可控型并联电抗器在紧凑型输电线路中的应用

可控型并联电抗器在紧凑型输电线路中的应用王德忠(上海输配电股份有限公司，上海200050)摘要：从理论上分析了高压紧凑型输电线路在空载及满负荷工况下无功潮流的平衡问题，论述了在紧凑型输电线路中采用可控并联电抗器的必要性。介绍了几种可控型并联电抗器的工作原理并分析了其优缺点。关键词：可控型并联电抗器；紧凑型输电线路；高压、超高压；无功补偿由于我国能源基地和负荷中心的地域分布差异，远距离、大容量的“西电东送，南北互供，全国联网”将是我国电力系统今后10～20年内的重要发展方向。解决远距离、大容量电能输送的方法有二种：一是提高交流输电线路的额定电压，增加输电线路的额定自然功率；二是采用高压直流输电技术。采用提高交流输电线路额定电压的方法将使线路及输变电设备的绝缘水平提高，从而使建设、制造成本大幅度上升，此外当交流输电电压等级达到百万伏级时其产生的强电场将可能对生态环境造成不利的影响；对高压直流输电，为方便对中间负荷供电，要求采用多端直流电网结构，但目前该技术尚不成熟，世界上已建成运行中的多端直流输电项目仅有魁北克—新格兰的三端HVDC工程。紧凑型输电线路是一种新型输电技术，其基本原理就是改变输电线路的几何尺寸及结构，降低输电线路的波阻抗，在线路额定电压不变的情况下提高其额定自然功率，是一种比较经济的高压、超高压交流输电技术。目前，俄罗斯已有采用紧凑型输电技术的500kV线路投入运行［1］，我国从华北到河南新乡的一条500kV紧凑型输电线路也已于2002年投入运行。紧凑型输电技术可将220kV和500kV高压及超高压交流输电线路的功率传输能力提高30%～50%，但它也会造成线路容性充电功率的提高。为了使系统中的无功潮流达到平衡，应在线路的适当位置安装并联电抗器，而且电抗器的容量应该是可控的，以便根据线路的负载变化使系统中的无功潮流达到动态平衡。为了给我国高压及超高压交流紧凑型输电技术的发展提供重大装备支持，国家发改委已将500kV可控型并联电抗器的研制列入“十一•五”国家输变电关键设备攻关项目中。1紧凑型输电线路的无功需求众所周知，三相交流输电线路的额定自然功率是由该线路的额定电压及其波阻抗决定的式中，Pn为线路的额定自然功率；U为线路额定相电压；Z0为线路波阻抗；L、C分别为线路单位长度的工作电感和工作电容。由式(1)、式(2)可知，在线路额定电压一定的条件下，降低线路电感或增大线路对地电容均可降低线路波阻抗，从而提高线路的额定自然功率。紧凑型输电技术正是基于这一基本原理，通过改变输电线路的结构及几何尺寸，如增加输电线路的导线分裂数n、加大子导线的半径r0等来使线路单位长度的工作电容和工作电感发生变化的。输电线路单位长度的工作电容和工作电感分别为［2］(3)（4）由式(3)、式(4)可知，线路单位长度的工作电容与其导线的分裂数n及子导线的半径r0成正比，而工作电感与其导线的分裂数n及子导线的半径r0成反比，即增加n及r0的结果是使紧凑型输电线路的单位工作电容变大、单位工作电感变小，在提高线路额定自然功率的同时，也使线路的容性无功充电功率大大增加。为此，必须增加相应的感性无功功率以保证系统的无功潮流平衡。长度为l的三相输电线路的容性无功功率和感性无功功率分别为(5)式中，QC和QL分别为线路的容性无功功率和感性无功功率；ω为电源角频率；Uφ为线路额定相电压；l为线路长度；I为线路中流过的电流。紧凑型输电线路空载状态的容性无功功率与感性无功功率的差值决定了其对感性无功功率的需求(6)式(6)中，如QC-QL=0，即线路的容性无功功率和感性无功功率相等，则可得（7)此时，线路中流过的电流为自然电流In。如线路中的电流I与自然电流不相等，设I=kIn（k为任意数），则式(6)可改写成(8)式中，Pn、P、λ由式(8)可知，线路空载(P=0)时将有最大的感性无功功率需求(Q=Pnλ)。采用紧凑型输电技术的220kV及500kV输电线路的额定自然功率Pn可提高30%～50%，显然其对感性无功功率的需求也将相应的增加30%～50%。2可控型并联电抗器在紧凑型输电线路中的应用根据电力系统对可靠性的要求，一般输电线路的传输功率为Pn/P=1.2，其剩余的容性无功功率应由并联电抗器吸收，此工况下并联电抗器吸收的无功功率最小，应为［2］；另一方面，在空载时（P=0），线路首末端电压的变化率应在规程允许的范围内，即当P/Pn=0时，线路全部容性无功功率与感性无功功率的差值均应由并联电抗器吸收，此工况下并联电抗器吸收的无功功率最大，应为。由此可知，当线路的传输功率P在0～Pn范围内变化时，其所需的并联电抗器的容量也应作相应的变化，变化范围。由于500kV紧凑型输电线路的自然功率Pn提高了30%～50%，那么满足其运行要求的并联电抗器的容量调整范围也应增加30%～50%。因此，在500kV超高压紧凑型输电线路中不适合装设固定型电抗器，必须装设可控型并联电抗器。3可控型并联电抗器的类型及工作原理可控型并联电抗器(ControllableShuntReactor，CSR)目前主要有3种类型：磁饱和型可控并联电抗器(MagneticsaturationtypeControllableShuntReactor，MCSR)、变压器型可控并联电抗器(TransformertypeControllableShuntReactor，TCSR)及晶闸管控制的并联电抗器(ThyeratortypeControllableshuntReactor，TCR)。3.1磁饱和型可控并联电抗器(MCSR)磁饱和型可控并联电抗器是一个自治的电磁系统，它的磁路带有辅助直流励磁系统。利用铁心中磁通的饱和程度可以在很大的范围内改变磁路的导磁系数μr，从而改变电抗器的电感值，使电抗器的容量在很大的范围内变化［3］。MCSR电抗器的额定电压可做到765kV，三相额定容量为200～600Mvar，用于控制其磁路工作状态的功率很小，约为电抗器额定容量的1%。电抗器中有一个专用的低压直流励磁绕组，用直流电源及电力电子器件控制直流励磁电流的大小，当直流励磁电流为零时，电抗器的功率为极小值；当直流励磁电流为额定时，其功率为额定值。由于电抗器直流励磁系统惯性常数的影响，MCSR的响应速度约300ms。MCSR由于铁心饱和使其工作电流中含有严重的谐波成分，在运行时必须装设滤波装置，以免注入电网的谐波电流超出允许值。MCSR的稳态工作电流和暂态工作电流波形见图1、图2。图1MCSR稳态工作电流图2MCSR暂态工作电流3.2变压器型可控并联电抗器(TCSR)俄罗斯学者在20世纪末提出了TCSR，其工作原理见图3，可见它实为一高短路阻抗的多绕组变压器［4］。图3TCSR工作原理图图3中，HVW为高压绕组；CW1、CW2、…、CWn为低压控制绕组，每个CW中串接反并联的晶闸管，每个CW的额定功率为电抗器总额定功率的一部分，主要根据电网的谐波允许值而定。当第i个CW投入工作时，第1、2、…、（i-1）个CW绕组中串接的反并联晶闸管的导通角均已达到最大值，可以认为其中无谐波电流存在，此时，HVW绕组工作电流中的谐波分量仅由CWi绕组中串接的晶闸管的导通角大小所决定。因此，依次将各低压控制绕组CW投入工作并适当控制晶闸管的导通角就可以实现对并联电抗器容量的控制，TCSR的功率可在最小值到额定值之间实现连续可控，且其产生的谐波电流可控制在电网允许值之下。TCSR的暂态过程短，响应速度快，适当控制触发脉冲和电源电压的相位关系（在电源电压达到峰值时触发晶闸管）可实现无暂态过程控制。TCSR的稳定工作电流和暂态工作电流波形见图4、图5。由于TCSR的可控绕组在低压侧，因此在技术上较易实现，造价也较低。TCSR的额定电压可达750kV，甚至1000kV级。图4TCSR稳态工作电流图5TCSR暂态工作电流3.3晶闸管控制的并联电抗器(TCR)图6TCR工作原理由于TCR采用的是干式空芯电抗器，其磁路中不存在导磁材料，所以电抗器的控制方式与前两者是不同的，其工作原理见图6。通过控制两个反并联的晶闸管的导通角σ，可以控制每个周波内短，从而改变电抗器的等值电抗及等值电纳。TCR等值电抗Xq为［5］（9）（10）由于干式空芯并联电抗器结构上固有的不足，其额定电压一般不超过72.5kV，额定容量不超过30Mvar（单相）。TCR具有控制范围宽，响应速度快等优点，其开环响应速度可达5ms，但其额定工作电压较低，具有较大的谐波电流，必须加设滤波器。4结论（1）高压及超高压紧凑型交流输电线路的自然功率可提高30%～50%，因此用于平衡系统无功潮流的并联电抗器的无功调节范围将相应的提高30%～50%，为此在紧凑型高压及超高压交流输电线路中应采用可控型并联电抗器。（2）MCSR由于直流偏磁的影响，响应速度较慢，约300ms，且由于铁心饱和使其工作电流中含有较严重的谐波分量，因此须装设滤波器，以免注入电网的谐波电流超出允许值。（3）TCSR具有响应速度快，理论上可实现无过渡过程控制，且其谐波电流较MCSR小得多。TCSR本质上相当于副边绕组依次工作于短路状态的高短路阻抗多绕组变压器，额定电压可达百万千伏级。（4）TCR具有控制范围宽、响应速度快等优点，其开环响应速度可达5ms，但其工作电流中含有严重的谐波分量，因此须装设滤波器。由于干式空芯电抗器结构上固有的特点，TCR的额定电压较低，目前为72.5kV。5参考文献［1］WGNAleksandro,VAKashina,TVLishochina.EconomicEfficiencyofACPowerTransmissionwithControlledShuntReactors［J］.Elektrotekhanika,1991，62(2):6～11.［2］格•尼•阿列克山德洛夫(俄)著,王秉均等译.西安：西安交通大学出版社，1992.［3］KReichert,JKauferle,HGlavitsch,.ControllableReactorCompensatorformoreExtensiveUntilizationofHighVoltageTransmissionSystem［J］.InternationalConferenceonLargeHighVoltageElectricalSystem,1974(2):31～34.［4］GNAlekandrov.ControllableShuntingReactorofTransformerType［J］.Elektrotekhnika,1996,67(10):56～61.［5］倪以信等编著.电力系统的动态稳定.北京：清华大学出版社，2002.收稿日期：2004-07-06作者简介：王德忠（1948-），男，博士，高级工程师（教授级），研究方向为电力电容器、互感器、电抗器及无功补偿技术。2005年03月09日14:52