特高压磁控式并联电抗器内部故障仿真建模研究

摘要

磁控式并联电抗器(MCSR)作为超特高压电网十分重要的无功补偿设备，具有平滑调节容量，消除操作过电压和潜供电流的作用，同时，MCSR的稳定运行关乎整个电网的电压和潮流的稳定性，因此有必要展开深入地研究。MCSR本体结构复杂，且工作于交直流混合作用的饱和状态下，其精确的数学模型构建及内部故障分析更为复杂，国内外鲜有文献提及。本文以MCSR为研究核心，围绕其基本工作原理及建模方法、Ansoft有限元建模及稳态分析、控制绕组新结构和内部故障仿真分析以及合闸暂态问题4个核心问题展开研究。
　　本文首先详细介绍了超特高压MCSR的基本工作原理，基于网侧绕组同极性串联、控制绕组采用“两串三并”接线、补偿绕组三角形接线的结构，利用磁路分解法构建MCSR数学模型。但此方法因忽略铁芯旁轭并采用理想变压器等效替代，导致精度较低且无法准确模拟MCSR内部故障，故提出有限元分析方法及Ansoft Maxwell软件搭建MCSR本体结构模型的新想法。
　　基于一台500VMCSR低压物理模型，利用Ansoft Maxwell软件搭建MCSR二维有限元模型，采用外电路编辑器作为有限元模型的激励源，仿真验证了MCSR在交直流单独作用以及三种工作容量下的工作特性。分析发现MCSR达到额定容量运行时，铁芯工作点达到半周期位于饱和区内，且左右芯柱交替饱和，调节效果良好。基于目前采用的控制绕组结构存在MCSR发生故障或者合闸时无法准确反映直流母线过电压问题，本文提出整流装置外加并联电阻、二极管和开关的控制绕组新结构，并以此结构为基准，提出了绕组拆分法，针对MCSR内部发生网侧匝间、匝地，控制侧匝间、匝地故障分别修正了有限元和外电路模型;仿真发现四种内部故障下，总控电流（控制绕组三相电流之和）和直流母线对地电压由于叠加了交流分量而明显增大，有利于保护配置，同时铁芯左右芯柱磁通不再对称，总体不影响MCSR工作性能，但对于MCSR的安全稳定性造成严重影响。因此，Ansoft有限元分析可以深入研究MCSR的内部故障，解决其它建模方法无法精确建模的问题。
　　最后本文深入分析并比较了MCSR直接合闸和带预励合闸的涌流和直流母线交流过电压问题。基于理论推导，利用Ansoft修正合闸问题的外电路模型，仿真指出了MCSR带预励磁合闸有助于减小合闸涌流和直流母线过电压，并通过动模实验予以验证，结果也说明了采用Ansoft Maxwell有限元分析的精确性及适用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 可控并联电抗器的研究现状

1．2．1 可控电抗器的分类

1．2．2 可控电抗器电磁暂态仿真建模方法

1．3 本文的主要研究内容

2．1 引言

2．2 MCSR基本工作原理

2．3 MCSR传统数学模型构建

2．4 有限元分析方法及Ansoft Maxwell软件介绍

2．4．1 有限元分析方法简介

2．4．2 有限元在电磁场中的应用

2．4．3 Ansoft Maxwell软件介绍

2．5 本章小结

第3章 MCSR有限元仿真模型构建及稳态运行分析

3．1 引言

3．2 MCSR有限元建模

3．2．1 MCSR的本体结构参数

3．2．2 MCSR的Ansoft模型构建步骤

3．2．3 MCSR的Ansoft外电路部分

3．3 MCSR交直流单独作用时工作情况

3．4 MCSR不同容量工作特点分析比较

3．4．1 MCSR10％容量工作情况仿真分析

3．4．2 MCSR50％容量工作情况仿真分析

3．4．3 MCSR100％容量工作情况仿真分析

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2．1 理论分析

4．2．2 仿真验证

4．3 MCSR内部故障模型修正-绕组拆分法

4．3．1 匝地故障模型

4．3．2 匝间故障模型

4．4 网侧绕组匝地故障仿真分析

4．4．1 仿真模型

4．4．2 仿真结果

4．5 控制绕组匝地故障仿真分析

4．5．1 仿真模型

4．5．2 仿真结果

4．6 网侧绕组匝间故障仿真分析

4．6．1 仿真模型

4．6．2 仿真结果

4．7 控制绕组匝间故障仿真分析

4．7．1 仿真模型

4．7．2 仿真结果

4．8 本章小结

第5章 MCSR合闸问题研究及动模实验验证

5．1 引言

5．2 MCSR合闸暂态过程理论分析

5．2．1 直接合闸分析

5．2．2 带预励磁合闸分析

5．3 MCSR合闸暂态过程的有限元仿真

5．3．1 合闸过程仿真的外电路实现

5．3．2 两种合闸方式的仿真比较

5．4 MCSR动模实验验证

5．4．1 动模实验参数

5．4．2 动模实验与有限元仿真结果对比分析

5．5 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢