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基于Zigzag变压器的交直流叠加输电线路特性研究

计算技术与自动化 / 2018年03月27日 17:12

新闻

李泓骏 彭寒梅++李泽兰++李湾

摘 要:基于Zigzag变压器的交直流叠加输电技术,能有效解决直流功率注入普通变压器二次侧易引发的直流偏磁问题,可较大程度提高现有交流输电网络的输电能力,实现交直流功率的灵活传输。给出基于Zigzag变压器的交直流叠加输电系统的拓扑结构及输电原理,分析Zigzag变压器避免磁饱和的机理;与纯交流输电方式比较下,研究交直流叠加输电系统线路的稳态运行特性,得出系统满足一定电气条件时,该系统具有更小的电压降和功率损耗。搭建交直流叠加输电系统仿真模型,仿真结果表明研究得出的特性的正确性。

关键词:交直流叠加输电;Zigzag变压器;直流偏磁;特性;仿真

中图分类号:TM 72 文献标识码:A

1 引 言

近年来,随着我国经济的快速发展,人们对电力需求进一步增加。现有输电网络已无法满足电力负荷增长的需求[1-2],为此,寻求和探讨一种新的输电方式便成为解决该问题的一种新思路。交直流叠加输电方式是一种新的输电方式[3-4],该输电方式无需重新架设新的输电线路,能够大幅度地节省输电线路的投资成本和运营成本。交直流叠加输电系统通过快速地调节直流功率潮流,将直流功率与交流系统功率进行盈亏调剂,使得输电线路的交直流功率传输得到有效地改善,提高交流输电系统在远距离输电方式下的稳定性,克服在输电线路上因直流电流缺乏自然过零点难以灭弧的技术困难。同时,该输电系统最大限度地融合了传统直流输电方式和纯交流输电方式各自的优良特点,具有明显的运行优势。因此,相关学者将其称为一种新型柔性输电系统。

上个世纪50年代原苏联提出了在交流输电线路上叠加输送直流功率的概念,并引起英国、德国和美国等国家的广泛关注和深入研究。60年代到80年代,电力电子技术的迅速发展给交直流叠加输电系统带来了更大的发展机遇。1991年,IEEE国际会议对电网交直流叠加输电方案高度重视,并认为该系统能够有效地“挖潜”现有输电线路传输能力,具有良好的发展前景。目前,交直流叠加输电系统在系统动态稳定、增容研究等方面取得了一定的研究进展。文献[3]提出了交直流叠加输电系统方案的最初构想。文献[4]指出了在交流输电系统中叠加少量的直流功率,能够有效地改善交流输电系统的动态稳定性。

交直流叠加输电技术在我国研究起步较晚。文献[5]将交直流叠加输电方案应用于分布式配电网中,分析了单极大地返回运行时允许入地的额定电流值,并论证了该方案相对于传统交流配电网具有更均匀的电压和更小的网络损耗。为进一步推动该输电技术的发展,本文阐述了交直流叠加输电拓扑结构与机理,分析了其关键部件Zigzag变压器的基本结构与避免磁饱和特性;研究了π形等值电路的叠加输电线路电压、有功及无功功率特性。

2 Zigzag变压器的交直流叠加输电系统拓

扑结构

单回路交直流叠加输电系统的拓扑结构如图1所示。系统拓扑模型主要包括:交流系统、Zigzag变压器、整流器、逆变器和输电线路。

交直流叠加输电系统由交流网络子系统和直流网络子系统组成。交流网络子系统主要包括交流等效系统、Zigzag变压器以及输电线路。直流网络子系统主要由换流变压器、换流器、平波电抗器、接地极及输电线路构成。直流功率是通过交流系统1经过换流器整流成直流功率注入在Zigzag变压器二次侧中性点,以实现交直流功率的“耦合”。在满足输电线路电气特性条件下,交流功率与直流功率在初始交流输电线路上传输。三相线路同时叠加相同的直流分量,使得输电线路的线电压不发生改变,而相电压增加一个直流分量。

为了降低直流功率的谐波含量,防止换流器换相失败,在换流器端口和Zigzag变压器直流端口之间串联平波电抗器。在输电线路的末端,交直流叠加功率经过Zigzag变压器二次侧实现交直流功率的“解耦”,分离出来的直流功率经过逆变器传输给交流系统2。同时,系统通过接地极线路或地面构成直流电流回路;为防止入地电流过大造成电化学腐蚀,最大限度地减小电流密度和表面电压梯度,使用接地装置将电位钳位到尽可能小。

3 Zigzag变压器分析

Zigzag变压器属于特种变压器范畴,其独特结构在于它的绕组接线结构不同于一般普通变压器,目前国内外对该特种变压器研究较少[6-7]。Zigzag变压器的最早研究及应用领域是电力系统中性点直接接地或非直接接地的三相系统中作Zigzag接地变压器使用。该Zigzag接地变压器能够人为地提供一个中性点,该中性点可以直接接地,也可以经电抗器、电阻器或消弧线圈接地。

Zigzag变压器作为一种新型特种变压器,是实现交直流功率叠加与分离的关键设备,也是Zigzag接地变压器的一种演变与创新。其结构图如图2所示,一次侧采用三角形接线,二次侧为曲折形联结,对于二次侧a相绕组有a=a1+a2,其中a1表示二次侧主绕组电压相量,a2表示二次侧副绕组电压相量,得到二次绕组总电压相量有效值Ea:

Ea=E2a1+E2a2+Ea1Ea2 (1)

当二次侧两绕组匝数相同时,得到:

Ea=3Ea1=3Ea2 (2)

同理,可以得到b、c相绕组电压关系。

Zigzag变压器的二次侧绕组中性点为直流功率注入点,当在绕组中性点上注入直流时,同一铁芯上两绕组的直流磁势互相抵消,变压器保持原有的工作特性曲线,从而避免了直流功率引起的变压器磁饱和现象。

图2 Zigzag变压器绕组接线图

4 叠加输电线路特性研究

交直流叠加输电线路流过的功率分量包含交流与直流分量,两者在输电线路产生不同的电气损耗,由此,有必要研究两者在叠加输电线路的特性关系。以单回路输电系统的集中参数π型等值电路表示交直流叠加输电线路[8],其单相等值模型如图3所示。假定交直流叠加线路上的交直流分量满足输电线路绝缘裕度的要求,且线路的交直流负荷均为对称负荷,系统单相负荷总功率(PLac+PLdc)+jQLac恒定不变,即系统以三相对称方式运行。交直流叠加输电方式运行时,输电线路初始端交流电压为Ⅰac、直流电压为

4.1 纯交流输电方式线路的电气特性

当系统以纯交流输电方式供给交直流负荷时,输电线路末端并联导纳支路功率ΔSy2,串联阻抗支路功率损耗ΔSZ分别为:

4.2 交直流叠加输电方式线路的电气特性

4.2.1 直流电源供电的电压、功率损耗

直流电源供电方式下的串联阻抗支路始端电压UⅠdc,直流输电线路总功率损耗ΔSdc分别为:

4.2.2 交流电源供电的电压、功率损耗

为了与4.1中的公式加以区别,本节采用字母上方加横线表示叠加输电系统中纯交流运行方式的功率表达式。输电线路末端并联导纳支路功率ΔSy2,串联阻抗支路末端功率S′2分别为:

4.3 输电线路电气特性比较与分析

综合纯交流、交直流叠加两种不同运行方式下输电线路特性研究,进一步比较两种运行方式下线路的特性,得到交直流叠加输电线路的电压、有功功率、无功功率传输特性。

4.3.1 电压损耗特性

由式(7)和(17),采用纯交流输电方式时,输电线路电压损耗纵分量ΔUac为:

由式(20)-(22)可知,采用交直流叠加输电方式时,输电线路电压损耗包含交流、直流分量损耗。线路上直流功率被串联支路中的电阻消耗,直流电压降损耗与直流负荷大小成正比。实际运行时,应尽可能让交直流叠加输电方式线路的电压损耗比交流输电方式小,即电压损耗比率01。进一步,分析可知,系统电压损耗比率与交直流负荷大小以及输电线路参数无关,仅取决于电压叠加比例系数。因此,得到:当系统叠加的直流电压分量有效值大于交流分量有效值,交直流叠加输电方式比传统纯交流输电方式具有更小的电压损耗特性。

4.3.2 有功损耗特性

比较式(8)和(19),得出采用纯交流输电方式时,输电线路有功功率损耗ΔPac为

由式(26)可知:对于交、直流负荷恒定的交直流叠加输电线路,PLac、PLdc、G为定值。M值与x、UⅡdc有关,即输电线路有功功率损耗差函数值正负与交、直流电压叠加比例系数x和叠加的直流电压有效值UⅡdc有关。进一步,可以得到:在满足交直流叠加分量规则和输电系统绝缘安全的条件下,当系统中叠加的直流分量越大,则交直流叠加系统中的有功功率损耗越小。

4.3.3无功损耗特性

无论系统采用何种方式运行,交流网络电力线路始末端电压与系统频率均保持不变。

构建无功功率损耗差函数N:

由式(28)可知,两种输电方式的无功损耗差函数N与系统直流负荷PLdc有关,当直流负荷有功功率PLdc大于零时,叠加系统无功损耗差函数N<0。此时,交直流叠加输电系统具有更小的无功功率损耗特性。

5 仿真分析

在MATLAB环境下,搭建采用Zigzag变压器实现新型高压交直流叠加输电系统方案模型,系统采用双回路供电方式。系统通过Zigzag变压器和300 km输电线路连接双端交流等效系统与换流器,交流系统额定电压分别为500 kV和345 kV,传输功率1000MW,π型等值输电线路参数:z=0.01273+j0.29331Ω/km,y= j4.00238×10-6 S/km,系统频率均为50Hz,系统离散采样时间Ts =50us。

交直流功率叠加输送的仿真设计思路是给定导线最大允许温升电流,通过测量导线交流电流分量,输出直流电流指令以实现整流器和逆变器协调控制的目的。仿真系统通过主控制中的启动器模块启动和停止直流参考电流。t=0.1s时,两端换流器开始对交、直流功率进行换流;当t=0.33s时,直流电流进入最小稳态参考电流0.1p.u.。t=0.5s时,直流电流达到最终稳态参考电流1p.u.。此后,交直流叠加输电系统进入稳定状态,整流器控制直流电流,逆变器控制直流电压[9-10]。仿真结果如图4、图5、图6所示。

(a)变压器二次侧相电压

(b)变压器励磁电流

图4 Zigzag变压器仿真波形

图4(a)为变压器二次侧相电压。图4(b)为Zigzag变压器在直流功率叠加后的励磁电流波形。在t=0.1s时,系统开始向变压器注入直流功率,由图4(a)可看出,变压器二次侧相电压变化较小,电压基本保持恒定。由图4(b)可看出变压器在直流功率注入前后其励磁电流基本保持不变。由此可知,增加的直流功率能够在变压器绕组中顺利通过且不影响变压器初始运行状态,表明了Zigzag变压器能有效地避免变压器铁芯饱和的现象,验证了采用Zigzag变压器实现交直流功率叠加传输的可行性和有效性。

图5(a)为输电线路相电压波形,图5(b)为输电线路始末端电压波形比较图,实线表示输电线路始端相电压,虚线表示线路末端相电压。图5(c)为输电线路线电流波形。由图5(a)可看出,三相输电线路同时叠加直流功率,使得输电线路的相电压峰峰值上升了一个水平分量,从而验证了理论分析的正确性。图5(b)表示输电线路始末端电压比较,实线表示输电线路始端相电压,虚线表示线路末端相电压。系统稳态运行后,一部分直流功率被输电线路阻抗支路中的电阻消耗。因此,末端电压峰值低于始端电压峰值。由图5(c)可看出,系统稳态运行后,电流曲线可以经过零点。说明了叠加输电系统克服了传统直流输电系统缺乏自然过零点的缺点,从而能够较好地熄灭电弧。

(a)输电线路相电压

(b)输电线路始末端电压波形比较

(c)输电线路电流

图5 输电线路运行参量波形

(a)输电线路有功功率

(b)输电线路无功功率

图6 输电线路功率

图6(a)为单回路输电线路传输的有功功率,图6(b)为单回路输电线路传输的无功功率。由图6可看出,在单回路输电线路上,线路传输500MW的有功功率正好是双回路输电线路输送总功率的二分之一,符合理论分析结论,验证了本文提出的新型交直流叠加输电系统的可行性和有效性。

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