一种超、特高压磁控式可控并联电抗器的动态模拟装置及其方法

摘要

本发明提供了一种超、特高压磁控式可控并联电抗器的动态模拟装置及其方法，能准确模拟500kV、750kV、1000kV输电系统中不同容量的磁控式可控并联电抗器的动态模拟装置。模拟装置本体由三个单相磁控电抗器组成，每个单相电抗器为三柱结构，旁边两个芯柱为工作铁芯，每个工作铁芯上绕有交流主绕组和直流控制线圈，两个铁芯柱上的交流主绕组并联后接至电网。控制绕组与主绕组电气隔离，保证了装置工作的安全性和可靠性。主绕组设置12个匝间短路抽头，可分别从高压侧及中性点侧模拟1％～25％的匝间短路故障，控制绕组设置7个匝间短路抽头，可从中性点侧模拟1％～25％的匝间短路故障。该装置的本体一次侧装设电流互感器和电压互感器，用于满足动态模拟试验中电抗器本体保护的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超、特高压磁控式可控并联电抗器的动态模拟装置及其方法，属于各电压等级电力系统动态模拟系统领域。

背景技术

可控并联电抗器能随线路传输功率的变化而自动调节自身的容量，且能降低线路操作过电压水平，提高电网的运行效益；对系统扰动所引起的动态稳定反应迅速，抑制电压波动，提高系统稳定性，增大输电能力，抑制系统功率振荡。可控并联电抗器在超、特高压输电系统中的应用已成为电力系统发展方向之一。国家电网仿真中心动模实验室，为了进一步提升对超、特高压输电技术的动态模拟仿真能力，扩大对交流输电系统的模拟范围，将超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟方法的研究列入《国家电网仿真中心-动模实验室建设子课题》中。

中国专利申请200620132038.5公开了一种动态模拟实验用的并联电抗器，该并联电抗器为单相的干式电抗器，铁芯结构为双U形铁柱对接的口字形铁芯，双U形铁柱对接处有间隙，铁柱形状为不完全圆柱体。绕组包括4个分绕组，各分绕组有18层，每层23匝；第一分绕组每两层抽一个头，第二和第三分绕组不加中间抽头，第四分绕组在最后23匝处加1个抽头。

专利200620132038.5为固定容量的并联电抗器模拟装置，其容量一经设定在运行过程中不可变化，该装置不能用于进行可控并联电抗器装置本体保护及带有可控并联电抗器装置的线路保护的检验测试工作。

本发明的模拟装置及其方法能够根据系统情况在运行过程中实现手动或自动容量切换控制，并根据线路保护及线路开关操作情况作出相应容量调整，结合本专利中的动态模拟试验方法，能够完成磁控式可控并联电抗器装置本体保护及带有磁控式可控并联电抗器装置的线路保护的检验测试工作。

发明内容

本发明的目的是在参考我国已投运的500kV磁控式可控并联电抗器的结构和功能的基础上，同时考虑未来磁控式可控并联电抗器在750kV及1000kV输电系统中应用的技术情况，研究超、特高压磁控式可控并联电抗器的动态模拟方法，设计能够准确模拟500kV、750kV、1000kV输电系统中不同容量的磁控式可控并联电抗器的动态模拟装置。

本发明的技术方案是一种超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置，包括：单相磁控电抗器、高压侧绕组、中性点小电抗、激磁绕组、整流单元、整流变压器、微机控制器、上位机和真空接触器；其中，

所述模拟装置的本体由三个单相磁控电抗器组成，每个单相磁控电抗器为三柱结构，旁边两个芯柱为工作铁芯，每个工作铁芯上绕有交流主绕组和直流控制线圈，两个铁芯柱上的交流主绕组并联后接至电网；三相磁控电抗器的交流主绕组为Y0星形连接方式，中性点经小电抗接地或直接接地；三相激磁绕组接成双三角形，在三角形的顶点引出直流控制端；激磁绕组与高压侧绕组电气隔离，从而保证模拟装置工作的安全性和可靠性；模拟装置采用外加直流励磁控制电流的模式改变电抗器的输出容量，整流单元由两个晶闸管模块组成单相可控整流回路，由整流变压器将输入的220V交流电转变为36V后接入可控整流回路，同时接入控制器的同步单元，由控制器输出四组控制脉冲至整流单元的晶闸管，通过改变晶闸管的导通角，从而改变励磁电流的大小，整流输出的直流电压直接接可控电抗器的激磁回路注入口；

所述三个单相磁控电抗器的交流主绕组设置12个匝间短路抽头，可分别从高压侧及中性点侧模拟1％～25％的匝间短路故障，所述三个单相磁控电抗器的激磁绕组设置7个匝间短路抽头，可从中性点侧模拟1％～25％的匝间短路故障。

其中，该模拟装置本体一次侧装设电流互感器和电压互感器，用于满足动态模拟试验中电抗器本体保护的需要。

其中，该模拟装置中使用如下技术：

(1)模拟装置最大输出容量控制技术，该技术通过在微机控制器中设置电抗器的的额定运行电压、额定输出电流，间接算出电抗器的最大输出容量来实现的，在实际的运行时，当系统运行电压变化时，电抗器允许输出的最大电流值也将线性变化，即电抗器的最大输出容量值也是在变化的；

(2)按设定值控制输出容量技术，此方式可设定为投入或退出，当投入此方式时，不论可控并联电抗器输出容量为何值，可通过微机控制器设定可控的电抗器的输出容量的大小，可设范围为0～100％额定容量，当设定完成后，微机控制器自动控制可控电抗器将输出容量调整为该设定值，还可通过调整增加控制角度、减小控制角度按钮手动调整电抗器的输出容量；

(3)按线路电压目标控制输出容量技术，此方式可设定为投入或退出，当投入此方式时，可通过微机控制器设定线路的目标电压值，微机控制器自动调节可控电抗器的输出容量，尽量维持线路电压在设定的目标值，如果电抗器已经输出了最大的容量值，线路电压依然高于目标值，电抗器也不再增加励磁电流，如果电抗器已经将控制励磁电流减小到0，线路电压依然低于目标值，电抗器也不再调整励磁电流的大小；

(4)按线路潮流目标控制输出容量技术，此方式可设定为投入或退出，当投入此方式时，可通过微机控制器设定线路的无功功率值，微机控制器自动调节可控电抗器的输出容量，尽量维持线路无功在设定的目标值；

(5)根据开关量状态进行特殊控制技术，当系统发生故障后保护出口、线路开关动作后，可控电抗器快速调整输出容量到预先设定的值，该设定值可通过微机控制器更改设定，当开关信号复位后，电抗器恢复到之前的运行模式继续工作，该模式要求与第(2)、(3)、(4)种控制模式叠加使用，当保护设置为“0”时，不考虑保护出口开关量的变位，只有当保护功能设置为“1”时，该保护功能有效，动态模拟装置结合不同电压等级的动态模拟仿真系统，实现对500kV、750kV及1000kV输电系统中磁控式可控并联电抗器的动态模拟。

本发明还提供了一种使用上述超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据模拟电压等级进行超、特高压磁控式可控并联电抗器装置的动态模拟装置的参数设计：

当应用于500kV输电线路时，实际系统中可控并联电抗器TA变比k_I.r，TV变比k_U.r；实验室动模系统可控并联电抗器选取TA变比k_I.m，TV变比k_U.m，则实际系统中可控并联电抗器与实验室动态模拟装置的容量比为：

$k_M=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}---(4-1),$

模拟实际系统中容量为X的可控并联电抗器，实验室动态模拟装置容量为：

M_m＝X/k_M          (4-2)；

当用于模拟750kV输电线路中的可控并联电抗器时，实际系统中可控并联电抗器TA变比k_I.r，TV变比k_U.r；实验室动模系统可控并联电抗器选取TA变比k_I.m，TV变比k_U.m，则实际系统中可控并联电抗器与实验室动态模拟装置的容量比为：

${k_M}^{\prime }=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}---(4-3),$

则动态模拟装置最大可模拟的750kV可控并联电抗器额定容量为：

M_r′＝M_m×k_M′           (4-4)；

当用于模拟1000kV输电线路中的可控并联电抗器时，实际系统中可控并联电抗器TA变比k_I.r，TV变比k_U.r；实验室动模系统可控并联电抗器选取TA变比k_I.m，TV变比k_U.m，则实际系统中可控并联电抗器与实验室动态模拟装置的容量比为：

${k_M}^{\prime \prime }=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}---(4-5);$

最大可模拟1000kV可控并联电抗器的容量为：

M_r″＝M_m×k_M″............................(4-6)；

(2)设计系统模型

模型中采用发电机来模拟线路一侧等值电厂，采用等值电源模拟线路另一侧的等值系统，可控并联电抗器的动态模拟装置及本体保护安装于线路的一侧，线路保护安装于线路两侧，试验线路的两端和中间共设置4个故障点，每一个故障点都用于模拟各种类型的金属性或经过渡电阻短路的故障，可控并联电抗器动态模拟装置的一次侧设置一个故障点，用于模拟不同范围的匝间短路，线路的电压、电流信号通过模拟电容式电压互感器和模拟电磁式电流互感器传送给线路保护装置，然后进行的模拟试验项目包括：

(a)进行可控并联电抗器装置手动容量控制测试，手动设置可控并联电抗器装置的输出容量，监测输出容量是否可以跟踪设定容量；

(b)进行可控并联电抗器装置自动容量控制测试，将可控并联电抗器装置设定为自动控制模式，调节线路电压及系统输送的有功、无功功率，监测可控并联电抗器装置的调节控制过程是否正确；

(c)进行可控并联电抗器装置的保护掉电、恢复试验，断开可控并联电抗器装置保护的直流电源，监测可控并联电抗器装置在保护掉电过程中的工作状态；投入断开的直流电源，监测可控并联电抗器装置在保护系统恢复直流电源过程中的工作状态；

(d)进行线路上金属性瞬时故障试验，模拟金属性瞬时单相接地、两相接地、两相短路、三相接地及三相短路试验；

(e)进行线路上发展性故障试验，模拟保护区内同一故障点经不同时间由单相接地故障发展成为两相接地故障、被保护线路出口与相邻线出口异名相之间经不同时间相继发生单相接地故障的发展性故障，可控并联电抗器装置匝间与线路同名相间经不同时间

相继发生故障的发展性故障，相继发生故障的时间间隔分别为0～200ms；

(f)进行线路上过渡电阻故障试验，模拟经不同阻值过渡电阻的区内单相接地故障、区内相间短路故障以及区外相间短路故障；

(g)进行系统稳定破坏试验，模拟系统静稳定破坏及动稳定破坏引起的全相振荡、线路开关单相偷跳及单相故障后保护动作跳开单相后的非全相振荡过程，以及在全相和非全相振荡过程中的区内、外故障；

(h)进行手合空线及手合故障试验，将可控并联电抗器装置的模拟装置的输出容量设定为额定值，模拟手合空线及手合于各种类型的故障；

(i)进行断线试验，模拟一侧TV、TA二次回路断线，及断线后区内外各种故障；

(j)进行TA饱和试验，模拟保护线路区外故障导致TA不同程度的饱和，模拟区内故障导致TA不同程度的饱和；

(k)进行暂态超越试验，仅对线路距离保护进行测试，分别将保护装置的阻抗定值整定为保护区的105％和95％，模拟保护区末端不同故障时刻的各种金属性故障；

(l)进行可控并联电抗器装置匝间短路试验，动态模拟装置一次侧不同匝数的匝间短路故障；

(m)进行系统频率偏移试验，系统频率在48Hz、52Hz时，模拟区内外金属性故障。

本发明的有益效果在于：

1、通过独特的设计，可以完成对不同电压等级不同容量的磁控式可控并联电抗器的动态模拟。

2、匝间短路抽头及电压、电流互感器的设置，结合多种控制技术，既可满足磁控式可控并联电抗器本体保护的试验研究需求，也可满足带有磁控式可控并联电抗器的输电系统的研究要求。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是依据本发明的超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的接线示意图。

图2是依据本发明的超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的铁芯结构示意图。

图3是依据本发明的超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的微机控制器背板结构。

图4是依据本发明的超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的控制原理图。

具体实施方式

1、根据国家电网仿真中心动模实验室500kV、750kV、1000kV动态模拟系统的模拟容量比，

进行超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的参数设计。

考虑应用于500kV输电线路的情况，实际系统中可控并联电抗器TA变比k_I.r＝500/1，TV变比k_U.r＝500/0.1；实验室动模系统可控并联电抗器选取TA变比k_I.m＝2/1，TV变比k_U.m＝1.5/0.1，则实际系统中可控并联电抗器与实验室动态模拟装置的容量比为：

$k_M=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}=\frac{500\times 500}{2\times 15}=83333.3...\left(1\right)$

模拟实际系统中容量为180Mvar的可控并联电抗器，实验室动态模拟装置容量为：

M_m＝180Mvar/83333.3＝2.16Kvar...................(2)

当用于模拟750kV输电线路中可控并联电抗器时，实际系统中可控并联电抗器TA变比k_I.r＝800/1，TV变比k_U.r＝750/0.1；实验室动模系统可控并联电抗器选取TA变比k_I.m＝2/1，TV变比k_U.m＝1.5/0.1，则实际系统中可控并联电抗器与实验室动态模拟装置的容量比为：

${k_M}^{\prime }=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}=\frac{800\times 7500}{2\times 15}=200000...\left(3\right)$

则动态模拟装置最大可模拟的750kV可控并联电抗器额定容量为：

M_r′＝2.16Kvar×200000＝432Mvar...................(4)

当用于模拟1000kV输电线路中可控并联电抗器时，实际系统中可控并联电抗器TA变比k_I.r＝1000/1，TV变比k_U.r＝1000/0.1；实验室动模系统可控并联电抗器选取TA变比k_I.m＝2/1，TV变比k_U.m＝1.5/0.1，则实际系统中可控并联电抗器与实验室动态模拟装置的容量比为：

${k_M}^{\prime \prime }=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}=\frac{1000\times 10000}{2\times 15}=333333.3...\left(5\right)$

最大可模拟1000kV可控并联电抗器的容量为：

M_r″＝2.16Kvar×333333.3＝720Mvar...................(6)

2、参考实际工程及研究需要，进行超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的本体结构及控制系统设计。

图1是依据本发明的超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的接线示意图，共由8部分组成：1、高压侧绕组，2、中性点小电抗，3、激磁绕组，4、整流单元，5、整流变压器，6、微机控制器，7、上位机，8、真空接触器。附图中TV1为电压互感器，LH1～LH8为电流互感器。

动态模拟装置额定容量2.16Kvar(单相容量0.72Kvar)，短路阻抗百分比为63％，根据实验室动态模拟系统实际情况，一次侧额定电压二次侧(控制绕组)额定电压220V，电抗器的容量调节范围为0～100％。

动态模拟装置本体由三个单相磁控电抗器组成，每个单相电抗器为三柱结构，旁边两个心柱为工作铁芯，每个工作铁心上绕有交流主绕组和直流控制线圈，两个铁心柱上的交流主绕组并联后接至电网。三相磁控电抗器组的交流主绕组为Y0星形连接方式，中性点直接接地。动态模拟装置采用外加直流励磁控制电流的模式改变电抗器的输出容量，直流激磁单元由两个晶闸管模块组成单相可控整流回路，由激磁变压器将输入的220V交流电变为36V后接入可控整流回路，同时接入控制器的同步单元，由控制器输出四组控制脉冲，经脉冲变压器隔离后接到晶闸管的控制端，整流输出直流电压直接接可控电抗器的励磁回路注入口。通过改变晶闸管的导通角，从而改变励磁电流的大小。

图2是依据本发明的超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的铁芯结构示意图，每个单相电抗器为三柱结构，旁边两个芯柱为工作铁芯，每个工作铁芯上绕有交流主绕组和直流控制线圈，两个铁芯柱上的交流主绕组并联后接至电网。

具体设计参数如下：

(1)铁芯

动态模拟装置铁芯结构为三柱式，

主铁芯直径(圆形)：D＝100(mm)

主(大)铁芯截面积面积：

A＝69.94(cm²)

小截面积：$A_s=\frac{69.94}{3}=23.32\left({\mathrm{cm}}^2\right)$

上、下轭截面积(圆形)：A_e＝69.94(cm²)

中间柱截面积(方形)：$A_p=\frac{2\times 69.94}{3}=46.63\left({\mathrm{cm}}^2\right)$

(2)线圈

主线圈

一次电流：$I=\frac{720}{1500/\sqrt{3}}=0.8314\left(A\right)$

线圈匝数：N＝1010(匝)

控制线圈：

N_k＝256(匝)

铁芯磁阀小截面长度：

l_t＝1.5(mm)

为检验磁控式可控并联电抗器故障情况时的特性，模拟磁控电抗器主绕组设置12个抽头，其主要用于做匝间短路试验。从中性点起抽头的位置依次为：0、1％、3％、6％、10％、15％、25％、50％、75％、90％、94％、97％、99％、100％，抽头设置便于与外部电缆连接。控制绕组设置7个抽头，抽头为与一次侧对应的1％、3％、6％、10％、25％、50％、75％、100％。

动态模拟装置本体一次侧装设用于保护装置使用的电流互感器和电压互感器。其中一次侧TA变比为2∶1，一次侧TV变比为1500∶100。

图3是依据本发明的超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的微机控制器背板结构，由七块背插板组成，分别为备用板F，主控制板A、I号传感器板C、II号传感器D、开入开出板B、电源板E、备用板G。电源板上有两个开关分别为控制器工作电源开关及控制脉冲输出的+24V电源开关。

I号传感器板测量系统的三相电压、三相电流、并计算系统有功、无功值等，由点对点的通讯模式将结果传输给主控制板的CPU；II号传感器板测量电抗器输出的三相一次电流，及注入的励磁电流的大小，同样通过点对点的通讯传输给主控板的CPU；开入开出板用于检测各种开关量的信息，并通过G6B继电器输出控制的状态信息的物理节点；主控制板上输出脉冲控制信号，控制励磁单元的输出电流的大小，从而控制电抗器的输出容量。

图4是依据本发明的超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的控制原理图，电抗器的微机控制器控制脉冲信号M0，M1，M2分别接晶闸管控制箱的相应端子，晶闸管控制箱的输出直接接电抗器的注入端口，控制激磁电流的大小。

3、研究确定超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置与不同电压等级的动态模拟系统相接合的仿真试验方法。

(1)根据特定电压等级搭建由模拟输电线路、模拟变压器、模拟发电机、模拟电源、模拟负荷组成的动态模拟仿真系统。

(2)根据输电线路参数及对容性无功的补偿度计算所需并联电抗器的额定容量。

(3)通过控制装置设定超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置的最大输出容量、容量调节方式及线路故障时的瞬间调节容量。

(4)动态模拟仿真系统通电，通过控制装置闭合交流接触器，将装置投入运行，进行系统电压控制。

(5)模拟输电线路故障，考核线路保护动作情况。

(6)模拟超、特高压磁控式可控并联电抗器动态模拟装置匝间短路故障，考核可控电抗器本体保护动作情况。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。