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新型磁控式并联电抗器仿真建模及保护策略研究

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新型磁控式并联电抗器仿真建模及保护策略研究

作者：赵彦杰华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

可控高压并联电抗器(简称可控高抗)是高压电网重要的无功补偿设备,其安全运行关系到系统的无功平衡和电压稳定,对保护要求很高。磁控式可控高抗(Magnetically controlled shunt reactor,MCSR)不仅包括网侧绕组,还设有控制绕组和补偿绕组... 详细信息

可控高压并联电抗器(简称可控高抗)是高压电网重要的无功补偿设备,其安全运行关系到系统的无功平衡和电压稳定,对保护要求很高。磁控式可控高抗(Magnetically controlled shunt reactor,MCSR)不仅包括网侧绕组,还设有控制绕组和补偿绕组,其本体保护配置较其他类型的可控高抗更为复杂,相关研究成果鲜有报道。本文以新型超特高压MCSR本体保护为核心,围绕MCSR的本体结构及工作原理、仿真模型构建、本体保护配置、控制绕组匝间保护新方法、不同合闸方式暂态过程及其影响这5个部分开展研究。本文首先介绍了传统MCSR和新型超特高压MCSR的本体结构及工作特性,分析直接将传统MCSR网侧绕组由并联结构改为串联后会带来主磁通畸变的问题,结合仿真研究论证了新型超特高压MCSR在网侧绕组串联结构的基础上通过改进控制绕组结构能够有效解决该问题的机理。针对新型超特高压MCSR的本体结构,本文依据基尔霍夫磁路定理和安培环路定理对MCSR的铁心磁路进行拆分,推导出了五段磁路模型,并基于该理论在PSCAD/EMTDC和MATLAB/SIMULINK中构建了 MCSR的数字仿真模型;以仿真模型为依托,对MCSR可能发生的故障类型进行全面的故障仿真;结合故障仿真,对MCSR本体保护的整体配置方案进行了设计,其中重点对控制绕组的各类故障的故障特征和相应的保护方案进行了分析和研究。分析指出对于控制绕组匝间故障,一方面以网侧电气量构成的零、负序功率方向保护灵敏度不足,另一方面在某些匝间故障情况下直流母线间并未出现过电压特征,使得直流母线交流过电压保护可能拒动,究其原因在于故障后直流母线极间过电压的出现依赖于总控制电流过零,而另一方面控制绕组匝间故障会在故障相控制电流和总控制电流中引起幅值很高的交流故障分量,基于此提出了以总控制电流中基波分量为判据的控制绕组匝间保护新方案。最后本文对比分析了带预励磁合闸和直接合闸两种合闸方式对MCSR本体保护及系统的影响。研究结果显示虽然带预励磁合闸会在各相控制绕组电流中产生幅值较高的谐波分量,对晶闸管和整流变保护有所影响,但能避免直接合闸造成的直流母线过电压并能有效改善系统侧的谐波污染问题,故MCSR带预励磁合闸是更好的合闸方式,建议采用带预励磁合闸。

关键词：磁控式可控高抗仿真建模保护配置匝间保护预励磁合闸

特高压磁控式并联电抗器内部故障仿真建模研究

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特高压磁控式并联电抗器内部故障仿真建模研究

作者：马玉龙华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

磁控式并联电抗器(MCSR)作为超特高压电网十分重要的无功补偿设备,具有平滑调节容量,消除操作过电压和潜供电流的作用,同时,MCSR的稳定运行关乎整个电网的电压和潮流的稳定性,因此有必要展开深入地研究。MCSR本体结构复杂,且工作于交直... 详细信息

磁控式并联电抗器(MCSR)作为超特高压电网十分重要的无功补偿设备,具有平滑调节容量,消除操作过电压和潜供电流的作用,同时,MCSR的稳定运行关乎整个电网的电压和潮流的稳定性,因此有必要展开深入地研究。MCSR本体结构复杂,且工作于交直流混合作用的饱和状态下,其精确的数学模型构建及内部故障分析更为复杂,国内外鲜有文献提及。本文以MCSR为研究核心,围绕其基本工作原理及建模方法、Ansoft有限元建模及稳态分析、控制绕组新结构和内部故障仿真分析以及合闸暂态问题4个核心问题展开研究。本文首先详细介绍了超特高压MCSR的基本工作原理,基于网侧绕组同极性串联、控制绕组采用“两串三并”接线、补偿绕组三角形接线的结构,利用磁路分解法构建MCSR数学模型。但此方法因忽略铁芯旁轭并采用理想变压器等效替代,导致精度较低且无法准确模拟MCSR内部故障,故提出有限元分析方法及Ansoft Maxwell软件搭建MCSR本体结构模型的新想法。基于一台500VMCSR低压物理模型,利用Ansoft Maxwell软件搭建MCSR二维有限元模型,采用外电路编辑器作为有限元模型的激励源,仿真验证了MCSR在交直流单独作用以及三种工作容量下的工作特性。分析发现MCSR达到额定容量运行时,铁芯工作点达到半周期位于饱和区内,且左右芯柱交替饱和,调节效果良好。基于目前采用的控制绕组结构存在MCSR发生故障或者合闸时无法准确反映直流母线过电压问题,本文提出整流装置外加并联电阻、二极管和开关的控制绕组新结构,并以此结构为基准,提出了绕组拆分法,针对MCSR内部发生网侧匝间、匝地,控制侧匝间、匝地故障分别修正了有限元和外电路模型;仿真发现四种内部故障下,总控电流(控制绕组三相电流之和)和直流母线对地电压由于叠加了交流分量而明显增大,有利于保护配置,同时铁芯左右芯柱磁通不再对称,总体不影响MCSR工作性能,但对于MCSR的安全稳定性造成严重影响。因此,Ansoft有限元分析可以深入研究MCSR的内部故障,解决其它建模方法无法精确建模的问题。最后本文深入分析并比较了 MCSR直接合闸和带预励合闸的涌流和直流母线交流过电压问题。基于理论推导,利用Ansoft修正合闸问题的外电路模型,仿真指出了 MCSR带预励磁合闸有助于减小合闸涌流和直流母线过电压,并通过动模实验予以验证,结果也说明了采用Ansoft Maxwell有限元分析的精确性及适用性。

关键词：磁控式可控高抗仿真建模 Ansoft 匝间匝地故障预励磁合闸

磁控式并联电抗器匝间保护新原理及其适应性研究

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磁控式并联电抗器匝间保护新原理及其适应性研究

作者：刘校销华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

磁控式并联电抗器(Magnetically controlled shunt reactor,MCSR)作为超/特高压输电系统中重要的无功补偿设备,其安全与稳定运行对于系统的无功平衡及电压稳定至关重要。然而,MCSR本体结构复杂,绕组匝间故障几率高,在交直流励磁的共同... 详细信息

磁控式并联电抗器(Magnetically controlled shunt reactor,MCSR)作为超/特高压输电系统中重要的无功补偿设备,其安全与稳定运行对于系统的无功平衡及电压稳定至关重要。然而,MCSR本体结构复杂,绕组匝间故障几率高,在交直流励磁的共同作用影响下,匝间故障特性与固定式高抗不同,增加了匝间保护设计的难度。本文以MCSR匝间保护为核心,围绕当前匝间保护配置及性能分析、合闸暂态特性及其对匝间保护的影响与对策、容量大范围调节特性及其对匝间保护的影响与对策、基于等效漏电感参数的匝间保护新原理四部分展开研究。首先,在介绍MCSR的工作原理及模型搭建的基础上,对当前MCSR匝间保护配置及其性能展开了研究。研究发现,MCSR匝间保护尚有以下问题待解决:①匝间保护可靠性、灵敏性不足;②复杂运行工况下匝间保护的适应性不明确。然后,针对MCSR的一种复杂工况—合闸暂态过程,研究了 MCSR合闸暂态特性及其对匝间保护的影响及对策。分析了 MCSR合闸场景下主要电气量的暂态特性,发现基于总控电流基波分量的匝间保护在合闸过程中容易发生误动。为解决上述问题,分别从频域和时域的角度,提出了基于控制绕组电流与总控电流基波分量比值以及基于控制绕组电流波形自相关的合闸防误动策略。仿真及试验结果表明,这两种策略有效解决了 MCSR合闸过程中匝间保护误动的问题。其次,针对MCSR另一种复杂工况—容量调节,研究了容量调节暂态特性及其对匝间保护的影响及对策。分析了容量调节过程中主要电气量的暂态特性,发现基于总控电流基波分量的匝间保护在在容量调节过程中易发生误动。为解决上述问题,根据调容过程中三相控制绕组电流基波分量近似相等的特点,构建了基于控制绕组电流基波分量三相差异度的容量调节识别判据。仿真及试验结果表明,所提方案有效解决了 MCSR容量调节中匝间保护误动的问题。最后,提出了一种基于等效漏电感参数辨识的MCSR匝间保护新原理。在构建等效漏电感参数计算模型的基础上,利用递推最小二乘法对等效漏电感参数进行辨识,最后利用故障前后等效漏电感参数的变化,提出了基于等效漏电感参数变化率及三相差异度的匝间保护新原理。仿真及试验结果表明,保护新原理解决了匝间保护可靠性、灵敏性不足的难题,在合闸、容量调节等复杂工况下适应性较强,且能识别故障绕组,对实际工程具有重要的参考价值。

关键词：磁控式并联电抗器匝间保护复杂工况预励磁合闸容量调节

超/特高压磁控式并联电抗器内部故障电磁暂态建模与物理实验研究

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超/特高压磁控式并联电抗器内部故障电磁暂态建模与物理实验研究

作者：于凯华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

近年来特高压远距离输电技术发展迅猛,特高压线路传输功率大,且我国电力负荷变化剧烈,致使电网中无功功率消耗日益增大,无功补偿与抑制过电压间的矛盾越发需要调和。磁控式并联电抗器(MCSR)具有可平滑调节容量,限制潜供电流及消除过电... 详细信息

近年来特高压远距离输电技术发展迅猛,特高压线路传输功率大,且我国电力负荷变化剧烈,致使电网中无功功率消耗日益增大,无功补偿与抑制过电压间的矛盾越发需要调和。磁控式并联电抗器(MCSR)具有可平滑调节容量,限制潜供电流及消除过电压的能力,是目前超/特高压电网中最为重要的无功补偿设备之一,深入研究其工作原理及故障特性将有利于电网的安全与稳定。本文就MCSR的工作原理、有限元建模过程、稳态运行仿真、内部故障仿真及相关物理实验这5个问题展开了相关的研究工作。首先,本文对MCSR的基本结构与工作原理进行了介绍,并对其工作特性进行了分析。之后对其进行建模仿真,以往对MCSR的研究多采用磁路分解法来构建MCSR的等效模型,该方法缺点明显,利用变压器与电抗器来等效替代MCSR,准确度较差且无法正确的模拟内部故障,为了解决该问题,本文提出利用Ansoft Maxwell有限元分析软件来构建MCSR模型的新方法。其次,利用Ansoft Maxwell软件分别对MCSR进行二维、三维建模,两组模型均与相应外电路配合使用,其模型参数基于实际物理模型。通过仿真验证了该模型可正确反应MCSR的工作特性,包括稳态特性、容量调节、内部故障等。在进行内部故障研究时,提出绕组拆分法,并利用该方法对各绕组的匝间/匝地故障以及控制绕组相间故障进行仿真分析,仿真发现在故障时MCSR总控电流交流分量激增,故障相电流激增,可利用其作为故障特征,对MCSR配置保护。再次,本文还利用该模型进行了不同合闸方式的对比,并尝试提出新结构以进一步提升MCSR容量调节响应速度。最后,为了进一步验证模型的准确性与实用性,课题组设计并制造了 MCSR低压物理模型,并进行了相关物理实验。

关键词：磁控式并联电抗器仿真建模 Ansoft Maxwell 内部故障预励磁合闸

三相八柱式磁控并联电抗器建模及控制方法的研究

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三相八柱式磁控并联电抗器建模及控制方法的研究

作者：张耘硕沈阳工程学院

学位级别：硕士

磁控式并联电抗器(Magnetically controlled shunt reactor,MCSR)是超/特高压系统中重要的无功补偿装置,三相八柱式MCSR成本低廉,具有广泛地应用前景。目前对三相八柱式MCSR的研究和实际运行经验较为匮乏,本文从三相八柱式MCSR工作特性... 详细信息

磁控式并联电抗器(Magnetically controlled shunt reactor,MCSR)是超/特高压系统中重要的无功补偿装置,三相八柱式MCSR成本低廉,具有广泛地应用前景。目前对三相八柱式MCSR的研究和实际运行经验较为匮乏,本文从三相八柱式MCSR工作特性的解析计算、仿真模型的建立、不同合闸方式下工作特性的分析及接入电网后MCSR维持电网电压稳定的控制方法4个部分展开研究,为三相八柱式MCSR的应用提供理论指导。首先,在介绍三相八柱式MCSR基本结构的基础上,文章以MCSR稳态时三种典型工作状态为基础,基于电磁场基本理论,建立了MCSR任一工作状态下稳态输出特性与典型工作状态间的函数关系。并以一台出口海外的BKSFZT-30000/400型三相八柱式MCSR为例,计算得到其稳态励磁特性曲线,为后续研究奠定基础。其次,针对三相八柱式MCSR特殊的结构和三相绕组间存在的磁耦合关系,文章以三相八柱式MCSR的结构特征和磁通实际流动情况为基础,基于电磁路之间的对偶性原理,提出了一种可计及其结构特征和三相绕组间磁耦合关系的建模方法,并在PSCAD中利用变压器元件搭建了仿真模型。以BKSFZT-30000/400型MCSR为例,通过仿真对MCSR的稳态工作特性和暂态过程进行了验证,并与现有的建模方法进行了比较。然后针对MCSR合闸方式的确定这一问题,以前面建立的仿真模型为依托,仿真分析了MCSR直接合闸和预励磁合闸两种方式下MCSR输出特性的不同,研究发现:相比直接合闸,预励磁合闸可避免MCSR励磁系统直流母线出现过电压,但合闸过程中会出现涌流和谐波,危及设备和电网的安全。为解决上述问题,文章从预励磁容量和MCSR合闸后目标容量两个维度对MCSR合闸暂态过程进行了分析,得到了两种预励磁因素对于涌流和谐波变化的影响,并给出了预励磁合闸时最佳的预励磁容量和目标容量范围。最后,以BKSFZT-30000/400型MCSR研究对象,提出了一种基于变论域模糊PI控制的MCSR电压控制方法并搭建母线系统仿真模型。基于Matlab/Simulink搭建了MCSR的变论域PI控制器输出实时反馈的电压调节信号,与PSCAD中的三相八柱式MCSR的电磁暂态仿真模型相结合,本文分析不同工况下MCSR对母线电压的调节性能,同时通过与传统PI控制方法对比,变论域模糊PI控制方法可使MCSR具有更好的电压跟随特性。

关键词：磁控式并联电抗器对偶性原理预励磁合闸变论域模糊PI控制