线路两端电压控制装置优化方案

对线路两端电压的控制可以通过两种方式实现：控制和稳定线路各个中间点和节点上的电压；改变线路两端电压之间的相角差。

控制和稳定电压的装置包括：同步调相机、可控并联电抗器和静止无功补偿器。

同步调相机是同步电机，能够工作在发出无功功率的状态（主状态），也能工作在吸收无功功率的状态，它被用于稳定其所连接的电网节点电压。同步调相机在电力系统中得到了广泛使用，但是在解决如上所述的问题时，它并不是完全适合的。因为与新的装置相比，同步调相机的电磁惯性太大了，另外其制造和维护也较复杂。

可控并联电抗器（УⅢР）是可以借助于控制装置来改变功率的电抗器，它能够保证其连接点上的无功功率平衡。

并联电抗器的控制可以通过两种方式实现：采用直流电源磁化电抗器铁心来改变电抗器的导纳（利用钢磁化曲线的非线性）；控制与电抗器串联的晶闸管，在电网频率的每半个周期内改变流经电抗器电流的时间。

下面分析这两种方式。

磁化可控电抗器具有闭合的、或者是带有空气间隙的由变压器钢制作的铁心，上面分布着两个绕组——工作绕组和控制绕组。工作绕组连接到电网上，其中有过剩的无功功率，并且需要此电抗器来补偿。控制绕组中流过直流控制电流，改变直流电流的值可以改变铁心的磁化状态，从而改变了工作绕组的电感及其电抗。工作绕组电流发生改变，电抗器所吸收的无功功率也就改变了。

如果两个绕组的分布使得其磁场的轴线发生重合，那么就存在铁心的纵向磁化问题；如果其磁场的轴线不重合，并且在空间中相对位移90°，那么就存在横向磁化问题。

纵向磁化具有一系列严重的缺点，主要是两个绕组的互感联系，以及由电网提供的电抗器电流波形的严重畸变。由于磁联系控制绕组中感应出交流电压分量，必须采取限制措施。而由电网所提供电流的波形畸变，则要求使用复杂的补偿绕组，在其中部分高次谐波形成回路，以及采用高次谐波电流过滤器。所有的这些都将使电抗器的结构非常复杂。

在具有横向磁化的电抗器中，两个绕组的轴是正交的，消除了互感联系，因此在控制绕组中不存在被感应的交流电压。电抗器的电压电流特性实际上是线性的，主绕组中高次谐波电流的含量小于1%。同时相对于不可控电抗器，这种形式的电抗器需要很大的材料消耗，这些材料都是额外消耗在可控范围上。当控制范围达到10倍时，有效材料的消耗增加了2倍多。

应该注意的还有另外一种形式的电抗器——旋转磁场电抗器。电抗器带有被缓慢制动转子的同步电机，在定子上布置有三相主磁场（定子接到电网上），磁化绕组分布在不动的转子上。在电机空气间隙中，定子的三相绕组建立了旋转磁场。该电抗器具有宽广的控制范围，并且实际上由电网所提供的电流中完全没有高次谐波电流。这种类型电抗器被使用在35kV网络上，功率为100Mvar。但是，由于存在一系列的原因（其中之一是其结构复杂性），并且当变压器厂缺乏必要的设备时是不可能制造的，这种电抗器同样也没有得到广泛的应用。

在20世纪的后半期，随着电力电子技术的发展，出现了大功率的晶闸管和电力晶体管，使得按照其他方式解决电力系统中并联电抗器的功率控制问题成为可能。

下面分析晶闸管开关与电抗器串联的功率控制原理。这个开关是两个相反方向并联的晶闸管（见图9.2a），这种接线方式被称为整流型电抗器组。晶闸管打开的时刻由控制系统给定的——控制系统产生控制脉冲并且提供给晶闸管的控制电极。这些脉冲可能在0～90°范围内根据自动控制系统变化。

如果当角度为α₁时，把可控脉冲U_1упр（图9.2b）加在晶闸管VS1上，晶闸管被打开，经过电抗器流过的电流值由下列方程确定：

i=i_пр+i_св=I_max （sinωt-sinα） （9.2）

作为电网的电力元件，由于电抗器绕组的电阻不大，在电网频率的头半个周期内实际上电流的自由分量并无衰减，因此这个分量可以被表示为与横轴平行的直线的形式。当投入晶闸管VS2时，经过180°，同样的过程开始，相电流波形如图9.2b所示。在0到90°范围内改变角度α，可以改变电抗器的电流由额定值到0，这实际上是瞬间完成的。每一个下半周期，当达到新的角度值α时，晶闸管都可以被打开。这种方法的缺点是相电流的非正弦。基波电流的幅值（标幺值）与角度的关系如图9.2c所示，基准值采取流经电抗器的强迫电流幅值。为了补偿三次及其倍数的谐波电流，整流型电抗器组被接成三角形，而对其他次谐波的补偿要使用过滤器。

图9.2 借助于晶闸管开关的电抗器控制

a）电抗器功率控制示意图 b）电压和电流曲线图 c）基波电流与角度α的关系

整流型电抗器组可以制造成大功率和高电压（达到10kV）。在更高的电压等级下，晶闸管器件制造的复杂性是制约其功率的主要因素。因此，在电压达到1150kV时，建议这种电抗器的试验样机经过中间变压器和自耦变压器连接。

变压器型可控并联电抗器（图9.3）也可以是属于这种类型的电抗器，它是专门制造的带有100%短路阻抗的变压器。这说明当其二次绕组短路时，一次绕组中的电流等于额定值，因此这种变压器与电抗器是等同的。

变压器有三个绕组：连接到电网的一次绕组，和两个二次绕组。晶闸管组件主要是被连接到其中一个二次绕组上。当依次打开这个绕组上的晶闸管时产生短路，此时不超过额定值的电流流经一次和二次绕组。短路的时间取决于角度α，α的变化同样可以改变由电网提供的电流（像整流型电抗器组一样）。高次谐波电流过滤器被连接到另一个二次绕组上，结果使得由电网所提供的电流波形是正弦的。这样的电抗器可以直接连接到超高压网络中，而不使用中间变压器。

图9.3 变压器型可控并联电抗器

晶闸管控制电抗器的优点是其动作的快速性，缺点是大功率可控装置（晶闸管组件）。在闭合状态时，晶闸管应该经受得住电网电压（根据接线图为相电压或者相间电压）的幅值；而在打开状态时，则应经受住流过的电抗器额定电流。这最终会反映到可控并联电抗器的经济指标上。

俄罗斯研制的磁阀式可控电抗器在很大程度上克服了这个缺点。其工作绕组和控制绕组的接线图如图9.4a所示。在这种电抗器中，采用了特殊的磁导体结构并进行磁化，利用了钢的临界饱和效果，磁导体中有小截面积的分段（图9.4b）。根据磁化电流，电抗器的工作点被引到饱和段（图9.4c）。这使得工作绕组的电抗急剧降低，并且绕组电流中含有高次谐波分量。该电抗器采用裂芯式铁心。

图9.4 磁阀式可控电抗器

a）工作和控制绕组接线图 b）不同截面积的铁心 c）铁心的近似磁化曲线

根据这种接线方式，磁导体的一个或者两个柱在每一个半周期内都发生饱和，这取决于控制电流。结果使得电抗器的阻抗相应地发生变化，变化的范围从无穷大（适用于近似磁化曲线）到相对较小，变化速度由饱和区域内磁化曲线的倾斜角确定。这种电抗器的等值电路图与晶闸管控制电抗器相类似（图9.2）。其控制电流由晶闸管整流器产生，改变整流器阀的打开时刻可以改变控制电流，并且相应地改变电抗器所吸收的功率。

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图9.5 磁阀控制型电抗器的静态特性

1—电抗器的可控状态 2—不可控状态

带磁阀控制的电抗器具有很大控制范围，由额定功率的3%～5%到110%～120%，并且响应的速度足够快（功率的最大变化速度达到300Mvar/s）。工作绕组电流中高次谐波电流的含量为电抗器额定功率的1%～2%，比晶闸管控制电抗器的低。当电压达到500kV时，磁阀式可控电抗器的功率可以达到数百Mvar，使得可以将其直接连接到电网中。磁阀式可控电抗器的静态特性如图9.5所示。

静止无功功率补偿器是以可控电抗器和电容器组的应用为基础的（见图9.6a），并联时整个装置的功率等于电抗器和电容器组功率的代数和。Q_S=Q_p-Q_Kб （9.3）

图9.6 静止无功功率补偿器

a）静止无功功率补偿器示意图 b）当Q_р=Q_Kб时的静态特性 c）当Q_р=2Q_Kб时的静态特性

改变电抗器或者电容器组的功率，可以改变整个装置的功率。并且，此时使用此装置既可以发出无功功率，也可以吸收无功功率。

如果对可控电抗器和不可控的电容器组进行分析，当它们的安装功率相等时，最终的总功率将等于0。在电抗器控制的过程中，降低其功率，总功率将是容性的。在极端情况下，当电抗器的功率接近于0时，只有电容器组的功率注入到网络中，即此时只是工作在发出无功功率的状态。此装置的静态特性如图9.6b所示。

如果本装置既可以工作在发出无功功率的状态，也可以工作在吸收无功功率的状态，电容器组和电抗器功率之间的关系将要发生变化。此时电抗器的功率应当比电容器组的功率大，例如Q_р=2Q_Kб。此时总功率将在-1≤Q_S≤1范围内变化（见图9.6c）。

在静止补偿器中，其中一种是电抗器通过晶闸管来控制的，被称为晶闸管控制电抗器型静止补偿器（SVC）。

静止调相机（STATCOM）是同步调相机的改进型，它是在新型变流器基础上研制而成的，其中使用了完全可控的晶闸管和电力晶体管。静止调相机本身产生电动势，可能比电网电压高，也可能比电网电压低。如果此电动势大于网络电压，STATCOM将向网络发出无功功率；如果此电动势小于网络电压，那么将吸收网络中的无功功率（这与同步调相机类似）。可以通过改变变流器的控制阀打开时刻来改变静止调相机中的电动势。其与同步调相机的区别在于产生和吸收的无功功率等于STATCOM的额定功率。同样可以看出，无功功率的改变，无论在发出无功的状态，还是在吸收无功的状态，实际上都是无惯性的（瞬时）。

变流器经过变压器并联于线路所连接的网络节点上，在发出无功状态或者消耗无功状态下工作，以将此节点上的电压稳定在给定的水平。其静态特性与图9.6c所示的特性相同。

线路所传输功率的控制也可以通过改变线路两端电压之间的相角差来实现，为此可以采用串联于线路首端的相位变换装置。

为了实现相位变换装置，将每相的电压相对于其他两相的相间电压移动90°。相位变换装置由两个变压器组成：串联变压器（1）和励磁变压器（2）。励磁变压器的一次绕组连接到B和C相的相间电压上（图9.7a），这个绕组有抽头，该分支可以通过类似于有载调压开关那样的装置切换，该绕组同样有可以改变电压极性的开关。

图9.7 相位变换装置

a）相位变换装置示意图 b）相量图 c）线路相量图

励磁变压器的二次绕组与串联变压器的二次绕组连接在一起，其一次绕组被连接到线路的A相上，结果是由串联变压器一次绕组建立的线路首端电压（见图9.7b）是两个电压的相量和：和。线路首端的A相电压相对于线路所连接的母线电压位移一定的角度±Δδ。

线路两端电压之间的角度等于δ′

δ′=δ±Δδ

对于角度Δδ，既可以控制其大小，也可以控制其符号。因此角度δ′既可以增大，也可以减小。

类似的装置也可以装设在其他相上，因此线路首端的电压可以相对线路末端电压移动角度±Δδ（见图9.7c）。这意味着线路所传输的功率也将改变。

这样的接线方式被称为横向控制。自耦变压器在相位变换装置中也被使用，其中自耦变压器的有载调压开关是通过额外的机械装置实现的。

这种接线主要的缺点在于响应速度不够快，这是因为使用了机电开关设备。

机电开关可以被电力电子装置替换（见图9.8）。此时，励磁变压器的一次绕组被连接成三角形，并且投入到线路所连接母线上。此变压器的二次绕组分成相互独立的几节，它们的匝数不同，因此电压也不同。每节被连接到两个整流开关上，每个整流开关由4个晶闸管组成每节通过整流开关与励磁变压器的二次绕组连接，其一次绕组连接到线路上。整流开关的工作顺序是严格规定的，串联变压器二次绕组的极性可以变化。

图9.8 半导体相位变换装置示意图

如果各节电压是成比例的，如1∶3∶9，那么使用不同节的组合，可以由27个不同的等级来控制输出电压的相角。

整流开关单元有控制系统，其输入为状态参数（角度δ、线路的功率等）和可控量的给定值（设定值），其输出是相应整流开关配合的系统指令。