CN103036186A - 不停电融冰兼svg型无功静补复合装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置，由至少一组换流器、一台静补变压器、一台融冰变压器、一组双向切换刀闸及一套综合控制器组成，换流器的交流侧通过双向切换刀闸既可运行于静补变压器的低压侧，也可通过切换刀闸运行于融冰变压器的低压侧，静补变压器的高压侧并接于变电站的一条母线，融冰变压器的高压侧通过变电站的刀闸操作串接在欲融冰线路的出口，复合装置由综合控制器控制运行。其使用方法包括无功静补工作状态、不停电融冰工作状态或替代线路的电容器串联补偿使用，用于融冰或替代线路电容器串联补偿使用时系统稳定不会破坏。

Description

不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种电力装置，特别是一种既可用于对电力线路进行不停电融冰，又可用于对电网进行SVG型无功静止补偿的复合装置及其使用方法。

背景技术

电力线路覆冰问题，在我国南方部分省区每年程度不同的都要发生，尤其2008年那场罕见的冰灾给南方诸省的电网带来严重灾害，长时间、大面积停电对国民经济和人民生活影响巨大。电网覆冰也是世界各国普遍关心的重要问题。

检索国际国内电力线路的融冰技术，常用的分为两类：一是当发生大面积覆冰，线路停用之后，采用人工除冰或机械除冰，除冰工作量大，停电时间长，经济损失严重，且机械除冰方法没有成熟。第二类是热力融冰，热力融冰又分为停电融冰和不停电融冰两类。

停电融冰的常用方法有以下两种：

1、交流短路升流融冰。将2～3条欲融冰线路（如110KV或220KV线路）通过刀闸操作串接起来，在串接线路末端人工短路，首段直接加交流电源（如10KV或35KV）进行短路融冰。这是在南方诸省融冰实践中最常用的方法，其优点是不需要专用设备，生产现场非常实用。缺点在于其短路电源的电压不可调，投切电源时对电网冲击较大，事先要对串联线路的条数进行计算，选定困难，还需对保护定值和保护投入方式进行临时调整。在相关的几个变电站中都要空出一条母线用于融冰线路的串接，使电网运行方式更为薄弱。刀闸操作时间长，难以应对多条线路同时发生覆冰时的融冰要求。这一方法在短路升流过程中既消耗有功，又要消耗大量的无功，无功消耗量大约为有功消耗量的4倍，对电网电压影响很大，以至在500KV及以上线路无法使用。

2、利用SVC无功静补装置作为融冰装置，对线路进行直流短路融冰。这是2008年那场罕见冰灾之后，研制投运的融冰装置。当线路发生覆冰后，将线路停运，线路末端人工短路，先在首段的两相上加入经SVC型无功静补装置整流输出的直流电压，对线路的两相进行直流短路融冰，结束后再对第三相进行融冰。其优点在于装置输出的直流电压可调，可适应于任何长度和电压等级的线路。和交流短路融冰相比不消耗系统无功。覆冰时作为融冰设备，平时作为无功静止补偿装置，设备利用率高。缺点是一次只能融两相，融冰时间长，刀闸操作及人工设置短路线工作量大，且要停电进行。

不停电融冰的方法主要有以下两种：

1、调整系统潮流，加大融冰线路负荷的方法。通过调度切除一条线路，将两条线路的负荷转移到一条线路使其融冰，或使重冰线路末端变电站的全部负荷电流都通过重冰区的一条线路。此方法对于截面较小的110kV及以下线路有一定的可行性，对于220kV及以上电压等级的线路而言，由于导线截面大，加之系统容量和运行方式的限制，且所有电压等级线路都存在系统稳定问题，采用增加覆冰线路负荷电流的方法融冰的实际效果尚需进一步研究，目前理论探讨较多，没有实际应用的案例。

2、上世纪70年代始，宝鸡市供电局在110KV双分裂导线的线路上，将常年易发生覆冰的线路段的双分裂导线的固定夹更换为绝缘夹，在线路中部建设融冰站，给每相双分裂导线加上融冰环流，和负荷电流共同发生的热效应叠加实现不停电融冰，这是目前唯一使用的不停电融冰方式。但是，每条线路上都要建一座融冰站，设备投入大，设备利用率低。融冰站建在线路中部，一般是大山深处，维护困难。使用对象必须是双分裂导线，局限性大，难以普遍推广应用。

综上所述，现有不停电方式下的融冰技术不具有普遍推广价值，停电融冰技术均要在停电方式下进行，人工挂接短路线及停电操作工作量大，时间长，更重要的是影响线路的可靠供电。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，为了实现快捷实用的不停电融冰，且提高设备的利用率，本发明的目的在于，提供一种具有不停电融冰兼SVG型无功静补两种功能的复合装置（以下简称复合装置）及其使用方法，使用同一套装置，在覆冰发生时用于对电力线路进行不停电融冰，电网正常运行情况下作为SVG型无功静止补偿装置使用。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案得以实现：

一种不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置，其特征在于，由至少一组换流器、一台静补变压器、一台融冰变压器、一组双向切换刀闸及一套综合控制器组成；其中，换流器的交流侧通过双向切换刀闸既可运行于静补变压器的低压侧，也可通过切换刀闸运行于融冰变压器的低压侧，静补变压器的高压侧并接于变电站的一条母线，融冰变压器的高压侧通过变电站的隔离刀闸串接在欲融冰线路的出口，综合控制器用于控制整个不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置的运行。

当换流器交流侧电压和变电站母线电压相等时，省去静补变压器。

上述不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置的使用方法，其特征在于，包括以下两种工作状态：

a）不停电融冰工作状态：换流器的交流侧与融冰流变压器的低压侧相连接，综合控制器按照现有脉冲宽度调节技术SPWM控制换流器逆变运行，工作于融冰状态，静补变压器处于停运状态；

b）无功静补工作状态：换流器的交流侧与静补变压器的低压侧相连接，综合控制器按照现有脉冲宽度调节技术SPWM控制换流器处于SVG型无功静补运行状态，静补变压器处于停运状态。

上述不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置，也可用于替代电力线路电容串补，用于加大线路负荷传递和负荷控制。

本发明的不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置，带来的有益效果是：在一座变电站中仅配备一套，即可对变电站中的所有不同电压等级的线路通过刀闸操作依次进行不停电融冰，切投速度快，融冰工作量小，既可应对部分线路发生覆冰时的融冰，也能应对大面积发生覆冰时的融冰要求。既可用于对线路的融冰，电网正常情况下又可用作无功静止补偿设备或作为线路负荷控制装置替代线路电容串补，设备的利用率高。尤其是SVG型无功补偿技术，是现有最新的无功补偿技术，既可以发出无功功率，也可以吸收无功功率，可以从额定容量的感性无功到额定容量的容性无功之间进行连续平滑的快速调整，成为替代SVC无功补偿设备的新技术已开始普及应用。在实施SVG应用的基础上加入融冰功能，投资少，作用大。复合装置用于融冰或线路负荷控制时系统稳定不会破坏。

附图说明

图1是本发明的不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置的原理接线图。

图2是综合控制器的原理框图。

图3是采用本发明的不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置在融冰工作状态下的等效电路图和相量图。

图4是采用本发明的不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置替代线路串补时的功角特性图。

图5是采用本发明的不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置在电力系统中用于融冰时的接入示意图。图中的M1、M2、表示第一座变电站的两条母线，M3和M4分别代表第二座和第三座变电站的母线，L1、L2、L3、L4分别表示4条线路，HLQ为换流器，B1为静补变压器，B2为融冰变压器。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

具体实施方式

图1给出了一种不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置（以下简称复合装置）的原理接线，由换流器HLQ、电抗器DK、换流电阻R以及滤波器LB、综合控制器、切换刀闸K、静补变压器B1和融冰变压器B2组成，图中的K1、K2、K3为隔离刀闸，M1、M2为变电站的母线，L为变电站的一条线路，DL是线路开关，1DL是复合装置的控制开关。换流器HLQ由现有技术中的GT0、IGBT、IGCT、IGET等全控电力电子器件组成的换流电路，可以是现有技术中多种拓扑结构的换流电路。

换流器HLQ通过切换刀闸K既可运行于静补变压器B1的低压侧，也可运行于融冰变压器B2的低压侧。当切换刀闸K处于位置1时，换流器HLQ连接于静补变压器B1的低压侧，静补变压器B1的高压侧电连接于变电站的母线M1或M2上，此时综合控制器按照现有技术中的正弦脉冲宽度调制技术（SPWM）控制换流器运行于SVG型无功静止补偿工作状态（SVG型无功静补技术为现有技术，故不再冗述），融冰变压器B2处于停运状态。当切换刀闸K处于位置2时，换流器HLQ连接于融冰变压器B2的低压侧，通过隔离刀闸的操作，即断开K1、接通K2和K3，将融冰变压器B2的高压侧串接于线路L的出口，综合控制器使换流器HLQ处于逆变工作状态，给融冰变压器B2的高压侧建立一个与线路电压同频率的电压源串接于线路之上，静补变压器B1处于停运状态。融冰变压器B2高压侧电压源的建立以提高线路有功和无功的传输能力，使线路电流达到融冰工作电流或预想控制的传输功率值，此时的复合装置是一台线路潮流控制器SSSC，属于现有技术，不再冗述。

进行融冰操作时，复合装置中的融冰变压器B2的高压侧必须串接于平行线路或环形网络中的一条线路上。对于不能构成环网连接的单电源线路，只能少量提高线路的无功传输而提高负荷侧的电压，不能提高线路电流达到融冰电流，故无法实现对单电源线路的融冰。

图2是复合装置中的综合控制器原理框图，由测量单元、控制单元、信号输出单元、保护单元、显示及指令输入单元等组成。测量单元采集变电站的母线电压、融冰线路的电流、复合装置的直流电压、输出电流等参数。控制单元按照控制指令，使输出单元输出不同的控制信号控制换流器工作于无功静补工作状态、融冰工作或线路潮流控制工作状态。保护单元对复合装置进行保护并与变电站的保护系统协调运作。显示及指令输入单元显示复合装置的工作状态和相关参数，并可人为输入控制指令。综合控制器可控制复合装置工作于SVG型无功静补工作状态、融冰工作状态或线路潮流控制工作状态，工作状态的控制方法均使用现有的正弦脉冲宽度调制技术（SPWM）控制换流器的工作。所不同的是控制目标不同，在无功静补工作状态时，综合控制器使换流器根据变电站的母线电压高低，或吸收一定的无功或发出一定的无功功率，以保持变电站母线电压平稳；在融冰工作状态或线路潮流控制工作状态时，换流器的工作除保持换流器直流侧电容器的端电压恒定外，向融冰变压器B2输出一个与线路同频率的、幅值和相角可变的交流电压，以改变融冰线路的出口电压，控制线路的有功和无功功率的传输，融冰时，使线路电流提升到融冰电流（融冰电流均大于正常负荷电流），用于线路负荷控制时，使线路负荷达到某一设定的传输功率为控制目标。综合控制器可使用现有技术实现，不作为本发明重点叙述内容。

图3是复合装置工作于平行线路中的一条线路上，处于融冰工作状态时的等效电路图（图a）和向量图（图b），以下结合图3详细叙述复合装置的融冰工作原理。

图3中，两侧系统分别为

和

融冰线路的阻抗为X。融冰变压器B2高压侧注入电压用相量

表示，它可以在以

为端点的圆盘内任意运行。根据图3（a）可得系统的受端功率为：

$P-j{Q}_r={\stackrel{\·}{U}}_r{\left(\frac{{\stackrel{\·}{U}}_s+{\stackrel{\·}{U}}_c-{\stackrel{\·}{U}}_r}{\mathrm{jX}}\right)}^{*}$

$={\stackrel{\·}{U}}_r{\left(\frac{{\stackrel{\·}{U}}_s-{\stackrel{\·}{U}}_r}{\mathrm{jX}}\right)}^{*}+{\frac{{\stackrel{\·}{U}}_r{\stackrel{\·}{U}}_c}{-\mathrm{jX}}}^{*}$

而融冰变压器B2高压侧没有串入线路时，受端功率为：

$P_0-j{Q}_{0r}={\stackrel{\·}{U}}_r{\left(\frac{{\stackrel{\·}{U}}_s-{\stackrel{\·}{U}}_r}{\mathrm{jX}}\right)}^{*}$

融冰变压器B2高压侧串入线路的时候，假设输电系统发出端和受端电压以及融冰变压器B2高压侧注入系统的电压分别为：

${\stackrel{\·}{U}}_s={\mathrm{Ue}}^{\mathrm{j\δ}/2}=U(\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}+j\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2})$

${\stackrel{\·}{U}}_r={\mathrm{Ue}}^{-\mathrm{j\δ}/2}=U(\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}-j\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2})$

${\stackrel{\·}{U}}_c=U_e{e}^{j(\mathrm{\δ}/2+\mathrm{\ρ})}=U_c[\cos (\frac{\mathrm{\δ}}{2}+\mathrm{\ρ})+j\sin (\frac{\mathrm{\δ}}{2}+\mathrm{\ρ})]$ 可得到融冰变压器B2高压侧串入线路时的输电系统受端的功率为：

$P=\frac{U^2}{X}\sin \mathrm{\δ}+\frac{{\mathrm{UU}}_c}{X}\sin (\mathrm{\δ}+\mathrm{\ρ})$

$Q_r=\frac{U^2}{X}(1-\cos \mathrm{\δ})-\frac{{\mathrm{UU}}_c}{X}\cos (\mathrm{\δ}+\mathrm{\ρ})$

同样，可得到融冰变压器B2高压侧没有串入线路时的受端功率为：

$P_0=\frac{U^2}{X}\sin \mathrm{\δ}$

$Q_{0r}=\frac{U^2}{X}(1-\cos \mathrm{\δ})$

从上面式子可以得到复合装置传输的功率为

$P_c=\frac{{\mathrm{UU}}_c}{X}\sin (\mathrm{\δ}+\mathrm{\ρ})$

$Q_c=-\frac{{\mathrm{UU}}_c}{X}\cos (\mathrm{\δ}+\mathrm{\ρ})$

可以看到，复合装置传输的功率P_c和Q_c只与

和的相应值以及ρ有关，相当于融冰变压器B2的高压侧绕组在线路上注入了一个幅值和相角可调的电压通过对

进行调节，即可以控制线路潮流的变化。

复合装置的融冰工作状态（或线路潮流控制工作状态）：就是通过调节融冰变压器B2高压侧的电压和相位，改变线路有功和无功负荷的传递，以使线路电流达到融冰电流（或达到某一设定的传输功率）。并且提升线路电流到达融冰电流的过程，是通过改变线路出口电压的方式实现的，线路的稳定不会遭到破坏。

图4是采用本发明的复合装置替代线路串补时的功角特性图。线路传输的功率公式为：曲线1代表线路正常传输时的功角特性曲线，正常线路的功率特性运行于曲线1上的P₀点。现有电力线路通常采用串联电容器补偿技术提高重要线路的传输容量，线路加入电容器补偿之后通过减小线路电抗使功角特性曲线升高到曲线2，功角特性运行在P₁点，X与P之间是一次方的线性关系。线路串入融冰变压器B2之后通过提高线路出口电压使线路功率特性曲线升高，电压的提升与P之间成二次方关系，线路出口电压的改变使得P升高更多到曲线3，功角特性运行于P2点。此外，改变线路出口电压的同时，也可同时提高功率角接近90度运行（稳定要求必须小于90度），线路传输功率可提高到P_R点。故，复合装置控制线路传输能力，可以同时提高功角特性的幅值和功率角，比电容串补的调节能力更强。

图5是采用本发明的复合装置在一座双母线接线的变电站中的应用示意图。图中330KV M1、330KV M2是第一座变电站中的两条母线，M1和M2为双母线接线。M3和M4分别代表第二座和第三座变电站的母线。第一座和第二座变电站之间由两条平行线路L1和L2连接，线路L3和L4将三座变电站连成环网。复合装置的控制开关1DL运行于第一座变电站的母线上，当切换开关K运行于位置1时，换流器HLQ运行于融冰变压器B1低压侧，整套装置工作于无功静补工作状态，融冰变压器B2在停运状态。欲对一条线路（如L1）进行融冰操作时，只让线路L1运行于330KV M1上，使其它线路（L2和L3）均运行于M2，母联开关DL0合环运行，合上融冰变压器B2的高压厕绕组的两侧刀闸使融冰变压器B2桥接M1和M2，此时M1和M2等电位，融冰变压器B2的高压侧不会有电流流过。将复合装置中的切换开关K运行于位置2，通过综合控制器控制融冰变压器B2的输出，使流过融冰变压器B2高压绕组的功率与线路L1相等，此时流过母联开关DLO的电流将为零，断开母联开关DL0，再控制融冰变压器B2的输出以加大线路L1的传输功率使线路L1的电流达到融冰电流，进入融冰工作状态（或线路负荷控制工作状态）。融冰结束后，控制融冰变压器B2的输出使线路L1传输功率降低到其正常传输功率时，合上母线联络开关DL0，此时流过融冰变压器B2高压侧的电流为零，然后切开融冰变压器B2高压侧的两侧刀闸，复合装置退出运行。同理可依次对三条线路分别进行不停电融冰（或线路负荷状态控制）。

图5只是复合装置在双母线的变电站接线中的一种应用形式。也可根据不同的变电站接线类型配合使用，个别母线接线方式与复合装置不好配合时，也可采用加装专门融冰母线的方法。

图5中给出的是单线示意图，融冰变压器B2低压侧绕组既可是三角接线，也可是星型连接，图中未画出。

复合装置的控制开关1DL，可设计其运行于变电站的低压母线或高压母线上。一般无功静止补偿设备应该运行于低压配网中，本实施例中为简化画图，采用了将其连接于高压母线上的方案。另外，当接于低压母线的电压和换流器HLQ交流侧的电压相同时，静补变压器B1可以省去。

Claims (4)

1.一种不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置，其特征在于，由至少一组换流器（HLQ）、一台静补变压器（B1）、一台融冰变压器（B2）、一组双向切换刀闸（K）及一套综合控制器组成；其中，换流器（HLQ）的交流侧通过双向切换刀闸（K）既可运行于静补变压器（B1）的低压侧，也可通过双向切换刀闸（K）运行于融冰变压器（B2）的低压侧，静补变压器（B1）的高压侧并接于变电站的一条母线，融冰变压器（B2）的高压侧通过变电站的隔离刀闸串接在欲融冰线路的出口，综合控制器用于控制整个不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置的运行。

2.如权利要求1所述的不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置，其特征在于，当换流器（HLQ）交流侧电压和变电站母线电压相等时，省去静补变压器（B1）。

3.权利要求1所述的不停电融冰兼SVG型无功静补复合装置的使用方法，其特征在于，包括以下两种工作状态：

a）不停电融冰工作状态：换流器（HLQ）的交流侧与融冰流变压器（B2）的低压侧相连接，综合控制器按照SPWM控制技术控制换流器（HLQ）逆变运行，工作于融冰状态，静补变压器（B1）处于停运状态；

b）无功静补工作状态：换流器（HLQ）的交流侧与静补变压器（B1）的低压侧相连接，综合控制器按照SPWM控制技术控制换流器（HLQ）处于SVG型无功静补运行状态，静补变压器（B2）处于停运状态。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的不停电融冰工作状态，必须使复合装置中的融冰流变压器（B2）的高压侧串接于平行线路或环网线路中的一条线路上，对于单侧电源线路，复合装置不能实现融冰操作。

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