电容式电压互感器的仿真建模及在输电系统中的应用研究

摘要

随着电网复杂程度及调度要求的提高，各种类型的输电系统应运而生。柔性交流输电系统(Flexible Alternating Current Transmission System，简称FACTS)可实现对输送功率的灵活控制，加装无功补偿的特高压输电系统可满足电网对远距离低损耗大容量输电的要求，两种系统应用较多。电容式电压互感器(Capacitor Voltage Transformer，简称CVT)作为测量电压时所必不可少的设备，在两种输电系统中举足轻重。但在谐波含量较高的FACTS系统中，因CVT谐波传变特性规律不明，其测量误差未知;在加装混合无功补偿装置的特高压输电系统中，目前尚未展开线路空载合闸对CVT二次侧过电压方面的研究;在特高压串补平台投切过程中，邻近CVT的瞬态电流及其抑制措施方面的工作也有待完善。本文建立了CVT的谐波传递模型、暂态过电压模型以及高频等效模型，针对其在两种输电系统中应用时所遇到的问题，讨论了相关的应对措施。
　　针对FACTS系统中谐波含量较大而CVT又不能用来测量谐波的问题，本文基于Y-Δ等效变换及传递函数级联方法研究CVT的谐波传递特性，利用MATLAB归纳各种杂散电容及其它主要参数对其谐波特性Bode图的影响规律，最后模拟了FACTS输电线路中CVT对谐波电压的量测。结果表明:低频段Bode图呈现带通特性，受参数影响不大，测量接近真实值，但高频段Bode图因峰值和低谷的存在，20次左右的谐波测量误差较大，实际工程可参考本文得到的Bode图曲线对每一次的测量值进行修正，以便得到较为准确的测量结果。
　　针对特高压输电系统空载合闸时，加装混合无功补偿对CVT二次侧过电压的影响有待研究的问题，本文得到混合无功补偿装置安装与否对线路空载合闸下CVT二次侧过电压及其频域特性的影响规律，依据分段线性化及拉氏变换方法，建立特高压输电线路加装混合无功补偿时CVT的暂态等值拓扑，推导出串补补偿度变化时二次侧空载合闸过电压的振荡频率与衰减系数，并归纳出合闸相角变化下，混合无功补偿补偿度不同时CVT二次侧低频电压、工频分量、过电压峰值及4次谐波电压的变化曲线。结果表明:装有混合无功补偿的特高压输电线路空载合闸时，过电压波形呈拍频特性，工频及四次谐波分量幅值有所降低，低频分量相对较大，出现较小的非振荡分量，高频振荡角频率也随补偿度的增加而增加，二次侧过电压得到了一定程度的抑制，其中串联补偿装置对过电压的抑制最明显。
　　针对特高压串补平台隔离开关投切时所产生的瞬态电流易造成邻近CVT电容分压器损坏的问题，基于矢量匹配法建立CVT的高频等效模型，总结模型中各参数大小的变化对其阻频特性的影响规律，并对比CVT分压电容的高压端端子处串联电感和电阻时对瞬态电流的抑制效果。结果表明:频率高于106Hz时，阻频特性会产生多个谐振点，工程上配置电容分压器宽频等效电路的四个参数时，应综合考虑瞬态电流的抑制效果和测量精度，另外，在CVT分压电容的高压端端子处串联电感或电阻时可有效抑制瞬态电流，其中，保护电阻的抑制效果最好。
　　本文从CVT的稳态、暂态、高频模型三个角度全方位的总结CVT的相关特性，为CVT在FACTS系统及加装补偿的特高压输电系统方面的应用与研究提供了较为完善的理论指导，对CVT在谐波工程及特高压输电工程上的参数优化提供了参考依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 FACTS中的谐波与CVT谐波传变特性

1．2．2 特高压混合无功补偿过电压与CVT暂态特性

1．2．3 串补平台投切与邻近CVT的电磁兼容

1．3 本文主要研究内容

第2章 电容式电压互感器仿真模型的建立

2．1 CVT基本物理结构

2．2 谐波传递模型

2．2．1 CVT谐波传递模型及计算模型

2．2．2 传递函数的级联分析法

2．3 暂态过电压模型

2．3．1 CVT暂态特性简介

2．3．2 分段线性化方法

2．3．3 特高压输电线路模型与CVT暂态分析模型

2．4 高频等效模型

2．4．1 VF拟合原理分析及实例分析

2．4．2 CVT高频等效电路模型

2．5 本章小结

第3章 FACTS系统中CVT谐波传变特性的研究

3．1 杂散电容对CVT谐波传递规律的影响

3．1．1 补偿电抗器杂散电容的影响

3．1．3 二次侧绕组对地杂散电容的影响

3．1．4 一二次侧绕组间耦合电容的影响

3．2 其它元件参数对CVT谐波传递特性的影响

3．2．1 补偿电抗器电阻的影响

3．2．2 励磁支路参数的影响

3．2．3 阻尼电阻的影响

3．3 FACTS输电线路中CVT测量电压模拟

3．4 本章小结

第4章 特高压混合无功补偿线路中CVT暂态过电压的研究

4．1 线路空载合闸时CVT二次侧过电压

4．2 自然频率及衰减系数的理论计算

4．2．1 计算电路的建立

4．2．2 拉氏变换解自然频率与衰减系数

4．3 线路空载下混合无功补偿补偿度及合闸相角对CVT过电压的影响

4．4 本章小结

第5章 串补平台投切时CVT阻频特性及瞬态电流的抑制研究

5．1 分压电容各参数变化时CVT的阻频特性

5．1．1 累积电阻变化

5．1．2 累积电感变化

5．1．3 损耗电阻变化

5．1．4 均压环对地电容变化

5．2 串补平台投切时放电回路的模拟及CVT瞬态电流的抑制

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果