（电力系统及其自动化专业论文）可控串补tcsc装置主动过电压保护及控制的研究.pdf

声明 知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期 卿 日期：必础国 华北电力大学硕士学位论文 1 1f a c t s 技术 1 1 1f a c t s 的基本概念 第一章绪论 柔性交流输电技术( 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f a c t s ) ，又称灵活 交流输电技术，是综合电力电子技术、微处理机和微电子技术、通信技术和控制技 术而形成的用于控制交流输电的新技术l 。f a c t s 的概念由美国电力科学研究院 ( e p r i ) 的n g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年首先提出。主要的内涵是把日新月异的电 力电子技术和电力系统传统的电压控制元件、阻抗控制元件和功角控制元件( 如串 啾电容、并联电容、电抗、移相器和电气制动电阻等) 相结合，用大功率可控硅元 件代替这些传统元件上的机械式高压开关，从而灵活、快速地改变电压、线路阻抗 和功率角，在不改变网络结构的情况下，大大提高电网的输电能力以及潮流、电压 的控制能力1 2 1l 3 j 。 目前，f a c t s 已被国内外一些权威的输电技术专家预测为“未来输电系统新时 代的三项支撑技术( 柔性交流输电技术、先进的能量管理系统技术和综合自动化技 术) 之一”【4 j ，和“现代电力系统中三项具有变革性影响的前沿课题( 柔性交流输 电技术，智能控制和基于g p s 的动态安全分析与监测系统) 之一”【5 l 。 1 1 2f a c t s 的意义 f a c t s 提出以后，已经显示出其重要的作用和意义，和传统的以固定或机械投 切方式工作的相应设备相比，f a c t s 设备有以下优点【6 l ： 提出了交流输电功能革新的技术渠道。f a c t s 技术的出现，突破了过去单一控 制器形成的局部作用及影响，开辟了提高交流输电线和输电网运行整体控制能力和 水平的技术渠道，为高压和超高压交流输电性能的革新改造指出了方向。 提出了一个“升流”的输电途径。f a c t s 的出现对输电线和输电网的建设规划 和设计将产生重大影响。一方面，与原有的“升压”方法相对应，它提出了一个可 供选用的“升流”途径，这将扩大规划设计中方案比较和选用的范围。另一方面， 它具有控制输电网潮流流向和输电线输送能力的效果，这同样可扩大规划设计的选 择余地。 对输电网和输电线运行的良好作用。f a c t s 控制器将有助于减小或消除环流或 振荡等大电网痼疾，有助于解决输电网中“瓶颈”环节的问题；有助于在电力网中 华北电力大学硕士学位论文 建立输送通道，为电力市场创造电力定向输送的条件，有助于提高现有输电网的稳 定性、可靠性和供电质量；可以保证更合理的最小网损并可减小系统热备用容量； 还有助于防止连锁性事故扩大，减少事故恢复时间及停电损失等。 对输电网其他运行控制技术的作用。f a c t s 控制器一方面可对已有常规稳定或 反事故控制( 如调速器附加控制、汽门快关控制、自动重合闸装置等) 的功能起到 补充，扩大和改进的作用。另一方面，电网的e m s 系统必然要将f a c t s 控制器的 作用综合进去，使得e m s 中的a g c 、e d c 和o p f 等功能的效益得到提高。 将改变交流输电的传统应用范围。整套应用并协调控制的f a c t s 控制器组将 使常规交流输电柔性化，改变交流输电的功能范围，使其在更多方面发挥作用，甚 至扩大到原属于直流输电专有的那部分应用范围，如定向传输电力、功率调制、延 长水下或地下交流输电距离等。 对f a c t s 控制器本身发展的推动。在f a c t s 概念指导下，已有的和正研制的 控制器将有更大发展。例如对s v c 和s b c o m 的研究和改进；将过去常规串联电 容补偿和制动电阻器等改为电力电子器件控制等。 同时，f a c t s 采用电子式的开关操作，无机械磨损，速度快( 毫秒级) ；既可 以断续调节，也可以连续调节被控系统的参数。这些特点可大大提高控制的灵活性， 对系统暂态稳定性、动态品质的提高是有益的。 可以预言，伴随微电子和通讯技术发展的f a c t s 技术，将产生一个完全实时 控制的2 1 世纪电力系统，这种系统将以最少的成本为用户提供可靠而高质量的电 力。 1 1 3f a c t s 技术在中国电力系统中的作用与现状 我国电力系统发展非常迅速，目前年发电量已居世界第二位，据估计，世界未 来十年的新建电站总容量的1 4 在中国【7 l 。实施什么技术能够对节约材料、节约能 源和减少污染起作用，也是必须从长远考虑的三个全局性问题，f a c t s 技术正是解 决这个世界性问题在输电领域的重要措施。 目前，三峡电网、华北电网和东北电网联网工程正在紧张施工建设，2 0 0 3 年， 随着三峡机组投产，实现了四川电网与华中电网、华东电网的联网，从而在中国首 次实现较大范围内的水、火电补偿和跨区域调节。此外，还有正在加紧建设的福建 电网与华东电网联网、山东电网与华北电网联网、西北电网与j i i 渝电网联网、西北 电网与华北电网联网等工程。到2 0 1 0 2 0 2 0 年之间，随着三峡电站六台机组投产， 将向华北电网输送调峰电力，还将实现与华南电网的强联系。届时，除西藏、中国 台湾外，将正式形成全国统一的联合电网。大电网互联有很大好处，但如果一旦发 生系统故障，带来的不安全后果也可能会很严重，随之而来的电网运行控制问题将 2 华北电力大学硕士学位论文 十分突出，它将成为制约我国电力系统规模发展和效益实现的主要技术因素。 从技术上看，目前我国电网的控制手段缺乏且水平低，安装在电网中的绝大多 数是提供静态电压调节和补偿无功的电容和变压器分接头调节，缺乏对除发电机外 在电位上的电压支持，电网安全稳定闯题仍很突出，它是限制电力传输的重要因素， 也是可能发生电力系统崩溃的潜在隐患。 从经济上看，采用的是正在迅速发展的新型半导体材，价格随时间推移而下降。 如过去几年门极可关断晶闸管的价格以每年1 0 递减，而最近出现的集成门极换流 晶闸管和电子注入增强栅晶体管在价格上要比门极可关断晶闸管便宜百分之几十， 而性能和可靠性还优于门极可关断晶闸管。 从发展上看，交流输电始终是建设新输电线路的强化方法解决输电问题，但对 旧有输电能力却远未充分利用，平均利用率一般在5 0 以下，现有输电系统的电流 基本上是自然流动，而不是损耗最小的高效、经济的流动方式，而采用大功率电力 电子技术的技术才则可以迎接这个挑战。 最后，在实施上，设备是逐渐加入现行交流输电系统的，而不是摒弃现有系统， 与现行的交流输电系统是并行发展可完全兼容，因此以渐进的方式改变电力系统的 面貌，这一点特别适合我国发展资金比较紧张的状况。 1 1 4f a c t s 的分类 由于f a c t s 设备的种类日渐增多，其原理、性能、与系统结合方式也多种多 翩c z 3 设备 发电厂，输电厣统 供配电网 发电型设备 li 输电型设备 li 供电型设备 静态励磁( p s s 和o e c ) 可控电制动( t c b r ) 可调速发电机( a s g ) 飞轮变速机组( f w c ) 超导储能器( s m e s ) 静止无功补偿器( s p ，c ) 静止无功发生器( s v g ) 可控串补( t c s c ) 可切换串补( t s s c ) 可控移相器( t c p s ) 相间功率控制器( 1 p c ) 静止同步串补器( s s s c ) 统一潮流控制器( u p f c ) 图1 - 1 主要的f a c t s 设备 3 有源滤波器( a p f ) 微型储能器( m e s ) 短路电流限制器 ( f c l ) 华北电力大学硕士学位论文 样，因此f a c t s 设备的分类也有好几种方法。我国学者何大愚先生认为，f a c t s 设备按安装地点可以分为发电型( 发电厂内) 、输电型( 输电系统中) 和供电型( 供 配电系统中) 三类【戤，图1 - 1 列出了这种分类方法下主要的f a c t s 设备。 1 2 可控串联补偿的基本原理 可控串联补偿是一种重要的f a c t s 技术对于较长的输电线来说，输电线的 阻抗往往是决定最大输送能力的主要因素。电容串联补偿，能使整个输电线的阻抗 变小，等效于缩短了输电线，因而是提高系统输送能力和暂态稳定性的重要手段。 1 2 1 常规串补 电力系统的潮流是传输线路阻抗、送端和受端电压幅值以及这两个电压间相位 角的函数。在输电线上串联接入电容器，补偿了电力系统的电抗，等价地缩短了输 电线的长度，可望提高静态稳定性。随着初始相位角的减小，也可望能够提高暂态 稳定性。此外，串联电容补偿( s e r i e sc o m p e n s a t i o n ，简称s c ) 还有着改善电压质 量及无功功率平衡、减少线路损耗等作用。和增设输电线路相比，串联电容补偿所 需的设备投资很! 扮，再考虑到线路走廊用地费用迅速增长等因素，其经济效益更为 显著1 1 m 。 正 常 时 开 断 由 联 电 容 器 图1 - 2 串联电容器主回路 串联电容补偿装置的本体部分由电容器主回路和保护装置组成。保护装置是用 来防止电力系统故障时，由流过串联电容器的暂态电流在端子问产生很大的过电压 而设置的。如图1 2 所示。 保护装置一般由保护间隙和快速旁路开关构成。对于大于某一电压值的过电 压，保护间隙放电，因而把电容器端子短路，保护了电容器回路。另外，与保护间 隙并联装设的快速旁路开关在保护间隙放电后投入，这样便使问隙的电弧熄灭，故 障消失后快速打开旁路开关，于是串联电容器再次投入。 4 华北电力大学硕士学位论文 串联电容补偿的补偿度定义为： k 。乏 ， 式中x 。为串联电容的容抗，五为线路电抗。 常规的串联补偿包括固定串联补偿和机械投切式串联补偿。其缺点除了不能连 续调节、动作时间慢、动态响应差、短路电流大以外，还可能激发一种低于工频的 次同步振荡( s u b s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ，简称s s r ) 。一旦由串联电容器和输电系 统的电抗产生的l c 谐振频率与系统频率的滑差频率，接近汽轮发电机轴系的固有 谐振频率时，输电系统的电气系统就与发电机轴的机械系统产生共振，这将在轴系 上产生大的扭矩，造成轴系破坏【1 1 】。s s r 问题是串联补偿设计时要考虑的重要问题。 1 2 2t c s c 的工作原理 如图1 - 3 所示，一对反并联的可控硅与一个小电感串联，再和串联电容器并联， 就构成了t c s c 的基本电路单元。 图1 - 3t c s c 基本电路单元 为了便于理解t c s c 的各种运行模式，我们可以把可控硅控制的电感支路看作 一个可变电感，这样t c s c 电路就是一个串联电容和一个可变电感相并联。通过改 变触发角，可以控制可控硅的开通情况，从而使t c s c 分别工作在三种运行模式： 晶闸管旁通模式，晶闸管闭锁模式，晶闸管部分导通即微调模式【1 2 l 。 1 晶闸管旁通模式 在这种旁通模式下，晶闸管被控制成全导通，导通角为1 8 0 。即一旦晶闸管阀 上的电压过零并开始变正时，就加上触发脉冲，从而使晶闸管阀上流过的连续的正 弦电流。这时，t c s c 模块的行为就像一个电容器与电感器的并联电路，然而，流 过整个模块的净电流是感性的，因为所选择的电抗器电纳要比电容器电纳大。 上述模式也被称为晶闸管投切电抗器模式，这种晶闸管旁通模式是与断路器旁 路模式完全不同的。在断路器旁路模式中，跨接在串联电容器上的断路器闭合，从 5 华北屯力大学硕士学位论文 而将电容器即t c s c 模块切除，这种情况只是在t c s c 故障或t c s c 上暂态过电压 才会发生。 爵闸管旁通模式被用来达到某些控制目的，或用来起动某些保护功能。无论何 时，t c s c 模块因为超过电流限值而被旁路时，都要等线路电流回落到指定限值一 下，并延时一定时间后，才能将t c s c 模块重新插入电路。 2 晶闸管闭锁模式 这种模式也被称为等待模式。在这种模式下，晶闸管阀的触发脉冲被封闭。如 果晶闸管处在导通状态时下达闭锁指令，则当晶闸管电流过零时就立即关断。这样， 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。在这种模 式下，电容器上的直流偏移电压受到监视并采用直流偏移控制来快速释放，因而不 会对输电系统的变压器产生任何伤害。 3 晶闸管部分导通即调节模式 当可控硅部分导通时，t c s c 工作在调节模式，在这种模式下，t c s c 既可以呈 现连续可控的容性电抗，也可以呈现连续的感性电抗，这可以通过在适当范围内改 变晶闸管对的触发角来实现，但是从容性模式平滑过渡到感性模式是不容许的，因 为在两种模式之间存在一个谐振区。 i l i i t ( a ) 容性调节电量向量图( b ) 感性调节电量向量图 图1 - 4 调节模式的向量图 当可控硅较低程度地导通时，各电量的向量图如图1 - 4 ( a ) ，线路电流和电容电 流同相位，t c s c 中的环流增加了电容电流，从而提高了电容器上的电压，t c s c 装置呈现比电容本身更大的容抗，这就是容抗调节模式如图1 - 5 0 ) ，也是t c s c 正 常工作的模式。改变可控硅的触发角，能灵活改变t c s c 的容抗，因而灵活调节线 路阻抗。 当可控硅导通程度较高时。线路电流和可控硅支路的电流同相位，各电量的向 量图如图l - 4 ( b ) ，在这种模式下，循环电流的方向反向，t c s c 装置呈现感性，此 时为感性调节模式如图1 - 5 ( b ) 。 6 华北电力大学硕士学位论文 0 0 1 0 0 0 0 0 5 0 盆黑 - 0 0 1 0 0 - n 0 1 5 口 * + ”。r 。”。1 。r 。t 一。1 “。t 。o “9 ”“一 o e 帕o q 6 0 7 0 0n 7 2 0n 7 2 0 0 7 6 0 ， ， 一，+、 一 -n，、，i j7 。j 。c ( a ) 容性调节区域 1 c o c 日m - 薯m g r 蛊却 ) ( b ) 感性调节区域 图1 - 5t c s c 在不同工作区域的稳态仿真波形 7 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3t c s c 的作用 由于t c s c 直接串入输电线，本身的阻抗又能够连续、快速地调节，所以可以 大范围地调节线路阻抗。t c s c 除了具有常规串联补偿的作用外，还有以下功能和 优点1 1 3 j1 1 4 1 【1 5 】【16 l 【1 7 1 。 1 灵活而平滑地控制潮流 通过改变可控硅触发角，能连续改变t c s c 的等效阻抗，进而连续改变线路阻 抗，因此可用于潮流控制，改变电网中的潮流分布。运行人员可以通过调整线路功 率给定值，由控制系统自动调整可控硅的触发角，来满足线路功率传输的要求；也 可以直接调整t c s c 的阳抗来实现潮流控制。 2 提高系统的暂态稳定性 在常规的串联补偿设施中。一旦电容器达到设计的过载能力极限，电容器将因 保护动作而被旁路。故障后由于短路电流的作用，电容器上会产生高电压，这经常 迫使常规串联电容器退出运行，因此常规串联补偿对暂态稳定性的提高是有限的。 而对于t c s c 来说，由于可控硅开关的快速控制作用，故障后能灵活调整补偿度， 保证电容电压不超过保护值，因此能在系统暂态过程中积极发挥作用，有效地提高 系统的暂态稳定极限。 3 阻尼功率振荡 由于系统阻尼不足或系统发生大扰动而引发低频功率振荡的时候，通过调制 t c s c 的阻抗，能有效地阻尼功率振荡。尤其值得一提的是，t c s c 装置可以在容性 工作区和感性工作区之间切换，这为用b a n g - b a n g 控制快速阻尼大的功率振荡提供 了可能。 4 抑制次同步振荡( s s r ) 由于t c s c 装置在次同步频率下呈现感性特征，因而不会产生l c 谐振，这样 在一般情况下就自然避免了s s r 的发生。另外，还可以通过采集本地的电流和电压， 用矢量合成的方法获得远方发电机的转速相位，迅速调制t c s c 阻抗，来阻尼发电 机轴系振动，从而积极地抑制次同步振荡。 5 减小故障电流 多数增加输电能力的手段，如并联线路或常规式串联补偿，其故障电流也因此 而增加。而t c s c 在提高输电能力的同时，故障电流反而减小，这是因为，t c s c 可以通过在故障后迅速变为可控硅旁路模式，在线路中串入感性电抗而减小故障电 流。这一功能还能降低保护串联电容器的氧化锌避雷器( m o v ) 的能耗，可大大降 低对m o v 能耗的要求。 此外，t c s c 还能增强电容器组的保护。 8 华北电力大学硕士学位论文 1 3t c s c 国内外研究现状 目前关于可控串补的理论研究在数学建模方面，主要有以下几种方法：1 ) 采用 t c s c 的基频等效容抗模型；2 1 平均法；3 ) p o i n c a r e 映射法；4 ) “单位速度转矩”法； 5 ) 独立的动态解析模型。在控制策略方面主要有三种途径：1 ) 将非线性受控系统线 性化后，应用线性控制器的设计方法；2 ) 直接运用非线性控制理论设计非线性控 制器；3 ) 基于人上智能的智能控制器【l s l 。 国内对于t c s c 的研究起步较国外晚，但是近几年来发展很快，主要依托电力 科学研究院、清华大学、华中科技大学、东南大学，上海交通大学等高校，结合伊 ( 敏) 冯( 屯) 、阳城至淮阴输电系统和天( 生桥) 广( 州) 线及其它后续串联补偿及可控串 联补偿工程的建设和投运，在t c s c 特性、数学建模、控制策略、暂态计算和保护 配置等方面进行了深入细致的研究，理论成果丰硕。而随着国内几个著名t c s c - r 程的投运，对于t c s c 的研究工作，目前也已经从单纯的数学建模、控制策略等方 面转变到研究t c s c 与其他装置的协调控制以及其对系统其他部分的影响上。 国内正在研究或者已经投入商业运营的工程有：1 ) 平果可控串补站，该工程 设备技术先进，是亚洲第一个5 0 0 k v 可控串补站，是世界上首次把可控和固定元件 设置在同一平台上的串补工程，是世界上首次将直接光触发晶闸管阀用于可控串补 的工程( 直接光触发晶闸管阀代表当前晶闸管最先进的技术) 。其可控串补投运可 提高西电东送广东能力2 2 万千瓦。平果串补工程的建成投运，标志着我国成为世 界第四个应用可控串补技术的国家；2 ) 首个国产化可控串补工程成( 县) 碧 ( 口) 可控串补工程，日前在甘肃省成县正式投入运营。该工程是世界上第八个可 控串补工程，也是世界上可控串补最大工程。它创下了第一个全可控串补工程、第 一个常规与可控模式混合型的串补工程和补偿度最高( 补偿度达到5 0 ) 的可控串 补工程三个“世界第一” 1 4 本课题的研究工作 课题主要研究内容： ( 1 ) 根据晶闸管导通时t c s c 的动态方程，建立t c s c 的阻抗模型，并根据该模 型对t c s c 的阻抗特性进行分析； ( 2 ) 建立基于e m t d c p s c a d 的系统仿真模型并对装置的特性进行仿真与分析； ( 3 ) 重点通过仿真实验研究利用可控串补硬件b y p a s s 运行模式限制系统故障期 问串补电容两端过电压，减小短路电流的作用，提出在系统发生短路故障时，减小 短路电流、保护电容器的有效控制策略； ( 4 ) t c s c 的主动绝缘在实际应用中的研究； 9 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章t c s c 装置的数学模型 可控串补电路由可控硅控制电抗器和串联电容器并联而成，是周期一变拓扑的 电路。由于这种电路的解析数学模型难于建立，研究者往往根据数字仿真结果进行 特性分析。由于没有数学模型为依据，其研究结果往往是根据大量仿真结果归纳出 的定性的结论，难以对可控串补装置的机理和特性进行全面、深入、准确的分析。 目前，在可控串补装置特性研究方面，已有计算公式能准确描述稳态等效基频 阻抗与可控硅触发角的函数关系1 1 9 l 。文 2 0 1 提出了可控串补的数字仿真用模型，文 中把可控串补电路分成可控硅开通和阻断两种拓扑，分别求出其对应微分方程的 解，通过程序控制两个电路交替计算，从而对可控串补进行装置级数字仿真。主要 有以下两点结论： 装置从可控硅阻断( t h y r i s t o r b l o c k e d ) 状态到某一命令触发角o d 对应的稳定状态期 间要经过一暂态过程，这一暂态过程时间为几个周波，而且，要达到的补偿度 越高，暂态过程时间将越长，在高补偿区大约为8 1 0 个周波。 对应于同样的补偿度控制范围，如果装置的电抗值选择得较大时，触发角控制 范围将变大。 其它文献对装置特性也有研究，但都以数字仿真或物理实验为根据，基本没有 超越文【2 0 】的研究。从研究结果看，尚需研究的问题主要有以下几点： 可控串补暂态过程的机理是什么? 与常规r 、l c 电路的暂态机理有什么不同? 如何用解析数学模型描述可控串补的暂态特性，为进一步的控制策略研究提供 模型依据。 暂态过程的时间如何计算，受哪些因素影响? 可控串补电抗器的电感l 和电阻r 对装置特性有何影响? 本章的目的是用开关电路的“拓扑”建模法建立可控串补的暂态数学模型，研 究t c s c 的暂态特性，并给出其响应时间的计算公式，进而分析响应时间与装置参 数及触发角a 的关系。 2 2 基频稳态模型 对t c s c 装置的任何控制目标，无论是控制潮流，阻尼系统低频振荡，提高暂 态稳定还是抑制次同步振荡，都是直接或间接的通过改变t c s c 的阻抗来实现的， 而等效阻抗蜀的变化则与可控硅触发角o 【密切相关，且其关系是非线性的。准确了 解t c s c 基频等效阻抗巧与触发角伐的关系，将有助于实现控制目标。获得这种对 1 0 华北电力大学硕士学位论文 应关系最简单直接的方法是通过实测或仿真，绘制曲线或制出表格。而机理研究就 需要解析方法进行分析了。 如图2 - 1 所示，将电抗器与可控硅串联支路作为电容器的纯感性负载( 此电路 即为可控硅福位控制电抗器t c r ) ，其中墨，夏是晶闸管，k 为电源电压，圪为电感 电压，为晶闸管电压。设电源电压的表达式为 2 1 l ： t 1 圈2 - 1 t c r 结构 一v s i n w t ( 2 1 ) 其中，v 是所加电压的峰值；是所加电压的角频率。则t c r 的电流可由如下微分 方程描述； 工安叫j ( f ) - 0 ( 2 - 2 ) 其中，l 是t c r 的电感。结合式( 2 2 ) ，我们得到 ( f ) 。抄，( t ) d t + c ( 2 - 3 ) 其中c 是常数。 由边界条件，f ( 耐- 口) - 0 ，得 f p ) - 一二( c o s 口一c o s 以) ( 2 4 ) t o , 其中，a 是触发角，以所加电压从负变正过零点作为起点。通过傅立叶分解，可以 导出t c r 电流的基波分量 ) 。其一般表达式为 ，1 ( 口) 一a 1 c o s a ；t + 6 l s i n c o t ( 2 5 ) 由函数的偶对称性，即厂o ) - ，( ) ，因此岛一0 。此外，由于半波对称性，即 ，0 + t 2 ) - 一， ) ，因此t c r 电流中没有偶次谐波系数a ，由下式给出 ”箭胆f ( x ) c o s 争( 2 - 6 ) 计算得到 1 1 ( a ) 一盖( 2 - i 2 a + l 万s i n 勉) ( 2 - 7 )l孔托 华北电力大学硕士学位论文 诣投分重 ， 一昙f 1 ( s i n p + c o s 咖i 删枷 y4 r s i n a c o s ( n 口) - n c o s a s i n ( h a ) 1 一一 w l 石 以0 2 1 ) 1 其中，n = 2 k + l ，k = l ，2 。3 ，。 则电抗器的基频等值电抗x l 。为： 置。-了uc-蕊uc- i 兰兰蕊 l行 t c s c 基频等效阻抗即为电容器容抗以与以，并联所得，即 墨忙) 孑友i 五- 再w l 瓦：r ：石五 n 蛳一 i ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 图2 - 2t c s c 基频等效阻抗与触发角的关系曲线 根据此式可得出t c s c 的阻抗特性，其阻抗定义为t c s c 电压基波的有效值除 以线路电流的有效值，又称基频等效阻抗。t c s c 装置的等效阻抗和可控硅触发角 间的关系特性见图2 2 。图中左边曲线为感性区，右边曲线为容性区，中间部分为 谐振区，运行时不能进入谐振区。 2 3 暂态数学模型 这里所用的建模方法是基于拓扑分析的，首先把电路按可控硅开通和阻断分成 两种拓扑，通过交替求解一个周期内的电路拓扑，得到一个周期的变化规律，进而 用递推的方法找到能描述t c s c 暂态全过程的数学解析表达式。 可控串补单元电路见图2 - 3 所示，将其分成可控硅阻断和可控硅导通两个等值 电路，分别示于图2 - 3 ( a ) f f f l2 - 3 ( b ) 。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 设线路电流为恒流源，i ( t ) - ls i n ( o j t ) 。对于图2 - 3 ( a ) 的等值电路，可以得到由 线电流形成的电容器两端的电压为 c 。( t 3 ，d 卜 o ，为容抗调 节模式；七，c 0 ，为感抗调节模式。 1 7 带 华北电力大学硕士学位论文 2 4 2 参数r ，l 对装置特性的影响 如果考虑电阻r 的影响，则r 变大将使阻抗特性曲线的陡度降低，可控性有所 改善，但谐振点右移，容性区交小，参见表2 - 1 。其中a ，置，是容性区最小触发 角和相应的最大电抗值。参数l = 1 0 m h ，c = 2 4 7 p f 。 表2 - 1 电阻对电抗值的影响 电阻r 0 0 0 0 10 0 1o 0 50 1 o 2 o 5 口一 1 3 6 01 3 6 。1 3 7 。1 3 8 。1 3 8 。 1 3 9 。1 4 1 。 z ，誓3 9 32 6 2 88 6 44 5 53 4 62 7 1 82 0 5 7 电感l 的选择影响的大，j 、，从而影响到的大小。电感l 交大使变小，从 而使t ! i 上变小，谐振点左移，容性区变大，可控范围变宽；使! ，土2 。= 9 0 。和! ，卫2 。- - 2 7 0 。 珊 甜 中的盯交大，敏感点c r 0 变小( 左移) ，容性区响应加快，感性区响应交慢，参见表 2 2 。其中初始串补阻抗为1 2 ，9 q ，期望稳态阻抗为2 3 0 c 2 ，响应时间以周波数为单 位。 表2 - 2 电感值对阻抗响应时间的影响 电感1 0 m h 】5 m h 2 0 m h 2 5 m h 3 0 m h3 5 m h a1 4 5 。1 3 8 51 3 3 1 91 2 8 5 。1 2 4 5 。1 2 0 6 。 响应时间1 8 1 198 87 2 5 影响模型因素的分析 模型分析是以三个假设为基础的。实际上，线路电流中的谐波与可控硅触发角 有关；当t c s c 阻抗发生变化对。暂态过程中导通角a 是逐渐变化的；忽略电抗器 线圈电阻，对电容电压和线路电流的相位影响较小，但使t c s c 单元回路的品质因 数变大，这些因素均可能影响装置的暂态过程。 2 5 1 谐波影响 实际上，随着t c s c 可控硅开通程度的加大( 容抗调节模式) ，线路电流中的谐 波是逐渐上升的。谐波的影响使得电容电压的波形和幅值发生变化，从而影响等效 的串补阻抗数值。表2 3 是式( 2 - 9 ) 与考虑谐波影响的式( 2 - 2 3 ) 的计算比较结果。 1 8 华北电力太学硕士学位论文 表2 - 3 谐波对串补阻抗的影响( l = 1 0 m h ，c = 2 4 7 9 f ) 0 【( 。)1 8 01 7 51 7 01 6 51 6 0 1 5 5 1 5 0 1 4 5 1 4 0 ( 2 9 ) 1 2 8 91 2 91 3 0 1 1 3 3 31 4 0 51 5 51 8 4 62 5 ：3 14 9 1 ( 2 2 3 ) 1 2 8 91 2 91 2 9 91 3 2 41 3 8 11 4 9 81 7 3 82 3 o4 2 6 9 a ( 。)1 3 51 3 01 2 51 2 01 1 5 1 1 0 1 0 51 0 0 9 0 ( 2 9 ) 3 6 0 2- 3 4 7 51 7 8 1 1 1 9 7 - 9 1 7 4 1- 5 2 85 4 5 - 4 1 5 ( 2 - 2 3 ) 2 9 7 92 7 3 11 3 3 98 7 3- 6 5 6 - 5 3 9 - 4 7 44 3 6- 4 1 5 由上表可知，越靠近谐振点，谐波对阻抗的影响越显著。同时，谐波影响使得 电容电压峰值减小，因此式( 2 - 2 3 ) 中的等效阻抗比考虑谐波影响的式( 2 - 9 ) 要小。 考虑到在正常情况下，t c s c 只允许工作在不大的一段容抗调节区域( 2 0 p u ) 。 如上例中，阻抗值不得超过2 4 q 考虑，两式的计算结果近似，则忽略谐波的影响是 可以接受的 2 5 2 导通角a 变化的影响 文2 3 指出，在暂态过程中，可控硅导通角在不断变化，进入稳态后，才固定 在a 不变；同时，可控硅的电流波形关于电容电压过零点不对称，进入稳态后才变 得对称。数字仿真证实在串补阻抗变化时，可控硅导通角。是变化的，随着装置由 某状态过渡到新状态，o 才达到命令要求的数值。医此，k ，、如在整个暂态过程中 也是变化的，且不是单调变化，见图2 5 。 以线路电流为同步信号的模型分析和数字仿真中，由于线路电流相位和幅值稳 定，同时暂态过程中。变化较小，故假设。在暂态过程中保持不变，不会造成很大误 著。 2 5 3 品质因数的影晌 线圈电阻的存在不但降低了t c s c 等效阻抗特性的陡度，改善了可控性能，而 且改变了回路的品质因数，对装置的响应特性发生影响。由于所建模型不能直观地 分析电阻的影响，因此采用数字仿真进行研究。 图中曲线为可控串於装置基波阻抗。在相同的触发角阶跃量下，电阻r 越大， 达到稳态的时间越快( 比较图2 6 、图2 9 ) 。但是，电阻大的情况达到的阶跃阻抗 小( 1 7 q ) ，再次验证了加大电阻使等效阻抗特性变得平坦的结论。 若阻抗阶跃量一致，则暂态过程的时间基本相同( 比较图2 6 、图2 7 、图2 8 ) 。 考虑到t c s c 控制中，底层均采用阻抗闭环控制，削弱了电阻的作用，因此可以忽 略回路品质因数的影响。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 2 4 0 2 踟 善：8 0 1 4 0 1 2 0 岫：g r a l 如 ， 7 f r 2 2 己0 2 a o 薹：们8 0 1 4 0 1 2 0 图2 - 6 阻抗阶跃响应1 2 9 q - - , 2 3 0 f ( r - - - 0 0 0 1 8 f ，1 8 0 。一1 4 8 。) b h ：g r a 口r 7 ( r l 蠢茅蕊广i 石蔬矿罚荡吾葛f 气茹一 图2 - 7 阻抗阶跃响应1 2 9 q , - 2 3 0 q ( r = 0 0 1 8 q ，1 8 0 。一1 4 7 5 。) h a m f a r f i 2 0 2 如 ： 踟 ；l 1 6 c ll奄 ，印 4 r 1 7 5 d 1 7 0 0 1 5 0 0 0 1 5 5 0 1 & 0 0 14 5 0 1 4 3 5 0 1 3 瑚 2 5 d 图2 - 8 阻抗阶跃响应1 2 9 q - - , 2 3 0 q ( r _ o 1 8 q ，1 8 0 。一1 4 7 ) - 1 c 囟c h e 吐，te 厂 i 一卜卜一， j f 。 t 一一i 一一l 一 ， j 图2 - 9 阻抗阶跃响应1 2 9 q - - - * 1 7 0 q ( r = 1 8 q ，1 8 0 。一1 4 8 。) 2 0 华北电力大学硕士学位论文 3 1 仿真软件 第三章装置特性的仿真 数字仿真采用加拿大m a n i t o b a 高压直流研究中心开发的e m t d c p s c a d 软件 包。e m t d c p s c a d 电力系统计算与分析软件包是一种先进的数字仿真计算程序， 它能够模拟复杂的电力系统、电力电子系统和控制系统的运行 e m t d c p s c a d 具有常用模型库，如电阻、电感、电容等无源元件；可控硅、 二极管、和g t o 等电子器件；发电机、电动机、变压器等电力系统模型；检测系 统和常用的函数等。此外，一个显著优点是用户可以自定义函数。对模型库中没有 的器件或控制模块，用尸可以自己定义和编辑。 e m t d c p s c a d 采用了交互式的电路描述语言g h d u g r a p h i ch a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，以图形模块作为对话模块的基础，同时提供相应的数据库可 编辑模块，以直观的图形来描述硬件结构，充分发挥了图形显示设备形象直观、便 于对话的特点。电容器和电抗器的参数分别为：2 4 7 “f 、1 0 m h 。 3 2t c s c 装置特性 本节研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 装置的暂态过程； ( 2 ) 装置的变时间常数特性； ( 3 ) 同步信号对装置特性的影响； ( 4 ) 阻抗闭环控制对装置特性的影响。 3 2 1 暂态过程 当a 从1 8 0 。阶跃为1 4 8 0 时，用公式( 2 - 2 3 ) 计算每个周期t c s c 基频等效阻抗， 计算结果如表3 - 1 所示，仿真结果如图3 - 2 ( c ) 所示，两者基本吻合。 表3 - 1 电容电压峰值每周期变化 周期数 o123456 基频等效阻抗 1 2 8 81 9 1 52 0 6 22 1 5 32 2 0 92 2 4 42 2 6 5 周期数78 9 1 0l l1 21 3 基频等效阻抗 2 2 7 92 2 8 72 2 9 22 2 9 52 2 9 72 2 9 82 2 9 9 周期数1 41 51 61 71 81 92 0 生些皇垄奎堂堡主兰堡丝茎 3 2 2 时间常数 时间常数是t c s c 装置动态特性的重要参数，它对建立暂态稳定控制中t c s c 的模型有很大影响。一些文献将t c s c 视为固定时间常数的一阶惯性环节，即认为 可控硅触发角变化后，串补阻抗变化的动态过程是渐趋稳态、无超调、无振荡的。 但研究表明，不同的同步信号( 电容电压同步和线路电流同步) 、控制模式( 阻抗 开环和闭环控制) 对t c s c 的时间常数和动态品质有显著影响。 文 2 4 1 指出，开环控制中，t c s c 在不同的补偿度时达到稳态的时间不同。在 低补偿度时，约1 2 个工频周波；高补偿度时约8 1 0 个周波。图3 - 1 所示为开环 阻抗控制的原理框图。 图3 - 1 开环阻抗控制原理框图 开环阻抗控制中，根据命令阻抗查找事先测好的阻抗特性表得到对应的可控硅 触发角，然后根据触发角产生相应的触发脉冲进行控制。仿真过程中均以线路电流 作为可控硅的触发同步信号。图形分别包含有可控硅电压( t h y v o l t a g e ) 、可控硅电 流( t h y c u r r e n t ) 、电容电流( c z p c u r r e n t ) 和t c s c 等效阻抗( i m p e d a n c e ) 四条波 形曲线。 t 蠹 lj 薰 ( a ) 装置开环阶跃响应仿真波形心：1 8 0 。1 6 0 。) 2 2 华北电力大学硕士学位论文 ， 3 嚣 ，= ：a q o t | | | 匡蓬匡暮翥 ( b ) 装置开环阶跃响应仿真波形( a ：1 8 0 。一1 5 2 。) 1 c i 目：a h 、- ma - n 装置开环阶跃响应仿真波形( a ：1 8 0 。一1 4 8 9 ) 图3 - 2t c s c 在阶跃不同的补偿度时达到稳态的时间 从图3 2 可以看出，在以线路电流为同步信号的开环控制作用下，t c s c 装置是一 个变时间常数的一阶惯性环节，其暂态过程无超调、无振荡，随着可控硅命令触发角的 减小( 导通角增加) ，装置达到稳态的响应时间从1 2 个工频周波到8 1 0 个周波不等， 华北电力大学硕士学位论文 仿真结果与数学模型的分析是吻合的。 图3 - 3 装置开环阶跃响应仿真波形( a ：1 4 9 。一1 4 8 。) 0 l ：器 v 1 3 2 0 o j i 1 0 0 01 , 0 0 01 ，1 1 1 1 2 图3 - 4 装置开环阶跃响应仿真波形( a ：1 6 0 。- - * 1 8 0 。) t 华北电力大学硕士学位论文 3 怒 ，= 2 s 薹孽国i 一 图3 - 5 装置开环阶跃响应仿真波形( a ：1 5 2 。一1 8 0 。) 图3 6 装置开环阶跃响应仿真波形h ：1 4 8 。- - - 1 8 0 。) 比较图3 - 3 和图3 - 2 ( c ) ，可以发现它们的命令触发角是一致的( 均为1 4 8 。) ，而 初始触发角不同，( 前者为1 4 9 。，后者为1 8 0 。) ，但是它们达到稳态的时间却基本一 致。不难得出结论：装置响应时问只与可控硅最终的命令导通角大小有关，而与装 2 5 华北电力大学硕士学位论文 置的初始状态无关，仿真结果与数学模型的分析是吻合的。 图3 4 、3 5 、3 - 6 的仿真结果验证了上述结论。当可控硅导通角为零时( 触发 角1 8 0 。) ，装置达到稳态的响应时伺快( 与上升时间相比) ；由于可控硅最终的导通 角均为零，因此不论装置初始处于何种状态，达到可控硅阻断的时间却是一致的( 约 一个工频周期) 。 3 2 3 同步信号 图3 7 是电容电压同步的开环阶跃波形。可见，以电容电压为同步信号会产生 较大的超调、振荡，此时用一阶惯性环节来描述t c s c 是不合适的，应研究更为准 确的数学模型。图形为t c s c 等效阻抗( i m p e d a n c e ) 波形曲线。 1 锄 1 7 5 1 5 0 1 4 2 5 1 4 & 7 5 1 a 5 d 1 3 2 5 1 3 0 0 1 2 7 5 岫：o r a 蛔 l ，、1 f ， ji ， ； ， ， 0 9 5 01 0 0 01 脚1 1 1 1 5 0 ( a ) 仿真波形：电压同步，开环阶跃1 8 0 。一1 6 0 。 脯：a r 咖 踟 3 2 5 3 0 0 撕 2 宣o 甾 a 鱼0 1 7 5 1 5 0 1 2 5 i ， + 1 、l t i | 、z“；4 ；r ， f - n ， 夕。； ( b ) 仂真波形：电压同步，开环阶跃1 8 0 。- 1 4 8 。 图3 7 电容电压同步下的开环阶跃波形 以电容电压为同步信号的开环控制方案，在动态过程中( 如阻抗阶跃、系统扰 动等) ，由于电容电压相位的抖动，会造成触发相角的精确度下降，引起t c s c 各个 电气参量的剧烈变化。若发生较大的系统故障，还会引起t c s c 自行进入高补偿状 态，造成串补电容严重过电压以及可控硅过流。因此，开环控制中，以线路电流为 同步信号较好1 2 5 1 。 可见，开环阻抗控制模式下，以线路电流同步的t c s c 是变时间常数的一阶惯 2 6 华北电力大学硕士学位论文 性环节，而以电容电压同步时，发生超调和振荡【2 6 1 。 3 2 4 闭环控制 闭环阻抗控制能够加快t c s c 响应的动态过程以及提高控制的精度 2 们闭环控 制除了有开环控制的查表过程外，触发角还能被由命令阻抗与实际阻抗的差值构成 的反馈量进行修正。图3 - 8 是闭环阻抗控制的原理框图。 图3 - 8 闭环阻抗控制的原理框图 闭环控制带来的效益首先是维持三相运行的对称性( 2 引。闭环控制的第二个效益是加 胁：a m t l t 一 i l ， ： 厂 l f， l 厂 f ( a ) 仿真波形：开环控制，阻抗阶跃1 0 p u 2 0 p u jl i 行 ， i r 厂 0 9 6 01 0 0 01 脚1 1 0 0 1 5 01 2 0 0t 2 5 01 3 0 0 ( b ) 仿真波形：