CN113497446B - 一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路 - Google Patents

一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高电压等级单相电磁式潮流控制器拓扑电路，其以电磁式功率变换方式解决输电网线路潮流的有效控制和并联线路潮流的平衡，以及输电网合环运行时双侧电源的平衡供电。它主要包括单相降压变压器、单相电压移相器和电压调节变压器三个子系统，其中，单相降压变压器由闭合铁心磁路、一、二次绕组等组成；单相电压移相器由闭合铁心磁路、一、二次绕组及移相机构等构成；单相电压调节变压器由闭合铁心磁路、一次绕组、多分接头线圈、有载调压分接开关等构成。本发明提供的技术方案是通过单相降压变压器、单相电压移相器和电压调节变压器进行三重电磁感应变换，对接入线路附加串联电压的幅值与相位分别调节，从而实现线路潮流的控制。

Description

一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流 控制拓扑电路
技术领域
本发明属于高压输电电网及分布式电源并网技术领域，特别涉及分布式电源高渗透率接入后电网的潮流调控问题。
背景技术
分布式电源从负荷端接入电网后，也改变了高压网络的电气网络结构，使高压电网从单电源辐射状网络结构变为遍布电源的有源双向网络结构，这种网络结构的改变对高压电网的有功功率和无功功率潮流的分布产生重大影响。当光伏、风电为代表的分布式电源接入高压电网的渗透率超过一定数值时，在分布式电源高发期间，有功功率倒送将不可避免，因而改变了整个高压网络的潮流运行情况，且光伏、风电的间歇性、波动性和时空特性，又进一步加大了高压电网的有功和无功潮流的复杂性和调控难度，可能导致高压电网节点电压过高或过低、枢纽线路或潮流断面过载或功率严重不均衡等问题，对高压电网及其用电设备的安全运行带来威胁。
采用纯电力电子技术的统一潮流控制装置(UPFC)时，电力电子开关控制灵活，调制方便、精确，可以很好地实现线路潮流的调控，但纯电力电子系统具有热容量小、耐受性差、抗冲击能力弱、成本较高等不足，难以适应高压网络及高压线路所面临的雷暴风雪灾害与酷暑严寒的大自然环境，以及复杂的负荷性质等条件。
采用晶闸管可控串补(TCSC)类装置属于调节线路电抗的方式，可补偿线路的电抗电压分量，适合传统高压线路(属高感性，线路电阻小甚至可忽略)的电压调节，间接改变线路的潮流，但这种方式不能做到有功和无功潮流的精确控制。
因此，有必要发明一种专门解决高压网络枢纽线路的潮流调控问题，具有皮实耐用、高可靠性、低成本的高电压等级单相串联型潮流控制器拓扑电路。
发明内容
本发明主要提供一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其基本思想是在待调节潮流的高压线路经降压后串联一个附加等值电源电压相量，通过对该电压相量的幅值和相位的控制，可对该高压线路进行有功功率和无功功率潮流的调节。其方法特征是利用变压器电压变换原理、感应调压原理和自耦调压或有载调压原理进行三重电压与功率转换，对线路附加串联电压的幅值与相位进行独立调节，实现对该线路的有功和无功潮流的精确控制。本发明提供的高电压等级单相线路潮流控制器的容量只是该线路传输容量的10％至5％，并实现双向潮流调节。
为解决上述技术问题，本发明提供的一个技术方案是：在待调节潮流的高压线路经降压后，再串联一个附加电压相量，通过对该电压相量的幅值和相位的控制，可对该高压线路进行有功功率和无功功率潮流的调节。其具体技术方法是根据电磁感应原理进行三重电压和功率转换，首先利用变压器电压变换原理将线路电压实现降压，即实现一重变换(即电压降压调节)；接着利用感应调压原理改变初、次级(定、转子)绕组轴线相对角位移，同时经过磁场感应完成初、次级之间电能传递，实现次级绕组电压相位的调节(相对于初级电压相位)，即实现二重变换(即电压相位调节)；再又利用自耦调压或有载调压原理实现电压幅值的调节及极性的切换，即实现三重变换(即电压幅值与极性的调节)；经过该三重变换后接入线路的附加串联电压的相位、幅值与极性均可独立地调节，从而实现对该线路的有功和无功潮流的精确控制。
所述110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路主要包括降压变压部分、电压移相部分和电压调节变压部分三个子系统。
所述降压变压部分包括闭合铁心磁路、一次绕组、二次绕组，实现输电线路电压的降压。
所述电压移相部分包括闭合铁心磁路、滑环碳刷连接器、一次绕组、二次绕组，其串联接入输电线路中，经过闭合的铁芯磁路实现一次绕组与二次绕组之间的电压变换、功率转换，实现二次绕组电压相位相对于一次绕组电压相位的连续调节。
所述电压调节变压部分包括闭合铁心磁路、一次绕组、多分接头调节绕组、有载调压分接开关，通过有载分接开关的选择，进行线路附加串联等值电源电压的幅值大小以及极性的控制。
所述110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，配电系统等效电源经过变压器T1输出电压/>再经过电源/>侧供电输电线路阻抗Rl1+jXl1与单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输入端A1相连，单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输出端A2经过电源/>侧供电输电线路阻抗Rl2+jXl2与/>相连，配电系统等效电源/>经过变压器T2输出电压/>单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输入端A1侧负荷有功潮流功率P1和无功潮流功率Q1，单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输入端A2侧负荷有功潮流功率P2和无功潮流功率Q2，变压器T1和变压器T2以及单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置的中性点N短接共地。
110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路中降压变压部分1中一次绕组5的首端AP1、末端NP1接于输电线路的火线和零线上，通过闭合的铁心磁路4实现降压变压部分1一次绕组与二次绕组之间的电压和功率变换，进行110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的第一重变换，实现110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路电压的降压调节；相电压移相部分2中一次绕组9的首端A、末端N分别经连接器接于降压变压部分1的二次绕组AN上，通过闭合的铁心磁路8实现电压移相部分2一次绕组与二次绕组之间的电压和功率变换，并经过电压移相部分2调节二次绕组电压相位，进行110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的第二重变换，实现110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路电压的相位调节；110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路将电压移相部分2变换出的固定幅值和可调相位的绕组电压接入电压调节变压部分3的一次绕组13，经闭合的铁心磁路12实现电压调节变压部分3一次绕组13与多分接头电压绕组15之间的功率变换。多分接头电压绕组15引出的有载分接头通过导体连接到有载分接开关16的对应端子，二者连接构成电压调节变压部分3的调压二次绕组，有载分接开关的公共端作为调压二次绕组的首端，亦是110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路对外连接的输出绕组首端，从多分接头电压绕组15中心有载分接头④位置引出电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路对外连接的调压绕组末端，亦是电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路对外连接的输出绕组的末端，从而形成正、负极性的电压和双向相同的电压调节范围，单相输出绕组首、末端构成电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路的单相输出绕组端口，亦即电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路对外串联连接的输出绕组端口，进行电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路的第三重变换，实现电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路输出电压幅值、极性、相位的精确调节。实现对该线路的有功和无功潮流功率的控制。
本发明的有益效果是：
1)本发明提供一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，在经过三重电磁感应转换后，对其输出电压或曰对接入线路的附加串联电压的相位、幅值与极性均可进行独立调节，即在极坐标平面对电压相量实施全方位控制，从而可分别实现有功潮流和无功潮流的独立解耦控制。
2)本发明所提供的技术方案是在待调节潮流的线路经降压后串联一个附加等值电源电压相量，通过对该电压相量的幅值和相位的控制，实现该线路有功潮流和无功潮流的调节，由于附加串联电压大小只需线路标称电压经降压后的10％至5％，因而，本发明提供的电磁式串联型潮流控制器容量只需为该线路传输容量的10％至5％，并实现双向潮流调节。
3)本发明提供的一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，与纯电力电子技术的潮流控制器拓扑电路相比，热容量大、抗冲击能力强，耐用性能好，并且经济成本更优，更适合高压输电网络及输电线路所面临的雷暴风雪灾害与酷暑严寒的大自然环境，以及复杂的用电负荷性质与行为等条件。
4)本发明提供的一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，与可控串补(TCSC)类拓扑电路通过调节阻抗间接调控潮流的方式相比，对接入线路的附加串联电压的幅值与相位及极性进行全方位的调节，故可实现有功潮流和无功潮流的分别控制。
5)本发明提供的一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，适用于各交流电压等级的联络线的有功、无功潮流功率控制，或多回并联线路(或潮流断面)的有功、无功功率的均衡控制，以及环路合环供电时两侧电源功率的平衡控制，还适用于各交流电压等级的架空线路或电缆线路的电压调节。
附图说明
图1是一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气系统示意图。
图2是一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气原理示意图。
图3是一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气接线示意图。
具体实施方式
所述高电压等级单相电磁式潮流控制器拓扑电路串联接入输电线路中，适合单相双电源供电且合环运行的电力用户，两电源可以相互送电，互相支援，互相调剂，互为备用；这样既可以提高供电的可靠性，又保证了重要负荷的不间断供电；同时，平衡环路运行还可以均衡任一侧电源输出功率，避免任一侧重载导致的线路电能损失(因为线路损耗与线路电流平方成正比)，提高电压质量。本发明提供的高电压等级单相电磁式潮流控制器拓扑电路正是适合这种场景的较好实施例。
图1为一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气系统示意图。配电系统等效电源经过变压器T1输出电压/>再经过电源/>侧供电输电线路阻抗Rl1+jXl1与单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输入端A1相连，单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输出端A2经过电源/>侧供电输电线路阻抗Rl2+jXl2与/>相连，配电系统等效电源/>经过变压器T2输出电压/>单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输入端A1侧负荷有功潮流功率P1和无功潮流功率Q1，单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输入端A2侧负荷有功潮流功率P2和无功潮流功率Q2，变压器T1和变压器T2以及单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置的中性点N短接共地。
图2为一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气原理示意图。降压变压部分1中一次绕组5的首端AP1、末端NP1接于输电线路的火线和零线上，通过闭合的铁心磁路4实现降压变压部分1一次绕组与二次绕组之间的电压和功率变换，进行110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的第一重变换，实现110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路电压的降压调节；相电压移相部分2中一次绕组9的首端A、末端N分别经连接器接于降压变压部分1的二次绕组AN上，通过闭合的铁心磁路8实现电压移相部分2一次绕组与二次绕组之间的电压和功率变换，并经过电压移相部分2调节二次绕组电压相位，进行110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的第二重变换，实现110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路电压的相位调节；110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路将电压移相部分2变换出的固定幅值和可调相位的绕组电压接入电压调节变压部分3的一次绕组13，经闭合的铁心磁路12实现电压调节变压部分3一次绕组13与多分接头电压绕组15之间的功率变换。多分接头电压绕组15引出的有载分接头通过导体连接到有载分接开关16的对应端子，二者连接构成电压调节变压部分3的调压二次绕组，有载分接开关的公共端作为调压二次绕组的首端，亦是110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路对外连接的输出绕组首端，从多分接头电压绕组15中心有载分接头④位置引出电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路对外连接的调压绕组末端，亦是电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路对外连接的输出绕组的末端，从而形成正、负极性的电压和双向相同的电压调节范围，单相输出绕组首、末端构成电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路的单相输出绕组端口，亦即电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路对外串联连接的输出绕组端口，进行电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路的第三重变换，实现电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路输出电压幅值、极性、相位的精确调节。实现对该线路的有功和无功潮流功率的控制。
图3为一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气接线示意图。将电压移相部分2变换出的一定幅值和可调相位的电压接入电压调节变压部分3的一次绕组13，经闭合的铁心磁路12实现调节变压器一次绕组13与多分接头电压绕组15之间的功率变换，多分接头电压绕组15引出的有载分接头序号为①至⑦(以7个有载分接头的调节线圈为例)，其各有载分接头①至⑦通过导体对应连接到7档有载分接开关16的端子①至⑦上，二者连接构成电压调节变压部分3的调压绕组，有载分接开关16的公共端⑧作为调压绕组的输入端A1(首端)，亦是110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路对外连接的输出端A1(首端)，从多分接头电压绕组15的中点位置(即有载分接头④处，)引出110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路对外连接的输出端A2(末端)，亦是110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路对外连接的输出端A2(末端)，对调节绕组来说，形成正、负极性的电压和双向相同的电压调节范围；若正、负电压调节的范围要求不相同，例如：要求调压绕组输出的正电压幅度大一些，负电压幅度小一些，则公共端向分接头序号增大的方向调整，否则，向有载分接头序号减小的方向调整；若只要求单向正电压调节则公共端连选有载分接头序号⑦，单向负电压调节则公共端连有载分接头序号①。从而，端口A1A2构成电压调节变压部分3的输出绕组端口，亦即110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路对外连接的输出端口A1A2。
当有载分接开关16的公共端⑧连接于有载分接头①的位置时，此时单相调压绕组A1A2两端的电压为调压线圈有载分接头①和④之间的电压差，根据单相多分接头电压绕组15的一次绕组13和调压绕组14之间的同名端关系，沿着供电线路看向末端电力用户时，相当于降压及相位调节，适合于降低潮流功率时的调节场景。当单相有载分接开关16的公共端⑧连接于有载分接头⑦的位置时，此时单相调压绕组A1A2两端的电压为调压线圈有载分接头⑦和④之间的电压差，根据单相多分接头电压绕组15的一次绕组13和调压绕组14之间的同名端关系，/>沿着供电线路看向末端电力用户时，相当于升压及相位调节，适合于增加潮流功率时的调节场景。当单相有载分接开关16的公共端⑧连接于有载分接头④的位置时，此时单相调压绕组A1A2两端的电压差为零，满足潮流不需要调节的时刻。根据单相多分接头电压绕组15与单相有载分接开关16调节各相二次绕组电压幅值与极性，完成单相潮流控制器的第三重变换，实现单相潮流控制器电压的幅值与极性调节。

Claims (6)

1.一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，所述110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路主要包括降压变压部分、电压移相部分和电压调节变压部分三个子系统；
所述降压变压部分包括第一闭合铁芯磁路、第一一次绕组、第一二次绕组，实现输电线路电压的降压；
所述电压移相部分包括第二闭合铁芯磁路、滑环碳刷连接器、第二一次绕组、第二二次绕组，其串联接入输电线路中，经过闭合的铁芯磁路实现第二一次绕组与第二二次绕组之间的电压变换、功率转换，实现第二二次绕组电压相位相对于第二一次绕组电压相位的连续调节；
所述电压调节变压部分包括第三闭合铁芯磁路、第三一次绕组、多分接头调节绕组、有载调压分接开关，通过有载分接开关的选择，进行线路附加串联等值电源电压的幅值大小以及极性的控制；
所述110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，配电系统等效电源经过变压器T1输出电压/>再经过电源/>侧供电输电线路阻抗Rl1+jXl1与单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输入端A1相连，单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输出端A2经过电源/>侧供电输电线路阻抗Rl2+jXl2与/>相连，配电系统等效电源经过变压器T2输出电压/>单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输入端A1侧负荷有功潮流功率P1和无功潮流功率Q1，单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置输入端A2侧负荷有功潮流功率P2和无功潮流功率Q2，变压器T1和变压器T2以及单相电磁式串联型输电线路潮流控制装置的中性点N短接共地。
2.根据权利要求1所述的一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，降压变压部分(1)中第一一次绕组(5)的首端AP1、末端NP1接于输电线路的火线和零线上，通过第一闭合的铁芯磁路(4)实现降压变压部分(1)第一一次绕组与第一二次绕组之间的电压和功率变换，进行110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的第一重变换，实现110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路电压的降压调节；电压移相部分(2)中第二一次绕组(9)的首端A、末端N分别经连接器接于降压变压部分(1)的第一二次绕组AN上，通过第二闭合的铁芯磁路(8)实现电压移相部分(2)第二一次绕组与第二二次绕组之间的电压和功率变换，并经过电压移相部分(2)调节第二二次绕组电压相位，进行110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的第二重变换，实现110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路电压的相位调节；110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路将电压移相部分(2)变换出的固定幅值和可调相位的绕组电压接入电压调节变压部分(3)的第三一次绕组(13)，经第三闭合的铁芯磁路(12)实现电压调节变压部分(3)第三一次绕组(13)与多分接头电压绕组(15)之间的功率变换；多分接头电压绕组(15)引出的有载分接头通过导体连接到有载分接开关(16)的对应端子，二者连接构成电压调节变压部分(3)的第三调压二次绕组，有载分接开关的公共端作为第三调压二次绕组的首端，亦是110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路对外连接的输出绕组首端，从多分接头电压绕组(15)中心有载分接头④位置引出电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路对外连接的调压绕组末端，亦是电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路对外连接的输出绕组的末端，从而形成正、负极性的电压和双向相同的电压调节范围，单相输出绕组首、末端构成电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路的单相输出绕组端口，亦即电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路对外串联连接的输出绕组端口，进行电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路的第三重变换，实现电压等级单相电磁式串联型潮流控制电路输出电压幅值、极性、相位的精确调节，实现对该线路的有功和无功潮流功率的控制。
3.根据权利要求1所述的一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，利用变压器电压变换原理、感应调压原理和自耦调压或有载调压原理进行三重电压与功率转换，对线路附加串联等效电源电压的幅值与相位进行独立调节，实现对输电线路的有功和无功潮流功率的控制，110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的容量仅为该输电线路传输容量的5-10％，并能实现双向潮流功率调节。
4.根据权利要求1所述的一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，首先附加串联等效电源电压利用变压器电压变换原理实现将输电线路电压降压，即实现一重变换——电压降压调节；其次利用感应调压原理改变初、次级绕组轴线相对角位移，同时经过磁场感应完成第二初、次级之间电能传递，同时实现第二次级绕组电压相位相对于第二初级电压的调节，即实现二重变换——电压相位调节；然后再利用自耦调压或有载调压原理实现电压幅值的调节及极性的切换，即实现三重变换——电压幅值与极性的调节；经过该三重变换后接入线路的附加串联等效电源电压的幅值与相位均可独立调节，从而实现对该线路的有功和无功潮流功率的精确控制。
5.根据权利要求1所述的一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，所述电压调节变压部分的第三二次调节绕组由多分接头二次线圈与有载调压分接开关连接组成，串联接入供输电线路中，经过闭合的铁芯磁路实现第三一次绕组与第三二次调节绕组之间的电压变换、功率转换，建立起第三二次绕组各分接头之间的电压与极性，再直接通过有载分接开关的选择，进行线路附加串联电压的幅值大小、相位以及极性的控制。
6.根据权利要求1所述的一种110kV及以上电压等级单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，有载分接开关(16)中的有载分接头数量可以根据实际需求任意配置，若调节精度需求高，则可增加分接头数量，若调节精度需求不高，则可减少分接头数量，以控制装置整体体积和成本。
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