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磁閥式可控電抗器在地區電網的工程應用及其適用性分析

童力1、姚暉2,楊成剛3,趙建文3,張建平1,金涌濤1

(1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院,杭州3100142.國網浙江省電力有限公司,杭州310003.國網浙江省電力有限公司麗水供電公司,浙江麗水323000)


摘  要:本文重點介紹了磁閥式可控電抗器(magnetic controlled reactance, MCR)在電網公司區域電網的實際工程應用情況,并對其在應用過程中所呈現的實用性和適應性進行了歸納與總結。通過梳理MCR在浙江省的實際工程應用情況,介紹了MCR在地區電網應用的典型供區環境、配置模式、技術原理及實際運行控制方式等內容;在此基礎上,進一步從電壓一無功補償控制效果和設備運維檢修等方面對MCR在區域電網中應用的適應性進行了分析和討論。最后,對今后應開展的技術工作進行了展望,為MCR等先進FACTS (flexible AC transmission system) 柔性交流輸變電設備在地區電網的進一步推廣應用奠定基礎。

關鍵詞:磁閥式可控電抗器(MCR);區域電網;工程應用;適用性分析;FACTS


0  引言

當前,無論是在超、特高壓輸電側,或是在中、低壓供配電側,快速響應的動態無功補償裝置對于調節電網電壓、維持電網無功動態平衡至關重要。一直以來,區域電網樞紐變電站內通常采用傳統固定投切式的“電容器-電抗器”組合進行無功補償;該補償方式有兩方面問題:一方面,面臨著響應速 度慢、損耗大、噪音嚴重、諧波放大以及分級投切帶 來的過補或欠補等問題另一方面,頻繁的設備投切也極易產生嚴重操作過電壓,繼而引起母線相間短路、電抗器相間短路及電抗器匝間絕緣損壞等故障現象6+,嚴重威脅電網的安全穩定運行。

為了解決上述問題,一種新型動態無功補償裝置一磁閥式可控電抗器(magnetic controlled reactorMCR)開始在電網中逐步得到推廣和應用得益于電抗器材料與結構的突破性改進,以及電力電子開關器件、通信、控制技術的不斷發展,MCR克服了傳統飽和電抗器響應速度慢、損耗高、噪音大、諧 波含量豐富等缺點,并在呈現出快速、靈活且連續 響應特征的同時,諧波輸出特性也得到顯著改善。于此同時,相比于其他同類型靜止無功補償器(static var compensator, SVC) 與基于全控開關器件(如 insulated gate bipolar transistor, IGBT)PWM 調制技術的靜置無功發生器(static var generatorSVG),更高的電壓等級、更大的補償容量以及更加惡劣的應用環境使得MCR在器件耐壓水平、價格成本以及設備可靠性等方面更加具有應用優勢。

為進一步推廣磁閥式可控電抗器在區域電網 動態無功補償中的應用,本文結合浙江公司在區域 電網內所開展的MCR實際工程應用,歸納和總結了MCR的典型應用環境、設備配置模式、實際運行控制方式等內容;在此基礎上,進一步從電壓一無功補償控制效果和開展設備運維檢修工作等方面對MCR的適用性進行了分析和討論,并指出當前 MCR在實際應用過程中所存在的問題。最后,對未來還需開展的技術工作進行了展望,以便更充分地利用MCRFACTS設備的電網柔性調節能力,提升電網的智能化水平。

1 磁閥式可控電抗器的技術原理

根據勵磁控制方式的不同,各電壓等級變電站 內無功補償用磁閥式可控電抗器通常可分為兩類,即自勵式MCR和他勵式MCR

1.1 自勵式MCR的工作原理

單相自勵式MCR的拓撲結構原理圖如圖1所示。從圖中可以看到:

1)  鐵心部分:鐵心采用分裂式結構,即由兩個主鐵心(Ⅰ和Ⅱ)及鐵軛(包括旁軛和上、下軛)組成;其中,主鐵心Ⅰ、Ⅱ上分布著若干個較小截面積的鐵心段(即磁閥)

2)  繞組和勵磁部分:兩根繞組交叉繞置于主鐵心Ⅰ和Ⅱ上,并且每根繞組上均設有兩個抽頭;兩個鐵心柱上的繞組抽頭間會各自聯結一個晶閘管,且在兩根繞組交叉連接處還接人一個二極管,由此構成MCR的勵磁回路部分。

對于自勵式MCR而言,主鐵心Ⅰ、Ⅱ及上、下軛構成直流磁通回路,而與對應旁軛則構成交流磁通回路。在任意一個基波周期內,以繞組抽頭段線圈壓降作為輸入電源,結合兩個晶閘管的輪流導通 (等效為全波整流),便可在非抽頭段繞組回路中產生方向恒定的直流激磁電流分量。若進一步調節觸發導通角控制晶閘管的導通時間,便可連續調節激磁電流的大小,使處在直流磁通回路的磁閥段鐵心進入飽和狀態且飽和度連續可調。此時,并聯至交流電源的兩個鐵心支路感抗連續可調,由此實現了MCR感性無功容量的無級調節輸出。

  

單相自勵式MCR的拓撲結構原理圖

1.2  他勵式MCR的工作原理

當直流偏磁激勵來源于獨立的勵磁繞組時,即為他勵式MCR。單相他勵式MCR的繞組結構形式 如圖2所示:

  

單相他勵式MCR的繞組結構形式


MCR其鐵心結構通常與自勵式MCR相同(詳見圖1)。可以看到,繞置于主鐵心上的工作繞組有兩種聯結方式:即傳統式和交叉式。與此同時,兩個主鐵心上除工作繞組外,還分別繞有兩組勵磁繞組并反向串聯連接(他勵式MCR采用雙線圈結構,工作繞組和勵磁繞組彼此電氣隔離)。

當外部受控直流電源接人反向串聯勵磁繞組端子時,便可使勵磁繞組中產生可控的直流激磁電流(此時交、直流磁通回路與自勵式MCR相同),繼而改變主鐵心上分布式磁閥的飽和度,實現MCR 感性無功容量的無級調節輸出。

2 磁控電抗器在浙江電網的實際工程應用

2.1 MCR的工程應用情況

截至目前,浙江電網公司已有多套磁閥式可控電抗器在不同地區電網內實際工程應用,以實現快速響應和平衡電網無功潮流、調節電網電壓和阻尼系統振蕩等功能。2012-2017年浙江電網的MCR工程應用情況如圖3所示,可以看到,2012年公司某220 kV變電站內投運了省內首套MCR設備;隨后,設備數量逐年增加,到目前已有18MCR12220kV樞紐變電站中投人了使用。除此之外,還有多套MCR設備已通過了可研設計、即將投產使用。

圖3  2012-2017年浙江電網的MCR工程應用情

2.2 應用MCR的典型供區電網

通過調研梳理,已有磁控電抗器MCR在地區 電網的主要典型應用環境包括兩類:

1)多水電接入的供區電網。浙江電網某些地區的供區電網存在線路過長、網架結構薄弱、地區水電資源豐富、徑流電站點多面廣的問題,并且負荷與小水電往往分布不均,而供區范圍內的用電負荷主要集中于高能耗企業。這樣一來,受電價政策影響,豐水期小水電機組集中送出“發峰電”,而高耗能負荷集中于夜間“用谷電”,峰谷倒置造成供區電網電壓大幅波動;除此之外,在豐水期和春節輕負載期間,供區電網往往無法實現無功就地補償,繼而導致無功倒送電網現象頻發,使得母線電壓長期偏高超上限且功率因數合格率偏低。在這些供區電網220kV樞紐變電站內,MCKFC (fixed capacitor, FC)固定式電容器組相配合,構成MSVC動態無功補償裝置,以有效地解決小水電大量接人帶來的電壓一無功問題。

2)全電纜出線的供區電網。隨著城市配電網的不斷升級改造,某些核心城區內的配電網輸電線路電纜化率不斷提升,甚至實現了全電纜化。而當用電負荷頻繁波動,感性無功補償容量卻不足時,就會使得供區電網內電纜線路容性充電功率得不到有效補償,繼而導致母線電壓偏高越上限、功率因數合格率較低,嚴重影響到用戶正常用電。在這些供區電網220kV樞紐變電站內,通常停用原有固定投切式電抗器,轉而增加一套或多套MCR用以動態補償頻繁波動的容性無功需求,不僅提升了電壓一無功補償性能,還同時避免了電抗器的頻繁投切,提升了設備與電網的運行可靠性。

2.3 MCR的典型運行控制方式

通過調研了解到,220 kV變電站是MCR在地區電網的典型應用環境之一。在我國當前電力網絡中,220kV變電站是高壓輸電網絡的樞紐站,既向當地負荷供電,同時又向下一電壓等級變電站供電。根據規定,站內電壓無功調節裝置,以主變高壓側無功功率(功率因數)和中(低)壓側母線電壓為調節目標,并以高壓側母線電壓為約束。但在實際執行時,由于難以同時保證中低壓側電壓合格,且低壓側直接向用戶供電,而中壓側是為后續具備調控裝置的變電站供電,因而通常以低壓側電 壓指標為優先主控目標。于此同時,在保證高壓側 無功功率平衡、低壓側母線電壓合格以外,還應盡 量減少電容補償設備投切次數和主變分接頭調節 次數,某220 kV變電站內基于MCR的動態無功補 償系統典型運行控制流程如圖4所示。


  

4  220 kV變電站內MCR的典型運行控制流程


4中,MCR的運行控制流程同時包括了電容 器組和主變分接頭的操作。可以看到,控制系統同 時設置了手動控制、自動控制(包括AVC后臺控制 和就地控制兩種)模式。當進入AVC后臺控制模式 時,控制器接收系統指令,調節MCR的感性無功輸 出和電容器組開關的投切動作,完成電壓一無功調 節;而進入就地自動控制模式時,將根據信息采集 反饋和預先設定的控制目標進行分析計算,并按照 “首先調節MCR、再調節電容器組投切、最后調節主 變分接頭”的順序進行補償控制。

3磁控電抗器在地區電網的適用性分析

磁控電抗器作為可控型電網設備,衡量其在電 網中的應用效果,一方面取決于其所起到的調節補償效果,另一方面還需考慮設備本身后期運維檢修 工作的開展。

3.1 MCR的無功_電壓補償效果

以多小水電接人的某220 kV變電站為例,MCR與站內原有固定電容器組構成了動態無功補償系統,表1列出即為7-8月小水電豐水期MCR投運前后的補償效果。可以看到,20117-8兩月中,無功倒送電量均在10 000 Mvar·h以上,功率因數合格率不到80%;顯然,豐水期的小水電會造成大量無功倒送,嚴重影響高壓側的功率因數。隨后,由2012年同期數據比較可以看出,MCR投運后,原有的無功倒送問題基本得到徹底解決,功率因數合格率得到顯著提升,低壓側的電壓合格率也略有提升,無功補償效果十分顯著。

另一座220kV變電站投運MCR前后的電壓和無功補償效果如圖5所示。圖5(a)中所示為低壓35kV側母線電壓日運行曲線,可以看到, MCR投運后有效地避免了電壓尖峰的頻繁出現,使得母線電壓更加穩定,保證了母線電壓運行在合格范圍內。圖5(b)中所示為高壓220kV側的無功功率曲線,MCR的應用使得高壓側保持了較低的感性無功功率,使功率因數位置在較高數值,確保了功率因數的合格,不僅充分防止電容器頻繁投切給系統穩定運行及電容器自身帶來的不利影響,也能夠保證最大限度地降低電網的網損,提高運行效率。

220kV變電站內MCR應用補償效果

  


注:功率因數考核點設為主變高壓側,電壓考核點設為低壓側母線;5 min取樣1,合格率=(總取樣點-不合格點)/(總取樣 點);無功倒送時,按不合格統計。

3.2 MCR的設備運維檢修

目前,國家電網公司尚未有專門針對MCR設備狀態檢修與狀態評價工作的技術標準或規范。由于MCR尚處于“設備導入期",相關的設備運維人員均是依據傳統Q/GDW1692008《油浸式變壓器(電抗器)狀態評價導則》和(J/GDW 1702008《油浸式變壓器(電抗器)狀態檢修導則》來開展MCR設備的運行、維護和設備檢修,即通過對MCR運行時的聲音、振動、氣味、常規絕緣性能、油性能與外部狀況等現象的變化來判斷設備有無異常,并分析設備異常原因、異常部位及異常程度,繼而采取相應的應對措施。

MCR安全、可靠的應用可顯著提升地區電網的電壓一無功調節能力,并從根源上杜絕投切并聯電抗器時的操作過電壓。但是,在設備運維檢修方面還存在以下問題:


  

220kV變電站內MCR應用補償效果曲線


1) 設備運行噪音。MCR電抗器本體在深度飽和運行狀態下存在顯著的噪音問題(在市區內某樞紐變電站實測噪音超70dB),引起附近居民投訴。一方面,MCR電抗器本身長期直流偏磁飽和運行,使得鐵心噪音嚴重;另一方面,實際站內采用開放式場站布局,并未采取有效隔音措施,使得噪音得以擴散傳播。

2) 勵磁控制柜絕緣、耐壓保護措施欠缺。MCR 作為“主動型”電網調節設備,其運行狀態、性能由電抗器本體、勵磁控制柜(包括勵磁回路、觸發模塊、供電模塊等)和數字控制系統共同決定。目前,已投運的MCR設備在實際運行過程中,因沖擊電壓、雷擊過電壓等因素,多次出現勵磁控制柜內熔絲燒斷、晶閘管和供電模塊損壞等故障現象,影響到設備的運行可靠性。

3) 設備狀態檢測有效性不足。根據實際投運的MCR故障缺陷統計來看,電抗器鐵心過熱受損是故障缺陷的主要成因。參照現有執行技術標準,針對電抗器鐵心開展的常規絕緣性能和油性能檢測往往在發現設備異常時,MCR鐵心內部已經發生無法修復的燒蝕、損壞。顯然,傳統油浸式電抗器的狀態檢修和評價導則應用于MCR時,檢測狀態量和性能評價方式缺乏針對性和有效性。

4 未來工作展望

得益于技術進步和設備自身技術優點,將會有越來越多的MCR在地區電網中實際應用。而當設備數量達到一定程度后,提升MCR設備的運行控制效果、運行可靠性以及運維檢修水平就變得至關重要。作為“主動型”電網設備的MCR,其設備性能與健康狀況由電網環境與控制方式共同決定;因此,有別于傳統電網設備的狀態檢修模式,未來需要對MCR進行更加有效的狀態量檢測:即所檢測狀態量不僅能夠有效反映設備的運行狀態和性能,還能夠作為其運行狀態和性能優化調節的重要依據。針對MCR的設備狀態量檢測及運行特性開展更深入的研究,進而提升其在理論設計、優化運行控制和性能評估等方面的技術水平;在此基礎上,開拓此類FACTS設備的狀態檢修模式,為FACTS設備在電網中更多、更好的實際應用奠定基礎。

5 結束語

本文首先介紹了磁閥式可控電抗器MCR的技術原理,并結合其在實際地區電網的工程應用情況,梳理和總結了MCR的典型應用供區電網、技術原理以及其在220 kV樞紐變電站內的典型運行控制方式等內容。隨后,通過實際案例分析了MCR220kV樞紐變電站內的電壓一無功補償效果,介紹了當前MCR運維檢修工作開展依據的技術標準,并深人分析了當前其在運行維護、狀態檢修等方面所面臨的主要問題。最后,展望了未來還需繼續深人開展的技術研究工作,以進一步提升MCR類先進可控電網新技術裝備的安全、可靠運行水平。

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