基于VFT的異步電網互聯

陶浩維

（阜寧中學，江蘇鹽城 224400）

基于VFT的異步電網互聯

陶浩維

（阜寧中學，江蘇鹽城 224400）

可變頻變壓器（Variable Frequency Transformer，VFT）是一種新穎的、性能良好的異步聯網裝置。介紹VFT的基本結構，分析VFT異步聯網的基本原理，在PSCAD/EMTDC中建立基于VFT的異步聯網等值系統模型。仿真結果表明，VFT能夠平穩地連接兩個頻率不同的電網，且具有良好的故障隔離作用。

可變頻變壓器；電網互聯；異步聯網

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.41

0 引言

大電網互聯是現代電網發展的基本趨勢。電網互聯可以使空間距離縮短，實現能源資源互補，跨區域電力削峰填谷，利用各地區用電的非同時性進行負荷調整。交流同步和直流異步是現階段電網互聯主要采用的兩種方式。交流同步聯網的故障隔離能力差，系統穩定性易受大負荷影響，且工程造價隨距離的增大顯著提高，因此不適合電能的大容量長距離運輸。直流異步較交流同步提高了系統穩定性，建設成本較低，但由于采用了大量電力電子器件，易產生諧波污染，安裝維護成本較高。

為使大電網互聯系統安全可靠運行，美國通用電氣公司（GE）開發出一種新型異步聯網裝置——可變頻變壓器（VFT）。與傳統的HVDC（High Voltage Direct Current，高壓直流）背靠背換流站相比，VFT控制簡單，運行費用較少，沒有諧波問題，能夠向無源網絡供電。本文介紹VFT的基本結構和VFT異步聯網的基本原理，在PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件中建立基于VFT的異步聯網等值系統模型，并進行算例分析。

1 VFT結構與原理

VFT主要由旋轉變壓器，直流驅動電機和集電環3部分組成（圖1）。旋轉變壓器主要包括定子側和轉子側2個部分。定、轉子繞組分別與兩側子系統三相線路相連，通過磁耦合原理實現轉子與定子兩側系統的功率交換；直流驅動電機為旋轉變壓器提供驅動轉矩，通過驅動轉矩可以調節旋轉變壓器轉子轉速和傳輸功率；集電環在三相轉子繞組與系統靜止母線之間傳導電流，以實現轉子繞組與外部系統的直接電氣連接。

圖1 VFT的基本結構

通過可變頻變壓器實現異步聯網的實質是在一側系統的頻率上疊加一個由旋轉變壓器轉子轉速對應的一個電氣頻率分量，使得疊加后的合成頻率等于另一側系統的頻率。通過控制直流驅動電機的輸出轉矩、控制旋轉變壓器的轉子轉速，以補償定、轉子所連接電網之間的頻率差。因此，當與VFT連接的兩側電網頻率相同時，即同步時，VFT處于靜止狀態，相當于一臺變壓器；當與VFT連接的兩側電網頻率不同時，即異步時，VFT處于異步運行狀態。

2 VFT的建模與仿真

2.1 建立模型

在PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真環境下建立VFT異步聯網等值系統模型（圖2）。

圖2 VFT異步聯網等值系統模型

用三相理想電壓源模擬兩側電網，其中S1為額定電壓230 kV，頻率50 Hz的電網，S2為額定電壓500 kV，頻率60 Hz的電網。變壓器T1的變比為230 kV/13.8 kV，變壓器T2的變比為500 kV/13.8 kV，T1，T2的容量均為 100 MV·A。PSCAD/EMTDC軟件中沒有可變頻變壓器的模型和算例，因此采用三相繞線式異步電機來模擬可變頻變壓器的旋轉變壓器部分。變壓器T1一次側與電網S1相連，二次側與異步電機的定子側相連；變壓器T2一次側與電網S2相連，二次側與異步電機的轉子側相連。

可變頻變壓器一般由4極或2N（N≥2）構成，當極對數越大時，實際轉速成比例減小。為簡化問題，建模中設置三相繞線式異步電機的定、轉子繞組比為1:1，額定容量為100 MV·A，額定轉速為3000 r/min。參考已有水輪發電機組轉動慣量的取值范圍，轉子慣性時間常數取6 s左右大致合理。可以證明，轉動慣量的大小對最終系統穩態時各參數的影響可忽略不計，為縮短仿真時間提高仿真效率，將轉子的慣性時間常數縮短，即取0.5 s。設置異步電機的機械阻尼系數為2 p.u.。設置異步電機定、轉子電阻均為0.005 p.u.，定、轉子漏感均為0.09 p.u.，勵磁電感為10 p.u.。外加轉矩的不同可以影響系統傳輸的功率大小和方向。外加1.3 p.u.的轉矩時，電網S1可以向電網S2傳輸100 MW的有功功率。

2.2 仿真分析

BRK1，BRK2分別為變壓器T1，T2與三相繞線式異步電機之間的斷路器，初始時設置為斷開狀態，斷路器在0.5 s時閉合，使VFT投入運行。VFT投運前后定、轉子側電壓如圖3所示。可以看出：斷路器閉合前后，即VFT投運前后定、轉子兩側的電壓幾乎沒有變化。這說明VFT的投運過程對電網電壓幾乎無影響，VFT作為異步聯網裝置是可行的。

設置VFT定子側所連的交流電網S1在1 s時發生三相短路接地故障，故障持續時間為0.05 s，然后電網恢復正常運行狀態。VFT定、轉子側電壓波形如圖4所示。可以看出，發生故障時，定子側電壓幅值明顯減小，而轉子側電壓幅值幾乎不變。這說明VFT定子側出現的故障對轉子側幾乎無影響，VFT具有故障隔離作用。

圖3 VFT投運前后定、轉子側電壓

圖4 定子側發生三相對地短路故障時定、轉子側電壓

3 結語

VFT是一種新穎的、性能良好的異步聯網裝置。本文闡述了VFT的結構和運行原理，建立了VFT仿真模型。仿真結果表明，VFT可以實現電網的異步互聯，投運過程對電網的的電壓質量幾乎沒有影響，且具有良好的故障隔離作用，為電網的異步互聯提供了新思路。

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〔編輯 李 波〕