第七章-相角控制器

第7章静止电压、相角调节器：TCVR和TCPAR

7.1 静止电压、相角调节器的作用

在并联补偿叙述中所推导的基本式(5-3)和式(5-4)，已为分析线路传输的有功功率P和线性无功功率Q提供了基本的计算方法。显然，有功功率和无功功率都是关于传输线路阻抗、端电压幅值和两个系统电源相位差的函数。由前面的讨论可知，若增加系统传输的有功功率，将不可避免地增加送端母线上无功输出的需求，同时也会增加整个传输线路的电压波动。

此外，前面还讨论了如何控制系统传输电压，以及如何从根本上解决电压波动和无功需求之间的变化。实践证明，尽管有功功率的需求会经常发生变动，但采用可控无功补偿仍然是维持传输线电压稳定的有效方法。一般来说，当中压输电系统或配网负荷出现波动时，对大电网采用可控并联无功补偿来维持电压稳定，也是一种行之有效的方法。例如在大容量传输系统中，当涉及到高压网络与较低电压等级网络的互连时，这个高压电网的电压会因为季节性或日负荷的变化产生波动。有时在需要增加传输功率时，在高低压网络之间通常用一个有载调压的机械抽头来调节电压，这种抽头可以将低压线路与高压电网隔离。类似地，基于有载调压构成的电压调节器在早期的交流传输系统中就已得到应用，并已证明它在输电线路电压波动和负载变化时能维持电压的稳定，或达到用户所需的要求。此外，有载调压也常用于对网络无功潮流的控制。由于传输网络的阻抗主要是感性的，所以当传输线路中注入同相电压分量时，就会产生几乎与电压正交的无功电流，通过适当极性和幅值控制，也可用它来改善线路中的无功潮流。

尽管有载调压同样具有无功补偿和电压调节的传输控制功能，但它与常规的无功补偿之间在运行方式上有明显的区别。无功补偿器是向交流系统提供或从交流系统吸收无功功率，以改变传输线路的无功潮流，因而也间接地控制传输网络的电压；而采用有载调压实现的电压调节器则无法提供或吸收无功功率，它只是设法直接控制传输线路一端的电压，通过系统本身提供所需要的无功功率来维持系统电压。如果电网无法提供所需的无功功率，将可能发生系统的电压崩溃，这已是广为人知的事实。例如，在超负荷运行的传输系统中，为最大限度地减小大电机负载造成的电压降，有载调压装置实施升压调节，以减小电压降的幅值，这时传输网络必须在降低功率因数的情况下提供所增加的负载电流。这毫无疑问会进一步造成传输电压的降低，从而导致线路电流的进一步增加，直到最终发生电压崩溃、继电器将负载切除为止。尽管如此，本章和随后章节仍将讨论有载调压和其它类似控制设备，毕竟它们在潮流控制中能够起到非常重要的作用，而这种作用就体现在它们所发挥出的电压调节和无功补偿的重要功能上。

第6章主要讨论了串联无功补偿对传输功率的控制，这种串联补偿是控制线路潮流和改善电力系统动态行为的有效方法。但在一般情况下，串联无功补偿仅在潮流控制方面才能体现它的效果，而在其它的应用中可能不太适合，也可能很麻烦，或者没有经济效益，这些都与传输角有关。例如，传输角可能与给定线路的要求不一致时，或者为了维持某些受到影响线路中的潮流时，这个传输角可能会随着日负荷或季节性负荷的变化在很大范围内变化,其它问题还包括对网孔环流的有功和无功功率的控制。要解决这类问题，通常应对传输角进行有效控制，即对式5-3和5-4中的传输角 进行控制，这个角度应是在相关应用环境下传输线路或传输网络的实际角度。

机械式相角调节器（PAR）或移相变压器(PST)采用有载调压抽头向电网注入一个正交电压来实现其功能，这些设备在20世纪30年代曾用来解决潮流控制和提高传输效率等问题。注入同相电压的有载调压通过调节电压幅值来控制无功功率，而注入正交电压的有载调压则通过相位调节来实现对有功功率的控制，它们的组合就能实现有功功率和无功功率的控制。因此，历史上PAR早就用于改变电流的流向，减少互联系统的内在环流，因此也能改善和平衡互联传输系统的负载。除了稳态电压和潮流控制外，具有高速电气控制的现代电压和相角调节器也已扩展到处理系统动

态方面的问题。这些调节器潜在的应用范围包括：瞬态稳定性的改善、功率振荡的抑制、减小超负荷运行造成的扰动，并减少由此产生的电压波动。与无功功率补偿器相比，电压和相角调节器在动态控制方面还引入了新的功能，即它们具有有功功率交换的能；而采用抽头调节的传统变压器，它对电压和相角的调节不具备无功补偿器的功能，因而它不能够提供或吸收无功功率，所以这一任务只有靠电力系统本身去平衡。

为了了解电压和相角调节器的基本原理，以下将首先回顾一下电压和相角调节器的基本原理，并建立用电力电子技术实现其相应功能的必要基础。在此基础之上，还将进一步分析相角控制器在确定的最大传输功率时对某些因素产生的影响，这些因素包括稳态传输极限、功率振荡阻尼等。

7.1.1电压和相角调节

电压和相角调节的基本概念是在母线端电压上加上适当的同相或正交电压分量，从而使母线电压的幅值能产生±∆U的变化，或使相角发生相应变化，使之达到某一特定值或为所期望的数值。因此，欲实现端电压调节，理论上可以将一个电压幅值可控的同相电压源串接在交流系统中，这样即可完成相应的功能，如图7-1a所示。图7-1b为这种电压调节的一般原理。由图可见，电压的调节是通过串联到线路中三相调节或励磁变压器原边的抽头变化来实现的。由图7-1c所示的矢量图中可明显看出，注入的电压±∆U a、±∆U b和±∆U c与相电压u a、u b和u c同相。在变压器每相串联的两个绕组中，有载调压绕组的一端一般与它们的中性点连接在一起。类似地，图7-1a的电路结构也可以用来表示相角控制器，只是它的注入电压∆U与系统电压的相位差为±90°，图7-2a即为对应的图示及矢量。采用这种调节方式就能使注入电压改变系统电压的相角。图7-2b为相角控制的一种可能结构，对应的矢量关系可用图7-2c来表示。当对注入电压矢量在较小的角度范围内进行调节时，在保持电压幅值基本不变的情况下，角度变化量与注入电压近似为线性关系。但当被调节的角度在很大范围内变化时，系统电压的幅值将会显著增加，正是由于这个原因，具有这种特性的变压器常被称之为正交调压变压器(QBT)。若对变压器的绕组结构进行较为复杂的设计，也可在进行相角调节时维持电压的幅值不变，即保证电压幅值与角度调节无关。由于QBT接法相对简单，因而在传统的移相设备中，QBT能得到广泛的应用。

图7-1 电压调节器的基本概念和实现方法