CN102074960A - 采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置，其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。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；三相低压侧结构完全相同，低压侧各相绕组的首、末端之间连接有晶闸管阀、容量配置电抗器、断路器串联电抗器和断路器；各晶闸管阀组采用串联结构形式，并分别与相应的容量配置电抗器并联。由于容量配置电抗器的分压为晶闸管阀提供取能和开通电压，因此晶闸管阀的控制方式可采用电流过零投切或相位控制两种方式，满足系统无功补偿的不同要求。

Description

采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置

技术领域

本发明属于电力系统无功补偿领域，尤其涉及一种采用阀串联型配置的晶闸管阀控型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。

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采用阀串联配置的晶闸管阀控型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：提供一种采用阀串联型配置的晶闸管阀控型分级式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。

本发明提供了采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置。本装置特别适合于容量调节频繁的750kV电网和特高压系统。

提供的一种采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置，其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。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。低压侧首、末端之间配置晶闸管阀、容量配置电抗器、断路器串联电抗器、旁路断路器。各晶闸管阀组采用串联结构形式，并分别与相应的容量配置电抗器并联。旁路断路器与断路器串联电抗器串联，配置于低压侧绕组首、末端之间。

装置无功输出和容量调节通过控制晶闸管阀的导通情况实现。根据系统无功补偿的不同需求，晶闸管阀的控制方式可采用电流过零投切或相位控制两种方式。

当采用晶闸管阀电流过零投切方式时，由于容量配置电抗器的分压作用为相应晶闸管阀提供取能和开通电压，因此通过控制相应晶闸管阀电流过零实现输出容量的分级调节，对系统无冲击；在系统发生暂态故障时，控制所有晶闸管阀在电流过零时快速投切导通或关合旁路断路器使输出迅速达到最大输出容量，可有效抑制工频过电压和操作过电压。

当采用晶闸管阀相位控制的方式时，容量配置电抗器的分压作用为相应晶闸管阀提供取能和开通电压。通过控制晶闸管阀的导通角，实现输出无功功率的平滑、快速调节；在系统发生暂态故障时，控制各晶闸管阀的导通角或关合旁路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采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器，特别适合于频繁调节的超/特高压输电系统，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采用各晶闸管阀串联并分别与相应的容量配置电抗器并联的结构形式，容量配置电抗器的分压作用为相应晶闸管阀提供取能和开通电压，因此装置无功输出和容量调节可通过控制晶闸管阀的导通实现；

③容量调节过程可选择采用晶闸管阀电流过零投切或相位控制的方式。选用晶闸管阀过零投切的方式时，调节方式简单，响应迅速，对系统无冲击。选用晶闸管阀相位控制方式时，通过控制晶闸管阀的导通角，实现输出无功功率的快速、平滑调节；

④整个稳态调节过程没有断路器参与，完全依靠晶闸管阀完成，频繁调节不影响断路器的使用寿命。暂态控制由晶闸管阀或断路器实现，响应迅速，可有效限制工频过电压和操作过电压。

技术的新颖性：

两北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。本发明提供的采用阀串联型配置的晶闸管阀控型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阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置投入应用。

技术的创造性：

(1)本发明提供的采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器采用各晶闸管阀相串联的结构形式，各晶闸管阀端间并联有容量配置电抗器。由于容量配置电抗器的分压作用，可为并联的晶闸管阀提供取能和开通电压，因此装置容量的调节完全通过控制晶闸管阀导通实现。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)晶闸管阀的控制方式可根据需求采用电流过零投切或相位控制。当采用晶闸管阀电流过零投切方式时，容量分级调节过程完全依靠晶闸管阀电流过零投切完成，响应速度快，对系统无冲击；当采用晶闸管阀相位控制方式时，通过控制晶闸管阀的导通角，实现输出无功功率的快速、平滑调节。整个容量调节过程不需要断路器参与，适合于频繁调节的场合。

(3)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：所提出的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置的晶闸管阀根据系统无功补偿的不同要求可选择采用过零投切或相位控制两种方式；容量调节过程完全依靠控制晶闸管阀导通情况实现，响应速度可达10ms，避免了忻州装置的容量分级调节过程中出现的瞬间容量跌落现象，解决了采用断路器不能实现容量频繁调节的问题。

技术的实用性：

(1)所提出的采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置，容量配置电抗器的分压作用为并联的晶闸管阀提供取能和开通电压，装置容量的调节完全通过控制晶闸管阀实现。根据无功补偿的不同需求，晶闸管阀的控制方式可采用电流过零投切或相位控制：

①当采用晶闸管阀电流过零投切方式时，容量分级调节过程完全依靠晶闸管阀电流过零投切完成，响应速度快，对系统无冲击；

②当采用晶闸管阀相位控制方式时，通过控制晶闸管阀的导通角，实现输出无功功率的快速、平滑调节；

(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。所提出的采用阀串联型配置的晶闸管阀控型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。

附图1是采用阀串联型配置的晶闸管阀控型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

本发明提供的采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器可用作线路可控并联电抗器和母线可控并联电抗器两种工作方式。用作线路可控并联电抗器时，可吸收输电线路的容性充电功率，限制工频过电压和操作过电压，抑制潜供电流，提高线路输送能力和系统稳定性；用作母线可控并联电抗器时，通过调节输出无功，确保母线电压的稳定。

附图1展示了一种采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置的典型原理接线图。采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器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。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。低压侧首、末端之间配置晶闸管阀、容量配置电抗器、断路器串联电抗器、旁路断路器。各晶闸管阀组采用串联结构形式，并分别与相应的容量配置电抗器并联。旁路断路器与断路器串联电抗器串联，配置于低压侧绕组首、末端之间。

装置无功输出和容量调节通过控制晶闸管阀的导通情况实现。根据系统无功补偿的不同需求，晶闸管阀的控制方式可采用电流过零投切或相位控制两种方式。下面针对晶闸管阀采用电流过零投切和相位控制两种不同方式分别阐述相应的工作过程。

(1)晶闸管阀采用电流过零投切方式

装置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。各级晶闸管阀相串联，根据分级数来确定晶闸管阀数量。附图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级容量时的三相原理接线图。下面以附图1所示的4级容量为例来说明工作原理。装置分25％、50％、75％、100％四个容量级。对于A相，a端为可控电抗器低压侧首端，x端为可控电抗器低压侧末端，Xa1、Xa2、Xa3、Xa4为A相容量配置电抗器，Xa1、Xa2、Xa3端间分别并联阀组Ta1、Ta2、Ta3；Da为A相旁路断路器，Xa11为A相断路器串联电抗器，Da与Xa11串联后连接于低压侧首、末两端。同理，Xb1、Xb2、Xb3、Xb4为B相容量配置电抗器，Xb1、Xb2、Xb3端间分别并联阀组Tb1、Tb2、Tb3；Db为B相旁路断路器，Xb11为B相断路器串联电抗器；Xc1、Xc2、Xc3、Xc4为C相容量配置电抗器，Xc1、Xc2、Xc3端间分别并联阀组Tc1、Tc2、Tc3；Dc为C相旁路断路器，Xc11为C相断路器串联电抗器。

以A相为例阐述装置工作于各容量级时晶闸管阀Ta1、Ta2、Ta3的状态，B、C相的工作原理与A相完全相同：正常工作过程中，控制晶闸管阀Ta1、Ta2、Ta3全部导通时，装置运行于100％容量级；当控制晶闸管阀Ta2、Ta3导通，Ta1闭锁时，装置运行于75％容量级；当控制晶闸管阀Ta3导通，Ta1、Ta2闭锁时，装置运行于50％容量级；当控制晶闸管阀Ta1、Ta2、Ta3全部闭锁时，装置运行于25％容量级。装置容量与晶闸管阀控对应关系如表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，下面具体阐述容量的切换过程，以图1中的A相为例，B、C相的工作原理与A相相同：

①在容量从小到大切换时，容量配置电抗器的分压作用为其端间并联的晶闸管阀提供取能和开通电压。以图1中25％容量级向50％容量级切换为例：容量配置电抗器Xa3为晶闸管阀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；

②在容量从大到小切换时，根据控制要求在电流过零点处关断相应晶闸管阀，将与之并联的电抗器投入主电路。以图1中100％容量级向75％容量级切换为例：发晶闸管阀Ta1关断命令，使其在Ta1电流过零时关断；

③当系统发生故障时，控制晶闸管阀Ta1、Ta2、Ta3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Da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。

(2)晶闸管阀采用相位控制方式

当晶闸管阀采用相位控制的方式时，为阐述方便，仍以附图1中的A相为例，B、C相的工作原理与A相相同：由于容量配置电抗器Xb1、Xb2、Xb3的分压作用，因此可通过控制晶闸管阀Ta1、Ta2、Ta3的导通角，实现可控并联电抗器输出无功的连续、平滑调节；当系统发生故障时，控制对应的晶闸管阀的触发角，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Da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。

采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器，其整个稳态调节过程没有断路器参与，完全依靠晶闸管阀完成，频繁调节不影响断路器的使用寿命。暂态控制由晶闸管阀或断路器实现，响应迅速，可有效限制工频过电压和操作过电压。

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。

Claims (5)

1.一种采用阀串联型配置的晶闸管阀控型可控并联电抗器装置，其特征在于电抗器本体采用变压器结构，可控并联电抗器本体采用高短路阻抗形式构成，即通过加大变压器的漏抗，将变压器和电抗器合于一体，或采用普通变压器再外接电抗器的形式构成。

2.如权利要求1所述的可控并联电抗器装置，其特征在于高压侧绕组三相接成“Y”型，直接接到高压电网上，中性点短接后经电抗器接地；三相低压侧结构完全相同，各相绕组首端分别经套管引出，低压侧绕组末端直接接地，低压侧绕组的首、末端之间连接有晶闸管阀、容量配置电抗器、断路器串联电抗器和断路器；各晶闸管阀组采用串联结构形式，并分别与相应的容量配置电抗器并联。

3.如权利要求1或2所述的可控并联电抗器装置，其特征在于通过采用晶闸管阀电流过零投切或相位控制的方式实现无功输出容量的调节。

4.如权利要求3所述的可控并联电抗器装置，其特征在于当所述可控并联电抗器采用晶闸管阀电流过零投切方式时，由于容量配置电抗器的分压作用为相应晶闸管阀提供取能和开通电压；通过控制晶闸管阀电流过零投切实现输出容量的分级调节，对系统无冲击；在系统发生暂态故障时，控制所有晶闸管阀在电流过零时快速投切导通或关合旁路断路器使输出迅速达到最大输出容量，从而有效抑制工频过电压和操作过电压。

5.如权利要求4所述的可控并联电抗器装置，其特征在于当所述的可控并联电抗器采用晶闸管阀相位控制的方式时，由于容量配置电抗器的分压作用为相应晶闸管阀提供取能和开通电压；通过控制晶闸管阀的导通角，实现输出无功功率的平滑、快速调节；在系统发生暂态故障时，控制晶闸管阀的导通角或关合旁路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。