采用串联公共电抗器配置的分级式可控并联电抗器装置

摘要

本发明提出一种采用串联公共电抗器配置的分级式可控并联电抗器装置。该装置本体采用变压器结构，可根据需求采用高短路阻抗结构形式或普通变压器外接电抗器形式。该装置的高压侧绕组三相接成“Y”型。该装置的低压侧三相结构完全相同，低压侧各相的辅助电抗器分别串联，接于低压侧绕组的首、末端之间；各容量级的阀组、各容量级的旁路断路器首端分别与各辅助电抗器首端相连，各容量级阀组末端接地，各容量级旁路断路器末端短接后经公共串联电抗器接地。该装置在某一容量级稳态运行时由断路器承担长期运行电流，晶闸管阀不需长时间工作。由于辅助电抗器和串联公共电抗器的分压作用，容量调节采用晶闸管阀电流过零投切的方式，断路器不需开合电流。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统无功补偿领域，尤其涉及一种采用串联公共电抗器配置的分级式可控并联电抗器装置。

背景技术

根据国家可再生能源发展规划，西北地区将沿河西走廊建设千万千瓦级风电基地，其远离负荷中心，大规模风电并网情况下风电的高效经济送出和电网的安全稳定运行已经成为制约西北地区风电发展的两大技术难题。风力发电具有间歇性、波动性和随机性的特点。风电场出力变化较大，风电功率波动使西北750kV输电通道上无功波动频繁，无功电压控制困难并导致了电压稳定问题，增加了西北电网调度运行的难度，限制过电压和无功补偿矛盾突出。

特高压输电线路巨大的容性充电功率、剧烈的潮流变化以及有限的绝缘裕度给系统的无功调节、过电压抑制提出了较高的要求，存在限制过电压和无功调节之间矛盾难以协调的问题。

可控并联电抗器作为提高系统调控灵活性的有效手段，可有效解决750kV风电送出通道以及特高压输电线路无功补偿和电压控制的问题，提高电压稳定性水平和暂态运行极限，降低线路输送损耗，平衡无功分布，并可以有效减轻调度运行的压力，是实现750kV以及特高压输电通道高效经济运行的重要工具。

可控并联电抗器主要包括磁控式可控并联电抗器(Magnetically Controlled Shunt Reactor，MCSR)、分级式可控并联电抗器(Stepped Controlled Shunt Reactor，SCSR)以及晶闸管控制变压器(Thyristor Controlled Transformer，TCT)型可控并联电抗器三种结构形式。其中，分级式可控并联电抗器具有控制方式简单、调节响应速度快、运行安全稳定等诸多优点。

目前，在我国750kV输电系统和特高压输电系统中还没有可控并联电抗器装置投入使用。国内外也没有本发明提出的串联公共电抗器配置的分级式可控并联电抗器装置投入超高压/特高压电网应用。

发明内容

本发明的目的是：提供一种采用串联公共电抗器配置的可控并联电抗器装置，解决我国750kV风电送出通道以及特高压输电线路无功补偿和限制过电压之间的矛盾，提高电压稳定性水平和暂态运行极限，降低线路输送损耗，平衡无功分布，减轻调度运行的压力，并配合中性点电抗器限制潜供电流。且断路器不需开断感性电流，延长了断路器的使用年限。

本发明给出了一种适用于750kV和特高压系统的采用串联公共电抗配置的可控并联电抗器装置，其本体采用变压器结构，根据需求可采用高短路阻抗形式，即通过加大变压器的漏抗，将变压器和电抗器合于一体，或采用普通变压器再外接电抗器的形式。三相高压侧绕组接成“Y”型，直接接到高压电网上，中性点短接后经电抗器接地。三相低压侧绕组首端分别经套管引出，低压侧绕组末端直接接地，在低压绕组上配置晶闸管阀、辅助电抗器、断路器和串联公共电抗器。各相的辅助电抗器分别串联，接于低压侧绕组的首、末端之间；各容量级阀组、各容量级旁路断路器首端分别与各辅助电抗器首端相连，各容量级阀组末端接地，各容量级旁路断路器末端短接后经公共串联电抗器接地。

采用串联公共电抗器配置的分级式可控并联电抗器分别工作于额定容量的不同等级，实现对一次系统所需无功的补偿。辅助电抗器和公共串联电抗器的分压为相应的晶闸管阀提供了取能和开通电压，使得容量的切换过程完全通过晶闸管阀电流过零投切实现。在容量从小到大切换时，由于辅助电抗器的分压作用，晶闸管阀在电流过零点触发导通，对系统无冲击，随后断路器闭合承担长期工作电流；在容量从大到小切换时，由于公共串联电抗的作用，晶闸管满足取能电压条件可以导通工作，把电流转移到晶闸管，由晶闸管开断电流，断路器只是机械开合，有效延长断路器使用寿命。当各种故障发生时，该可控并联电抗器可以快速调至100％容量，达到限制工频过电压，抑制潜供电流的目的，特别适用于运行方式频繁调节750kV电网和特高压输电系统。

本发明提出的一种采用串联公共电抗器配置的分级式可控并联电抗器装置，可控并联电抗器本体采用变压器结构，采用高短路阻抗结构形式构成，即通过加大变压器的漏抗，将变压器和电抗器合于一体构成，或采用普通变压器外接电抗器形式。

本发明的可控并联电抗器装置，包括可控并联电抗器本体、辅助电抗器、公共串联电抗器、晶闸管阀组和旁路断路器，其中所述可控并联电抗器的高压侧绕组三相接成“Y”型，直接接到高压电网上，高压侧绕组的中性点短接后经电抗器接地；所述可控并联电抗器的低压侧三相结构完全相同，三相低压侧绕组首端分别经套管引出，低压侧绕组末端直接接地；各相的辅助电抗器分别串联，接于低压侧绕组的首、末端之间；各容量级的阀组、各容量级的旁路断路器首端分别与各辅助电抗器首端相连，各容量级阀组末端接地，各容量级旁路断路器末端短接后经公共串联电抗器接地。

其中，由旁路断路器承担长期运行电流，晶闸管阀短时工作，容量调节采用晶闸管阀电流过零投切的方式；由于辅助电抗器和串联公共电抗器的分压作用，为相应晶闸管阀提供取能和开通电压，从而使容量分级调节过程完全依靠晶闸管阀电流过零投切的方式完成，断路器不需开合电流；在某一容量级稳态运行时，由断路器承担长期运行电流，晶闸管阀不需长时间工作；在系统发生暂态故障时，控制相应的晶闸管阀或关合断路器使输出迅速达到最大输出容量，有效抑制工频过电压和操作过电压。

本发明的有益效果是：

①采用串联公共电抗配置的分级式可控并联电抗器，调节方式简单，响应速度快，检修方便，可有效解决限制过电压和无功补偿之间的矛盾，并配合中性点电抗器限制潜供电流；

②辅助电抗器和公共串联电抗器的分压为相应的晶闸管阀提供了取能和开通电压，使得容量的切换过程完全通过晶闸管阀电流过零投切实现，断路器不需开断电流，延长了断路器使用年限，对系统不会造成冲击，并避免了分级调节过程中瞬间容量跌落的问题；

③由断路器承担长期运行电流，晶闸管阀短时工作，可采用空气自然冷却的方式，有效降低了成本，减小了维护工作量。

技术的新颖性：

西北750kV风电外送通道和1000kV特高压输电系统具有电压等级高、充电无功大、限制过电压和无功补偿矛盾突出、无功电压控制难度大等问题，目前还没有可控并联电抗器装置投入使用。本发明提供的采用串联公共电抗配置的可控并联电抗器装置适用于无功电压波动频繁的750kV风电外送通道和1000kV输电系统。此外，目前在超高压输电系统(500kV和330kV输电系统)中也没有本发明提供的采用串联公共电抗配置的分级式可控并联电抗器装置投入应用。

技术的创造性：

(1)所提出的采用串联公共电抗配置的分级式可控并联电抗器装置本体采用变压器结构，根据需求可设计为高短路阻抗形式或普通变压器外接电抗器形式。采用串联公共电抗器的配置，辅助电抗器和公共串联电抗器的分压为相应的晶闸管阀提供了取能和开通电压，使得容量的切换过程完全通过晶闸管阀电流过零投切实现，避免了采用断路器开断感性电流，有效延长了断路器使用年限。目前国内、外投入工程应用的可控并联电抗器没有采用此种结构形式。

(2)与目前国内、外已投运的唯一1台分级式可控并联电抗器——忻州500kV分级式可控并联电抗器装置相比：所提出的采用串联公共电抗配置的分级式可控并联电抗器装置在容量分级调节时，由于串联公共电抗器的分压为晶闸管阀提供取能和开通电压，因此可由晶闸管阀电流过零投切开通和关断电流，断路器不需开合电流，延长了断路器使用年限，并避免了分级调节过程中瞬间容量跌落的问题。

技术的实用性：

(1)所提出的采用串联公共电抗配置的分级式可控并联电抗器装置，采用串联公共电抗器的配置使得容量的切换过程完全通过晶闸管阀电流过零投切实现：

①在容量从小到大切换时，晶闸管阀采取过零投切的方式，对系统无冲击。在晶闸管阀导通后，断路器闭合承担长期工作电流，晶闸管阀短时工作，可采用空气自然冷却的方式，有效降低了成本，减小了维护工作量；

②在容量从大到小切换时，由于串联的公共电抗器的分压作用，晶闸管阀基电子单元(VBE)满足取能要求，可以保证阀正常触发导通。通过晶闸管阀过零切换的方式，避免了断路器开断感性电流，有效延长了断路器使用年限；

(2)西北750kV输电通道和特高压输电系统无功波动频繁，无功电压控制困难，对可控并联电抗器的调节频度要求很高。所提出的采用串联公共电抗配置的分级式可控并联电抗器装置，适合于频繁调节，特别适用于西北750kV输电通道和特高压输电系统，有较好的工程实用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是采用串联公共电抗器配置的分级式可控并联电抗器装置一种典型接线的原理图。

具体实施方式

采用串联公共电抗器配置的分级式可控并联电抗器装置本体采用变压器结构，具体根据需求可采用高短路阻抗结构形式构成，即通过加大变压器的漏抗，将变压器和电抗器合于一体构成，或普通变压器外接电抗器形式。具有母线可控并联电抗器和线路可控并联电抗器两种工作方式，可在稳态情形下和暂态情形下实现无功容量的调节。

容量的分级调节采用晶闸管阀电流过零投切的方式，可分多级，根据分级数来确定晶闸管阀数量。图1以等分4级容量(25％、50％、75％、100％4个容量级)为例，示出了等分4级容量时的三相主接线图。具体形式包括变压器型主电抗器和辅助电抗器，高压侧绕组三相接成“Y”型，直接接到高压电网上，中性点短接后经小电抗接地。低压侧三相结构完全相同，低压侧绕组首端分别经套管引出，低压侧绕组末端直接接地，在低压绕组上配置晶闸管阀、辅助电抗器、断路器和串联公共电抗器。各相的辅助电抗器分别串联，接于低压侧绕组的首、末端之间；各容量级阀组、各容量级旁路断路器首端分别于各辅助电抗器首端相连，各容量级阀组末端接地，各容量级旁路断路器末端短接后经公共串联电抗器接地。以图1中的b相为例进行说明：辅助电抗器Xb1、Xb2、Xb3串联后与二次绕组并联，接于公共端点b、y上，Xb1与Xb2间的结点为1b，Xb2和Xb3间的结点为2b，晶闸管阀Tk1、Tk2、Tk3的一端分别接在b、1b、2b上，另一端短接后接在y结点；三个断路器的一端分别接在b、1b、2b上，另一端短接后串联一个公共电抗器Xb接在y结点。

对于装置无功容量的调节采用晶闸管阀电流过零投切的方式，可分多级，可根据分级数来确定复合开关数量，以4级为例来说明工作原理，装置分25％、50％、75％、100％四个等级，每相的晶闸管阀为Tk1，Tk2，Tk3(k可为a，b，c)。触发阀Tk1，SCSR工作在100％容量级；触发阀Tk2，SCSR工作在75％容量级；仅触发Tk3，SCSR工作在50％容量级；三组阀均不触发，SCSR可工作在25％容量级。装置容量与晶闸管阀组对应关系如表1所示。

表1投切容量控制表

其中，×——表示断开，○——表示导通。

装置容量的分级调节过程通过控制相应晶闸管阀电流过零投切的方式实现，下面以b相为例具体阐述容量的切换过程：

①在容量从小到大切换时，由于辅助电抗器的分压作用为较大容量晶闸管阀提供取能和开通电压，因此晶闸管阀可采用电流过零投切的方式完成容量的分级调节，随后该级晶闸管阀对应的断路器闭合，承担长期运行电流；

②在容量从大到小切换时，公共电抗器的分压作用，可以为较小容量级晶闸管阀提供取能和开通电压。以图1中装置由100％容量级向75％容量级切换为例，断路器Db1、Db2和Db3处于闭合状态，公共电抗器Xb的分压作用为晶闸管阀Tb1提供取能和开通电压，将Db1上的工作电流转移到Tb1上，随后打开断路器Db1，然后闭锁晶闸管阀Tb1，在电流过零点完成关断，由闭合的断路器Db2承担长期运行电流；

③当系统发生故障时，晶闸管阀Tb1开通，使可控并联电抗器迅速达100％输出容量。当可控并联电抗器本体高压侧发生近区故障时，阀基电子单元(VBE)无法有效取能，对应的阀组不能触发开通，此时可通过关合旁路断路器Db1的方式，将输出容量调至100％，有效抑制工频过电压和操作过电压；

④由于装置基本为纯感性元件，流过晶闸管阀的电流过零点与晶闸管阀两端电压峰值点基本重合，因此可通过检测晶闸管阀两端电压的峰值点来确定电流的过零点。

采用串联公共电抗配置的分级式可控并联电抗器装置调节方式简单，暂态调节响应速度较快，断路器寿命长，晶闸管阀可采用空气自然冷却方式，成本小，适合应用于需要可控电抗器容量频繁调节的750kV和特高压输电系统。

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。