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新型可控电抗器的研究背景及意义

发布时间:2020-9-21

电网中的无功平衡对提高全网经济效益和改善供电质量至关重要。根据电力 工业的现状和发展,新型无功补偿装置的研制和应用是我国当前电力系统需要着重解决的重大关键技术课题。


  新型可控电抗器是电力系统中电压控制与无功补偿的重要装置,近年来受了广泛重视并得到初步应用。与现有无源及有源静止型动态无功补偿装置相比,可控电抗器具有适用电压范围广、可靠性高、谐波小、占地面积省、维护简单等显著优点,是一种经济、高性能的静止型动态无功(感性)补偿装置。


   可控电抗器的应用前景十分广泛,对于控制高压和超高压电网电压、无功潮流,改善系统稳定性,增加传输功率,限制超高压电网工频和操作电压;补偿单相接地电流(消弧)以及抑制大功率整流系统的谐波等都具有显著的效果。可控电抗器的结构形式千变万化,特性各异,研究表明,调电路式可控电抗器是最具有应用前景的一种可控电抗器


   本文研究了调电路式可控电抗器的基本结构和工作原理,建立了相应的数学模型,并在此基础上对其工作特性进行全面的分析,提出了各级控制绕组的限流电抗值计算方法。结合多绕组变压器多边形等值电路模型,以 Matlab/PSB 为平台,建立了无级连续可控电抗器的仿真模型。本文提出了单相传输线与负载相互关系的计算方法,设计了单相超高压长线的电压控制系统,利用动态无功功率补偿理论和工程设计方法建立了仿真模型,仿真结果验证了当传输功率变化时,电压控制系统能够有效地改变电抗器的输出功率,同时保持传输网络电压稳定在额定电压范围内。在工程应用方面,文中提出了一种基于无级连续可控电抗器型消弧线圈的工作原理,分析了它产生谐波电流的原因,设计了一种三控制绕组结构的无级连续可控电抗器型消弧线圈,并提出了合理设计各控制绕组额定输出电流的方法。


    无功功率平衡对提高电网的经济效益和改善供电质量至关重要。根据电力工业的现状与发展,新型无功功率补偿装置的研制和应用是我国当前电力系统需要解决的重大关键技术课题。可控电抗器正是在这一背景下诞生和发展的,表现出了极强的生命力。对 6~220kV 电网,系统用户负荷通常为感性,一般采用固定电容器组进行集中或分散补偿,以提高功率因数,降低损耗。在远距离、400kV 以上电压电网通常需要安装电抗器进行无功补偿。


   另外,随着电力工业的高速发展,人们对供电质量及可靠性的要求越来越高。由此产生了一系列问题:如超/特高压大电网的形成及负荷变化加剧,要求大量快速响应的可控无功电源来调整电压,维持系统无功潮流平衡,减少损耗,提高供电可靠性。


   但电网中现有的自动无功补偿装置主要为同步调相机、开关投切电容器组、晶闸管投切电容器(Thyistor Switched Capacitor, TSC)、静止无功补偿器(StaticSynchronous Compensator, STATCOM)等。同步调相机由于响应速度慢,运行维护困难等缺点而逐渐被淘汰,而具有机械开关的补偿设备在应用中会遇到许多问题。比如:开关故障频率高、响应速度慢等,且由于开关的合闸涌流和重燃容易产生过电压和谐振现象。TSC 造价高,控制复杂,且不能连续调节。晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR)在电力系统中得到了广泛的应用[1],主要原因:(1)直流输电和工业逆变装置的研究和开发促进了大功率可控硅阀的发展,为 TCR 的应用打下了良好的基础;(2)可控硅阀和空心电抗器的制造工艺简单;(3)TCR 控制灵活,响应速度快。


   虽然 TCR 具有以上优点,但其接入 6kV 电压等级以上的电网时需要器件串联以承受高电压;同时,可控硅阀要求精确的控制和复杂的过压、过流保护装置;如果控制不当,就会产生直流分量使变压器饱和。当 TCR 投入电网时,还会产生较大的谐波电流,因而需添加辅助滤波装置;同时高电压晶闸管的价格颇为昂贵。因此,这些技术先进的无功功率补偿设备造价高昂、维护复杂,在超/特高压系统中被广泛应用还不现实。


   因此有必要寻求更为经济可靠的可控无功电源。调电路式可控电抗器就在这个背景下产生的,逐渐成为当前的研究热点。调电路式可控电抗器能随着传输功率的变化自动平滑地调节自身容量,在线路传输大功率时,运行在小容量范围内,当线路新型调电路式可控电抗器的研究轻载或者为空载时,它会增大容量呈现出深度地补偿效应,能够起到降低工频电压升高的作用。这就在很大程度上提高了电网的经济效益。


   另外,调电路式可控电抗器在保持 TCR 优点的同时,又在很大程度上克服了它的不足。初步的技术经济分析表明:

   (1)调电路式可控电抗器的造价不超过同等容量 TCR 的造价,且产生谐波又比后者少得多;

   (2)调电路式可控电抗器的损耗小,低TCR的损耗;

   (3)调电路式可控电抗器在过负荷下可以持续运行的时间比在同等条件下的TCR 要长得多;

   (4)在不安装滤波装置的情况下,调电路式可控电抗器的电流畸变比同样情况下的TCR的电流畸变要小得多。可见作为一种低成本、高性能的静止无功补偿装置,调电路式可控电抗器具有广阔的应用前景。


   综上所述,调电路式可控电抗器对于提高电网的输电能力、调整电网电压、补偿无功以及限制过电压等方面都有非常大的应用潜力。这将为今后我国电力系统的发展起到重要作用。


   早在1916年美国学者就提出了磁放大器的概念,主要应用于自动化系统中作为控制元件。20世纪50年代,俄罗斯的科技工作者将磁放大理论引入电力系统中,对饱和式可控电抗器进行了深入的研究。1955 年世界上第一台可控电抗器在英国制造成功。随着70年代晶闸管的发展,晶闸管控制电抗器(TCR ) 以其控制灵活的特点成为了研究热点。1986年,原苏联的学者A.M.Брянцев提出了新型的可控电抗器结构,使直流饱和式可控电抗器有了突破性的进展。20 世纪70 年代,BBC公司研制了一种晶闸管控制变压器型可控电抗器(Thyristor Controlled Transformer, TCT)。如图1.1,安装在Kvebek省Loreatid变电站,


   一直运行到今天。它的快速调节功能和响应时间(不超过工频的半个周波),不仅能满足在正常运行方式下,同样可以完成补偿功能。因此,在线路上装设此电抗器后,可以保证将过电压幅值限制在额定电压之内,因此能有效地限制操作过电压。美中不足的是该电抗器产品存在两个严重地缺陷:一是电抗器电流中含有很大的高次谐波成分;二是正常运行方式下有功损耗特别大。


   目前,国内外对可控电抗器的研究主要集中在磁阀式可控电抗器上,俄罗斯学者在这方面进行了深入的研究,取得了显著的进展。俄罗斯的磁阀式可控电抗器已经大面积地推向了市场。国内武汉大学对磁阀式可控电抗器的研究开展得较早,成功地研制出磁阀式动态无功补偿装置和消弧线圈。国内的电气厂商现在已开始生产基于磁阀式可控电抗器的动态无功补偿装置和消弧线圈。但是磁饱和式可控电抗器(Magnetically Controllable Reactor, MCR)虽然具有功率自动连续平滑调节的特点。但是MCR存在如下缺点:①因为铁心的饱和而使MCR的工作电流中含有很大的谐波成分;②由于直流偏磁的存在,使MCR的电磁惯性大,响应速度慢。


   针对上述情况,俄罗斯学者在20世纪末首先提出了无级连续可控电路式可控电抗器。此电抗器除了具有MCR的优点以外,还具有谐波电流更小、响应速度更快、功率损耗较小等特点,它不仅可以用于电网的无功控制,而且由于响应速度快,也可以用于电网过电压限制和用作快速消弧线圈;另外,在诸如拥有大功率设备的炼钢厂等工厂里,因为负荷功率变化大,无级连续可控电抗器还可以作线路电压的调整和稳定设备。


   国内对无级连续可控电抗器的研究基本上处于刚刚起步的阶段,有关理论和应用方面的研究也很有限,到目前为止,无级连续可控电抗器虽然在电气化铁路动态无功补偿和自动调谐消弧线圈方面得到了很好的应用,但是在其他方面应用的很少,所以对无级连续可控电抗器进行深入和全面的研究很有必要,特别是随着超高压、特高压电网的兴建和发展以及电力负荷变化的日益加剧,无级连续可控电抗器的理论和应用将会有更大的意义。


上海豫程电气有限公司(http://www.yucheng-sh.com)是一家集电抗器, 高压电抗器,高压空心电抗器, 输入输出电抗器,输入输出滤波器产品研发、制造、销售、服务为一体的高科技企业。我公司专业生产各种型号的高低压电抗器及变频器周边配套产品。

新型可控电抗器的研究背景及意义

上海豫程电气有限公司(http://www.yucheng-sh.com)是一家集电抗器, 高压电抗器,高压空心电抗器, 输入输出电抗器,输入输出滤波器产品研发、制造、销售、服务为一体的高科技企业。我公司专业生产各种型号的高低压电抗器及变频器周边配套产品。 高压电抗器种类:干式空心串联电抗器、干式空心限流电抗器、干式空心滤波电抗器、干式铁心串联电抗器、干式铁心起动电抗器。

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