復雜，且不能連續(xù)調節(jié)。晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[1]，主要原因：(1)直流輸電和工業(yè)逆變裝置的研究和開發(fā)促進了大功率可控硅閥的發(fā)展，為 TCR 的應用打下了良好的基礎；(2)可控硅閥和空心電抗器的制造工藝簡單；(3)TCR 控制靈活，響應速度快。

    雖然 TCR 具有以上優(yōu)點，但其接入 6kV 電壓等級以上的電網時需要器件串聯以承受高電壓；同時，可控硅閥要求精確的控制和復雜的過壓、過流保護裝置；如果控制不當，就會產生直流分量使變壓器飽和。當 TCR 投入電網時，還會產生較大的諧波電流，因而需添加輔助濾波裝置；同時高電壓晶閘管的價格頗為昂貴。因此，這些技術先進的無功功率補償設備造價高昂、維護復雜，在超/特高壓系統(tǒng)中被廣泛應用還不現實。

    因此有必要尋求更為經濟可靠的可控無功電源。調電路式可控電抗器就在這個背景下產生的，逐漸成為當前的研究熱點。調電路式可控電抗器能隨著傳輸功率的變化自動平滑地調節(jié)自身容量，在線路傳輸大功率時，運行在小容量范圍內，當線路新型調電路式可控電抗器的研究輕載或者為空載時，它會增大容量呈現出深度地補償效應，能夠起到降低工頻電壓升高的作用。這就在很大程度上提高了電網的經濟效益。

    另外，調電路式可控電抗器在保持 TCR 優(yōu)點的同時，又在很大程度上克服了它的不足。初步的技術經濟分析表明：
    (1)調電路式可控電抗器的造價不超過同等容量 TCR 的造價，且產生諧波又比后者少得多；
    (2)調電路式可控電抗器的損耗小，低TCR的損耗；
    (3)調電路式可控電抗器在過負荷下可以持續(xù)運行的時間比在同等條件下的TCR 要長得多；
    (4)在不安裝濾波裝置的情況下，調電路式可控電抗器的電流畸變比同樣情況下的TCR的電流畸變要小得多。可見作為一種低成本、高性能的靜止無功補償裝置，調電路式可控電抗器具有廣闊的應用前景。

    綜上所述，調電路式可控電抗器對于提高電網的輸電能力、調整電網電壓、補償無功以及限制過電壓等方面都有非常大的應用潛力。這將為今后我國電力系統(tǒng)的發(fā)展起到重要作用。
 
    早在1916年美國學者就提出了磁放大器的概念，主要應用于自動化系統(tǒng)中作為控制元件。20世紀50年代，俄羅斯的科技工作者將磁放大理論引入電力系統(tǒng)中，對飽和式可控電抗器進行了深入的研究。1955 年世界上第一臺可控電抗器在英國制造成功。隨著70年代晶閘管的發(fā)展，晶閘管控制電抗器(TCR ) 以其控制靈活的特點成為了研究熱點。1986年，原蘇聯的學者A.M.Брянцев提出了新型的可控電抗器結構，使直流飽和式可控電抗器有了突破性的進展。20 世紀70 年代，BBC公司研制了一種晶閘管控制變壓器型可控電抗器(Thyristor Controlled Transformer, TCT)。如圖1.1，安裝在Kvebek省Loreatid變電站，

    一直運行到今天。它的快速調節(jié)功能和響應時間(不超過工頻的半個周波)，不僅能滿足在正常運行方式下，同樣可以完成補償功能。因此，在線路上裝設此電抗器后，可以保證將過電壓幅值限制在額定電壓之內，因此能有效地限制操作過電壓。美中不足的是該電抗器產品存在兩個嚴重地缺陷：一是電抗器電流中含有很大的高次諧波成分；二是正常運行方式下有功損耗特別大。

    目前，國內外對可控電抗器的研究主要集中在磁閥式可控電抗器上，俄羅斯學者在這方面進行了深入的研究，取得了顯著的進展。俄羅斯的磁閥式可控電抗器已經大面積地推向了市場。國內武漢大學對磁閥式可控電抗器的研究開展得較早，成功地研制出磁閥式動態(tài)無功補償裝置和消弧線圈。國內的電氣廠商現在已開始生產基于磁閥式可控電抗器的動態(tài)無功補償裝置和消弧線圈。但是磁飽和式可控電抗器(Magnetically Controllable Reactor, MCR)雖然具有功率自動連續(xù)平滑調節(jié)的特點。但是MCR存在如下缺點：①因為鐵心的飽和而使MCR的工作電流中含有很大的諧波成分；②由于直流偏磁的存在，使MCR的電磁慣性大，響應速度慢。

    針對上述情況，俄羅斯學者在20世紀末首先提出了無級連續(xù)可控電路式可控電抗器。此電抗器除了具有MCR的優(yōu)點以外，還具有諧波電流更小、響應速度更快、功率損耗較小等特點，它不僅可以用于電網的無功控制，而且由于響應速度快，也可以用于電網過電壓限制和用作快速消弧線圈；另外，在諸如擁有大功率設備的煉鋼廠等工廠里，因為負荷功率變化大，無級連續(xù)可控電抗器還可以作線路電壓的調整和穩(wěn)定設備。

    國內對無級連續(xù)可控電抗器的研究基本上處于剛剛起步的階段，有關理論和應用方面的研究也很有限，到目前為止，無級連續(xù)可控電抗器雖然在電氣化鐵路動態(tài)無功補償和自動調諧消弧線圈方面得到了很好的應用，但是在其他方面應用的很少，所以對無級連續(xù)可控電抗器進行深入和全面的研究很有必要，特別是隨著超高壓、特高壓電網的興建和發(fā)展以及電力負荷變化的日益加劇，無級連續(xù)可控電抗器的理論和應用將會有更大的意義。