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基于變頻變壓器的異步聯網和潮流控制

(發布日期：2014-5-7 14:06:21) 來源：

傳統的異步聯網大多采用 HVDC 背靠背換流站來實現，控制兩個電網之間的功率交換，并能阻斷一側電網事故對另一側電網的影響。但是當一端電網的短路容量較低時，傳統的HV DC容易發生換相失敗。隨著大功率可控關斷型電力電子器件的不斷發展，電壓源換流器型直流輸電 ( VSC-HVDC) 在高壓直流輸電中得到了應用。采用 VSC — HVDC的異步電網互聯，沒有換相失敗的問題，能向弱系統供電，同時由于采用了 P WM 技術，諧波大大降低。但是與傳統的高壓直流輸電相比，其相對較高的運行損耗仍是需要解決的問題。

最近，美國通用電氣公司開發了一種新型異步聯網裝置——變頻變壓器 ( v a r i a b l e f r e q u e n c y f f a n s — f o r me r ， VF T)，并在加拿大和美國的多個變電站投入運行。國內有學者將 VF T稱為 “ 面對面” 型異步聯網裝置。與傳統的H VDC背靠背換流站相比，VF T控制簡單，造價和運行費用少，沒有諧波問題，能夠向無源網絡供電。

本文介紹了變頻變壓器基本結構，對VFT異步聯網和傳輸功率控制的基本原理進行了深人的研究，推導了VFT穩態運行的數學模型，并根據 VFT的運行原理設計了VFT的轉矩控制器，通過基于 PSCAD／EMTDC的數字仿真，驗證了VFT的動態性能。

1、變頻變壓器的結構和運行原理
變頻變壓器是一個二次側可以轉動的三相兩繞組變壓器，其結構與具有轉子繞組的異步電機相似，其核心器件由旋轉變壓器、直流驅動電機和集電器組成。旋轉變壓器通過定子和轉子繞組之間的磁耦合來傳遞功率，直流驅動電機用于控制轉子的轉速；集電器由滑環和電刷組成，用于傳導旋轉變壓器轉子三相繞組和轉子端電網靜止母線的電流。

2、VF T非同步聯網和潮流控制仿真研究
為了驗證所建模型的正確性和所設計的控制系統的有效性，在電磁暫態仿真軟件 PSCAD／ EMTDC 中搭建如圖 1 所示 VFT系統。兩個交流電網用戴維南等效電源表示，系統的電阻和電感分別為 0.4Q 和 0.002 H，其額定線電壓分別為 5 0 0 k V和 2 2 0 k V；為體現 V F T異步聯網的性能，將定子端電網頻率取為6 0 H z ，轉子端電網頻率為 5 0 H z 。變壓器 T 1 變比5 0 0k V／2 0 k V，變壓器 T 2變比2 2 0 k V／2 0 k V，均為 Y／ D連接；V F T定、轉子繞組匝數比為 1 。

變頻變壓器作為一種可控的雙向輸電設備，與傳統的 HV DC背靠背換流站相比，VF T控制簡單，能夠向無源網絡供電，能夠克服所連接電網頻率上的限制，通過調節兩端系統的相角關系而連續地控制流過潮流的大小和方向。同時，變頻變壓器不僅可以用于異步聯網，也適用于同步電網的功率傳輸控制，可以說 V F T是一種新型的 F AC T S裝置，因此擁有良好的發展前景。本文針對變頻變壓器的運行和控制原理，設計了 VF T 的轉矩控制器。基于P S C AD ／ E MT D C的仿真結果表明， V F T能夠連接兩個頻率不同的異步電網，并有效地控制電網要傳輸的功率，是一種性能優良的異步聯網裝置，可以作為異步電網互聯的另一種選擇。

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