（电力系统及其自动化专业论文）可控串联补偿装置（tcsc）的特性分析与模拟实现.pdf

华中科技大学项士学位论文 ll _ _ _ i _ l _ _ _ _ _ - _ - l _ - _ _ _ _ - - - l _ 目_ e l = 目_ l = e _ - ；_ a b s t r a c t t c s ci so n ek i n do ft h ef a c t sd e v i c e sw i t l lt h eb e s ta p p l i c a t i o nf u t u r ed u et oi t s s i m p l es t r u c t u r e ，e a s y r e a l i z a t i o ni np o w e re n g m e e r i n ga n dh i g l lq u a l i t yt op r i c er a t i o m p h y s i c a lm o d e lo f t c s ci sau s e f u lt o o lf o ri n v e s t i g a t i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sf o r t h er e a s o t lt h a tw i t hs u c hap h y s i c a lm o d e lt h ed e t a i ld y m n i co f t c s cw i t ht h er e a lp o w e r s y s t e mc a l lb ep r e c i s e l ys i m u l a t e d 1 1 1 ee x p e r i m e n tr e s u l t sc a na l s ob eu s e dt ov e r i 【f yt h e c o r r e c t n e s so f d i g i t a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ee f f e c t i v e n e s so f c o n t r o ls t r a t e g i e s t 1 1 em a i i l p u r p o s eo ft h i s t h e s i si st or e a l i z eap h y s i c a lm o d e lo ft c s c b a s e do nt h ee x p e r i m e n t r e s u l t so fat c s c p r o t o t y p ea n d t h ed i g i t a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，d e s i g no ft h em a i nc i r c u i to f t c s ci sd e e p l ys t u d i e d ，a n das c h e m et or e a l i z es u c hap h y s i c a lm o d e li sp r o p o s e d f i r s tt h e a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h e so ft c s ca r eo v e r v i e w e d n l ei m p o r t a n c eo f d e v e l o p i n gt h et c s cp h ) ，s i c a lm o d e li sg i v e n ，t h ef l a m ea n d t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t c s ca r ed e s c r i b e d t h ef u n d a m e n t a l i m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c sa n d 也ec o n s t r a i n t c o n d i t i o n so fc o n t r o l l a b l e i m p e d a n c e a r ea l s o a n a l y z e d n l ep r i n c i p l e o f s e l e c t i n g p a r a n a e t e r s f o re l e m e n t so ft c s cp h y s i c a lm o d e li so b t a i n e d 弛n ，ap r o t o t y p eo f t c s ci sd e v e l o p e di nala _ b o r a t o d re n v i r o n m e n tw i t l la na n a l o gp u l s et r i g g e r d e t a i l so f t h e s y n c h r o n o u sp h a s es h i f t i n gt r i g g e rt c a 7 8 5 a n di t sr e l e v a n tc i r c u i t sa r eg i v e ni nt h i st h e s i s t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v e l o p e dp r o t o t y p e ，t h es t a b i l 时o ft h et r i g g e rp u l s ea n dt h e c a p a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c o ft h ep r o t o t y p ea r et e s t e d t h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h e p r o t o t y p e i sa l s oo b t a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n t s f i n a l l y ，t h es t e a d ya n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e so ft c s ci sd e e p l ys t u d i e d t h ei n f l u e n c eo ft h er e s i s t a n c ee x i s t e di nt h e t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o rb r a n c ho ft c s ci s d i s c u s s e d w i t h d i g i t a ls i m u l a t i o n ，t h e i n f l u e n c eo f q - f a c t o r o nt h ef u n d a m e n t a l i m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h et 1 1 州s t o r c o n d u c t i o nm o d ea n dt h ec a p a c i t o rv o l t a g e sh a r m o m cc o n t e n ti sd e e p l yd i s c u s s e d b a s e d o nt h ep r e c e d i n gs t u d i e s ，t h et h e s i sp r e c i s e l yd e r i v e st h ef u n d a m e n t a li m p e d a n c ef o r m u l a 、i t hn o n - i d e a li n d u c t o r t h ea c c u r a t e r e p r e s e n t a t i o n so ft h ec a p a c i t o rv o l t a g ea n dt h e t l l y n s t o rc u r r e n tw h e nt h et h l y r i s t o ri so na r eo b t a i n e d n ed e r i v e dr e p r e s e n t a t i o n ss h o w t h a tt h et h y r i s t o rw i ub eo f fe a r l i e rf o raf i n i t e q - f a c t o r a ut h ec o n c l u s i o n sh a v eb e e n v e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h et h e s i sf i n a l l yp r o p o s e sas c h e m e o f r e a l i z i n gat c s cp h y s i c a lm o d e la c c o r d i n gt o 华中科技大学硕士学位论文 t h er e q u i r e m e n t so f d y n a m i cs i m u l a t i o nl a bi ns h a n d o n gu n i v e r s i t y t h ed e t a i l e ds t r u c t u r e a n dc o m p o n e n t t y p e s o ft h i sp h y s i c a lm o d e l a 地p r e s e n t e d t h er a t e dp a r a m e t e r sf o ra l lt h e m a i nc o m p o n e n t sa r ea l s oc a l c u l a t e d u s i n gd i g i t a ls i m u l a t i o ns o f t w a r em a t l a b 6 5 ，t h e e l e c t r i c a lm a g n e t i cs i m u l a t i o nh a sb e e nd o n eo nt h ep o w e r s y s t e mc o n s i s t so ft h et c s c p h y s i c a lm o d e l t h ef e a s i b i l i t yo f t l l es c h e m eh a sb e e nc o n f i r m e du n d e r 也em o s ts e v e r e e x p e r i m e n t c o n d i t i o n k e y w o r d s ：t c s c p o w e r s y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o n d i g i t a ls i m u l m i o n f u n d a m e n t a l i m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c q u a l i t yf a c t o r 一 珊 华中科技大学硕士学位论文 l _ l _ | l _ _ l _ _ l i _ _ 目_ _ i i _ _ - 目i _ _ l = # 自_ i j ；_ _ _ l 目 1 ，1 引言 1 绪论 现代电力系统普遍面i 临需要不断增大电力输送能力的问题，以及在此前提下保持 系统稳定运行的问题，同时还对提高优化系统运行能力方面提出了更高的要求。在中 国，随着三峡工程、西南水电基地和西北煤电基地的开发建设，大容量、远距离输电 已势在必行。一方面，长距离、重载、跨区间交流输电系统的传输容量会受到其暂态 稳定极限的限制；另一方面，由于经济或环境方面的原因，人们要求充分利用原来输 电系统的潜在能力，使之能够传输最大的电力容量。针对这这些问题而产生的灵活 交流输电技术，能从根本上改变过去依靠机械型、慢速、间断、不精确控制技术的不 利局面，能实现对交流输电系统参数、网络结构的快速、精确控制，实现输送功率的 合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性和可靠性，是实现电力 系统安全、经济、综合控制的重要手段。 灵活交流输电系统( f l e x i b ea ct r a n s m i s s i o i s y s t e m ，f a c t s ) 的概念1 2 1 由美 国著名电力专家h i n g o r a n j 博士于1 9 8 6 年首次提出。灵活交流输电技术的发展以电 力电子技术，特别是以高电压大电流半导体器件的发展为基础，综合现代自动控制技 术和计算机技术形成的用于控制交流输电的新技术。f a c t s 技术被国内外一些输电技 术研究权威确定为未来输电系统新时代的三项支持技术( 灵活交流输电技术、先进的 控制中心技术和综合自动化技术) 之一f 3 】，是现代电力系统中三项具有变革性影响的前沿 课题( 灵活交流输电技术、智能控制、基于g p s 的动态安全分析与检测系统) 之一【4 】。 灵活交流输电的特点是将输电系统由机械控制转变为电子控制，从而达到快速、 灵活调整电力系统母线电压、输电线路阻抗和相位角等参数的目的。灵活交流输电技 术的应用可以在不增加输电设备的条件下，提高输电系统的输电能力，提高输电系统 的经济性。受稳定条件的限制，传统的电网输送功率仅为热极限功率的5 0 左右。灵 活交流输电技术可以提高输电系统的稳定性，电网输送的功率可以接近热极限功率， 使现有电网的输电能力增加2 0 4 0 。f a c t s 的主要功能可归纳如t i l l ：提高系统 输送能力，保证输电线路输送容量接近热稳定极限：较大范围地控制潮流；在控 制区域可以传输更多的功率，减少发电机的热备用( 在美国可以由通常的1 8 降低到 1 华中科技大学硕士学位论文 1 5 以下) ：限制短路故障和设备故障对系统的不利影响，防止线路串级跳闸：阻 尼电力系统振荡。 自从f a c t s 概念提出以来，f a c t s 技术及其控制器得到了迅猛的发展，控制器的 种类也越来越多。当前已形成第一代、第二代和第三代f a c t s 控制器并呈发展的趋势。 美国e p r i ( 美国电力科学研究院) 在对f a c t s 的发展过程进行全面总结后，认为f a c t s 控制器的发展阶段是州： 1 第一代f a c t s 装置，主要指二十世纪七十年代投运的静止无功补偿器s v c ( s t a r i cv a rc o m p e n s a t o r ) 和第一代串联型f a c t s 装置晶闸管控制串联电容器 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 ) 等。第一代f a c t s 装置通过控制大型的 电力设备，如电容器组、并联电抗器或移相变压器等，提供电压支持，控制功率等。 2 第二代f a c t s 装置主要指新型静止无功发生器a s v g ( a d v a n c e ds t a t i cv a t g e n e r a t o r ) 和静止同步串联补偿器s s s c ( s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ) 等。第二代f a c t s 装置是借助门极可关断晶闸管( g t o ) 一类全控型器件构成的装置， 以电子回路模拟出电抗器或电容器的作用。因此装置造价大为降低，性能却明显改进。 3 第三代f a c t s 装置将两台或多台控制器复合成一组f a c t s 装置，并使其 具有一个共同的统一的控制系统，即称为第三代f a c t s 控制器。u p f c 就是一种典型 的第三代f a c t s 装置。它是由一台a s v g 和一台s s s c 复合而成的。 主要f a t c s 控制器对输电系统的控制作用示意图如图1 1 所示： 图1 1 f a t c s 控制器对输电系统的控制作用图 2 华中科技大学项士学位论文 _ i = i e e i l i _ _ _ _ l i _ _ - _ _ _ _ _ i l _ _ l _ i l _ l _ _ _ l l _ _ l - i 1 目_ - 目- - _ i 1 2t c s c 研究应用现状及课题研究背景 由于t c s c 结构简单、工程上较易于实现，具有很高的性能价格比，因此是目前 实际应用最多且前景看好的一种f a c t s 装置。可控串联补偿技术经过近年来的研究发 展已经进入实际应用阶段，其工程装置已经在荚国等发达国家的电力系统中得到应 用，我国也在积极进行t c s c 试验装置的开发研究和工程应用方面的准备工作。 t c s c 是第一代串联型f a c t s 工程应用控制器，它是从机械控制的固定串联补偿 器f s c ( f i x e ds e r i e sc a p a c i t o r ) 发展丽来，工程应用中通常是将部分f s c 改进为 t c s c 。从图1 i1 可知，t c s c 通过控制改变输电线路的总阻抗，主要用于电力系统阻尼 控制、网络潮流控制、电力系统暂态稳定控制；达到提高系统的暂态稳定性、改善电 网潮流分布、抑制低频振荡和次同步振荡的目的1 7 】。 作为分析研究的基础，建立t c s c 的数学模型尤为重要。模型是描述系统静态和 动态特性的信息集合，是分析和研究系统的基本出发点。传统的时域仿真方法能给出 大扰动、非线性、时变系统精确的响应，这也是起初解决分析t c s c 系统难题的手段， 并且至今仍作为其它分析方法的一种校验的工具。但是时域仿真并不能从根本上揭示 t c s c 工作的机理，也无法为控制方案的设计提供理论指导，因此，建立实用的、能反 映t c s c 性质的模型是t c s c 研究的重要课题脚。 t c s c 的模型可分为稳态模型和动态模型。稳态模型考虑系统的输入输出特性，主 要用于电力系统行为以及潮流控制的研究。暂态模型则用于分析系统的动态特性与行 为，便于电磁暂态过程的数值仿真。t c s c 的建模方法主要有两种：拓扑建模法与输出 建模法。前者主要根据装置在不同运行状态下不同的拓扑结构分析写出其微分方程， 按整个装置具有多少种拓扑结构以及拓扑结构的转移顺序依次解对应的微分方程组， 从而求出装置的解析方程。输出建模法通常将装置等效为一个电流源或者电压源外 接阻抗，再考患装置本身的一些约束条件，得到一组联立方程，输出建模法较拓扑建 模法简单，但它忽略了装置内部信息，不利于分析装置的内部特性【9 1 。 模型的建立必须结合装置本身的特点。由于t c s c 晶闸管的不连续导通，即使在 系统稳定运行时，电容电压和线路电流都不是标准的正弦量，不能用一个确定的向量 表示。稳态模型的推导中都是先假定其中的一个为标准的正弦量，以此为基础导出另 一个量的变化规律，由z o ) = v ( t y l ( t ) 求出等效阻抗。根据假设条件的不同，可将t c s c 3 华中科技大学项士学位论文 l - _ _ _ l - _ _ - _ _ _ l _ 目_ l _ _ _ i _ l _ _ 目_ _ _ _ _ _ - i l _ 的稳态模型分为基于线路电流正弦性和电容电压正弦性的模型。t c s c 既有连续的动 态特性( 电容电压和线路电流) 又有离散事件( 晶闸管的导通和关断) ，因此其模型 的动态过程描述将变得很复杂。在当前研究中，描述t c s c 的动态模型主要分为传递 函数类型的模型和电流源模型两类。其中根据所采用数学方法的不同，可将传递函数 类型的模型分为：准稳态变阻抗模型( - - i 控阻抗模型) 、数据采样模型和动态向量模 型【1 0 】。 触发脉冲的同步信号是控制t c s c 工作的一个重要参数，通过研究发现该参数的 影响对t c s c 的动态特性和触发控制有很大的关系。晶闸管触发角的控制按所选基准 时间的不同，同步信号主要有采用线路电流同步和电容电压同步两种。 当t c s c 采用电容电压作为同步信号进行脉冲触发控制时，其阻抗阶跃响应特性 有如下特点【l i 】：t c s c 装置特性出现明显的超调和振荡，在t c s c 装置的阶跃响应阶段， 电容电压周期时间的变化量、导通角和基频阻抗将要经过一个振荡过程才能达到稳态 值。而在以线电流为同步信号的开环控制下，t c s c 装置暂态特性近似表现为一个变时 间常数的一阶惯性环节。研究表明，采用电容电压过零时刻为基准的触发控制方式比 以线路电流过零时刻为基准的控制方式具有更好的阻尼系统振荡的性能【l 2 1 。 研究表明，也可以采用综合电容电压和线路电流的瞬时功率信号来控制t c s c 乃】。 由于功率信号综合了线电流波形较稳定的特点和电容电压始终超前电感支路电流9 0 0 的固定相位关系的特点，能形成较稳定的同步信号，而且该信号的频率为工频的两倍， 因此能够大大提高触发脉冲的精度和对称度，从而进一步提高系统控制精度，消除区 域跳变和故障时的不良影响，提高动态控制性能。 电力系统中的振荡主要包括低频振荡与次同步振荡，它们的存在极大的威胁着系 统的安全运行。产生低频振荡的原因是快速励磁的副作用和电力系统发展过程中出现 重负荷的远距离输电、弱联系的互联网、长链型的电网结构。由于这些电网的阻尼功 率系数较小，在系统受到扰动、发电机的转速调节或其固有的振荡频率与系统的功率 波动频率相同时都可能会发生电力系统振荡现象。输电线阻抗是严重影响系统振荡的 参数，而t c s c 可以快速调节输电线路的阻抗，能有效地提供额外的阻尼，从而提高 电力系统稳定性i h l 。 次同步谐振( s s r ) 是一种由于电力系统电气部分和机械部分在次同步频率下的 能量交换而引起的同步发电机组转子轴系的不稳定运行状态。次同步谐振的主要机理 4 华中科技大学项士学位论文 和物理本质是：在电气部分包含串联电容补偿装置线路的自然响应包括一个串联电容 电压与线路电流的电气振荡模式，当线路串补度小于1 0 0 时，形成振荡的频率为次 同步频率；在机械部分，大型汽轮发电机组转子轴系具有显著的弹性，具有多个固有 机械振荡频率。当次同步电气谐振频率与机组轴系的一个机械扭转振荡频率互补( 两 者之和为额定频率) 且阻尼不同时，电气振荡和机械扭转将会互相增加，导致发动机 轴系疲劳损伤。因此串联电容补偿技术的应用虽然能够提高输电线路的传输能力，提 高系统的静态稳定极限，但是也可能引起次同步谐振，次同步谐振在相当程度上限制 了固定串联补偿方案的应用。 在次同步频率下，t c s c 不同于常规固定串联电容的电容特性，t c s c 通过应用先 进的控制理论快速灵活的调节晶闸管的导通角，使得t c s c 星现正电阻和正电感特性， 从而破坏s s r 产生的条件。文献【l s l 提出通过对晶闸管的控制，可以达到次同步谐振中 性，而在实际的应用中，当有s s r 发生的可能时，串补度会有所降低，以保证系统的 安全性。东南大学利用其动态模拟实验室中建立的串联补偿装置，对能够有效抑制s s r 的t c s c 工作范围进行了研究。 t c s c 控制器的控制目标是：在保证具有良好的阻抗调节能力的基础上，能够抑制 次同步振荡和低频振荡。t c s c 控制研究的重点是如何利用可控串补来提高输电系统的 暂稳极限，阻尼系统故障后可能发生的功率振荡并且具有抑制s s r 的功能【1 6 , 1 7 。由于 t c s c 的可控性以及控制测量的重要性，国内外学者对其控制策略进行了深入的研究 【。p i d 控制让0 , 2 1 、b a n g - - b a n g 控制j 、神经网络控制埘j 、变结构控s j j r z s j 、同步 电压反转控s t j t 2 6 j 、非线性控制口7 1 、最优阻尼控制1 2 s 】等等，几乎所以的控制方案都在 t c s c 上得到了应用。 针对t c s c 所要实现主要功能的不同，可以将不同的控制理论应用于t c s c 的研究 中。但是应用于实际电力系统中的t c s c 控制器受到应用可靠性、计算量和实际输入 信号的采集量等许多实际条件的限制，因此现阶段的控制都是采用传统的控制策略。 t c s c 控制策略的研究仍然是现阶段t c s c 研究的重点之一。 目前在美国已有三处t c s c 装置投入运行，它们的目的都是为了提高交流输电线 路的输送能力。1 9 9 2 年，可控串联补偿技术在k a y e n t a 变电站( 2 3 9 k v ) 实现了工程 应用，它是由s i e m e n s 公司制造的世界上第一套投入运行的三相式t c s c 装置f 2 9 i ：g e 公司主要承担的s l a t t 变电站( 5 0 0 k v ) t c s c 试验工程于1 9 9 3 年投入运行3 0 , 3 】；a b b 5 华中科技大学硕士学位论文 公司改建的k a n a w h a r i v e r 变电站( 3 4 5 k v ) 单相串补投切工程。我国也已计划在伊敏 至冯屯、阳城至淮阴的5 0 0 k v 输电系统中应用t c s c 技术。 目前，国内外对t c s c 装置及其引入电力系统后相关问题的研究绝大部分都采用 数字仿真的方法。时域数字仿真技术在研究t c s c 的动态行为及其对电力系统的影响 方面的发挥了巨大的作用，但是，数字仿真结果的正确性和准确性与数学模型的建立 和仿真方法的选取有很大的关系，对t c s c 做全时域数字仿真研究还存在着不少困难， 如时域模型的准确建立、有效的仿真方法等都有待进一步深入研究。因此，在t c s c 及其相关问题的研究方面。迫切需要能够对数字仿真结果进行实验验证的手段，需要 有比数字仿真更直接的研究t c s c 动态行为的方法，而物理模拟仿真研究就是解决这 些困难的有力工具。随着f a c t s 器件在电力系统中应用的推广，t c s c 物理模拟系统的 研究开发已是势在必行，t c s c 模拟系统的开发研究将会在t c s c 的工程应用中扮演重 要的角色，为各种p a c t s 装置的工程应用、研究奠定基础。 本研究课题的目的是：在山东大学电力学院电力系统动态模拟实验室，建立套 晶闸管控制串联补偿器的物理模拟实验系统，展开对t c s c 的深入研究，为我国广泛 应用t c s c 打下基础。目前国内的t c s c 动态模拟装置在清华大学和东南大学各有一套。 1 3 本文的主要工作和章节安排 t c s c 动模实验系统主要由主电路，保护电路，控制系统和测试系统四部分组成。 其中主电路的设计是其它三个部分的基础和前提，主电路的设计优化是实现t c s c 主 要功能的保障。本文所作的主要工作包括以下几个方面： 1 结合t c s c 工作能力所受限制，指出了主电路设计的基本原则。 2 在模拟触发控制的基础上，选择电容电压作为同步信号，实现了t c s c 试验样 机的正常运行，通过对样机的实验研究得到了样机的主要技术指标。 3 分析了t c s c 基频等效阻抗受电抗器支路品质因数的影响，得到了考虑品质因 数影响情况下的电容电压和晶闸管电流的精确公式。 4 在数字仿真的基础上，研究了品质因数对晶闸管导通特性、基频等效阻抗特 性、谐波特性的影响，并从理论和实验两个方面对分析结果进行了验证。 5 结合山东大学的电力系统动态模拟系统，设计了t c s c 物理模拟装置，对主电 _ _ _ - - - _ 一 6 华中科技大学硕士学位论文 路元件额定参数进行了分析计算，并利用数字仿真对设计方案进行了校验。 全文的章节安排如下： 论文第一章综述了t c s c 的应用研究现状，指出了开发t c s c 物理模型的实际意义， 对本文所做的主要工作和章节安排作了说明。 第二章对t c s c 基频阻抗调节范围的限制条件进行了分析，得到了选取t c s c 模拟 装置元件参数的基本原则。 第三章介绍了基于模拟触发方式的t c s c 试验样机的设计和实现，得到了试验样 机的主要技术指标，指出了试验样机需要改进的问题。 第四章采用数字仿真的方法详细讨论了电抗器支路电阻对t c s c 基本特性的影响， 从理论上证明了电抗器支路电阻的作用是晶闸管提前关断的原因，并且在实验结果的 基础上对得到的结论进行了实验证明。 第五章根据山东大学动模实验室的实际情况和对所开发的t c s c 物理模拟装置的 要求，提出了t c s c 模拟装置的设计方案。在可能出现的最恶劣实验条件下，对t c s c 主电路设计的合理性、实用性以及有效性进行了数字仿真验证。 第六章对全文进行了总结。 7 华中科技大学项士学位论文 = = = ；_ 日_ = e _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ ii l _ l _ _ _ - _ _ # _ - - l _ _ - - _ _ _ i _ _ _ _ l _ l - l 自 2 1引言 2t c s c 基本原理和设计原则 固定串联补偿( f s c ) 装置的应用，可以减少线路等值电抗，提高输电线路的传输 能力和系统的稳定性，减少输电线路建设。但是固定串联补偿有诸多缺点：具有固定 串联电容补偿的系统在电力系统发生故障时，电容器两端会产生很高的过电压：在高 补偿度情况下，汽轮发电机组轴系和串联电容可能在某频率下产生振荡，引起次同步 谐振( s s r ) ，s s r 会严重的损坏发电机的转轴。而t c s c 则在保留f s c 优点的基础上， 通过对并联电抗器支路晶闸管的快速控制，能够克服f s c 的主要缺点。 可控串联补偿器主要有三种 2 6 1 ：晶闸管控制串联电容补偿器t c s c ( t b y r i s t o r c o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o r ) ，晶闸管开关串联电容补偿器t s s c ( t h y r i s t o r s w i t c h e ds e r i e sc a p a c i t o r ) ，机械开关串联电容补偿器m s s c ( m e c h a n i c a l l y s w i t c h e ds e r i e sc a p a c i t o r ) 。其中t c s c 因其具有快速、灵活、 连续的控制能力，成为电力系统中主要的应用研究方向，在后文的论述中，若不特别 说明，可控串补均是指的t c s c 。t c s c 在电力系统中主要有以下几方面作用：最大限 度地提高输电线路传输能力。提高系统的暂态稳定性；抑制系统中可能发生的次同步 谐振和低频振荡；灵活控制系统的潮流，优化电网潮流分布，减少线路损耗。 本章将主要介绍t c s c 装置的构成，基本运行原理；t c s c 阻抗输出特性，阻抗输 出的限制条件；最后分析说明了主电路中电抗器参数选择的主要原则。 2 2t c s c 基本运行原理和阻抗特性 i c s c 通过对电抗器支路晶闸管的快速控制，改变通过电抗器支路电流的大小， 从而控制t c s c 的等值电抗的大小，最终达到改变输电线路总电抗的目的。因此对t c s c 阻抗特性的研究是t c s c 的个重要的基本研究方向。 2 2 it c s c 基本结构 t c s c 是f a c t s 概念提出以来，在实际工程中得到应用的难一f a c t s 控制器。t c s c l 华中科技大学硕士学位论文 能成为迄今为止最有吸引力的f a c t s 控制器的一个重要原因在于：t c s c 有着非常简单 的主电路结构图，可以直接串接于输电线路中而无需高压变压器设备。t c s c 主电路结 构图如图2 1 所示： 图2 it c s c 主电路结构图 t c s c 装置主要由以下几个部分组成：串联电容器c ( 组) 、反向并联的晶闸管模 块t 、晶闸管控制电抗器l 、氧化锌避雷器m o v 、保护用旁路断路器b 。 目前可控串联电容补偿技术在工程应用研究中有两种结构形式：固定串补单元+ 可控串补单元【3 2 j 和完全可控串补单元【3 ”。其中可控串补单元又可以由单模块和多模块 两种结构组成，即可以将t c s c 作为单独一个模块串接于输电线路中，也可以将多个 小容量t c s c 单元同时串联接入输电系统，分别对每个t c s c 小单元进行控制调节。 2 , 2 2t c s c 基本运行原理： 串联补偿装置是利用电力电容器提供无功功率源，为传输线路提供容性阻抗，等 效于减小线路的总阻抗、缩短了线路长度，从而实现串联补偿的各种功能。 t c s c 装置正常工作时t c s c 端电压、电抗器电流、电容器电流以及在相同运行条 件下，固定串联电容补偿装置的电容电压波形如图2 2 所示。 l _ _ 自i 一a r 二 譬。0 譬l ? 二叶。j 一一十：一_ 一一_ = 卜二二叫 i i ：目：日寸审# m 卓一- 一 、 ；一一一一- ；一一；一一一一一一一一一二一一一一；一一一一一j 一一一一：一一一一一一一一： o 古一百昔菇l 1 n 对再u 百爿霄上手苗旨了i 蔷嚣矿。 图2 2t c s c 主要电气鼙波 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ l _ l l l l _ l _ l _ _ _ - _ _ i i _ _ _ l _ _ j - 目l _ i - _ _ _ t c s c 的基本运行原理是：通过对晶闸管触发脉冲的控制，可以改变t c s c 中晶闸管 控制电抗器t c r ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 支路电流；电抗器电流和线路电 流叠加得到电容电流。电容电流的增加使得电容器两端电压升高；电容器端电压和线 路电流之比即为t c s c 的等值电抗。由于稳态线路电流基本恒定不变，t c s c 等值电抗 较电容器电抗大。因此只要对晶闸管导通角精确调节，就可以对t c s c 的等值电抗快 速、连续、精确的控制，从而为系统提供可控串联补偿。 根据晶闸管导通角的不同，可以将t c s c 单元的运行模式划分为： i 晶闸管阻断模式( t b m - t h y r i s t o rb l o c k e dm o d e ) ，这是反向并联的两个晶闸 管都处于关断状态，t c s c 的作用相当于固定串联电容补偿器。 2 晶闸管切换电抗器模式( t s r t h y r i s t o rs w i t c h e dr e a c t a n c e ) ，也称晶闸管 旁路方式，在此模式下，晶闸管全导通，t c s c 主电路相当于电容与电感并联运行，这 时t c s c 单元表现为小感抗串联接入在输电系统中。 3 晶闸管相控模式( t p c t h y r i s t o rp h a s ec o n t r 0 1 ) ，也称为微调控制方式，通 过对晶闸管导通时刻的控制，可以平滑调节t c s c 的基频等效电抗。 4 断路器旁路模式，即在故障情况下，作为t c s c 装置的保护元件，跨接在t c s c 上的断路器b 闭合，t c s c 装置退出运行。 根据t c s c 的不同控制目标，t c s c 装置响应速度的要求也不同，可以按响应速度 的不同将t c s c 的控制分为底层、中层、上层控制“”。 底层控制：响应时间在l o r e s 之内；取t c s c 模块本身的变量作为输入，控制 变量与系统参数无关，主要目的是抑制次同步振荡、低频振荡等。 2 中层控制：响应时间为5 0 m s - - l o o m s ，基于各种线性化的控制方法，用于基频 等效阻抗控制，主要目的是对系统潮流进行控制。 3 上层控制：响应时间为l o o m s s o o m s ，主要用于系统稳定控制，包括暂态稳 定控制、阻尼功率振荡控制等。 在开环阻抗控制模式下，根据给定的阻抗查找事先制定的阻抗特性表得到对应的 触发角，根据所得到的触发角对相应的触发脉冲迸行控制。闭环阻抗控制能够加快 t c s c 响应的动态过程、提高控制的精度因此t c s c 装置在实际应用中都采用闭环阻 抗工作方式。闭环控制是在开环控制的基础上，将给定阻抗和实际测量阻抗差值所构 成的反馈量进行修正。闭环控制的原理框图如图2 3 所示。 l o 华中科技大学硕士学位论文 2 3 闭环阻抗控制的原理框图 2 2 3t c s c 基频阻抗特性 t c s c 能够快速连续的调节其基频等效阻抗，但是其基频等效阻抗并不是可以任意 取得的。t c s c 的基频等效阻抗调节范围要受到主电路结构，主电路元件参数以及系统 稳定性等多方面条件的限制【3 4 , 3 5 , 3 6 】。在t c s c 主电路结构、元件参数确定后，t c s c 正 常运行在微调控制模式时，t c s c 基频等效阻抗只与触发角有关，图2 4 给出了t c s c 的典型的阻抗特性曲线。 亩一一卜百菊面一 图2 4t c s c 阻抗特性曲线 t c s c 基频等效阻抗调节范围的限制条件为： 1 由图2 4 可知单模块t c s c 的阻抗调节范围并不是任意的，阻抗在一定的范围 内存在着断层区，阻抗断层区的范围由t c s c 电容器、电抗器参数共同所决定。 一一! ：墨垡壁进堑些堡型璧壁姿型堡壹丝堑塞：堡垄堂堡匿堕堑：墅堡堡_ ：堕丝誊 一匦丢一名|j雾一， !。曩o，一 主百 华中科技大学硕士学位论文 误差也会引起阻抗的巨大变化。因此为了保证触发控制的稳定性和准确性，t c s c 触发 脉冲的调节范围会受到一定的限制，即在感性区和容性区，晶闸管的触发范围也会受 触发准确性和稳定性的限制。 3 当晶闸管的触发角在l c 回路的自然谐振点附近时，t c s c 的容性电抗或感性电 抗都趋于无穷大。因此当t c s c 运行在谐振点附近，t c s c 装置的端电压会很高，电抗 器支路电流会很大。考虑t c s c 单元中各元件额定值的限制，t c s c 的基频等效阻抗范 围也将受到一定的限制。 一旦t c s c 主电路结构设计完成，t c s c 可运行的范围就取决于设备元器件的特性。 t c s c 典型的能力特性曲线有两类：v - i 特性曲线和x i 特性曲线。t c s c 能力特性 所受限制主要包括：电容电压、电抗器电流，晶闸管电流，脉冲触发误差。 电容电压所受限制的高低与持续时间相关是电容电压限制的一个重要方面。按照 串联电容器制造的i e e e 标准，随着串联电容器过电压运行时间的不同，电容器的短 时过电压能力也将改变。t c s c 所受电压限制分为3 类，分别对应于3 种不同的运行过 电压运行时间即：连续运行、3 0 分钟和几秒运行。图2 5 给出了工程应用中典型的不 同运行时间对应的t c s c 运行v i 特性曲线( 由于本文主要讨论容性的运行情况，在 后文的分析中，将容性区的电抗定义为正电抗，感性区电抗定义为负电抗) 。其中最 大导通角对应于触发稳定控制区域，该触发角限制在感性区和容性区都存在。容性区 的运行范围主要受电容电压和m o v 保护电压的限制，感性区的运行限制包括：线路电 流低时，电抗器电流受谐波热效应的电流限制、线路电流高时，t c s c 运行受最大晶闸 管电流的限制。 蟊父 广。 图2 5t c s c v j 能力曲线图2 6t c s c x _ i 能力曲线 华中科技大学项士学位论文 t c s c 的工作能力也可以用k i 曲线来表示，如图2 6 所示。从图2 6 可以看出单 模块t c s c 容性和感性阻抗输出的断层，同时随着线路电流的增加，t c s c 运行的范围 将减小。图中曲线a 、g 由最大触发角限制所决定：曲线c 、d 由t c s c 电容和电抗器 的取值所确定：受电容电压额定值所决定，t c s c 基频等效电抗大小和线路电流成反比， 这一关系通过曲线b 表现出来。t c s c 在感性区运行时，电抗器电流含有大量谐波分量， 当线路电流较大时，t c s c 装置的基频等效阻抗值将受谐波电流热效应的限制，该限制 通过曲线f 来表示；当线路电流非常高时，t c s c 所允许的基频等效阻抗值将被晶闸管 所允许的工作电流限制在很小的区域内，如曲线e 所示。 2 3t c s c 主电路参数选择的基本原则 t c s c 结构比较简单，主电路参数指的是电容器容抗和电抗器感抗。主电路参数的 选择对t c s c 装置的时域、频域稳态特性有重大影响。根据线路阻抗和系统所要求的 基本补偿度就可以确定电容器的容抗值，因此t c s c 主电路参数设计主要指电抗器参 数的选择。 根据文献 3 7 ，3 8 的分析，可以得到t c s c 的基频等效电抗的表达式为： 。k ；。= l a c 一彳万& c + 2 仁一( r ) + s i l l 【2 仁一口娜+ 1 耐+ 4 , 4 ( ( 2 一i ) + c o s 2 仞一功陋醴砸一口) 】毋一口) 吲 其中，。为晶闸管触发角。自然谐振频率国。：，l _ ，k ：堕，a ： 4 l c 国k 一1 由式( 2 1 ) 可知：在l 、c 确定后即置确定后，t c s c 的基频等电阻抗只与触发角口 有关。因此在确定电容参