CN103427414B - 一种对称型可控移相器的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子以及电力设备设计领域，具体涉及一种对称型可控移相器的参数设计方法。所述方法是确定串联变压器和励磁变压器的额定参数，包括下述步骤：（1）选定晶闸管并确定晶闸管通态方均根电流；（2）分别确定串联变压器和励磁变压器变比；（3）分别确定串联变压器和励磁变压器额定电压；（4）分别确定串联变压器和励磁变压器容量；（5）分别确定串联变压器和励磁变压器额定电流；（6）验证串联变压器和励磁变压器参数。本发明针对一种对称型可控移相器提供了详细的参数设计方法，可快速准确的设计出一套主设备参数，所提出的主设备参数能够满足预设指标的要求，对于所述的对称型可控移相器的产生制造具有实际的指导作用。

Description

一种对称型可控移相器的参数设计方法

技术领域

本发明涉及电力电子以及电力设备设计领域，具体涉及一种对称型可控移相器的参数设计方法。

背景技术

移相器属于电力系统范畴，是控制线路潮流的电力装置，在北美、欧洲等地已应用多年，并发挥着重要作用，但在我国目前尚未得到应用。移相器主要由励磁部分、有载调压部分和串联部分组成，励磁部分负责从系统中抽取能量，串联部分负责将抽取的能力回馈给系统，而有载调压部分可调节回馈能力的大小。具体工作原理是通过向线路中注入一个电压，改变装置接入点之后电压的相位，从而改变整条线路首末两端的相角差，达到控制线路潮流的目的。

实际运行过程中，为适应变化的功率潮流，移相器中有载调压部分需经常动作，磨损问题严重，且响应时间较长，无法应对系统暂态问题。因此晶闸管控制移相器（Thyristor ControlPhase Shift Transformer，TCPST）应运而生。所述晶闸管控制移相器采用晶闸管调压电路代替传统移相器有载调压部分，通过改变晶闸管触发脉冲，完成对注入电压大小的调节。所述晶闸管控制移相器除能够发挥传统移相器合理分配线路输送功率、提高输电通道效率、降低电磁环网输电成本等优点外，还可用来处理系统暂态和动态方面的问题，如提高暂态稳定性、减轻导致联络线失步的穿越潮流、抑制故障后线路功率突增所造成的开关过负荷、阻尼振荡等。目前我国尚无晶闸管可控移相器的工程应用，相关理论研究也主要是针对潮流优化等方面内容，对装置级参数配合方面的研究很少，本发明以满足潮流优化能力为目标，提出了一套对称型可控移相器的参数设计方法，填补了可控移相器相关技术领域的空缺。

我国受端中心电网负荷不断增加，线路走廊资源日益匮乏，然而现有输电线路部分重载而部分利用效率不足，亟需有效的潮流优化手段，因此可控移相器具有良好的发展前景。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种对称型可控移相器的参数设计方法，能够很好的解决一种对称型可控移相器的参数设计，根据本方法提出的参数满足预设指标的要求。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种对称型可控移相器的参数设计方法，所述可控移相器包括串联变压器、励磁变压器和晶闸管调压电路，所述串联变压器原边绕组中点抽头与励磁变压器原边绕组相连，励磁变压器副边绕组分为至少一个子绕组，所述至少一个子绕组分别与晶闸管调压电路相连，所述晶闸管调压电路的输出端与串联变压器副边绕组相连；

其改进之处在于，所述方法是确定串联变压器和励磁变压器的额定参数，包括下述步骤：

（1）选定晶闸管并确定晶闸管通态方均根电流；

（2）分别确定串联变压器和励磁变压器变比；

（3）分别确定串联变压器和励磁变压器额定电压；

（4）分别确定串联变压器和励磁变压器容量；

（5）分别确定串联变压器和励磁变压器额定电流；

（6）验证串联变压器和励磁变压器参数。

其中，所述步骤（1）中，根据电力系统安装点额定电压、额定电流、最大允许电流选择晶闸管并确定晶闸管通态方均根电流I_T(RMS)。

其中，所述步骤（2）中，串联变压器变比k_se满足流经晶闸管的电流为晶闸管通态方均根电流的一半，即可确定串联变压器变比k_se；

结合串联变压器和励磁变压器漏抗X_se%和X_sh%，串联变压器变比k_se及可控移相器额定移相角度σ的指标要求，在最大移相范围对应的电气量三角关系式中，确定励磁变压器变比k_sh；所述串联变压器和励磁变压器漏抗范围在8%-14%之间。

其中，所述步骤（3）中，励磁变压器原边额定电压等于接入电力系统的额定电压，即：

U_E1＝U_N    ①；

励磁变压器副边额定电压由励磁变压器原边额定电压以及励磁变压器变比k_sh确定，为各个子绕组电压之和，用下述表达式表示：

$U_{E2}+U_{E3}+U_{E4}=\frac{U_N}{k_{\mathrm{sh}}}$ ②；

串联变压器副边额定电压用下述表达式表示：

$U_{B3}=\sqrt{3}(U_{E2}+U_{E3}{+U}_{E4})=\frac{\sqrt{3}{U}_N}{k_{\mathrm{sh}}}$ ③；

串联变压器原边额定电压由串联变压器副边用下述表达式表示：

$U_{B1}=U_{B2}=\frac{1}{2}{k}_{\mathrm{se}}{U}_{B3}$ ④；

其中：U_E1为励磁变压器原边额定电压；U_N为电力系统的额定电压；U_E2、U_E3和U_E4分别为励磁变压器副边第一子绕组、第二子绕组和第三子绕组的电压；U_B3为串联变压器副边额定电压；U_B1和U_B2分别为串联变压器原边第一绕组和第二绕组的电压。

其中，所述步骤（4）中，串联变压器容量和励磁变压器容量相等，用下述表达式表示：

$S_B=S_E=3{\×I}_N\×(U_{B1}+U_{B2})/\sqrt{3}$ ⑤；

其中：S_B和S_E分别为串联变压器和励磁变压器容量。

其中，所述步骤（5）中，串联变压器原边额定电流等于接入电力系统的额定电流，即：

I_B1＝I_B2＝I_N    ⑥；

串联变压器副边额定电流由串联变压器原边额定电流以及串联变压器变比确定，用下述表达式表示：

I_B3＝k_seI_N    ⑦；

励磁变压器原边额定电流由励磁变压器原边额定电压以及额定容量确定，用下述表达式表示：

$I_{E1}=\frac{1}{3}\frac{S_E}{U_{E1}/\sqrt{3}}$ ⑧；

励磁变压器副边额定电流由励磁变压器原边额定电流以及励磁变压器变比确定，为各个子绕组电流之和，用下述表达式表示：

I_E2+I_E3+I_E4＝k_shI_E1    ⑨；

其中：I_B1和I_B2分别为串联变压器原边第一绕组、第二绕组额定电流；I_N为电力系统的额定电流；I_B3为串联变压器副边额定电流；I_E1为励磁变压器原边额定电流；I_E2、I_E3和I_E4分别为励磁变压器副边第一子绕组、第二子绕组和第三子绕组的电流。

其中，所述步骤（6）中，检验所得参数是否合理，即制造水平是否能够达到，不满足则返回步骤（1）重新选择晶闸管，直到满足要求。

其中，所得参数使可控移相器在额定工况下最大移相角度满足预设指标要求（即可控移相器的最大移向角位满相角度），并且在各档位运行工况下，可控移相器均不会过载。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

对称型可控移相器属于灵活交流输电系统（FACTS）范畴，该装置与现有机械式移相器相比，具有动态性能好，日常维护费用低等特点，同时还具备了暂态调节能力。所述对称型可控移相器能有效解决我国电网中实际存在的问题，具有优化电网潮流分布，提升电网整体输送容量，提升系统暂态稳定性等诸多功能。本发明针对一种对称型可控移相器提供了详细的参数设计方法，可快速准确的设计出一套主设备参数，所提出的主设备参数能够满足预设指标的要求，对于所述的对称型可控移相器的产生制造具有实际的指导作用。

附图说明

图1是本发明提供的对称型可控移相器的主电路整体结构图；

图2是本发明提供的晶闸管调压电路的结构示意图；

图3是本发明提供的对称型可控移相器接入系统后调节范围相量图；

图4是本发明提供的对称型可控移相器的参数设计方法流程图；

图5是针对特定实例进行主设备参数设计后，仿真建模波形图，其中5a是可控移相器满载移相时电压波形的变化图，5b是可控移相器满载移相时线路潮流的变化图，5c是可控移相器满载移相时两端电压相角差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

针对特定的可控移相器，本发明提供的对称型可控移相器的主电路整体结构如图1所示，由串联变压器（BT）、励磁变压器（ET）和晶闸管调压电路组成，串联变压器原边绕组中点抽头与励磁变压器原边绕组相连，励磁变压器副边绕组分为若干子绕组，分别与晶闸管调压电路相连，晶闸管调压电路输出端与串联变压器副边绕组相连，本发明提供的晶闸管调压电路的结构如图2所示。所述参数设计方法以系统额定电压U_N、额定电流I_N、线路允许最大电流I_MAX和可控移相器指标要求基础，充分考虑可控移相器内部结构及变压器漏抗对移相角度的影响，最终确定串联变压器和励磁变压器的额定参数，包含额定容量、额定电压、额定电流和变比。该参数设计方法很好的解决了双芯对称型可控移相器主设备参数的设计。

本发明提供的对称型可控移相器的参数设计方法流程如图4所示，包括下述步骤：

（1）选定晶闸管并确定晶闸管通态方均根电流：

所述目标电网为装置拟安装点，确定了安装地点即可确定线路额定电压U_N、额定电流I_N和线路最大允许电流I_MAX。可控移相器指标要求为额定工况下最大移相角度σ，相角控制范围如图3所示，所述晶闸管调压部分通流能力为拟采用晶闸管的通态方均根电流I_T(RMS)。

（2）分别确定串联变压器和励磁变压器变比：

所述串联变压器原边（系统侧，B1+B2）与输电线路串联连接，副边（阀侧，B3）与晶闸管调压电路三角形连接，原边绕组中点处引出抽头，与励磁变压器原边（系统侧）连接，也将串联变压器原边绕组等分为B1、B2两段。串联变压器原边额定电流需与线路额定电流相同。串联变压器变比k_se由晶闸管通态方均根电流与线路最大允许电流联合决定，按照在线路最大允许电流情况下，流过晶闸管的电流为通态方均根电流一半的原则选取，可确定串联变压器的变比k_se。

为使额定工况下移相角度能够达到指标要求，考虑漏抗X_seσ%的影响，串联变压器系统侧注入电压应满足图3中的三角关系式，因此可确定U_B1和U_B2。其中，漏抗X_seσ%可根据用户需求确定，由制造商通过技术手段实现，常见的变压器漏抗范围在8%-14%之间。

所述励磁变压器原边（系统侧，E1）与串联变压器原边中点抽头连接，副边（阀侧，E2，E3，E4）绕组按1：3：9分为三段，每段均与晶闸管调压部分开口连接。励磁变压器原边额定电压需与系统额定电压相同。励磁变压器变比k_sh由σ、k_se、U_B1+B2、X_seσ%和X_shσ%共同决定，按照最大移相角度时，考虑两台变压器漏抗压降的影响，串联变压器注入电压等于U_B1+B2的原则选取。

（3）分别确定串联变压器和励磁变压器额定电压：

（4）分别确定串联变压器和励磁变压器容量；

（5）分别确定串联变压器和励磁变压器额定电流；

确定串联变压器和励磁变压器变比后即可确定各台变压器的额定参数，分别如下：

励磁变压器原边额定电压等于接入电力系统的额定电压，即：

U_E1＝U_N   ①；

励磁变压器副边额定电压由励磁变压器原边额定电压以及励磁变压器变比k_sh确定，为各个子绕组电压之和，用下述表达式表示：

$U_{E2}+U_{E3}+U_{E4}=\frac{U_N}{k_{\mathrm{sh}}}$ ②；

串联变压器副边额定电压用下述表达式表示：

$U_{B3}=\sqrt{3}(U_{E2}+U_{E3}{+U}_{E4})=\frac{\sqrt{3}{U}_N}{k_{\mathrm{sh}}}$ ③；

串联变压器原边额定电压由串联变压器副边用下述表达式表示：

$U_{B1}=U_{B2}=\frac{1}{2}{k}_{\mathrm{se}}{U}_{B3}$ ④；

其中：U_E1为励磁变压器原边额定电压；U_N为电力系统的额定电压；U_E2、U_E3和U_E4分别为励磁变压器副边第一子绕组、第二子绕组和第三子绕组的电压；U_B3为串联变压器副边额定电压；U_B1和U_B2分别为串联变压器原边第一绕组和第二绕组的电压。

串联变压器容量和励磁变压器容量相等，用下述表达式表示：

$S_B=S_E=3{\×I}_N\×(U_{B1}+U_{B2})/\sqrt{3}$ ⑤；

其中：S_B和S_E分别为串联变压器和励磁变压器容量。

串联变压器原边额定电流等于接入电力系统的额定电流，即：

I_B1＝I_B2＝I_N    ⑥；

串联变压器副边额定电流由串联变压器原边额定电流以及串联变压器变比确定，用下述表达式表示：

I_B3＝k_seI_N    ⑦；

励磁变压器原边额定电流由励磁变压器原边额定电压以及额定容量确定，用下述表达式表示：

$I_{E1}=\frac{1}{3}\frac{S_E}{U_{E1}/\sqrt{3}}$ ⑧；

励磁变压器副边额定电流由励磁变压器原边额定电流以及励磁变压器变比确定，为各个子绕组电流之和，用下述表达式表示：

I_E2+I_E3+I_E4＝k_shI_E1    ⑨；

其中：I_B1和I_B2分别为串联变压器原边第一绕组、第二绕组额定电流；I_N为电力系统的额定电流；I_B3为串联变压器副边额定电流；I_E1为励磁变压器原边额定电流；I_E2、I_E3和I_E4分别为励磁变压器副边第一子绕组、第二子绕组和第三子绕组的电流。

（6）验证串联变压器和励磁变压器参数：

检验所得参数是否合理，即制造水平是否能够达到，不满足则返回步骤（1）重新选择晶闸管，直到满足要求。

实施例

以某特定系统为例：拟安装地点额定电压为525kV，额定电流2.5kA，最大允许电流2.95kA。要求可控移相器额定工况下满载移相角度为25°，串、励磁变压器漏抗以制造厂商常用值选取为11%和14%，选用ABB_5STP系列的晶闸管，其通态方均根电流I_T(RMS)=6680A。

依据线路最大允许电流2.95kA，晶闸管通态方均根电流6680A，可确定串联变压器变比：

k_se＝0.65

根据串联变压器漏抗11%、励磁变压器漏抗14%、移相角度指标25°，为满足最大移相范围的三角关系式，可得励磁变压器变比：

k_sh＝1.95

励磁变压器额定电压：

$U_{E1}=U_N=525/\sqrt{3}\mathrm{kV}$

$U_{E2}=\frac{1}{13}\frac{U_N}{k_{\mathrm{sh}}}=20.71/\sqrt{3}\mathrm{kV}$

$U_{E3}=\frac{3}{13}\frac{U_N}{k_{\mathrm{sh}}}=62.13/\sqrt{3}\mathrm{kV}$

$U_{E4}=\frac{9}{13}\frac{U_N}{k_{\mathrm{sh}}}=186.39/\sqrt{3}\mathrm{kV}$

串联变压器额定电压：

$U_{B3}=\sqrt{3}(U_{E2}+U_{E3}+U_{E4})=20.71+62.13+186.39=269\mathrm{kV}$

$U_{B1}=U_{B2}=\frac{1}{2}{k}_{\mathrm{se}}{U}_{B3}=87.4\mathrm{kV}$

串联变压器和励磁变压器额定容量：

$S_B=S_E=3\×I_N\×(U_{B1}+U_{B2})/\sqrt{3}=438\mathrm{MVA}$

并联变压器额定电流：

$I_{E1}=\frac{1}{3}\frac{S_E}{U_{E1}/\sqrt{3}}=1.445\mathrm{kA}$

I_E2+I_E3+I_E4＝k_shI_E1＝2.818kA

串联变压器额定电流：

I_B1＝I_B2＝I_N＝2.5kA

I_B3＝k_seI_N＝1.625kA

图5给出了以本示例参数的建模仿真结果，5a是可控移相器满载移相时电压波形的变化图，5b是可控移相器满载移相时线路潮流的变化图，5c是可控移相器满载移相时两端电压相角差，从仿真波形上可以看到，通过本发明设计的参数满足预设指标的要求。

本发明能够很好的解决一种对称型可控移相器的参数设计，根据本方法提出的参数满足预设指标的要求。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种对称型可控移相器的参数设计方法，所述可控移相器包括串联变压器、励磁变压器和晶闸管调压电路，所述串联变压器原边绕组中点抽头与励磁变压器原边绕组相连，励磁变压器副边绕组分为至少一个子绕组，所述至少一个子绕组分别与晶闸管调压电路相连，所述晶闸管调压电路的输出端与串联变压器副边绕组相连；

其特征在于，所述方法是确定串联变压器和励磁变压器的额定参数，包括下述步骤：

(1)选定晶闸管并确定晶闸管通态方均根电流I_T(RMS)；

(2)分别确定串联变压器变比k_se和励磁变压器变比k_sh；

(3)分别确定串联变压器和励磁变压器额定电压；

(4)分别确定串联变压器和励磁变压器额定容量；

(5)分别确定串联变压器和励磁变压器额定电流；

(6)验证串联变压器和励磁变压器的额定参数。

2.如权利要求1所述的对称型可控移相器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，根据电力系统安装点额定电压、额定电流、最大允许电流选择晶闸管并确定晶闸管通态方均根电流I_T(RMS)。

3.如权利要求1所述的对称型可控移相器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，串联变压器变比k_se满足流经晶闸管的电流为晶闸管通态方均根电流I_T(RMS)的一半，即可确定串联变压器变比k_se；

结合串联变压器和励磁变压器漏抗X_se％和X_sh％，串联变压器变比k_se及可控移相器额定移相角度σ的指标要求，在最大移相范围对应的电气量三角关系式中，确定励磁变压器变比k_sh；所述串联变压器和励磁变压器漏抗范围在8％-14％之间。

4.如权利要求1所述的对称型可控移相器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，励磁变压器原边额定电压等于接入电力系统的额定电压，即：

U_E1＝U_N   ①；

励磁变压器副边额定电压由励磁变压器原边额定电压以及励磁变压器变比k_sh确定，为各个子绕组额定电压之和，用下述表达式表示：

$U_{E2}+U_{E3}+U_{E4}=\frac{U_N}{k_{\mathrm{sh}}}$    ②；

串联变压器副边额定电压用下述表达式表示：

$U_{B3}=\sqrt{3}(U_{E2}+U_{E3}+U_{E4})=\frac{\sqrt{3}{U}_N}{k_{\mathrm{sh}}}$    ③；

串联变压器原边额定电压由串联变压器副边用下述表达式表示：

$U_{B1}=U_{B2}=\frac{1}{2}{k}_{\mathrm{se}}{U}_{B3}$    ④；

其中：U_E1为励磁变压器原边额定电压；U_N为电力系统的额定电压；U_E2、U_E3和U_E4分别为励磁变压器副边第一子绕组、第二子绕组和第三子绕组的额定电压；U_B3为串联变压器副边额定电压；U_B1和U_B2分别为串联变压器原边第一绕组和第二绕组的额定电压。

5.如权利要求1所述的对称型可控移相器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，串联变压器额定容量和励磁变压器额定容量相等，用下述表达式表示：

$S_B=S_E=3\×I_N\×(U_{B1}+U_{B2})/\sqrt{3}$    ⑤；

其中：S_B和S_E分别为串联变压器和励磁变压器额定容量；U_B1和U_B2分别为串联变压器原边第一绕组和第二绕组的额定电压；I_N为电力系统的额定电流。

6.如权利要求1所述的对称型可控移相器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中，串联变压器原边额定电流等于电力系统的额定电流I_N，即：

I_B1＝I_B2＝I_N   ⑥；

串联变压器副边额定电流I_B3由电力系统的额定电流I_N以及串联变压器变比k_se确定，用下述表达式表示：

I_B3＝k_seI_N   ⑦；

励磁变压器原边额定电流由励磁变压器原边额定电压以及励磁变压器额定容量确定，用下述表达式表示：

$I_{E1}=\frac{1}{3}\frac{S_E}{U_{E1}/\sqrt{3}}$    ⑧；

励磁变压器副边额定电流由励磁变压器原边额定电流以及励磁变压器变比k_sh确定，为各个子绕组额定电流之和，用下述表达式表示：

I_E2+I_E3+I_E4＝k_shI_E1   ⑨；

其中：I_B1和I_B2分别为串联变压器原边第一绕组、第二绕组额定电流；I_N为电力系统的额定电流；I_B3为串联变压器副边额定电流；I_E1为励磁变压器原边额定电流；I_E2、I_E3和I_E4分别为励磁变压器副边第一子绕组、第二子绕组和第三子绕组的额定电流。

7.如权利要求1所述的对称型可控移相器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中，检验所得串联变压器和励磁变压器的额定参数是否合理，即制造水平是否能够达到，不满足则返回步骤(1)重新选择晶闸管，直到满足要求。

8.如权利要求1所述的对称型可控移相器的参数设计方法，其特征在于，所得串联变压器和励磁变压器的额定参数使可控移相器在额定工况下最大移相角度满足预设指标要求，并且在各档位运行工况下，可控移相器均不会过载。