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    磁阀式可控电抗器在地区电网的工程应用及其适用性分析

    童力1、姚晖2,杨成刚3,赵建文3,张建平1,金涌涛1

    (1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院,杭州3100142.国网浙江省电力有限公司,杭州310003.国网浙江省电力有限公司丽水供电公司,浙江丽水323000)


    摘  要:本文重点介绍了磁阀式可控电抗器(magnetic controlled reactance, MCR)在电网公司区域电网的实际工程应用情况,并对其在应用过程中所呈现的实用性和适应性进行了归纳与总结。通过梳理MCR在浙江省的实际工程应用情况,介绍了MCR在地区电网应用的典型供区环境、配置模式、技术原理及实际运行控制方式等内容;在此基础上,进一步从电压一无功补偿控制效果和设备运维检修等方面对MCR在区域电网中应用的适应性进行了分析和讨论。最后,对今后应开展的技术工作进行了展望,为MCR等先进FACTS (flexible AC transmission system) 柔性交流输变电设备在地区电网的进一步推广应用奠定基础。

    关键词:磁阀式可控电抗器(MCR);区域电网;工程应用;适用性分析;FACTS


    0  引言

    当前,无论是在超、特高压输电侧,或是在中、低压供配电侧,快速响应的动态无功补偿装置对于调节电网电压、维持电网无功动态平衡至关重要。一直以来,区域电网枢纽变电站内通常采用传统固定投切式的“电容器-电抗器”组合进行无功补偿;该补偿方式有两方面问题:一方面,面临着响应速 度慢、损耗大、噪音严重、谐波放大以及分级投切带 来的过补或欠补等问题另一方面,频繁的设备投切也极易产生严重操作过电压,继而引起母线相间短路、电抗器相间短路及电抗器匝间绝缘损坏等故障现象6+,严重威胁电网的安全稳定运行。

    为了解决上述问题,一种新型动态无功补偿装置一磁阀式可控电抗器(magnetic controlled reactorMCR)开始在电网中逐步得到推广和应用得益于电抗器材料与结构的突破性改进,以及电力电子开关器件、通信、控制技术的不断发展,MCR克服了传统饱和电抗器响应速度慢、损耗高、噪音大、谐 波含量丰富等缺点,并在呈现出快速、灵活且连续 响应特征的同时,谐波输出特性也得到显著改善。于此同时,相比于其他同类型静止无功补偿器(static var compensator, SVC) 与基于全控开关器件(如 insulated gate bipolar transistor, IGBT)PWM 调制技术的静置无功发生器(static var generatorSVG),更高的电压等级、更大的补偿容量以及更加恶劣的应用环境使得MCR在器件耐压水平、价格成本以及设备可靠性等方面更加具有应用优势。

    为进一步推广磁阀式可控电抗器在区域电网 动态无功补偿中的应用,本文结合浙江公司在区域 电网内所开展的MCR实际工程应用,归纳和总结了MCR的典型应用环境、设备配置模式、实际运行控制方式等内容;在此基础上,进一步从电压一无功补偿控制效果和开展设备运维检修工作等方面对MCR的适用性进行了分析和讨论,并指出当前 MCR在实际应用过程中所存在的问题。最后,对未来还需开展的技术工作进行了展望,以便更充分地利用MCRFACTS设备的电网柔性调节能力,提升电网的智能化水平。

    1 磁阀式可控电抗器的技术原理

    根据励磁控制方式的不同,各电压等级变电站 内无功补偿用磁阀式可控电抗器通常可分为两类,即自励式MCR和他励式MCR

    1.1 自励式MCR的工作原理

    单相自励式MCR的拓扑结构原理图如图1所示。从图中可以看到:

    1)  铁心部分:铁心采用分裂式结构,即由两个主铁心(Ⅰ和Ⅱ)及铁轭(包括旁轭和上、下轭)组成;其中,主铁心Ⅰ、Ⅱ上分布着若干个较小截面积的铁心段(即磁阀)

    2)  绕组和励磁部分:两根绕组交叉绕置于主铁心Ⅰ和Ⅱ上,并且每根绕组上均设有两个抽头;两个铁心柱上的绕组抽头间会各自联结一个晶闸管,且在两根绕组交叉连接处还接人一个二极管,由此构成MCR的励磁回路部分。

    对于自励式MCR而言,主铁心Ⅰ、Ⅱ及上、下轭构成直流磁通回路,而与对应旁轭则构成交流磁通回路。在任意一个基波周期内,以绕组抽头段线圈压降作为输入电源,结合两个晶闸管的轮流导通 (等效为全波整流),便可在非抽头段绕组回路中产生方向恒定的直流激磁电流分量。若进一步调节触发导通角控制晶闸管的导通时间,便可连续调节激磁电流的大小,使处在直流磁通回路的磁阀段铁心进入饱和状态且饱和度连续可调。此时,并联至交流电源的两个铁心支路感抗连续可调,由此实现了MCR感性无功容量的无级调节输出。

      

    单相自励式MCR的拓扑结构原理图

    1.2  他励式MCR的工作原理

    当直流偏磁激励来源于独立的励磁绕组时,即为他励式MCR。单相他励式MCR的绕组结构形式 如图2所示:

      

    单相他励式MCR的绕组结构形式


    MCR其铁心结构通常与自励式MCR相同(详见图1)。可以看到,绕置于主铁心上的工作绕组有两种联结方式:即传统式和交叉式。与此同时,两个主铁心上除工作绕组外,还分别绕有两组励磁绕组并反向串联连接(他励式MCR采用双线圈结构,工作绕组和励磁绕组彼此电气隔离)。

    当外部受控直流电源接人反向串联励磁绕组端子时,便可使励磁绕组中产生可控的直流激磁电流(此时交、直流磁通回路与自励式MCR相同),继而改变主铁心上分布式磁阀的饱和度,实现MCR 感性无功容量的无级调节输出。

    2 磁控电抗器在浙江电网的实际工程应用

    2.1 MCR的工程应用情况

    截至目前,浙江电网公司已有多套磁阀式可控电抗器在不同地区电网内实际工程应用,以实现快速响应和平衡电网无功潮流、调节电网电压和阻尼系统振荡等功能。2012-2017年浙江电网的MCR工程应用情况如图3所示,可以看到,2012年公司某220 kV变电站内投运了省内首套MCR设备;随后,设备数量逐年增加,到目前已有18MCR12220kV枢纽变电站中投人了使用。除此之外,还有多套MCR设备已通过了可研设计、即将投产使用。

    图3  2012-2017年浙江电网的MCR工程应用情

    2.2 应用MCR的典型供区电网

    通过调研梳理,已有磁控电抗器MCR在地区 电网的主要典型应用环境包括两类:

    1)多水电接入的供区电网。浙江电网某些地区的供区电网存在线路过长、网架结构薄弱、地区水电资源丰富、径流电站点多面广的问题,并且负荷与小水电往往分布不均,而供区范围内的用电负荷主要集中于高能耗企业。这样一来,受电价政策影响,丰水期小水电机组集中送出“发峰电”,而高耗能负荷集中于夜间“用谷电”,峰谷倒置造成供区电网电压大幅波动;除此之外,在丰水期和春节轻负载期间,供区电网往往无法实现无功就地补偿,继而导致无功倒送电网现象频发,使得母线电压长期偏高超上限且功率因数合格率偏低。在这些供区电网220kV枢纽变电站内,MCKFC (fixed capacitor, FC)固定式电容器组相配合,构成MSVC动态无功补偿装置,以有效地解决小水电大量接人带来的电压一无功问题。

    2)全电缆出线的供区电网。随着城市配电网的不断升级改造,某些核心城区内的配电网输电线路电缆化率不断提升,甚至实现了全电缆化。而当用电负荷频繁波动,感性无功补偿容量却不足时,就会使得供区电网内电缆线路容性充电功率得不到有效补偿,继而导致母线电压偏高越上限、功率因数合格率较低,严重影响到用户正常用电。在这些供区电网220kV枢纽变电站内,通常停用原有固定投切式电抗器,转而增加一套或多套MCR用以动态补偿频繁波动的容性无功需求,不仅提升了电压一无功补偿性能,还同时避免了电抗器的频繁投切,提升了设备与电网的运行可靠性。

    2.3 MCR的典型运行控制方式

    通过调研了解到,220 kV变电站是MCR在地区电网的典型应用环境之一。在我国当前电力网络中,220kV变电站是高压输电网络的枢纽站,既向当地负荷供电,同时又向下一电压等级变电站供电。根据规定,站内电压无功调节装置,以主变高压侧无功功率(功率因数)和中(低)压侧母线电压为调节目标,并以高压侧母线电压为约束。但在实际执行时,由于难以同时保证中低压侧电压合格,且低压侧直接向用户供电,而中压侧是为后续具备调控装置的变电站供电,因而通常以低压侧电 压指标为优先主控目标。于此同时,在保证高压侧 无功功率平衡、低压侧母线电压合格以外,还应尽 量减少电容补偿设备投切次数和主变分接头调节 次数,某220 kV变电站内基于MCR的动态无功补 偿系统典型运行控制流程如图4所示。


      

    4  220 kV变电站内MCR的典型运行控制流程


    4中,MCR的运行控制流程同时包括了电容 器组和主变分接头的操作。可以看到,控制系统同 时设置了手动控制、自动控制(包括AVC后台控制 和就地控制两种)模式。当进入AVC后台控制模式 时,控制器接收系统指令,调节MCR的感性无功输 出和电容器组开关的投切动作,完成电压一无功调 节;而进入就地自动控制模式时,将根据信息采集 反馈和预先设定的控制目标进行分析计算,并按照 “首先调节MCR、再调节电容器组投切、最后调节主 变分接头”的顺序进行补偿控制。

    3磁控电抗器在地区电网的适用性分析

    磁控电抗器作为可控型电网设备,衡量其在电 网中的应用效果,一方面取决于其所起到的调节补偿效果,另一方面还需考虑设备本身后期运维检修 工作的开展。

    3.1 MCR的无功_电压补偿效果

    以多小水电接人的某220 kV变电站为例,MCR与站内原有固定电容器组构成了动态无功补偿系统,表1列出即为7-8月小水电丰水期MCR投运前后的补偿效果。可以看到,20117-8两月中,无功倒送电量均在10 000 Mvar·h以上,功率因数合格率不到80%;显然,丰水期的小水电会造成大量无功倒送,严重影响高压侧的功率因数。随后,由2012年同期数据比较可以看出,MCR投运后,原有的无功倒送问题基本得到彻底解决,功率因数合格率得到显著提升,低压侧的电压合格率也略有提升,无功补偿效果十分显著。

    另一座220kV变电站投运MCR前后的电压和无功补偿效果如图5所示。图5(a)中所示为低压35kV侧母线电压日运行曲线,可以看到, MCR投运后有效地避免了电压尖峰的频繁出现,使得母线电压更加稳定,保证了母线电压运行在合格范围内。图5(b)中所示为高压220kV侧的无功功率曲线,MCR的应用使得高压侧保持了较低的感性无功功率,使功率因数位置在较高数值,确保了功率因数的合格,不仅充分防止电容器频繁投切给系统稳定运行及电容器自身带来的不利影响,也能够保证最大限度地降低电网的网损,提高运行效率。

    220kV变电站内MCR应用补偿效果

      


    注:功率因数考核点设为主变高压侧,电压考核点设为低压侧母线;5 min取样1,合格率=(总取样点-不合格点)/(总取样 点);无功倒送时,按不合格统计。

    3.2 MCR的设备运维检修

    目前,国家电网公司尚未有专门针对MCR设备状态检修与状态评价工作的技术标准或规范。由于MCR尚处于“设备导入期",相关的设备运维人员均是依据传统Q/GDW1692008《油浸式变压器(电抗器)状态评价导则》和(J/GDW 1702008《油浸式变压器(电抗器)状态检修导则》来开展MCR设备的运行、维护和设备检修,即通过对MCR运行时的声音、振动、气味、常规绝缘性能、油性能与外部状况等现象的变化来判断设备有无异常,并分析设备异常原因、异常部位及异常程度,继而采取相应的应对措施。

    MCR安全、可靠的应用可显著提升地区电网的电压一无功调节能力,并从根源上杜绝投切并联电抗器时的操作过电压。但是,在设备运维检修方面还存在以下问题:


      

    220kV变电站内MCR应用补偿效果曲线


    1) 设备运行噪音。MCR电抗器本体在深度饱和运行状态下存在显著的噪音问题(在市区内某枢纽变电站实测噪音超70dB),引起附近居民投诉。一方面,MCR电抗器本身长期直流偏磁饱和运行,使得铁心噪音严重;另一方面,实际站内采用开放式场站布局,并未采取有效隔音措施,使得噪音得以扩散传播。

    2) 励磁控制柜绝缘、耐压保护措施欠缺。MCR 作为“主动型”电网调节设备,其运行状态、性能由电抗器本体、励磁控制柜(包括励磁回路、触发模块、供电模块等)和数字控制系统共同决定。目前,已投运的MCR设备在实际运行过程中,因冲击电压、雷击过电压等因素,多次出现励磁控制柜内熔丝烧断、晶闸管和供电模块损坏等故障现象,影响到设备的运行可靠性。

    3) 设备状态检测有效性不足。根据实际投运的MCR故障缺陷统计来看,电抗器铁心过热受损是故障缺陷的主要成因。参照现有执行技术标准,针对电抗器铁心开展的常规绝缘性能和油性能检测往往在发现设备异常时,MCR铁心内部已经发生无法修复的烧蚀、损坏。显然,传统油浸式电抗器的状态检修和评价导则应用于MCR时,检测状态量和性能评价方式缺乏针对性和有效性。

    4 未来工作展望

    得益于技术进步和设备自身技术优点,将会有越来越多的MCR在地区电网中实际应用。而当设备数量达到一定程度后,提升MCR设备的运行控制效果、运行可靠性以及运维检修水平就变得至关重要。作为“主动型”电网设备的MCR,其设备性能与健康状况由电网环境与控制方式共同决定;因此,有别于传统电网设备的状态检修模式,未来需要对MCR进行更加有效的状态量检测:即所检测状态量不仅能够有效反映设备的运行状态和性能,还能够作为其运行状态和性能优化调节的重要依据。针对MCR的设备状态量检测及运行特性开展更深入的研究,进而提升其在理论设计、优化运行控制和性能评估等方面的技术水平;在此基础上,开拓此类FACTS设备的状态检修模式,为FACTS设备在电网中更多、更好的实际应用奠定基础。

    5 结束语

    本文首先介绍了磁阀式可控电抗器MCR的技术原理,并结合其在实际地区电网的工程应用情况,梳理和总结了MCR的典型应用供区电网、技术原理以及其在220 kV枢纽变电站内的典型运行控制方式等内容。随后,通过实际案例分析了MCR220kV枢纽变电站内的电压一无功补偿效果,介绍了当前MCR运维检修工作开展依据的技术标准,并深人分析了当前其在运行维护、状态检修等方面所面临的主要问题。最后,展望了未来还需继续深人开展的技术研究工作,以进一步提升MCR类先进可控电网新技术装备的安全、可靠运行水平。

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