（电力系统及其自动化专业论文）可控串联补偿的特性分析与仿真研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 基于晶闸管的可控串联补偿装置( t c s c ) 是近年来串联补偿新 技术的代表，是灵活交流输电系统( f a c t s ) 中的重要成员，其结 构简单，造价低廉，具有潮流控制、阻尼线路功率振荡，提高系统 暂态稳定和抑制次同步振荡等多种功能，比较符合现代电网发展的 需求，在很多国家的实际电网中得到很好的应用，是各国f a c t s 实 践中首选的实用化装置。在带来各种好处的同时，由于t c s c 的引 入改变了系统结构，因此就可能给现有的电力系统带来某些影响。 为了保证电力系统的安全稳定运行，有必要对t c s c 模块，尤其是 其控制模块进行详细的建模仿真，以便于进一步地考察t c s c 对现 有继电保护系统的影响等。 本文首先在总结国内外文献的基础上概述了f a c t s 技术特别 是t c s c 的产生、发展及其研究和应用现状；接着详细介绍了t c s c 的电路结构、工作原理和工作模式，研究了t c s c 的阻抗特性和谐 波特性，并进行了仿真验证；最后介绍了t c s c 的控制系统及其各 层所采用的控制策略，在m a t l a b 中搭建仿真模型，探讨t c s c 的动 作行为。 关键词：柔性交流输电系统；晶闸管可控串联补偿；基频阻抗；仿 真 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 r c o n t r o l l e d s e r i e s c o m p e n s a t o r ( t c s c ) i s t h e r e p r e s e n t a t i v eo ft h en e wt e c h n o l o g yo fs e r i e sc o m p e n s a t o r s ，a n di s a n i m p o r t a n tm e m b e ro f t 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 tp o s s e s s e ss i m p l ec o n f i g u r a t i o n a n dc h e a p e r c o s t a n di th a sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha st i d a lc u r r e n tc o n t r o l l i n g ， d a m p i n gp o w e ro s c i l l a t i o n ，i m p r o v e m e n t o ft r a n s i e n ts t a t ea n d s u p p r e s s i n gs u b - s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ( s s r ) s oi t i st a l l yw i t ht h e d e m a n do ft h em o d e r ne l e c t r i cn e t w o r kd e v e l o p m e n t i np r e s e n t ，i t h a sb e e nu s e di nm a n yc o u n t r i e s ，a n dp l a y e da ni m p o r t a n tr o l e i ti s p r i m a r i l yi nt h ea p p l i c a t i o no ff a c t s a tt h es a m et i m e ，t h eu s eo f t h et c s cb r i n g so nt h ec h a n g eo ft h en e t w o r k i ti sp o s s i b l et ob r i n g a ni n f l u e n c et ot h ee x i s t i n gp o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，f o rt h es a f e l y a n ds t e a d i l yo ft h ep o w e rs y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h et c s c e s p e c i a l l yi t sc o n t r o l l i n gs y s t e m a n df o u n dad e t a i l e dm o d e l ，f o rt h e s t u d yo ft h ea d a p t a t i o no ft c s c o nt h ee x i s t i n gr e l a yp r o t e c t i o n a tf i r s t ，b a s e do ne x i s t i n gr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，t h ea r t i c l e i n t r o d u c e sf a c t sa n di t sd e v e l o p m e n t s ，a n dc u r r e n tr e s e a r c hs t a t u s w i t hf a c t s ，e s p e c i a l l yw i t ht c s c t h e ni t g i v e s ap a r t i c u l a r d e s c r i p t i o no ft h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft c s c a n a l y s i s t h ec h a r a c t e r so fh a r m o n i cw a v ea n dt h er e s i s t a n c eo nb a s i c f r e q u e n c yo ft c s c ，a n dd os o m ee m u l a t i o nt op r o v ei t sv a l i d i t y a t l a s t ，i ti n t r o d u c e st h ec o n t r o l l i n gs y s t e m a n dc o n t r o l l i n gt h e o r y a p p l i e do nt h et c s c a n dw ed i s c u s s e dt h ea c t i o no ft c s ct h r o u g h t h ed i g i t a ls i m u l a t i o ni nm a t l a b 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 ) ， 2 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 s i s t a n c eo fb a s i cf r e q u e n c y ，s i m u l a t i o n 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着电力系统的迅速发展，现代电网通过互联，形成了越来越 大的巨型电力系统。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i 临的主要问题之 一就是：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 3 山东大学硕士学位论文 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， 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。 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 1 e xib1ea c t r a ns m issio ns yste 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。其定义1 是一类以电力电子技术为基础并具有其它静止 控制器件的交流传输设备，它们能增强输电系统的可控能力，并增 大送电容量。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。 1 2f a c t s 技术的发展概况 在f a c t s 概念形成以前，取得广泛应用的f a c t s 控制器基本 上只有s v c ；而在此后，f a c t s 技术得到迅速的发展和推广，成为 电力工业近二十年来发展最快和影响最广的新兴技术领域之一。目 前已发明了近2 0 种f a c t s 控制器，部分已经商业化并取得良好的 成效，如s v c 、s t a t c o m 、t c s c 、u p f c 。f a c t s 技术深入发展和广泛 应用，使其成为解决现代电网诸多挑战的首要手段之一。从长远来 看，其产生的作用将更为深远，正如ie e e p e s 的d c 与f a c t s 分委 会的f a c t s 工作组在其报告中所指出的：“f a c t s 与先进控制中心 和整体自动化等技术所带来的非常深远的优越性已经被世人广泛 认可，它们预示着电力传输系统一个新时代的到来。 1 2 1f a c t s 的基本概念 4 灵活交流输电系统( fle xib1ea ct r a ns m issio nsyste m ) 简 山东大学硕士学位论文 称为f a c t s ，也曾译为柔性交流输电系统，是8 0 年代末，美国电力 研究所( e p r i ) 的n a r aing h in g o r a n i 博士提出来的概念。它最 早( 19 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 ni 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拍。3 ；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，ie e e 的f a c t s 工作组于19 97 年冬季会议上将f a c t s 定义为哺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。 1 2 2f 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 、常见的f a c t s 控制器的功能 5 山东大学硕士学位论文 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，表卜1 阳1 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。 表卜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、节无功补偿，电压控制，提 s v s v c s ，s t a t c o m点电压高电压、暂态和中长期稳 定性，阻尼功率振荡 s s g ( s m e s ，b e s s )注入有功无功功无功和有功补偿，电压控 率、节点电压制，自动发电控制( a g c ) ， 提高电压、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 ， 线路阻抗电压控制，潮流控制，提 s c c l 高电压、暂态和中长期稳 g c s c ，t c s r ，t s s r定性，阻尼功率振荡，限 制短路电流 s s s c ，i p f c线路压降电压控制，潮流控制，提 高电压、暂态和中长期稳 定性，阻尼功率振荡，在 并联的多回路间交换潮流 ( ip f c ) ，限制短路电流 t c p a r 相位差潮流控制，提高暂态和中 长期稳定性，阻尼功率振 荡 t c v r 电压差电压控制，无功潮流控制， 提高电压、暂态和中长期 稳定性，阻尼功率振荡 u p f c ( 带储能设备)节点电压、线路压无功( 和有功) 补偿，电 降及其相位压控制，潮流控制，提高 电压、暂态和中长期稳定 性，阻尼功率振荡，限制 短路电流 n g h s s rd a m p e r 线路的次同步频率阻尼s s r 阻抗 t c b r节点接地阻抗( 负提高暂态稳定性，阻尼功 荷)率振荡 t c v l 节点接地非线性负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 6 山东大学硕士学位论文 术经济指标进行具体比较，以选择最具性价比的实现方案。 2 、f a c t s 技术给电网带来的好处 总体来说，f a c t s 技术能给电网带来以下几种好处： ( 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 较传统的解决方法的优势 f a c t s 与传统解决方法的根本区别在于：f a c t s 是基于高速大容 量电力电子技术的，具有更好的控制功能，主要表现在以下几个方 面： ( 1 ) 更快的响应速度 传统解决方案的最后执行环节通常为机械开关，其动作时间为 卜4 个工频周期，甚至更长。而基于普通晶闸管的f a c t s 设备，最长 响应时间不超过一个周波，最短能达到毫秒级，甚至在整个控制流 程中可忽略不计。响应速度快可带来一系列好处，如更迅速地对系 统扰动做出反应，能对一些高频的动态过程进行调节，有利于设计 性能好的闭环控制器等。 ( 2 ) 更频繁的控制 机械开关每次动作后需等待一定时间才能再次动作，而f a c t s 控制器可以反复调节，随时动作。 7 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 连续控制能力 机械开关只有投切两种状态，因此只有离散控制能力。而 f a c t s 能在其运行范围内连续调节电网参数，具备连续控制能力。 如s v c 能提供其容量范围内任意的无功补偿功率，t c s c 能在其可调 阻抗内提供连续可控的串联补偿容抗或感抗。 ( 4 ) 更综合和更灵活的控制功能 传统解决方法功能单一，控制灵活性很差，而且会带来其他问 题，如f s c 可能引起ss r 。但f a c t s 控制器往往具有综合功能，通过 采用不同的控制规律和参数来切换或突出f a c t s 设备的控制功能， 具有良好的灵活性。 ( 5 ) 有功补偿能力 一些基于变换器的f a c t s 控制器可以与储能设备结合，具备补 偿有功功率的能力，从而能提供更强大的控制能力。 ( 6 ) 能克服传统解决方法的局限性 将传统的补偿设备( 如f s c ) 改为采用电力电子开关( 如晶闸 管) 进行控制，就能根据系统需要进行频繁的投切，采用适当的控 制规律后，不但能达到补偿的目的，还能有效抑制s s r 和低频功率 振荡，在提高线路传输能力的同时保证了系统的安全性。 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 高电网的动态性能和稳定水平，从而将传统的纯粹以来机械开关的 “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 2 3f 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。例如阳3 ，l9 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 ) ， 8 山东大学硕士学位论文 容量为2o m v a r ；l9 91 年在日本的i n u y a m a 换流站安装了一台 8 0 m v a r 的静止无功发生器；19 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； 19 95 年， 在美国的福纳西约翰城的s u 1 1iv a n 变电站 ( 5 0 0 k v l6lk v ) 安装了一台lo o m v a r 的静止无功发生器；德国西 门子的基于45 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 97 年四月在丹麦投入运行；2 0 01 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 tibles t a ricc o m p e n s a t o r ，c s c ) 的 第一阶段，即20 0 m v a r 的s t a t c o m 。 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，并且己在实际应用中取得了 成功。如们19 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25 ，全部可控。20 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 81k 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。 1 3 可控串补t c s c 的发展 1 3 1t c s c 出现的必要性 串联补偿在电力系统中的应用历史非常悠久，最早可以追溯到 19 2 8 年前后，纽约电网33 k v 系统曾采用串联电容补偿来实现潮流 均衡；l9 5 0 年，在瑞典的一个23o k v 电网中首次应用串联补偿装 置来提高输电系统的传输能力。此后，串联电容补偿成为远距离输 电中增大传输容量和提高稳定性的重要手段而得到大力的发展和 广泛的应用。 采用串联补偿可以改变传输线的等效阻抗或在线路中串入补 0 山东大学硕士学位论文 偿电压，方便地调节系统的有功无功潮流，从而有效地控制电力系 统的电压水平和功率平衡。因此，在线路上采用串联补偿能更好地 实现潮流控制，提高系统的电压稳定性、暂态稳定性和振荡稳定性， 抑制次同步谐振。 然而，研究表明1 ，随着固定串联补偿度的提高，即使其他传 输线路的损耗有所下降，但由于串联补偿线路的损耗增加，导致了 总的系统损耗的剧增。此外，串联补偿线路对网络故障响应灵敏度 的增加，可能使其负荷水平超出其本身已增加了的输送能力。这些 不希望的效应可以通过采用可控串联补偿代替固定串联补偿来避 免。串联补偿度可以根据某个时刻所需输送的功率水平而改变，但 是不会影响其他的系统性能指标。 1 3 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几点潜在的优点n 引： ( 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 1 0 山东大学硕士学位论文 闸管的动作而使电容器快速投入，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 3 3t c s c 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，因为其 潜在的经济性和性能效益，而且从系统保护的立场来看，它也可能 是最艰巨的，在各国f a c t s 实践中均为首选的实用化装置。自从 19 91 年第1 套t c s c 设备投运以来，目前世界上已经有1 1 套可控 串补设备投入商业运行，可控串补总建成容量达20 0 0 m v a r ，另外还 有一些可控串补项目正在建设和规划设计中。 在美国，到目前为止，分别由s ie m e ns ，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19 91 年a b b 公司改建的k a n a w h ar iv e r 变电站3 45 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；19 9 2 年 sie m e ns 公司建造的w a p a 电力系统k a y e n ta 变电站的22o k v 新型串联 补偿a s c 工程，用于提高线路传输能力；19 93 年g e 公司承担的b p a 电力系统s1a tt 变电站的5 0 0 k vt c s c 试验工程，用于阻尼功率振荡 和次同步谐振n 引。 19 99 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 le tr o n o r te 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 riz 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 sr 问题引。 2 0 03 年，a b b 公司承接了印度r a ipu r - r o u r ke1a412k m 40 0 k v 山东大学硕士学位论文 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 l la b h g a r h4 0 0 k v 线路的 b a l1a bh g a r h 处安装f s c 和t c s c 的工程。工程分2 个阶段：第1 个阶段设计建立35 的固定补偿，线路输电容量增加了大约12 0 m w ， 第2 阶段设计安装8 - 2 0 的t c s c n 3 1 。 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sie m e ns 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 c i 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 2o 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 “1 43 。 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，从而 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 4 本文的主要工作和章节安排 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，详细地研究了可控串补的结构、工作原理，分析了t c s c 的阻 抗特性和谐波特性。接着介绍了t c s c 的控制系统，最后对t c s c 的 仿真进行了初步的研究。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 的产生、发展及其应用现状，以及应用f a c t s 装置 1 2 山东大学硕士学位论文 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，并对其稳态基频阻抗特性和谐波特性进行了仿 真。 第三章详细介绍了t c s c 的控制触发系统。 第四章在m a t l a b 中搭建系统仿真模型，对t c s c 的仿真做了一 些研究。 第五章对本文的研究进行了小结，并对有待进一步开展的工作 进行了展望。 1 3 山东大学硕士学位论文 第二章：可控串联电容补偿( tc sc ) 的结构和工作原理 及特性分析 晶闸管控制串联电容器( th y r isto rc o n tr o 儿e ds e ries c a p a cito r ，t c s c ) 最早是在19 86 年由v ir h a y a thi1 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 j f 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，进而达到控制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 l 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。 ! 旦广一 c j ，、，o 、，、j - 一 图2 it 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 1 4 山东大学硕士学位论文 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。 fcr 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 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。 x c 图2 - 3t c s c 等效结构图 该l c 并联电路的等效阻抗z 叼可以表达为： z 叼2 卜去弘越) 一，：j 1 ( 2 - 1 ) t o l 1 5 山东大学硕士学位论文 如果w c 一( 1 础) 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。 如果以一( 1 础) = 0 ，会产生谐振，导致一个无穷大的容性阻抗。 如果们一( 1 础) 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，即等于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n5 1 6 1 ：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qw - - 18 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 。 q 18 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 1 6 山东大学硕士学位论文 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qm in q 18 0 。( qm in 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q 从18 0 。减小到qm in 时，循环电流 不断增大，当q = qm in 时，容许的t c s c 电抗的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 。q qm a x ( qm a x 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。 ( a ) _ - - - - - - - - - 一 ( b ) 1 7 山东大学硕士学位论文 ( c ) ( d ) 图2 - 4t c s c 的不同运行模式 ( a ) 晶闸管闭锁模式( b ) 晶闸管旁路模式 ( c ) 容性微调模式( d ) 感性微调模式 2 3t c s c 的数学模型及阻抗特性 2 3 1t c s c 的基频等效阻抗公式 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 指由电容器和可控电抗器( t c r ) 所组成的t c s c 电路在电力系统中工 作时，对应于f = 5 0 h z 时的基频下的等效阻抗。对于t c s c 的基频稳态 特性，很多文献中都有论述，并且采用了不同的激励源来进行分析， 计算可控串补稳态等值阻抗。根据参考文献 17 18 ，图2 5 为求 取可控串补稳态等值阻抗的分析电路。 1 8 山东大学硕士学位论文 图2 5可控串补等值阻抗的分析电路 当激励为电压源时： ( 2 2 ) 当激励为电流源时： x 。一1 + k 2 ( 2 a + s i i n 2 0 ) 一4 k 2 c o s 2 k t a n i ( k a ) i - t a n o 一 (2-3)tcsc 五 一瓦+ 石丽( 矿一j 瓦酽j ：广 、 式中： ， 庀zo 1 4 面 文献 17 中指出，由于t c s c 是串接在线路中，因而以电压源作 为主激励是不合适的，应当采取以电流源作为主激励的方法。 2 3 2t c s c 的稳态基频阻抗特性 正常情况下，t c s c 运行于微调控制模式，t c s c 表现为容性阻抗 特征。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。图2 - 6 给出了正常情况下t c s c 的阻抗特性。 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，则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。 1 9 山东大学硕士学位论文 2 3 3t c s c 的稳态基频阻抗特性的仿真 按照以电流源作为激励得到的基频稳态等效阻抗公式，在 m a t l a b 中仿真，得到t c s c 电抗随触发角口的变化特性曲线如图2 6 所示。由图可见，在电路参数( l 、c 等) 确定后，t c s c 的稳态基波阻 抗仅取决于t c r 支路的触发角口，通过动态改变触发角，即可达到 调节串联补偿阻抗的目的。 在谐振点处，t c s c 呈现为一个非常大的阻抗，并导致很大的 电压降落，通过在触发角上设置限制值以避开谐振区域。 图2 - 6k = 2 3 5 时t c s c 电抗随触发角a 的变化特性 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 3 。 山东大学硕士学位论文 图2 - 7 k = 4 10 时t c s c 电抗随触发角a 的变化特性 2 3 4t c s c 的动态基频阻抗特性 t c s c 的动态基频阻抗，是t c s c 在暂态运行过程中所表现出的等 效基频阻抗，对研究t c s c 对线路保护的影响具有非常重要的意义9 2 2 2 引。由于故障后暂态过程的复杂性，难以用准确的数学模型来描 述t c s c 的动态基频阻抗，因此文献 2 3 采用仿真计算的方法，通过 大量的仿真结果的分析来寻找动态基频阻抗的变化规律。 稳态运行情况下，t c s c 上的电压及通过t c s c 的电流均表现出正 ， ( 余) 弦规律，基频阻抗z = 州，。但在系统故障发生后的暂态过程中， 线路电流及t c s c 上的电压除含有基频分量外，还含有衰减的直流分 量及谐波分量。将电压、电流分量经带通滤波后利用全周期傅立叶 算法，可以求出电压、电流的基频分量矿j 、，。，我们用电压、电 流的基频分量矿d 、，d 之比来表示动态基频阻抗z d ，即z d = 圪l 。 文献 23 中，采用了图2 8 所示的仿真系统，给出了仿真的数 据，主要参数如下：固定串补度= 25 ，可控串补度= 4 6 ，l c 回路的 谐振频率为2 4 2p u ，c = 23 8uf ，l = 7 16 m h 。 2 1 山东大学硕士学位论文 图2 8 仿真系统示意图 仿真计算以某时刻前一个周波的电压、电流数据为基础进行傅 氏分析求基频电压、电流分量，然后求基波动态阻抗。计算表明， t c s c 动态基频阻抗与滤波器、触发角、短路时刻、短路地点及短路 后t c s c 采取的保护方式等多种因素有关。在分相控制方式下，触发 角、短路时刻及短路地点的不同只是影响阻抗幅值和阻抗角的大 小，对阻抗变化规律没有大的影响，而短路后t c s c 是否旁路对t c s c 动态基频阻抗的变化却有很大影响。 ( 1 ) 故障后t c s c 旁路与否对动态基频阻抗的影响 文献 23 通过对大量的仿真结果的分析和归纳，得出了阻抗的 如下变化规律： 1 ) 阻抗幅值变化规律 若故障后t c s c 不旁路，其动态基频阻抗幅值随时间变化先减 小，然后逐渐上升，当达到最大值后开始衰减并趋于一个稳定值， 呈现出一个超调过程；若t c s c 在故障后能准确地实现旁路，短路发 生一个周波以后，t c s c 的动态基频阻抗随时间衰减并趋于一个稳定 值。 2 ) 阻抗角变化规律 t c s c 阻抗角变化规律也与故障后t c s c 的应对策略有关。如果 t c s c 实现旁路，t c s c 的阻抗角由第三象限顺时针变化到接近9 0 。； 若不旁路，则由第三象限变化到接近- 9 0 。 总的来说，t c s c 动态基频阻抗的特性如下： t c s c 的电容被旁路时，t c s c 的电抗部分随时间递增，由容性 逐渐变为感性。电阻部分也呈递增趋势，由负值逐渐变为0 。 当t c s c 的电容不被旁路时，t c s c 的电抗部分与电阻部分都呈 现随时间先增后减的