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方式可控串补的技术优点，又能克服如上所述的t c r 方式可控串补无法克 服的技术难题，实现整个可控容抗工作区域的连续可调，大幅度扩大了可 控串补的工作区域，提高可控串补度。 关键词：交流输电系统可控串联传输容量系统稳定性控制特性 i i c o n t r o lp r i n c i p l eo f t c s cd e v t c e sa n d i f sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t a i m i n ga tt h es t a b i l i t ya n dc a p a c i t yo fa l t e r n a t i n gc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h e a r t i c l ep r o p o s e st h et c s c ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o r ) p l a n t h e nt h ea r t i c l e e x p a t i a t e st h ep r i n c i p l ea b o u tt h et c s cc a nb eu s e dt oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dp o w e r d e l i v e r yc a p a c i t yo fs y s t e mf r o mt h et h e o r ya n g l e ，a n dd e m o n s t r a t e si t sv a l i d i t yt h r o u g ht h e s i m u l a t i o n “，n l ep o w e rt r a n s m i s s i o nf r o mw e s tt oe a s t , t h en o r t ha n ds o u t hs u p p l i e sm u t u a l l ya n d t h en a t i o n a ln e t w o r k i n g i so u rc o u n t r ye l e c t r i c a ln e t w o r k sd e v e l o p m e n td i r e c t i o n s d u et o d i s t r i b u t e da n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t si m b a l a n c e ，w h i c hh a dd e c i d e dt h a tt h el a r g e - s c a l e p o w e rt r a n s m i s s i o nf r o mw e s t t oe a s ti so u rc o u n t r yc o a s t a la r e ae c o n o m ys u s t a i n a b l e d e v d o p m e n tn e c e s s i t y c h i n as o u t h e r np o w e rg r i dw i l lc o m p l e t em a n ya l t e r n a t i n ga n dd i r e c t p a r a l l e lt r a n s m i s s i o ns y s t e m sb yu s i n gr i c hw a t e rr e s o u r c e s ，t h es c a l ew i l lb eu n p r e c e d e n t e d i n t h ew o r l d ，s ot h el a r g ec a p a c i t ya n dl o n g d i s t a n c ep o w e rt r a n s m i s s i o na r ec h i n as o u t h e r n p o w e rg r i d si m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ho u rc o u n t r ye l e c t r i cp o w e r o r g a n i z a t i o n a lr e f o r mf u r t h e r , t h ee l e c t r i cp o w e rm a r k e tf o r m sg r a d u a l l y , a c c o r d i n gt ot h e e l e c t r i cp o w e rm a r k e to p e r a t i o n sr e q u e s t , t h ee l e c t r i c a ln e t w o r kn o to n l yp r o v i d et h en i m b l e t i d a lc u r r e n tc o n t r o l ，b u ta l s om e e tt h ed e l i v e r yc a p a c i t yr e q u e s tm a x i m a l l yb e t w e e nt h ep o w e r s o u r c ea n dt h eu s e r , a d d i n gt ot h el i n ec o r r i d o rg e t sm o r ea n dm o r ef i g h t , i ti so n eo ft h em o s t e f f e c t i v et e c h n o l o g yw a y st os o l v et h eq u e s t i o no fl o n g - d i s t a n c ee l e c t r i ct r a n s m i s s i o nb yu s i n g t c s c ，w h i c hc a nd i ge f f e c t i v e l yt h ep o t e n t i a lo fe x i s t i n ga n dt h en e w l yb u i l tt r a n s m i s s i o n l i n e n ed o m e s t i cu s e st c s ct e c h n o l o g yi st h et c r ( t h y r is t o rc o n t r o lr e a c t o r ) w a y a tp r e s e n t ，w h i c ha d o p t sp a r t l yc o n t r o l st h es i l i c o n - c o n t r o l l e dr e c t i f i e rd e m e n tc o n t r o lr e a c t o r , t h ef a c tp r o v e d ：t h et c r w a y st c s ch a v ei n d e e ds o l v e dm a n yt e c h n i c a ld i f f i c u l tp r o b l e m s o ft h el o n g - d i s t a n c er a n g ea l t e r n a t i n gc u r r e n tt r a n s m i s s i o n , h o w e v e rt h en e wt e c h n i c a l q u e s t i o ni tb r o u g h tw a sa l s oq u i t ep r o m i n e n t , l i k et h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i cs e r i o u sn o n - l i n e ， p r o d u c et h ea n t i r e s o n a n c eo v e r - v o l t a g e , t h ec h a r g i n gc u 玎e n to v e r l o a d ss e r i o u s l y , c o n t r o l l e d u n d e rt h ec o n d i t i o nt h ec o n t r o la r e at ob el i m i t e da n ds oo n i i i 1 1 l i sa r t i c l er e s e a r c h e st h et c c ( t h y r is t o rc o n t r o lc a p a c i t o r ) w a y st c s ct e c h n o l o g yi n b a s i n go ns u m m a r i z i n gc o m p r e h e n s i v e l yt h et c r c o n t r o lm o d ea n dt h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c f o u n d a t i o n t l l i sm e t h o da d o p t st h eg t ot oc o n t r o ld i r e c t l yt h ec a p a c i t o rt 0r e a l i z es e r i e s c a p a c i t o rc a l lb er e g u l a t e d i th a sn o to n l yi n h e r i t e dt h et e c h n i c a lm e r i to ft h et c rw a y b u t a l s oo v e r c o m et h et e c h n i c a ld i f f i c u l tp r o b l e mw h i c ht h et c rw a yu n a b l et oo v e r c o m e , i t r e a l i z e st h ee n t i r ec o n t r o l l a b l ec a p a c i t a n c ew o r k i n gs p a c ec o n t i n u o u s l ya d j u s t a b l ea n dl a r g e s c a l ee x p a n d e dt h ew o r k i n gs p a c eo f t c s ct oi m p r o v et h ed e g r e eo f t c s c k e yw o r d s ：a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ；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 r a n s m i s s i o nc a p a c i t y ；s y s t e ms t a b i l i t y ；c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人 已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本 文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 孙能 吲年 学位论文使用授权说明 6rf gb 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： ， 回即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：彦遮露角钐导师签名： r 6 删日 广西大学工程硕士学位论文t c s c 可控串补装置控制原理及其矗l 用研究 第1 章绪论 1 1 引言 近年来，输电技术及其电力系统得到了迅速发展，电力系统的规模越来越大，由电 力系统供给的电能在人类消费的各种形式的能量中所占的比例越来越高。为了满足远距 离及大容量电能输送的要求，输电电压越来越高。目前，我国已有六个跨省电网，而且 华东电网与华中电网实现联网，南方电网与国家电网实现互联。随着我国西部水能资源 的不断开发，“西电东送 计划的逐步落实，全国电网联合，远距离输电系统的稳定性 问题变得越来越重要。 由于受输电线路走廊的限制，申请审批新的线路通行权越来越难。提高现有输电线 路的输电效率，提高系统稳定性是当今电力系统的当务之急，补偿技术可以有效地挖掘 现有输电线路的潜力。因此，补偿系统的发展使交流输电不论在技术上还是经济上都有 竞争能力，可最大限度地利用已有的输电线路。因此对可控串联补偿在远距离交流输电 中的应用与控制的研究，分析其控制原理，将对全国联合电网的形成产生及其重要的意 义和影响。 目前电力电子技术发展迅速，灵活交流输电( f a c t s ：f l e x i b l ea l t e r n a t i n gc u r r e n t t r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 技术的应用已逐步走向成熟，而作为f a c t s 概念提出后的第一个应 用装置，可控串联补偿装置( t c s c ：t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o r ) 越来越得到人们 的关注【1 1 。t c s c 作为重要的f a c t s 元件，由于它具有潮流控制，阻尼功率振荡，提高电 力系统暂态稳定和抑制次同步振荡等多种功能1 2 ，在电力系统中的应用潜力很大。 1 - 2 国内外可控串补技术发展 用串联电容补偿输电线路的电抗的方法既经济又有效，在世界不少电网中已得到广 泛采用。我国新安江至上海2 2 0 k v 输电线路和刘家峡至天水、关中的3 3 0 k v 线路中， 曾采用过串联电容，但串联电容后产生的许多新问题，其中之一就是可能激发产生一种 低于工频的次同步振荡( s s r ) 【3 1 。1 9 9 1 年，美国电力公司( a e p ) 和瑞典a b b 公司在 a e p 东南3 4 5 k v 系统的卡那瓦河变电站安装一套可控的串联电容，主要用作潮流控制。 串联电容4 2 欧，额定电流2 5 0 0 a ，7 8 8 m v a r ，补偿度为6 0 ，即在1 - 6 0 范围内可调。 广西大掌工程硕士掌位论文 t c s c 可控睾补装置控制原理及其应用研究 位于美国亚利桑那州东北部的一条长3 2 0 k m 的2 3 0 k v 输电线路中部的卡因塔( k a y e n t a ) 变电站中安装的t c s c 工程，有德国西门子公司及w a p a 承担，有称其为带有晶闸管控 制阻抗的先进串联补偿( t c s c ) 【4 】。对于s s r ，t c s c 比传统的串联电容特性好。 超高压、特高压电网在我国得到越来越广泛的应用。目前我国已经建设有7 5 0 k v 的 特高压交流线路，云广特高压8 0 0 k v 直流输电线路也正在建设过程中，计划于2 0 0 9 年单极投产。为了提高交流电功率的传输效率，要求现有的输电线路输送尽可能多的功 率，现代负荷对供电的连续性要求越来越高，这就使得输电网络应具备更高的安全性和 可靠性。 “西电东送、南北互供、全国联网是我国电网的发展方向，由我国能源分布和经 济发展的不平衡性决定了大规模的西电东送是我国沿海地区经济可持续发展的必然。随 着西电东送的稳步推进，除了大网间的互联尽可能采用直流调制外，各大电网内部及网 间还存在大量的远距离，大容量交流输电线路，远距离、大容量送电对电网稳定性的影 响已经引起人们高度重视。目前，南方电网已经形成“八交三直 的输电通道，分别 为云南断面送出的罗百一二回线及砚山崇左南宁交流线路工程，贵州断面天广一二 回及马百线、清河一二回线交流输电工程，天广一二回直流工程及贵广直流工程， 西电东送容量1 1 2 0 万千瓦。为了更有效地利用先进技术解决电网运行中的技术难题， 南方电网自2 0 0 2 年开始先后建成的平果可控串补、河池固定串补、百色固定串补工程。 在南方电网“十一五 电网规划中，还将建成墨江红河双回、文山大新单回、桂 林贤令山双回、柳东贺州双回、玉林茂名双回5 0 0 k v 线路上装设串联电容器 补偿装置【5 1 。 近8 0 年的科学进步探索及社会应用实践，使串联补偿装置从最初的低电压，小容 量，简单的电容器补偿发展到今天的高电压，大容量，多样化的电容器补偿及其调控功 能。同时也为投资方带来了可观的经济效益。特别是近年来，在大容量远距离的输电线 路上，系统性的及成组性的运用串联补偿装置，已成为即可提高交流输电线路的输送容 量及稳定极限，又可节约线路走廊和工程投资的最佳措施。且从某种意义上讲，也成为 一种环保新时尚。 国内、外电力系统应用串补技术发展历程见表1 1 、表1 2 。 2 广西大学工程硕士掌位论文t c s c 可控串补装置控制原理及其应用研究 表1 1国外电力系统应用串补技术发展历程表 t a b1 1t a b l e o fd e v e l o p m e n ta b o u tt c s ct e c h n o l o g i c a la p p l y i n gi no v e r s e a se l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m 线路电 时间国名 简介 压等级 1 9 2 8 年美国 3 3 k v 第一次应用串补技术，补偿度为1 0 0 ，均衡网络潮流。 2 0 世纪日本、瑞 3 推广串补技术，改善配电网络电压。 4 0 年代典、苏联 3 5 k v 第一次在2 2 0 k v 线路应用串补技术，线路长4 8 0 k m ， 1 9 5 0 年瑞典 2 2 0 k v 补偿度为2 0 ，提高输送容量2 5 。 1 9 5 4 年 瑞典 3 8 0 k v 第一次在3 8 0 k v 线路应用串补技术。 1 9 5 6 年苏联 4 0 0k v 第一次在4 0 0 k v 线路应用串补技术。 1 9 6 8 年 美国 5 0 0k v 第一次在5 0 0 k v 线路应用串补技术。 第一次应用氧化锌非线电阻作串补电容器组的过电压 1 9 7 9 年美国 保护。 1 9 8 9 年巴西 7 5 0k v 第一次在7 5 0 k v 线路应用串补技术。 1 9 9 1 年美国3 4 5k v第一次在3 4 5 k v 线路应用可控串补技术。 表1 2 国内电力系统应用串补技术发展历程表 t a b1 2t a b l eo fd e v e l o p m e n ta b o u tt c s ct e c h n o l o g i c a la p p l y i n gi nd o m e s t i ce l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m 序 客户站名 电压等级= 利谷莺 投运年份装置类型 号( k v )( m v a r ) l 江苏省电力局 = 倦 5 0 05 0 0 x 22 0 0 1 3 s a gf s c 2 华北电力局大房 5 0 03 7 2 x 2 2 0 0 1 6 a b b f s c ( 4 0 0 + 1 0 0 ) 3南方电网公司平果5 0 02 0 0 3 o s a g f s c + 1 s c x 2 2 0 0 3 4 n o k 4 华北电力局丰万顺 5 0 0 ( 4 4 5 + 2 2 6 ) x 2 f s c i a n 2 0 0 3 i o s a 5 南方电网公司 河池5 0 0 7 6 0 x 2f s c g 2 0 0 5 1 2 s a 6 南方电网公司百色 5 0 07 6 0 x 2f s c g 徐州三 2 0 0 6 7 中 7 国家电网 5 0 07 6 0 x 2f s c 堡 国电科院 ( 5 4 4 + 3 2 6 )2 0 0 7 1 0 中 8 国家电网伊冯 5 0 0f s c + t c s c x 2国电科院 1 3 亿s c 研究现状及应用 可控串补是解决远距离交流输电的有效技术途径之一，这是由我国西电东送的国情 决定的。而输电距离在8 0 0 公里以内，交流输电的总体效益高于直流输电，在目前，交 流输电是主要的输电方式，提高远距离交流输电容量的有效技术途径就是通过串联电容 补偿来缩短电气距离，而传统的固定值电容串联补偿的主要顾虑就是会导致低频次同步 振荡。t c r 方式可控串补确实是解决这一问题的有效方法。因此，在国外已有多条可控 3 广西大掌工程司n b 掌位论文t c s c 可控串补装j ：控制原理及其应用研究 串补线路在运行。平果可控串补工程作为可控串补技术在国内的首次应用，带有一定的 试验性质，可控串补度的选择相对保守，虽然在电网调控方面的作用和意义不是很明显， 但为国内学习和研究可控串补技术提供了一个崭新的平台，平果可控串补采用的是t c r 方式，即采用半控型可控硅元件控制电抗器。事实证明：t c r 方式的可控串补的确解决 了远距离交流输电的诸多技术难题，但它所带来的新的技术问题也相当突出，如控制特 性的严重非性线，容易产生并联谐振过电压，电容电流严重过载，相控条件下的控制范 围非常有限等等。本课题所研究的t c c 方式的可控串补技术采用的是全控型可控硅元件 ( 口砌直接控制电容器实现串补度的直接、连续可调，既继承了t c r 方式可控串补的技 术优点，又能克服如上所述的t c r 方式可控串补无法克服的技术难题，实现整个可控容 抗工作区域的连续可调，大幅度扩大了可控串补的工作区域，提高可控串补度，这就是 该项目最显著的技术创新点和所具备的技术经济意义。另一方面，对中国南方电网科 技发展纲要中提出的提高南方电网的科技含量，提高南方交直流电网的稳定水平有现 实意义，对研究串补技术及其国产化都有积极的作用。 4 广西大掌工程硕士掌位论文i s c 可控串补蓑j ：控制原理及其应用研究 第2 章交流输电线路的特性 2 1 超高压输电线路的基本要求 大规模的交流输电必须具备以下两个基本要求。首先，主要的同步机必须稳定地保 持同步。也就是发电机和调相机必须同步，否则无法运行。对于一定长度的输电线路， 随着输电功率的增加，其稳定性将降低。所谓的稳定性就是电力系统持续、平稳地运行 于额定功率、额定电压、额定视在功率所必须要求的一种状态。是衡量电力系统抵抗外 部干扰( 如故障、雷电、负荷急剧变化) 和计划干扰( 如开关操作) 的内在能力的一种 尺度。在无外部干扰时，输电线路理论上能稳定传输的最大功率，也就是这条线路的静 态稳定极限。影响静态稳定极限的因素主要有同步机的激磁；输电线的回数及连接方法； 另外还有系统中有功、无功潮流的分布；补偿设备的特性及其连接方式。输电线的功率 传输还必须有一定储备用来防止干扰，即它的储备系数不可为零。 其次，各级电压均须保持在额定值附近。电压过高或过低都会对电力系统产生不利 的影响。如果负荷过重或发电容量不足都会出现低电压，它不仅对异步机的影响较严重， 也会使一些负荷因电压降低而变。另外，负荷的降低、设备解列、线路的开关操作、故 障和雷电都会造成过电压。过电压是一种很危险的运行状态，绝缘可能被击穿，使变压 器过饱和而产生含有多种谐波成分的大电流。本着这两条基本要求下面我们来看看输电 线路的特性。 2 2 交流线路的参数 一条输电线路可用四个电路参数来说明，即串联电阻月、串联电感厶并联电导g 、 并联电容c 。输电线路的运行特性主要由串联电感和并联电容决定，串联电阻和并联电 导是决定线损的主要因素。由于本次设计只分析稳定问题，不考虑线损，因此在分析时 忽略串联电阻月和并联电导g 。 假设满足三相平衡的情况，因此可用一相的正序等效电路来分析，图2 1 是一条输 电线路的一相集中参数的等效电路，其两端接有相同的同步机( 这种线路叫做对称线路) 如果以每相为基础分析。 5 广西大掌工程司n b 学位嵌”起 t c s c 可控串补装j ：控制原毫及其应用研竞 1 r _ - - 一 图2 1 输电线路等效电路图 f i g 2 1e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f t r a n s m i s s i o nl i n e 距离受电端x 处的电压为矽，在x 处取输电线的微分长度d x ，d 工上的龟压为 d u = i ( z d x ) 图2 2 输电线路电压原理图 f i g 2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t r a n s m i s s i o nl i n ev o l t a g e 式中：z = r + j 冼( 每单位长度的串联阻抗每相) j 为x 处的电流 盟：忍 d x 而流入d x 段线路中并联导纳的微分电流为： d i = u ( y d x ) 式中：y = g + j w c( 每单位长度的并联导纳) 忑d = o y 将掣：忍等式两边对x 微分，将堕：矽) ，代入，得 q x d x 。 6 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 坠竺苎兰竺主竺竺竺奎 一t c s c 可控串补蓑置控制原理及其应用研究二二= = ：= ：兰! 竺兰竺! 竺! ! 竺兰 警= z 尝= 砌 ( 2 1 ) 将忑d i = 匆等式两边对x 微分，并将警= 历代入，得 誊= 少警= 舵 ( 2 - 5 ) 忽略线路的电阻月及并联导纳口时 z=：r+jwljwl(2-6) 】，= g + 嬲犯 ( 2 7 ) 将上述两式代入( 2 4 ) 得： 矿d 0 2 = z y o = 冼功彤= - w 2 l c 矽 弧警+ w 2 l c d ；o ( 2 - 8 ) c k 、o 该式为二阶常系数线性齐次微分无阻尼方程，其式的一般解为： 矿= 华e 僚+ 坠鍪p 一倒 = 等等( c o s 愿协i n 网+ 车乎( c o s p x 咖i n 脚 2 以c o s 胚+ 以z c8 in,ex(2-9) 其中：以受电端电压 厶受电端电流 = 万i z ，单位：r a d k m ，其物理意义为单位长度输电线两端电压的相位差。 z o2 昙特征阻抗，其物理意义为：z t 是一个理论值，是在数学推导过程 中定义的一种阻抗，当输电线路受电端上带有阻抗为考的电阻时( 输电线路均为有限 长输电线h 线路上每咱的电压和电流的之比嘴于括，线路上的无功自动平衡， 在线路全程中d 和j 同相位，线路中的f 产生的无功功率等于三上吸收的无功功率，即 送电端只有有功潮流，而不存在无功潮流 7 广西大掌工程硕士学位论文 t c s c 可控审补蕞置控制原理及其应用研竞 在每一段线路上由线路的电感产生的感性无功：1 2 r a l 与该线路上的对地电容上产 生的容性无功u 2 m c 相等，即：，2 砚= u 2 酊，可化为： 罢i = 要cj 坠i 挣c z c 一= 一= 一j 一= i 一= z “ 2 粥v 。 z c 对应的功率r = 瓦u 2 称为自然负荷。 j = i rc o s , x x + j 等s i n p x 2 3 空载下无损输电线的电压、电流分布 当受端开路时，厶= 0 ，方程( 2 9 ) 和( 2 1 1 ) 为： 0 = o rc o s ( p z ) 一芝s i n ( 黝 则送电端的电压和电流可用线路- k 度j 代替j 而得： b = u re o s ( p 1 ) = u 月c o s o 厶= j f ( 净s i n ( 胁j 组z cs i l l 吲筠s i n o = jz e c s t g 护 式中：秒= 线路的电气长度，单位：r a d 。 送端电压岛，线路电压和电流分布为： d = 丘警 一笔筹 由式( 2 1 6 ) 可知： 当x = ，时，0 = 岛( 送端) ； 当x - - - - 0 时，0 岛( 受端) ； ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 。当0 x ，时，d 按余弦规律变化，只因夕很小，所以画出的d = 厂( 功图近似于直 线( 如图2 3 所示) 。 8 广西大掌工程硕士学位论文t c s c 可控串补装置招噍i 原理及其矗u 薷研究 由式( 2 1 7 ) 可知： l l 一一一， 0 l 图2 3 电流电压关系图 f i g 2 3 r e l a t i o n a lg r a p ho fc u r r e n t & v o l t a g e l 上 “。、 o l 图2 4 电流阻抗关系图 f i g 2 4 r e l a t i o n a lg r a p ho fc u r r e n t & i m p e d a n c e 甑刮时，k j 急蟾9 当x = 0 时，j = 0 当0 工 ，时，j 随着x 的增加而按正弦规律变化，因较小，随着x 的增加而变 化的曲线近似直线( 如图2 4 所示) 。 2 4 空载的两端与电源相连的输电线路( 对称传输线) 空载对称传输线路是指其两端只有相同的同步机，但没有功率传输的线路。 如果两端的电压有相同的幅值，即：岛= 岛，设工= ，0 = ，根据式( 2 9 ) 和式 ( 2 - 1 1 ) 可得： 宅s = 意r c o s 0 + j ir z c s i n 0 q 1 1 8 ) 厶= 厶c o s 秒+ 乏s i l l 秒 ( 2 - 1 9 ) 9 广西大学工程硕士学位论文t ( s c 可控串补装置控制原理及其五【用研究 因为没有功率传输，线路两端的电气情况是相同的，根据对称性有厶= 一厶( 负号 的意义为i s 与，r 反向) 。 将j s = 一j 胄代入( 2 1 9 ) ： 一厶= 厶c o s 矽+ 争s i n 0 ( 2 2 0 ) 由式( 2 2 0 ) 可求出厶和i s 分别为： i r - - 一笔( 羔) _ _ ，。瓦e r 吓0 ) ( 2 _ 2 1 ) j j = 一厶= 歹i e r 塔0 ( 2 2 2 ) 由于线路不带负载，j s 与j 置均是线路的充电电流。 综上所述，无载对称线路相当于把两条完全相同的无补偿线路背靠背地连接在一 起，每条线路的长度为无载对称线路的l 2 ，每一端的电流提供线路充电电流的一半。 由于对称性，在中点的电流为零，中点的电压为1 2 总长度输电线路的开路电压。 中点电压为： 以= e sc o s l 而1 ( 2 - 2 3 ) u 一，一； ： ： 0 1 2 1 图2 5 电流电压关系曲线图 f i g 2 5 r e l a t i o n a lc u r v i l i n e a rg r a p ho f c u r r e n t & v o l t a g e 左半段输电线( ，2 x z c ，0 o ，z 0 z c ，0 ) 【c ) f i g 4 3t h ec u r r e n t v o l t a g ep h a s ed i a g r a mo ft c r 【 jl 睨 c i 主 图4 4t c s c 电流电压相位图( x l 时，线路电流与电容电流同相位，滞后于j9 0 。，并联阻 抗呈容性，( 如图4 3 ) 电容电流有两部分组成，线路电流和分路电流，因此在电容两端 产生的电压要比只有线路电流流过电容的电压要高，也就是说并联的等值容抗变大了。 但当厶 j 工时，线路电流与分路电流同相位，以超前于j9 0 。，并联阻抗呈感性( 如图 4 4 ) 。 t c r 即在分路电抗中串联一个晶闸管开关对其进行相控，改变晶闸管的触发角口， 则可以改变分路电抗的电流，也等于改变并联阻抗的性质和大小( 如图4 5 所示) 。图4 5 为并联电抗后等值电抗( 基波) 随触发角变化的曲线，右边等值电抗为感性，左边为容 ；i 区； ；? 、；。j 触发角( r a a ) 图4 5 控制特性图 f i g 4 5c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i cd i a g r a m 性，虚线对应的是肛尼的情况，即并联谐振点，此时等值电抗为无穷大，显然不能在 1 8 g - 西大学工程硕士掌位论文t c s c 可控串补装置控制原理及其压u 书研究 谐振点附近运行。由于相控作用，分路电抗中的电流是非正弦波的，含有谐波分量，但 谐波电流大部分通过电容形成回路，只有少部分会进入电网。 t c r 方式克服了传统固定电容补偿中存在的很多问题，但也随之产生了许多新的问 题，如控制特性的严重非线性，容易产生并联谐振过电压，电容电流严重过载，相控条 件下的运行时间、控制范围非常有限等。在调节过程中，当调节q 角使等值电抗有感性 区过渡到容性区或是从容性区过渡到感性区时都要经过谐振区，这是t c r 所固有的自身 无法克服的缺陷。 4 3 基于t c c 方式的串联补偿 4 3 1t c c 的结构及原理 本课题就是针对t c r 方式的不足而提出的晶闸管控制电容器( t c c ) 方式，其原理如 图4 6 所示，有图可见，其拓扑结构比较简单，这是使用于高电压大电流电力系统的必 要条件之一，即具备了电力系统中实用性的必备条件之一。该电路中电容两端电压的基 波分量可通过相控方式连续快速地加以调节。线路电流在串联电容两端产生的电压与线 路电抗上产生的电压相位相差1 8 0 度，所以利用串联电容产生的电压，可以补偿线路电 抗的电压降落，好像抵消了一部分线路电抗一样。 图4 6t c c 原理图 f i g 4 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f t c c t c c 方式下，通过控制器在串联电容上电压的每半周期内向门极发出一脉冲，其不 导通角或截止角为t l r ，在相位控制范围( 0 。冬仃曼1 8 0 。) 内连续变化，通过改变仃的大小， 可以改变可控串补( t c c ) 的有效电抗。 1 9 广西大学工程硕士掌位论文t c s c 可控睾补蓑j ：控制原趋 及其应用研竞 4 4 2t c c 控制特性的推导 卜 图4 7 单相电路图 f i g 4 7s i n g l e - p h a s ec i r c u i td i a g r a m 由电路图4 7 可列出t c c 的方程： d u i c ( t ) 鄙詈 i s ( t ) = c 警州r ) 当g t o ( 门极可关断晶闸管) 不导通时： 此时： i t ( t ) = 0 ( 4 - 2 ) ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) 水) = c 鲁 ( 口 们 厂，7 “) ( 4 - 5 ) v 图4 8 单相电路电流电压相位图 f i g 4 8 g h a s ed i a g r a mo fc u r r e n t & v o l t a g eo fs i n g l e - p h a s ec i r c u i t 其中：口起始截止角，万截止角。 由式( 4 5 ) 可得： 铲丢f i s ( t 渺( 口。 伽 厂。) ( 4 - 6 ) 由t c c 电压电流波形可知：在门极可关断晶闸管导通时，电容上没有电流，即 g - 西大学工程硕士掌位论文t c s c 可控串补装置控制原理及其氲u 啊习 宅 “。= 0 ，此时： o ) = i t ( t ) i t ( t ) = 0 = 0 g t o 不导通时： 1 ) 当口 积 口+ 至2 时，( f ) = f c ( f ) ，此时电容上的电流开始充电，电容上的电流电 压均为正。 2 ) 当鲁 州 7 时，g t o 中的g 2 被触发导通，i t ( t ) 又为零，则( f ) = i t ( f ) 。 由于g 1 与g 2 的导通起始时间相差半个周期。且导通时间长短相同，这样才可保证没 有直流分量。 = ：1e t i ms i n 砒= 急卜c o s 们+ c o s 5 = x c i m c o s a - - c o sw t (口wty)(4-7) 由于在w t = 口。+ 万= ，时，u a ( f ) = 0 ，即x c ，。( c o s 5 一c o s ? , ) = 0 , 贝i j = f f - 尢一口：要 ( 4 8 ) ， 7 由上边关系式推导电压基波“d ( f ) 的幅值，以便推导t c c 的基波等值阻抗。由u c ( f ) 的奇 偶性可知，u c l ( f ) 中只含有余弦分量。则基波余弦分量的幅值由傅立叶级数分析有： = 去r 氕哪s w t d ( w t ) = 翘协x d ( c o s 口。一w t ) c o s w 础 ：一华 万一s i i l 万】( 9 0 。 口 1 8 0 。) ( 4 - 9 ) 几 所以电容电压的基波分量的表达式为： ，= c o s ( w f ) 一竿( 万 - s i n 砷 s i n ( w t 一9 0 0 ) 】( 4 - 1 0 ) 广西大掌工程硕士掌位论文 t c s c 可控串补装j ：控制原理及其应用研宪 上式说明：u c l ( f ) 落后于( f ) 9 0 。时，则有： - 等( 8 - s i n 万) = x c ( 万) 上式中t 随万变化的关系就是t c c 容抗的控制特性。 4 3 3r c ：c 的作用及优点 ( 4 - 1 1 ) 配有t c c 的输电线路的传输功率也可由式( 4 1 ) 表示，从式( 4 1 ) 可以明显看出，增 加串联电容的容抗值磁后，可以提高线路的传输容量。实际上，t c c 的主要作用是通 过降低线路电抗，以降低线路电压降以及减少两端电压的相角差，从而提高了输电线路 的动态及稳态的稳定裕度，为大功率传输创造了有利条件。 由于t c c 串联补偿有众多的优点，所以可用它来解决下列问题： 提高远距离输电系统的传送容量； 提高系统的稳定性； 连续调节，控制潮流； 抑制次同步振荡。 t c c 的主要作用是提高远距离输电系统的传输容量。本文将采用图4 9 所示的输电 系统作为例子来说明，发电厂位于点a ，它与位于点d 的电网通过5 0 0 k v 的输电线路相 连，tcc 安装在bc 的中点位置，仿真结果表明：在没有配置串联补偿装置的情况下， 系统安全裕度小，任何形式的干扰都有可能导致系统失稳。如果三相故障并切除，很明 显在没有配置tcc 的情况下，系统很快失稳，只有以降低传输功率为代价来提高系统 bcd 图4 9 输电系统接线示意图 f i g 4 9w i r i n gs c h e m a t i cd i a g r a mo f t r a n s m i s s i o ns y s t e m 广西大掌工程硕士掌位论文 t c s c 可控串补装置控制原理及其应用研究 的稳定裕度。如果配有tcc 串联补偿，补偿线路的4 0 的电抗，在传输相同的功率时 则故障消除后系统仍能保持稳定。相比之下，配置tcc 后能极大地提高系统的稳定性， 从而保证了传输系统的可靠运行。 由于可控串补( tcc ) 能够有效的改善系统的稳定性，从而可以进一步增大系统的 传容量，尤其在接近传输极限时，tcc 的作用将更加明显。 t cc 的另一个作用就是连续调节，控制潮流，由门极可关断晶闸管( gto ) 的 自身特性决定了其导通角可随导通角口的变化而变化，可以连续改变串联电容的容抗， 即连续改变线路的电抗，因此可以用来进行潮流控制，改变电网的潮流分布。运行人员 可以通过调整功率定值，由控制装置自动调整晶闸管开关的触发角来满足线路传输的功 率要求，