（电力系统及其自动化专业论文）tcsc对输电线路继电保护影响仿真分析.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o r ( t c s c ) i sa ni m p o r t a n t m e m b e ro ft h ef l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) sf a m i l y i tc a n r e a l i z el a r g e - s c a l es m o o t hr e g u l a t i o no ft h et c s ci m p e d a n c ec o n n e c t e di n t h et r a n s m i s s i o nl i n e ；t h e r e b yi tc a nb e u s e dt oi n c r e a s et r a n s m i s s i o n c a p a c i t y ，c o n t r o lp o w e rf l o wf l e x i b l ya n di m p r o v et r a n s i e n ts t a b i l i t yo ft h e s y s t e m b e c a u s eo fi t sp o t e n t i a le c o n o m i c a le f f i c i e n c y ，i ti sf i r s t l ys e l e c t e d i nf a c t s p r a c t i c e sa r o u n dt h ew o r l d o nt h eo t h e rh a n d ，t c s cp r o d u c e s h a r m o n i c s ，f a s tp a r a m e t e rc h a n g e sa n df a s td y n a m i cp r o c e s sw h e ni tr u n si n t h e p o w e rs y s t e m ，t h et c s cl i n e c a np r o d u c es o m es p e c i a l p h y s i c a l p h e n o m e n o nw h e naf a u l to c c u r s ，a n dt h i sd i f f e r sf r o mo t h e rc o m m o nl i n e s a l lt h e s ea b o v em e n t i o n e d n o to n l yb r i n gt r o u b l e st ot h es e t t i n go fr e l a y p r o t e c t i o n ，b u t a l s o c h a l l e n g et h e c o n v e n t i o n a ll i n e p r o t e c t i o nr e l a y p r i n c i p l e s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt c s c i n f l u e n c eo nl i n er e l a y p r o t e c t i o n ，a n dr e v i e wt h ea d a p t a t i o no f t c s co nt h ee x i s t i n gr e l a y p r o t e c t i o ni no r d e rt oe n s u r et h et c s cl i n es e c u r eo p e r a t i o n a tf i r s t ，b a s e do n e x i s t i n g r e s e a r c h a c h i e v e m e n t s ，t h i s a r t i c l e i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so ff a c t s ， e s p e c i a l l yo ft c s c t h e ni tg a v eap a r t i c u l a rd e s c r i p t i o no ft h es t r u c t u r e a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft c s c ，i n t r o d u c e dt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo ft c s c ， a n da l s oa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r so ft h ef u n d a m e n t a l f r e q u e n c yi m p e d a n c e o ft c s c b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ft c s c ，t h i sa r t i c l ed e d u c e d t h er e l a t i o nc u r v eb e t w e e nf u n d a m e n t a l - f r e q u e n c yi m p e d a n c ea n dt r i g g e r a n g l ew h e nt a k i n gt h el i n ec u r r e n ta st h es y n c h r o n i z i n gs i g n a l u s i n gt h e s o f t w a r eo fp s c a d ，w ef o u n d e dad e t a i l e dm o d e lo ft c s c ，a n dd i ds o m e e m u l a t i o ni nt h ed o u b l e s o u r c e s y s t e mm o d e l a tl a s t ，b a s e d o nt h e s i m u l a t i o no ft c s cl i n e ，w er e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo ft c s co n p r o t e c t i o nf o rt h et r a n s m i s s i o nl i n e w h e naf a u l to c c u r s ，a n dt h e ns o m e i m p r o v e m e n to fa d v i e e sh a sb e e np r o p o s e d 2 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) ； t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n ( t c s c ) ； r e l a yp r o t e c t i o n ；s i m u l a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：丛整： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文 的印刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山 东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丞盐导师签名： 雎日 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1f a c t s 技术及其发展现状 1 1 1 电网互联带来的好处和挑战 现代电力系统通过互联，形成了越来越大的巨型电力系统。电网互 联带来的好处主要有如下方面： l 、为能源的远距离传输奠定了基础 由于一次能源产地和负荷中心往往不在同一个地区，客观上存在大 范围传输电能的要求，而电能传输可靠性高、经济性好，是实现远距离 能量传输的最佳方式。 2 、提高了供电可靠性 在发电电源和用户负荷之间，电网起着一个大容量“电源池 的作 用，通过适当的控制措施，使得电源与负荷各自的变动对彼此的影响大 大减小。就负荷而言，实现了多路供电，各个电源在紧急情况下可以相 互支援，可大大提高供电可靠性和电能质量。 3 、可实现大范围的能源资源优化配置和规模经济效益 电网互联带来的经济性优势是多方位的。首先，可以充分利用成本 较低的发电资源和采用高效率的大型发电机组，达到发电成本的最小化； 其次，可利用各地区间负荷时间特性上的差异，减小全网负荷峰谷差， 实现地区间电力的平衡和经济调度；再者，可以减小系统整体必须的备 用容量；此外，电网互联后，有利于安排机组的检修，提高系统的抗冲 击能力和运行灵活性。电网规模越大，自动化水平越高，其资源优化配 置的能力和可获得规模经济效益就越大，这是推动电网互联最重要的推 动力之一。 4 、电网互联是电力市场的物理基础 电网是电能的运载工具，也是电力市场的“物流通道”，电力的交易 是通过电网来实现的，因此电力市场的前提之一是联通的电力传输网络。 可以说，电网有多大，电力市场的规模才可能有多大。实现电网互联是 山东大学硕士学位论文 电力市场化改革的必然要求。 5 、电网互联可以取得巨大的环保效益 目前世界上的电力主要来自于火电，但燃煤发电，会排放大量的有 害废气，是造成“温室效应 和酸雨等环境问题的罪魁祸首。电网互联 后，通过更多的采用水力发电、风力发电等相对清洁的发电方式，有利 于降低环境污染。 在电网互联获得诸多好处的同时，也带来了一系列挑战性问题n 引， 如系统规划与资源配置的优化问题，互联电网的协调组织，运行与管理 问题，大系统的动态行为与安全性分析问题，潮流控制问题，改善稳定 性以提高传输容量的问题等。在我国，由于电网结构相对薄弱，电网的 安全性、可靠性低。随着全国电网的形成，安全稳定性问题也将会更加 突出。而且，我国的电力网络的输电可控性和发电、配电相比较差，网 络中功率潮流的自然分布会随着负荷变化而变化，可能造成过大的电能 损失或危及安全运行而被迫降低输送功率，从而造成已有输电线的负担 日益加重，输送能力不足的矛盾日益突出。可以说电力系统面临的主要 问题就是：如何最大限度地提高电力设备的利用率、如何最大限度地提高 输电网络的传输能力，最大限度保持电力系统的稳定性。一般说来，电 力网络的输电能力受到静态稳定、动态稳定、暂态稳定、电压稳定和热 稳定极限的限制，其中前四种因素是限制电网输送能力的主要因素。因 此通过采取措施在增大电网输送能力的同时还必须保持系统稳定和优化 运行。电力专家们设计研制出了一些如串联电容、并联电容、并联电抗、 同步调相机等设备，对改善系统运行条件、提高电力系统的稳定性、增 强电力网络输电能力等方面起到了一定的作用，但这些设备采用机械式 控制方式，其局限性是非常明显的。首先是控制速度慢，基本上只能在 静态情况下控制系统潮流，对动态稳定的控制缺乏足够的能力，为解决 系统的动态稳定问题，一般留有较大的稳定储备，这就导致电网的输电 能力没有得到充分的利用；其次是它不能在短时间内频繁操作，严重制 约了其对系统进行连续快速控制的能力；再者，基于机械开关的控制方 法会带来其他一些难以解决的问题，如f s c 可能导致次同步谐振；最后， 6 山东大学硕士学位论文 机械装置老化快，寿命有限。总之，传统的机械式解决方法，制约了潮 流控制的灵活性和系统稳定性的提高，难以充分利用电力设备的输电能 力。 1 1 2f a c t s 的基本概念 随着电力电子元件单件容量向大功率及高电压的迅速发展，出现了 一类为适应电力系统向远距离、大容量送电，需要对其参数实施快速控 制的设备一一柔性交流传输设备( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ， 简称为f a c t s ) ，它主要是应用电力电子技术和现代控制理论，实现对交 流输电系统参数以及网络结构的灵活快速控制。f a c t s 技术的产生解决了 输电网运行和发展中各种困难的客观需要，在控制电网潮流、提高系统 稳定性以及传输容量方面带来了前所未有的契机，从而得到了广泛认可 和迅速发展。 f a c t s 是8 0 年代末，美国电力研究所( e p r i ) 的n a r a i l lg h in g o r a n i 博士提出来的概念。他最早( 1 9 8 8 年) 对f a c t s 的定义是1 ：柔性交流输 电系统，即f a c t s ，是基于晶闸管的控制器的集合，包括移相器、先进的 静止无功补偿器、动态制动器、可控串联电容调节器、带载调压器、故 障电流限制器以及其他有待发明的控制器。随后n g h in g o r a n i 博士在 一系列报告和文章中对f a c t s 的概念进行深入诠释和更新q 1 ；同时， 大量学者也加入这一领域的研究，不断丰富f a c t s 概念的内涵与外延。更 为重要的，在f a c t s 这一概念的指导下，新的f a c t s 设备，如t c s c 、基于 可关断器件的s t a t c o m 和u p f c 等也不断出现，反过来又促进了f a c t s 概念 的完善。 从f a c t s 概念诞生到2 0 世纪9 0 年代中期，由于大量新的f a c t s 设备相 继出现，对它们的命名出现了一定的混乱，同时关于f a c t s 技术与其他相 关技术的关系也一直成为广泛争论的话题。在这种情况下，i e e e 的f a c t s 工作组于1 9 9 7 年冬季会议上将f a c t s 定义为汨1 ：装有电力电子型或其它 静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。f a c t s 控制器指基于电力电子技术的系统或其他静态的设备，它能对交流输电 7 山东大学硕士学位论文 系统的某个或某些参数进行控制。 f a c t s 一经提出就受到了世界各国的重视和关注，并被国内外权威性 的输电技术研究者和工作组确定为“现代电力系统中具有变革性影响的 前沿性课题之一 ，它为解决现代电力系统面临的问题提供了一种有效 的途径和方法。目前应用中或正在研究的用于发、输、配电系统中的电 力电子控制装置如图卜1 所示。 发电厂 输电系统 静态励磁( 及p s s 和 o e c ) 晶闸管控制电制动 ( t c b r ) 变速发电机组( a s g ) 飞轮储能变速发电机 ( f w c ) 高压直流输电( h v d c ) 静止无功补偿器( s v c ) 静止无功发生器( a s v g ， s t a t c o n ) 无触点电路开关( s s c b ) 可控串补( t c s c ) 统一潮流控制器( u p f c ) 可控移相器( t c p s ) 配电系统 有源滤波 ( a p f ) 微型储能装 置 ( m e s ) 图1 - 1 在发、输、配电系统中应用或研究的一些电力电子装置 1 1 3f a c t s 技术的优越性 在电力系统的运行上，长期存在的巡回功率潮流使系统容量相对减 小，大系统的低频振荡也曾使系统耗费很大精力应付，而快速可控的电 力电子装置正是消除巡回功率和低频振荡的有力手段。 1 、大功率电力电子器件的主要优点 ( 1 ) 功率大：以g t o 为例，容量为4 s k y 3 o k a 的器件体积很小( 直径 1 2 0 m m ) ，重量还不到1k g ，却能控制约13 m v a 的容量； ( 2 ) 高速控制：可在2 0p s 内开通电流、在1 0p s 内切断电流，有效地 改善被控系统的稳定性和动态品质； ( 3 ) 损耗小：在导通时压降很小，关断时漏电流很小，是十分理想 的无触点开关，其总损耗仅为通过容量的千分之几； ( 4 ) 控制所需的驱动功率小：由于触发时间短，其驱动功率仅为被 山东大学硕士学位论文 控制功率的几千分之一； ( 5 ) 可靠性高：据西门子公司的统计，他们在世界上用于h v d c 的12 0 0 0 个可控整流元件在1 0 年内仅损坏7 个； ( 6 ) 价格不断降低：随着技术的进步和应用的增加，价格不断降低， 过去5 年下降了5 0 。 近百年来输、配、用电都是在变电压、变电流的方式下进行的，运 用大功率电子器件的特性可以在改变频率、相位、波形乃至相数的条件 下来输、配、用电，这就可以充分地发掘电力设备的潜力，提高系统的安 全与经济运行水平。 2 、f a c t s 技术的主要功能 总体来说，f a c t s 技术能给电网带来以下几种好处阳1 ： ( 1 ) 按需控制电网潮流； ( 2 ) 提高电网的传输容量； ( 3 ) 提高系统的电压稳定性； ( 4 ) 为两个或多个电网之间提供可靠的连接，通过功率交换和互备， 降低总的备用装机容量； ( 5 ) 为新电厂的选址提供更多的灵活性； ( 6 ) 通过就地无功补偿，可降低线路上的无功潮流，从而可使线路 传输更多的有功功率： ( 7 ) 减小电网环流，降低网损； ( 8 ) 保证现代复杂互联电网的可靠和安全运行，降低发电成本； ( 9 ) f a c t s 会给电网的运行带来良好的经济效益。 3 、f a c t s 技术提高输电能力的基本原理 与直流输电相比，交流输电能力除受热稳定限制外，还受线路输送 功率极限即功角稳定的限制。原因是交流输电中有相角、无功和电抗三 个参量。f a c t s 技术借助于电力电子器件快速改变u ( 或q ) 、x 、6 达到提 高输电能力并且抑制振荡，改善系统动态特性的目的。不同的f a c t s 设备 能对电网不同参数进行控制，因而具有不同的功能，表1 - 1 凹3 简单总结了 各种f a c t a 设备能控制的电网参数及其应用功能。 9 山东大学硕士学位论文 表1 - 1f a c t s 控制器能控制的电网参数及其应用功能 f a c t s 控制器能控制的电网参数应用功能 s v c ( t c r ，t s r ，t s c )注入无功功率、节点 无功补偿，电压控制，提高 电压、暂态和中长期稳定性， s v s v c s ，s t a t c o m电压 阻尼功率振荡 无功和有功补偿，电压控制， 注入有功无功功自动发电控制( a g c ) ，提高 s s g ( s m e s ，b e s s ) 率、节点电压 电压、暂态和中长期稳定性， 阻尼功率振荡 t c s c ，t p s c ，t s s c ， 电压控制，潮流控制，提高 s c c l 线路阻抗 电压、暂态和中长期稳定性， 阻尼功率振荡，限制短路电 g c s c ，t c s r ，t s s r 流 电压控制，潮流控制，提高 电压、暂态和中长期稳定性， s s s c ，i p f c线路压降阻尼功率振荡，在并联的多 回路间交换潮流( i p f c ) ， 限制短路电流 潮流控制，提高暂态和中长 t c p a r 相位差 期稳定性，阻尼功率振荡 电压控制，无功潮流控制， t c v r电压差提高电压、暂态和中长期稳 定性，阻尼功率振荡 无功有功补偿，电压控制， 节点电压、线路压降潮流控制，提高电压、暂态 u p f c ( 带储能设备) 及其相位和中长期稳定性，阻尼功率 振荡，限制短路电流 线路的次同步频率 n g h - s s rd a m p e r阻尼s s r 阻抗 节点接地阻抗( 负 提高暂态稳定性，阻尼功率 t c b r 荷)振荡 节点接地非线性负 t c v l 限制节点暂态动态电压 荷 从表中我们可以看出，不同的f a c t s 设备在电网中能控制的参数不 同，实现的控制效果不同，在实际应用中，需实现对目标电网的运行特 性和需求进行详细分析，并对不同f a c t s 控制器功能和技术经济指标进行 具体比较，以选择最具性价比的实现方案。 总之，f a c t s 技术使得对大型互联电网的控制能够更加快速、频繁、 连续、综合和灵活，能实现对电网潮流的精确控制并大大提高电网的动 l o 山东大学硕士学位论文 态性能和稳定水平，从而将传统的纯粹依赖机械开关的“硬性”交流输 电系统提升为融合电力电子技术、最新的信息处理技术和先进的控制技 术在内的“柔性 交流输电系统。 1 1 4f a c t s 技术的应用现状 国外研制应用f a c t s 装置的进展较快，从六十年代早期就开始应用 s v c ，而用于输电电压控制则始于七十年代末期，并用于输电线上的电压 控制和提高系统的稳定性。例如，1 9 8 0 年，日本三菱电机公司研制出第 一台基于晶闸管的静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，容量为2 0 m v a r ；1 9 9 1 年在日本的i n u y a m a 换流站安装了一台4 - 8 0 m v a r 的静止无功发生器；1 9 9 2 年，德国西门子公司研制并在美国西部电力局( w a p a ) 投运第一台晶闸 管控制串联电容器( t c s c ) 装置；1 9 9 5 年，在美国的福纳西约翰城的 s u lli v a n 变电站( 5 0 0 k v 1 6 1 k v ) 安装了一台1o o m v a r 的静止无功发生 器；德国西门子的基于4 5 0 0 3 0 0 0 a 门极可关断晶闸管8 m v a r 静止无功发 生器也于19 9 7 年四月在丹麦投入运行；2 0 0 1 年，美国纽约电力局投运其 可转换静止补偿器( c o n v e r t i b l es t a t i cc o m p e n s a t o r ，c s c ) 的第一阶 段，即4 - 2 0 0 m v a r 的s t a t c o m 阴1 。 我国在f a c t s 的研究方面起步较晚一些，但是国家对f a c t s 控制器 及其技术的研制和应用给予明显的重视，在各方面的大力支持、资助下 也已开展了多方面的工作，并且已在实际应用中取得了成功。如1 9 9 9 年，清华大学和河南省电力局合作研制了我国首台工业化s t a t c o m ，容 量为2 0 m v a r ：由我国东北电力集团、原电力部电科院和东南大学等合 作研究的伊一冯t c s c 安装在伊敏至冯屯5 0 0 k v 线路的冯屯侧，其固定串 补度为2 5 ，全部可控：2 0 0 0 年其二期工程装机容量达到2 2 0 0 m w ，由内 蒙古伊敏电厂经双回路长达2 8 1k m 的5 0 0 k v 线路东送至黑龙江省齐齐哈 尔的冯屯变电所，再由双回路5 0 0 k v 线路送往大庆及哈尔滨地区们。 山东大学硕士学位论文 1 2 可控串补t c s c 的发展 1 2 1t c s c 的概念与原理 可控串联补偿( t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n 即t c s c ) 电容器是灵活交流输电系统的重要组成部分，是指在一个交流输电系统 中应用阻抗补偿，并能实现对该阻抗的平滑控制。t c s c 装置利用可控硅 控制触发角的不同对电容器进行旁路、投入或部分调制，可使串补电容 器装置快速而平滑地调节串接在输电线路中的有效容抗值，从而达到提 高系统传输能力，灵活控制系统潮流，改善系统暂态稳定性等目的。基 于t c s c 的多种控制功能及其良好的工业效益，使它成为最早实现工业应 用的f a c t s 元件之一。 1 2 2t c s c 的优点 可控串联补偿是采用晶闸管控制的阻抗型串补装置，通过控制电力 电子器件的开通和关断实现动态调节串联阻抗的目的。与固定串联补偿 相比较，可控串联补偿具有以下潜在的优点n 扪： ( 1 ) 可以快速、连续的控制输电线的串联补偿度； ( 2 ) 动态控制网络中选定输电线路的潮流以达到最优潮流的条件并 防止功率环流的产生； ( 3 ) 阻尼由本地和区域间振荡模式所引起的功率波动； ( 4 ) 抑制次同步振荡。在次同步频率下，t c s c 呈现为一个固有的 电阻一电感性电抗。在这种情况下，次同步振荡不可能维持因而会最终衰 减； ( 5 ) 降低直流偏移电压。当加入串联电容器后，总会产生直流偏移 电压，而在t c s c 晶闸管的触发控制下，这个直流偏移电压能够快速衰减 ( 在几个周期内) ； ( 6 ) 提高了串联电容器的保护水平。当发生故障后电容器上出现高 的过电压时，通过晶闸管控制，可以达到快速旁路串联电容器的目的， 同样地，当故障排除后也可以通过晶闸管的动作而使电容器快速投入， 1 2 山东大学硕士学位论文 以帮助系统的稳定； ( 7 ) 电压支持。t c s c 与串联电容器相结合，所产生的无功功率随 线路负荷的增加而增加，因而有助于调节本地网络的电压以及缓解电压 不稳定问题； ( 8 ) 降低短路电流。在短路电流较高时，t c s c 可以从可控容性模 式转到可控感性模式，因而限制了短路电流。 1 2 - 3t c s c 在国内外的应用现状 可控串联电容补偿器( t c s c ) 是一个重要的f a c t s 元件，和其它串联 型f a c t s 器件相比，可控串补( t c s c ) 比较简捷，而且能够有效地解决 常规固定串补中存在的一些技术问题，如系统功率振荡、次同步谐振 ( s s r ) 、动态潮流控制等。正因为如此，可控串补得到较为广泛的应用。 在美国，到目前为止，分别由s ie m e n s 、g e 、a b b 公司与有关电力系 统合作，己成功推出了多套t c s c 装置并投入运行，如1 9 91 年a b b 公司改建 的k a n a w h ar iv e r 变电站3 4 5 k v 单相串补投切工程，用来提高线路传输能 力，提高暂态稳定极限和阻尼功率振荡；1 9 9 2 年s ie m e n s 公司建造的w a p a 电力系统k a y e n t a 变电站的2 2 0 k v 新型串联补偿a s c 工程，用于提高线路传 输能力；1 9 9 3 年g e 公司承担的b p a 电力系统s l a t t 变电站的5 0 0 k vt c s c 试 验工程，甩于阻尼功率振荡和次同步谐振n 引。 1 9 9 9 年底，巴西南北电网互联计划开始实施后，巴西北方的电气公 司e l e t r o n o r t e 在5 0 0 k v 的南北互联线路上投入了a b b 公司提供的1 个 1 3 3q 的t c s c 和5 个固定串补( f s c ) ，总容量达1 1o o m v a r 。其中t c s c 安装在输电走廊的北端i m p e r a t r iz 处，主要用于提高互联系统间的输电 能力，阻尼低频振荡和抑制可能发生的s s r 问题n 引。 2 0 0 3 年，a b b 公司承接了印度r a i p u r r o u r k e l a4 1 2 k m 4 0 0 k v 双线交 流线路上安装固定串联补偿器( f s c ) 和t c s c 项目，主要用于提高系统稳 定性能、增加功率传输能力以及改善电压状况，实现从电力富余的东部 地区向西部地区输送电能的计划引：2 0 0 4 年8 月，印度又启动了在 k a n p u r b a ll a b h g a r h4 0 0 k v 线路的b a ll a b h g a r h 处安装f s c 和t c s c 的工 山东大学硕士学位论文 程。工程分2 个阶段：第1 个阶段设计建立3 5 的固定补偿，线路输电容量 增加了大约1 2 0 m w ，第2 阶段设计安装8 一2 0 的t c s c 引。 我国对于t c s c 的研究起步较晚。2 0 0 3 年6 月，南方电网在5 0 0 k v 天生 桥一平果双回线平果变电站投运了由s ie m e n s 公司制造的包含t c s c 的串补 装置，这是我国投入的第一个t c s ct _ 程n 引，天广线t c s c 工程的投产提高 了线路输送能力，为“西电东送 增加约3 0 0 m w 的输电容量，改善了系统 的暂态稳定水平及阻尼功率振荡。2 0 0 5 年，由中国电力科学研究院主持 研制的第一套国产化t c s c 装置在甘肃省壁口一成县2 2 0 k v 电网运行，t c s c 额定容量8 6 6 m v a r ，基本容抗为21 7q 。该工程标志我国成为继美国、 德国和瑞典之后第四个可以制造可控串补装置的国家n 3 1 引。2 0 0 7 年， 世界上可控补偿容量最大、运行环境最复杂、设计难度最大的国产化超 高压可控串补装置一一伊冯5 0 0 千伏可控串补装置顺利投入运行；2 0 0 8 年，中国电科院承担的三堡东三i 、i i 线5 0 0 干伏进口串补装置控制保护 系统自主创新改造获得成功。 总之，我国在可控串补技术上的开发力度是很大的，也是富有成效 的。加强可控串补项目的研究和建设是符合我国电网需要的。首先，我 国电网是一个庞大的互联电网。在大区交流联网中，系统低频功率振荡 是一个比较突出的问题。其次，我国长距离交流输电线路比较多，采用 常规串补是提高输送能力的快速而有效的方法。但对于一些火电机组， 由于s s r 问题限制，使得串补的作用不能充分发挥。另外在长距离多通道 并列输电系统中，为优化系统潮流分布，有必要提高各通道的潮流控制 能力。而可控串补技术对这些问题的解决，都具有很好的优越性。 国内外应用经验表明t c s c 通过调节线路电抗控制潮流，可以提高线 路传输能力，还可以有效地抑制低频功率振荡，消除次同步谐振，对提 高电力系统的运行可靠性和灵活性及改善线路性能具有重大的意义，对 实现我国电力工业西电东送、南北互供、全国联网的发展战略具有十分 重要的作用。 1 3 本文的主要工作 1 4 本文从介绍f a c t s 技术尤其是t c s c 的含义、优势及其应用入手，详 山东大学硕士学位论文 细地研究了可控串补的结构、工作原理，在p s c a d 平台上搭建了t c s c 的元件级模型，最后对t c s c 对输电线路继电保护的影响做了仿真分析。 具体章节安排如下： 第一章在总结国内外文献的基础上概述了f a c t s 技术和f a c t s 家族 中的t c s c 的基本概念、产生、发展及其应用现状，以及应用f a c t s 装置 的优越性。 第二章主要介绍了t c s c 装置的结构、运行的基本原理及其阻抗特性 和谐波特性，介绍了t c s c 的控制系统。 第三章根据t c s c 的基本原理与数学模型，推导了线电流同步方式下 的稳态基波阻抗与触发角之间的关系。利用p s c a d 软件为平台，完成t c s c 触发、同步、控制各模块，建立了详细的t c s c 模型。在调试成功的t c s c 模型上，做了大量仿真试验，研究t c s c 的运行特性。 第四章通过对含t c s c 线路的p s c a d 仿真试验，分析了被保护线 路发生故障时，t c s c 对输电线路距离保护的影响。分析了t c s c 对输 电线路零序( 负序) 电流保护、功率方向保护、纵联保护的影响，并讨 论了减少t c s c 影响的一些措施，进而对含t c s c 线路的继电保护提出 了建议意见。 第五章对本文的研究工作进行了小结，并得出了本文的结论 山东大学硕士学位论文 第二章t c s c 的结构、工作原理及特性分析 晶闸管控制串联电容器( t h y r is t o rc o n t r o l le ds e r i e sc a p a c it o r ， t c s c ) 最早是在1 9 8 6 年由v ir h a y a t h il 等人作为一种快速调节网络阻抗的 方法提出来的。基本的、概念性的t c s c 模块由一个容抗固定的电容器与 一个晶闸管控制的电抗器并联而成。一个完整的t c s c 系统往往是由几个 这样的模块串联而成，并且还可以与传统的串联电容一起构成整个串联 补偿系统以提高电力系统的性能。t c s c 牢b 偿方案的基本思路是通过改变 晶闸管的触发角来调节并联支路的等效电感，进而达到控匍j t c s c 等效阻 抗的目的。 2 1t c s c 的电路结构 实际的t c s c 模块结构图如图2 1 所示，t c s c 主要由四个元器件组成： 电力电容器c ，旁路电感l ，两个反相并联大功率晶闸管s c r 。实际装置中 还包括保护用的金属氧化物压敏限压器m o v ，旁路断路器等。 c b 图2 1t c s c 模块结构图 金属氧化物可变电阻器( m o v ) ，本质上为一个非线性电阻器，跨接 在串联电容器上，用以防止电容器上发生高的过电压。m o v 不但能限制电 1 6 山东大学硕士学位论文 容器上的电压，而且能使电容器保持接入状态，即使在故障情况下也是 如此，从而有助于提高系统的暂态稳定性。跨接在电容器上的还有一个 断路器c b ，用以控制电容器是否接入线路。另外，在发生严重故障或设 备工作不正常时，c b 就将电容器旁路。 实际的t c s c 系统通常是由很多这样的t c s c 模块级联组成，同时还包 括一个固定的串联电容器c f ，采用这个固定串联电容器的目的主要是为 了使成本最小。由基本t c s c 模块组成的一个概念性的t c s c 系统如图2 - 2 所示，不同的t c s c 模块中电容器可以具有不同的值，以提供较宽范围的 电抗控制。与反并联的晶闸管相串联的电抗器被分为两半，以便在电抗 器发生短路时能起到保护晶闸管的作用。 ccc 2 2t c s c 的运行 图2 2一个典型的t c s c 系统结构图 2 2 1t c s c 运行的基本原理 和常规固定串补( f s c ) 相比，可控串补增加了1 个双向可控硅串联 电抗器支路。可控硅在每半周波间歇导通1 次，且导通角是可控的。在 稳态情况下，该回路可以近似地看成是一个可调的电抗器，其电抗大小 取决于可控硅的导通角和电抗器阻抗值x ，。t c s c 通过对触发脉冲的控 制，改变晶闸管的触发角口，即可改变由其控制的电感支路中电流的大 小，因而可以连续改变总的等效电抗，也即使线路的串补程度连续的变 化。 对于由电抗器和电容器组成的并联回路，其等效阻抗取决于两者的 比值关系。对t c s c 功能的理解可以通过分析一个由固定电容器( c ) 和可变 电抗器( l ) 相并联的电路的行为来获得，如图2 - 3 所示。 1 7 山东大学硕士学位论文 图2 - 3t c s c 等效结构图 该l c 并联电路的等效阻抗乙可以表达为： 乙= 卜去) 叭肛) 叫：忑1 ， c o l 如果c o c 一( 1 c o l ) 0 ，则表示固定电容器f c 的电抗值比与之并联的可 变电抗器( l ) 的电抗值小：整个并联电路呈现为可变的容性电抗。并且这 个电抗器的作用使得整个l c 并联电路的等效容性电抗比f c 本身的容性电 抗值大。 如果c o c 一( 1 c o l ) = 0 ，则会产生谐振，导致一个无穷大的容性阻抗。 如果c o c 一( 1 c o l ) 0 ，则表示l c 并联电路的等效电感值大于固定电抗 器本身的值，这种情况对应于t c s c 运行方式中的感性微调模式。 当t c s c 处于可变电容模式下时，随着可变电抗器感性电抗的增加， 等效的容性电抗逐渐减小。等效容性电抗的最小值在感性电抗取无穷大 时达到，也就是当可变电抗器开路时达到，其值等于f c 本身的电抗值。 2 2 2t c s c 的运行模式 t c s c 通过对触发脉冲的控制改变晶闸管的触发角，连续改变总的等 效电抗。本质上t c s c 模块有三种基本运行模式n 5 “引：全关断模式、旁路 模式和微调模式。如图2 4 所示。 ( 1 ) 全关断模式也称为闭锁模式，在这种模式下，晶闸管门极没有 触发信号，晶闸管开关一直不导通，触发角口= 1 8 0 。，t c s c 模块就退化 为固定的串联电容器，并且t c s c 的净电抗是容性的。 ( 2 ) 旁路模式，在这种模式下晶闸管门极连续触发，晶闸管被控制 1 8 山东大学硕士学位论文 成全导通，导通角为18 0 。t c s c 模块相当于一个电容器与电感器的并联 电路，由于所选择的电抗器电纳要比电容器电纳大，模块的等效电抗是 感性的。 ( 3 ) 微调模式，在这种模式下晶闸管门极触发信号采用相控，晶闸 管开关处于部分导通状态，触发角在9 0 。 口 1 8 0 。范围内。整个模块性质 取决于晶闸管导通程度，既可以呈现为连续可控的容性电抗，也可以呈 现为连续可控的感性电抗，这可以通过在适当范围内改变晶闸管对的触 发角来实现。但是，由于在两种模式之间存在一个谐振区，所以单模块 的t c s c 无法实现从容性模式到感性模式的平滑过渡。如果t c s c 装置采用 图2 - 2 所示的多模块连接方式时，感性调节模式和容性调节模式相互配 合，可以使整套t c s c 装置获得较大范围的连续可调特性。 t c s c 的微调模式包括两种形式：感性微调模式和容性微调模式。 容性微调模式，这种模式下触发角的调节范围为口51 8 0 。( 口m i n 为谐振角) 。t c r 支路的电流方向与电容器电流的方向相反，在t c s c 上形 成一个循环电流，这个循环电流提高了固定电容器上的电压，对应同样 的线路电流，其效果就是增大了等效的容性电抗并提高了串联补偿度。 当口从18 0 。减小到。时，循环电流不断增大，当口= 时，t c s c 容许 的电抗最大值典型情况下为基频电容器电抗值的2 5 - 3 倍。t c s c 通常运行 于该模式。 感性微调模式，这种模式下，触发角的调节范围为9 0 。口。( 为谐振角) 。在t c s c 的电感支路和电容支路内形成的循环电流方向与容 性模式下相反，t c s c 呈现为纯电感性的阻抗。 1 9 山东大学硕士学位论文 ( a ) 晶闸管闭锁模式 卜- - - 一 ( b ) 晶闸管旁路模式 ( c ) 容性微调模式 ( d ) 感性微调模式 图2 4t c s c 的不同运行模式 2 2 3t c s c 的稳态基频阻抗特性 t c s c 在电力系统中能起到上述控制作用，主要是通过迅速改变其基 频等效阻抗的大小和性质来实现的。此处所述基频等效阻抗是指由电容 2 0 山东大学硕士学位论文 器和可控电抗器( t c r ) 所组成的t c 9 s c 电路在电力系统中i 作时，对应于 f = 5 0 h z 时的基频下的等效阻抗。 根据参考文献【9 】，t c s c 的稳态基频等效阻抗表达式式2 - 2 所示，即 = 一面1 + i k 2 ( 2 而o + s i n 2 0 ) 一4 k 2c _ o s 2 葡 k t a 万n ( k t r 矿) - t a n t r ( 2 2 ) 式中：七= 詈，= 面l ，仃= 万一口 缈 l c 此外，如果将t c s c 的净电抗以丘为基准值化为标幺值，并记为 k = 贮丘，则咒甜可表达为 k = 1 一_ k 2 ( 2 而a + s i n 2 0 ) + 4 k 2 c o s 2 布k t a n 面( k o 广) - t a n t r ( 2 3 ) t c s c 的标幺电抗值以矗随触发角口而变化的特性如图2 - 5 所示： 一一q 。， 。7 一o ， ? x t c s c 随触发角啪变化特性 ， i 崮参i 卜l e e ri - 二一_ ， j 一一 j ， 1 ；基b 舭 “ 口1 k 图2 5 时电抗随触发角q 的变化特性 正常情况下，运行于微调控制模式， 表现为容性阻抗特征。 山东大学硕士学位论文 只要电流不足够大导致m o v 触发，t c s c 的基频阻抗将只与触发角口有关， 而与通过的电流无关。 当t c s c 线路发生短路故障时，经过一段复杂的动态过程，t c s c 又将 进入稳态。当t c s c 的电容未被旁路时，如果短路电流足够大，导致m o v 触发，贝| j t c s c 的阻抗不仅与触发角口有关，也与短路电流的大小有关。 从式2 3 还可以看出，在基频的x ，和群之间产生了一个并联谐振， 对应的触发角口为 口= 7 r - ( 2 m - 1 ) 三m = l ，2 ( 2 4 ) 二 k 值是t c s c 装置的结构参数，通过选择合适的k 值，在9 0 。 3 ) ，触发角口的 有效控制范围大大减小，且给晶闸管脉冲发生带来一定的困难。因此， 在实际工程中，通常选取适当的电容、电感值，使得k 一 如 凡 + + 0 k 山东大学硕士学位论文 此，纵联方向保护可以作为t c s c 线路的主保护，但这种保护方式用得 并不多。 3 、纵联距离保护 纵联距离保护的构成原理和方向保护相似，只是用阻抗元件替代功 率方向元件。方向阻抗元件是纵联距离保护的核心元件之一。在t c s c 线路上，纵联距离保护的性能取决于方向阻抗元件的性能。采用带记忆 极化电压的方向阻抗元件可以解决串补电容带来的失去方向性的问题， 当进行超范围整定并配合纵联措施时，可以解