CN102074962B - 复合开关型分级式可控并联电抗器装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统无功补偿领域，提供了一种复合开关型分级式可控并联电抗器装置。该可控并联电抗器本体采用变压器结构，可根据需求设计为高短路阻抗形式或普通变压器外接电抗器形式。该可控并联电抗器通过控制复合开关与本体短路阻抗相配合，实现无功容量的输出和分级调节：复合开关采用断路器、晶闸管阀和断路器串联电抗器组成；当可控并联电抗器在某一容量级稳态运行时，断路器闭合承担长期工作电流，晶闸管阀不需长时间工作；在容量分级调节时，由于断路器串联电抗器的分压为晶闸管阀提供取能和开通电压，因此可采用晶闸管阀电流过零投切的方式开通和关断电流，断路器不需开合电流，有效延长断路器的使用年限。

Description

复合开关型分级式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，尤其涉及一种复合开关型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复合开关型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：提供一种复合开关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。所提供的装置中应用复合开关，避免忻州500kV分级式可控并联电抗器装置分级调节过程中瞬间容量跌落的问题，并使得断路器不需开断感性电流，延长了断路器的使用年限。

本发明的可控电抗器装置的技术方案是该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，在低压绕组上配置晶闸管阀、辅助电抗器、断路器串联电抗器。

复合开关型分级式可控并联电抗器无功容量的输出和分级调节通过控制复合开关与本体短路阻抗相配合实现：复合开关采用断路器、晶闸管阀和断路器串联电抗器组成。当可控并联电抗器在某一容量级稳态运行时，断路器闭合承担长期工作电流，晶闸管阀不需长时间工作。在容量分级调节时，由于断路器串联电抗器的分压为晶闸管阀提供取能和开通电压，可保证晶闸管阀的正常开通工作，因此可采用晶闸管阀电流过零投切的方式开通和关断电流，断路器不需开合电流，有效延长断路器的使用年限；在系统发生暂态故障时，控制复合开关使输出容量迅速达到最大容量，有效抑制工频过电压和操作过电压。

本发明的一种复合开关型分级式可控并联电抗器，该电抗器的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，或采用普通变压器再外接电抗器的结构形式构成。

其中，所述电抗器的主电路包括可控并联电抗器本体、可控并联电抗器低压侧装设的晶闸管阀、辅助电抗器和断路器串联电抗器；所述可控并联电抗器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后连接晶闸管阀、辅助电抗器和断路器串联电抗器，低压侧绕组末端直接接地。

其中，通过复合开关与可控并联电抗器本体短路阻抗相配合的方式实现可控并联电抗器容量的输出和分级调节，所述复合开关包括断路器、晶闸管阀和断路器串联电抗器，在可控并联电抗器容量分级调节过程中，由于断路器串联电抗器的分压为晶闸管阀提供取能和开通电压，因此通过晶闸管阀电流过零投切的方式开通和关断电流，断路器不需要开合电流；当可控并联电抗器在某一容量级稳态运行时，断路器闭合承担长期运行电流，晶闸管阀不需长时间工作。

其中，具有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；当用作线路可控并联电抗器时，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；当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。

本发明技术方案的优点是：

①复合开关型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通过控制复合开关与本体短路阻抗相配合实现复合开关型分级式可控并联电抗器无功功率的分级输出，在容量切换过程中采用晶闸管阀电流过零投切的方式开通和关断电流，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。本发明提供的复合开关型分级式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复合开关型分级式可控并联电抗器装置投入应用。

技术的创造性：

(1)所提出的复合开关型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，通过控制复合开关与本体短路阻抗相配合实现无功容量的分级控制。复合开关由断路器、晶闸管阀、断路器串联电抗器组成，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：所提出的复合开关型分级式可控并联电抗器装置在容量分级调节时，由于断路器串联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)所提出的复合开关型分级式可控并联电抗器装置，通过控制复合开关与本体短路阻抗相配合实现无功输出和容量调节的分级控制：

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，由于断路器串联电抗器的分压作用，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。所提出的复合开关型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是复合开关型分级式可控并联电抗器装置的一种典型原理接线图；

图2是图1所示的复合开关型分级式可控并联电抗器装置低压侧设备的单相主接线图；

图3是复合开关的结构原理图。

具体实施方式

复合开关型分级式可控并联电抗器根据系统需求可分为不同的容量级，各容量级可设计为相等或不等，根据分级数来确定低压侧所配置的晶闸管阀、辅助电抗器、断路器串联电抗器的数量。附图1和附图2均以等分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和单相主接线图。

由附图1所示，复合开关型分级式可控并联电抗器本体采用变压器结构，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，低压绕组首端和末端间连接晶闸管阀、辅助电抗器、断路器串联电抗器。

为阐述清楚，以附图2所示的复合开关型分级式可控并联电抗器装置低压侧设备的单相主接线图为例阐述装置的工作原理。附图2中以b相为例，图中b端为可控电抗器低压侧首端，y端可控电抗器低压侧末端。Xb1、Xb2、Xb3为辅助电抗器；Tk1、Tk2、Tk3分别为100％容量级晶闸管阀组、75％容量级晶闸管阀组、50％容量级晶闸管阀组；D11、D12、D13分别为100％容量级断路器、75％容量级断路器、50％容量级断路器；Xb11、Xb12、Xb13则分别为100％容量级断路器串联电抗器、75％容量级断路器串联电抗器、50％容量级断路器串联电抗器，为对应晶闸管阀提供取能和开通电压；GW1、GW2、GW3分别为100％容量级隔离开关、75％容量级隔离开关、50％容量级隔离开关。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。

采用断路器、晶闸管阀、断路器串联电抗器组成复合开关，Tk1、Xb11、D11组成复合开关FS1，Tk2、Xb12、D12组成复合开关FS2，Tk3、Xb13、D13组成复合开关FS3。对于系统所需无功容量的输出和分级容量的改变，通过复合开关与本体短路阻抗配合的方式实现。装置稳态运行时，断路器D11、D12、D13全闭合时，装置为100％容量；断路器D12、D13闭合时，装置为75％容量；断路器D13闭合时，装置为50％容量；断路器D11、D12、D13全部断开时，装置则为25％容量。装置稳态运行时输出容量与断路器对应关系如表1所示：

表1投切容量控制表

其中，×——表示断开，○——表示导通。

复合开关的具体结构如附图3所示，由断路器D，晶闸管阀TK和断路器串联电抗Xb组成，首先断路器串联电抗Xb和断路器D串联，然后该串联支路与反并联的晶闸管阀TK并联。下面分析控制复合开关实现输出容量分级切换的过程：复合开关由断开状态向闭合状态切换时，晶闸管阀TK先在电流过零时导通，随后控制断路器D闭合，承担长期运行电流，最终晶闸管阀TK过零关断，从而完成复合开关由断开向闭合切换过程；当复合开关由闭合向断开状态切换时，由于断路器串联电抗器Xb的分压作用，可以为晶闸管阀TK提供取能和开通电压。因此控制TK首先在电流过零时导通，把流过断路器D的电流转移至晶闸管阀TK，接下来控制断路器D断开。最后，在接下来的电流过零点关断晶闸管阀TK，完成复合开关的关断过程。由于装置基本为纯感性元件，流过TK的电流过零点与TK两端电压峰值点基本重合，因此可通过检测TK两端电压的峰值点来确定电流的过零点。

在复合开关的整个开断过程中，由于晶闸管阀对电流的转移，断路器不需开合较大的感性电流，延长了断路器的使用年限。此外，由于晶闸管阀不会长期流过大电流，可直接采用空气自然冷却的方式，降低成本，减小维护量。

复合开关型分级式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上作方式。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。

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 (1)

1.一种复合开关型分级式可控并联电抗器装置，其特征在于该电抗器的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，或采用普通变压器再外接电抗器的结构形式构成；

所述电抗器的主电路包括可控并联电抗器本体、可控并联电抗器低压侧装设的晶闸管阀、辅助电抗器、断路器串联电抗器和断路器；所述可控并联电抗器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后连接晶闸管阀、辅助电抗器和断路器串联电抗器，低压侧绕组末端直接接地；各相的辅助电抗器分别串联，接于低压绕组首、末端之间；所述可控并联电抗器低压侧三相结构相同；

通过复合开关与可控并联电抗器本体短路阻抗相配合的方式实现可控并联电抗器容量的输出和分级调节，所述复合开关包括断路器、晶闸管阀和断路器串联电抗器，各晶闸管阀、各断路器串联电抗器的首端分别与各辅助电抗器的首端相连，各断路器串联电抗器的末端经各断路器接地；在可控并联电抗器容量分级调节过程中，由于断路器串联电抗器的分压为晶闸管阀提供取能和开通电压，因此通过晶闸管阀电流过零投切的方式开通和关断电流，断路器不需要开合电流；当可控并联电抗器在某一容量级稳态运行时，断路器闭合承担长期运行电流，晶闸管阀不需长时间工作；

该可控并联电抗器具有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；当用作线路可控并联电抗器时，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；当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。