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磁閥式可控電抗器在地區電網(wǎng)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(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州31000；3.國網(wǎng)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(diǎn)介紹了磁閥式可控電抗器（magnetic controlled reactance, MCR)在電網(wǎng)公司區域電網(wǎng)的實(shí)際工程應用情況，并對其在應用過(guò)程中所呈現的實(shí)用性和適應性進(jìn)行了歸納與總結。通過(guò)梳理MCR在浙江省的實(shí)際工程應用情況，介紹了MCR在地區電網(wǎng)應用的典型供區環(huán)境、配置模式、技術(shù)原理及實(shí)際運行控制方式等內容；在此基礎上，進(jìn)一步從電壓一無(wú)功補償控制效果和設備運維檢修等方面對MCR在區域電網(wǎng)中應用的適應性進(jìn)行了分析和討論。最后，對今后應開(kāi)展的技術(shù)工作進(jìn)行了展望，為MCR等先進(jìn)FACTS (flexible AC transmission system) 柔性交流輸變電設備在地區電網(wǎng)的進(jìn)一步推廣應用奠定基礎。 關(guān)鍵詞：磁閥式可控電抗器（MCR);區域電網(wǎng)；工程應用；適用性分析；FACTS
0 引言
當前，無(wú)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(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置對于調節電網(wǎng)電壓、維持電網(wǎng)無(wú)功動(dòng)態(tài)平衡至關(guān)重要。一直以來(lái)，區域電網(wǎng)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(jìn)行無(wú)功補償；該補償方式有兩方面問(wèn)題:一方面，面臨著(zhù)響應速 度慢、損耗大、噪音嚴重、諧波放大以及分級投切帶 來(lái)的過(guò)補或欠補等問(wèn)題另一方面，頻繁的設備投切也極易產(chǎn)生嚴重操作過(guò)電壓，繼而引起母線(xiàn)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(wǎng)的安全穩定運行。 為了解決上述問(wèn)題，一種新型動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置一磁閥式可控電抗器（magnetic controlled reactor，MCR)開(kāi)始在電網(wǎng)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(jìn)，以及電力電子開(kāi)關(guān)器件、通信、控制技術(shù)的不斷發(fā)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(diǎn)，并在呈現出快速、靈活且連續 響應特征的同時(shí)，諧波輸出特性也得到顯著(zhù)改善。于此同時(shí)，相比于其他同類(lèi)型靜止無(wú)功補償器(static var compensator, SVC) 與基于全控開(kāi)關(guān)器件（如 insulated gate bipolar transistor, IGBT)和PWM 調制技術(shù)的靜置無(wú)功發(fā)生器(static var generator，SVG),更高的電壓等級、更大的補償容量以及更加惡劣的應用環(huán)境使得MCR在器件耐壓水平、價(jià)格成本以及設備可靠性等方面更加具有應用優(yōu)勢。 為進(jìn)一步推廣磁閥式可控電抗器在區域電網(wǎng) 動(dòng)態(tài)無(wú)功補償中的應用，本文結合浙江公司在區域 電網(wǎng)內所開(kāi)展的MCR實(shí)際工程應用，歸納和總結了MCR的典型應用環(huán)境、設備配置模式、實(shí)際運行控制方式等內容；在此基礎上，進(jìn)一步從電壓一無(wú)功補償控制效果和開(kāi)展設備運維檢修工作等方面對MCR的適用性進(jìn)行了分析和討論，并指出當前 MCR在實(shí)際應用過(guò)程中所存在的問(wèn)題。最后，對未來(lái)還需開(kāi)展的技術(shù)工作進(jìn)行了展望，以便更充分地利用MCR等FACTS設備的電網(wǎng)柔性調節能力，提升電網(wǎng)的智能化水平。 1 磁閥式可控電抗器的技術(shù)原理
根據勵磁控制方式的不同，各電壓等級變電站 內無(wú)功補償用磁閥式可控電抗器通?？煞譃閮深?lèi)，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(gè)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(zhù)若干個(gè)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(gè)抽頭；兩個(gè)鐵心柱上的繞組抽頭間會(huì )各自聯(lián)結一個(gè)晶閘管，且在兩根繞組交叉連接處還接人一個(gè)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(gè)基波周期內，以繞組抽頭段線(xiàn)圈壓降作為輸入電源，結合兩個(gè)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(chǎn)生方向恒定的直流激磁電流分量。若進(jìn)一步調節觸發(fā)導通角控制晶閘管的導通時(shí)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(jìn)入飽和狀態(tài)且飽和度連續可調。此時(shí)，并聯(lián)至交流電源的兩個(gè)鐵心支路感抗連續可調，由此實(shí)現了MCR感性無(wú)功容量的無(wú)級調節輸出。
圖1 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(lái)源于獨立的勵磁繞組時(shí)，即為他勵式MCR。單相他勵式MCR的繞組結構形式 如圖2所示：
圖2 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(jiàn)圖1)?？梢钥吹?，繞置于主鐵心上的工作繞組有兩種聯(lián)結方式：即傳統式和交叉式。與此同時(shí)，兩個(gè)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(lián)連接(他勵式MCR采用雙線(xiàn)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(lián)勵磁繞組端子時(shí)，便可使勵磁繞組中產(chǎn)生可控的直流激磁電流(此時(shí)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(shí)現MCR 感性無(wú)功容量的無(wú)級調節輸出。 2 磁控電抗器在浙江電網(wǎng)的實(shí)際工程應用
2.1 MCR的工程應用情況
截至目前，浙江電網(wǎng)公司已有多套磁閥式可控電抗器在不同地區電網(wǎng)內實(shí)際工程應用，以實(shí)現快速響應和平衡電網(wǎng)無(wú)功潮流、調節電網(wǎng)電壓和阻尼系統振蕩等功能。2012-2017年浙江電網(wǎng)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18套MCR在12座220kV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(guò)了可研設計、即將投產(chǎn)使用。
圖3 2012-2017年浙江電網(wǎng)的MCR工程應用情 2.2 應用MCR的典型供區電網(wǎng)
通過(guò)調研梳理，已有磁控電抗器MCR在地區 電網(wǎng)的主要典型應用環(huán)境包括兩類(lèi)： 1)多水電接入的供區電網(wǎng)。浙江電網(wǎng)某些地區的供區電網(wǎng)存在線(xiàn)路過(guò)長(cháng)、網(wǎng)架結構薄弱、地區水電資源豐富、徑流電站點(diǎn)多面廣的問(wèn)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(yè)。這樣一來(lái)，受電價(jià)政策影響，豐水期小水電機組集中送出“發(fā)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(wǎng)電壓大幅波動(dòng)；除此之外，在豐水期和春節輕負載期間，供區電網(wǎng)往往無(wú)法實(shí)現無(wú)功就地補償，繼而導致無(wú)功倒送電網(wǎng)現象頻發(fā)，使得母線(xiàn)電壓長(cháng)期偏高超上限且功率因數合格率偏低。在這些供區電網(wǎng)220kV樞紐變電站內，MCK與FC (fixed capacitor, FC)固定式電容器組相配合，構成MSVC動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置，以有效地解決小水電大量接人帶來(lái)的電壓一無(wú)功問(wèn)題。 2)全電纜出線(xiàn)的供區電網(wǎng)。隨著(zhù)城市配電網(wǎng)的不斷升級改造，某些核心城區內的配電網(wǎng)輸電線(xiàn)路電纜化率不斷提升，甚至實(shí)現了全電纜化。而當用電負荷頻繁波動(dòng)，感性無(wú)功補償容量卻不足時(shí)，就會(huì )使得供區電網(wǎng)內電纜線(xiàn)路容性充電功率得不到有效補償，繼而導致母線(xiàn)電壓偏高越上限、功率因數合格率較低，嚴重影響到用戶(hù)正常用電。在這些供區電網(wǎng)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(dòng)態(tài)補償頻繁波動(dòng)的容性無(wú)功需求，不僅提升了電壓一無(wú)功補償性能，還同時(shí)避免了電抗器的頻繁投切，提升了設備與電網(wǎng)的運行可靠性。 2.3 MCR的典型運行控制方式
通過(guò)調研了解到，220 kV變電站是MCR在地區電網(wǎng)的典型應用環(huán)境之一。在我國當前電力網(wǎng)絡(luò )中，220kV變電站是高壓輸電網(wǎng)絡(luò )的樞紐站，既向當地負荷供電，同時(shí)又向下一電壓等級變電站供電。根據規定，站內電壓無(wú)功調節裝置，以主變高壓側無(wú)功功率(功率因數)和中（低)壓側母線(xiàn)電壓為調節目標,并以高壓側母線(xiàn)電壓為約束。但在實(shí)際執行時(shí)，由于難以同時(shí)保證中低壓側電壓合格，且低壓側直接向用戶(hù)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(yōu)先主控目標。于此同時(shí)，在保證高壓側 無(wú)功功率平衡、低壓側母線(xiàn)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(dòng)態(tài)無(wú)功補 償系統典型運行控制流程如圖4所示。
圖4 220 kV變電站內MCR的典型運行控制流程
圖4中，MCR的運行控制流程同時(shí)包括了電容 器組和主變分接頭的操作?？梢钥吹?，控制系統同 時(shí)設置了手動(dòng)控制、自動(dòng)控制(包括AVC后臺控制 和就地控制兩種)模式。當進(jìn)入AVC后臺控制模式 時(shí),控制器接收系統指令，調節MCR的感性無(wú)功輸 出和電容器組開(kāi)關(guān)的投切動(dòng)作，完成電壓一無(wú)功調 節；而進(jìn)入就地自動(dòng)控制模式時(shí)，將根據信息采集 反饋和預先設定的控制目標進(jìn)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(jìn)行補償控制。 3磁控電抗器在地區電網(wǎng)的適用性分析 磁控電抗器作為可控型電網(wǎng)設備，衡量其在電 網(wǎng)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(kāi)展。 3.1 MCR的無(wú)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(dòng)態(tài)無(wú)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?？梢钥吹?span>,2011年7-8兩月中，無(wú)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(huì )造成大量無(wú)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(wú)功倒送問(wèn)題基本得到徹底解決，功率因數合格率得到顯著(zhù)提升，低壓側的電壓合格率也略有提升，無(wú)功補償效果十分顯著(zhù)。 另一座220kV變電站投運MCR前后的電壓和無(wú)功補償效果如圖5所示。圖5(a)中所示為低壓35kV側母線(xiàn)電壓日運行曲線(xiàn)，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(xiàn)電壓更加穩定，保證了母線(xiàn)電壓運行在合格范圍內。圖5(b)中所示為高壓220kV側的無(wú)功功率曲線(xiàn)，MCR的應用使得高壓側保持了較低的感性無(wú)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(lái)的不利影響，也能夠保證最大限度地降低電網(wǎng)的網(wǎng)損，提高運行效率。 表1 某220kV變電站內MCR應用補償效果
注：功率因數考核點(diǎn)設為主變高壓側，電壓考核點(diǎn)設為低壓側母線(xiàn);每5 min取樣1次,合格率=(總取樣點(diǎn)-不合格點(diǎn))/(總取樣 點(diǎn)）;無(wú)功倒送時(shí)，按不合格統計。 3.2 MCR的設備運維檢修
目前，國家電網(wǎng)公司尚未有專(zhuān)門(mén)針對MCR設備狀態(tài)檢修與狀態(tài)評價(jià)工作的技術(shù)標準或規范。由于MCR尚處于“設備導入期"，相關(guān)的設備運維人員均是依據傳統Q/GDW169—2008《油浸式變壓器（電抗器）狀態(tài)評價(jià)導則》和(J/GDW 170—2008《油浸式變壓器（電抗器）狀態(tài)檢修導則》來(lái)開(kāi)展MCR設備的運行、維護和設備檢修，即通過(guò)對MCR運行時(shí)的聲音、振動(dòng)、氣味、常規絕緣性能、油性能與外部狀況等現象的變化來(lái)判斷設備有無(wú)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(zhù)提升地區電網(wǎng)的電壓一無(wú)功調節能力，并從根源上杜絕投切并聯(lián)電抗器時(shí)的操作過(guò)電壓。但是，在設備運維檢修方面還存在以下問(wèn)題：
圖5 某220kV變電站內MCR應用補償效果曲線(xiàn)
1) 設備運行噪音。MCR電抗器本體在深度飽和運行狀態(tài)下存在顯著(zhù)的噪音問(wèn)題(在市區內某樞紐變電站實(shí)測噪音超70dB)，引起附近居民投訴。一方面，MCR電抗器本身長(cháng)期直流偏磁飽和運行，使得鐵心噪音嚴重；另一方面，實(shí)際站內采用開(kāi)放式場(chǎng)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(dòng)型”電網(wǎng)調節設備，其運行狀態(tài)、性能由電抗器本體、勵磁控制柜（包括勵磁回路、觸發(fā)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(shí)際運行過(guò)程中，因沖擊電壓、雷擊過(guò)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(tài)檢測有效性不足。根據實(shí)際投運的MCR故障缺陷統計來(lái)看，電抗器鐵心過(guò)熱受損是故障缺陷的主要成因。參照現有執行技術(shù)標準，針對電抗器鐵心開(kāi)展的常規絕緣性能和油性能檢測往往在發(fā)現設備異常時(shí)，MCR鐵心內部已經(jīng)發(fā)生無(wú)法修復的燒蝕、損壞。顯然，傳統油浸式電抗器的狀態(tài)檢修和評價(jià)導則應用于MCR時(shí)，檢測狀態(tài)量和性能評價(jià)方式缺乏針對性和有效性。 4 未來(lái)工作展望
得益于技術(shù)進(jìn)步和設備自身技術(shù)優(yōu)點(diǎn),將會(huì )有越來(lái)越多的MCR在地區電網(wǎng)中實(shí)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(guān)重要。作為“主動(dòng)型”電網(wǎng)設備的MCR,其設備性能與健康狀況由電網(wǎng)環(huán)境與控制方式共同決定；因此,有別于傳統電網(wǎng)設備的狀態(tài)檢修模式，未來(lái)需要對MCR進(jìn)行更加有效的狀態(tài)量檢測：即所檢測狀態(tài)量不僅能夠有效反映設備的運行狀態(tài)和性能，還能夠作為其運行狀態(tài)和性能優(yōu)化調節的重要依據。針對MCR的設備狀態(tài)量檢測及運行特性開(kāi)展更深入的研究，進(jìn)而提升其在理論設計、優(yōu)化運行控制和性能評估等方面的技術(shù)水平；在此基礎上，開(kāi)拓此類(lèi)FACTS設備的狀態(tài)檢修模式，為FACTS設備在電網(wǎng)中更多、更好的實(shí)際應用奠定基礎。 5 結束語(yǔ)
本文首先介紹了磁閥式可控電抗器MCR的技術(shù)原理，并結合其在實(shí)際地區電網(wǎng)的工程應用情況，梳理和總結了MCR的典型應用供區電網(wǎng)、技術(shù)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(guò)實(shí)際案例分析了MCR在220kV樞紐變電站內的電壓一無(wú)功補償效果，介紹了當前MCR運維檢修工作開(kāi)展依據的技術(shù)標準，并深人分析了當前其在運行維護、狀態(tài)檢修等方面所面臨的主要問(wèn)題。最后，展望了未來(lái)還需繼續深人開(kāi)展的技術(shù)研究工作，以進(jìn)一步提升MCR類(lèi)先進(jìn)可控電網(wǎng)新技術(shù)裝備的安全、可靠運行水平。 |
