（电力系统及其自动化专业论文）基于可控电抗器的串联补偿研究与设计.pdf

a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t a so n eo ff a c t s ，t c s cc a l lf l e x i b l ya n d e f f e c t i v e l ya d j u s tc i r c u i t r yi m p e d a n c e t h u s ，i t h a so b v i o u se f f e c to ni m p r o v i n gt e m p o r a r ys t a b i l i t y , r e s t r a i n i n gp o w e ro s c i l l a t i o na n ds u b s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ( s s r ) o f t h es y s t e m t h i s p a p e ra n a l y z e sa n ds u m su pt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft c s ca n dp o i n t so u t i t s d i s a d v a n t a g e t h a ti s ，i t sr e l i a b i l i t yi sa f f e c t e db e c a u s et h y r i s t o ro ft c r i sd i r e c t l yc o n n e c t e d t om a i nl o o pi ns e r i e s ，w h i c hd e m a n d sm a n yt h y r i s t o r sc o n n e c t i n gi ns e r i e st oc o u n t e r a c tt h e h i g hv o l t a g e b ya n a l y z i n gd e m a n d so nc o n t r o l l a b l er e a c m rf r o mt c ta n das e r i e so f c h a r a c t e r i s t i c so ft c tc o n t r o l l e db yt h y r i s t o r , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h em e t h o do fu s i n g n e wt c t - b a s e dc o n t r o l l a b l es e r i e sc o m p e n s a t i o nt oc o m p e n s a t ed i s a d v a n t a g eo ft c s c i nt h i sp a p e r 。sc o n t e n t ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft c ti sd e d u c t e d ，s i m p l i f i e de q u i v a l e n t c i r c u i ti sg i v e na n dm a i nl o o po ft c t - b a s e dc o n t r o l l a b l es e r i e sc o m p e n s a t i o ni sc o n s t r u c t e d a c c o r d i n gt ot h ei d e a ls t r u c t u r eo ft c ti d e a l l ya d d r e s s e d 谢me x c i t a t i o ni m p e d a n c e b e s i d e s ， b yd e d u c t i n gt c t - b a s e dc o n t r o l l a b l es e r i e sc o m p e n s a t i o nw i t l lt o p o l o g i c a lm e t h o d ，t h i sp a p e r g i v e sw a y so fc h o o s i n gk e yp a r a m e t e ro ft h ee q u i p m e n ta n da n a l y z e so p e r a t i o n a ll i m i t a t i o n u n d e rr a t i n gp a r a m e t e r e q u i v a l e mi m p e d a n c ec o n t r o lo ff o u n d a t i o nf r e q u e n c yi st h eb a s i ca i mo ft c t - b a s e d c o n t r o l l a b l es e r i e sc o m p e n s a t i o nc o n t r 0 1 i t sr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ch a sad i r e c tb e a r i n go ni t s f u n c t i o n t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo fv a r i o u ss y n c h r o n o u ss i g n a l so ni m p e d a n c e c o n t r o lb yb u i l d i n gad e t a i l e ds i m u l a t i o nm o d e li nm a t l a b s p s w h a t sm o r e ，t h i sp a p e r d e s i g n sac l o s e dl o o pi m p e d a n c ec o n t r o l l e ro fn e u r o ns e l f - a d a p t i v ep i da n dp r o v e st h ee f f e c t o fd e s i g n e dc o n t r o l l e ri sa p p a r e n t l yb e t t e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n a lp i d t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h es t a b i l i t yo fo n em a c h i n ei n f i n i t eb u sw i t hc o n t r o l l a b l es e r i e s c o m p e n s a t i o n ，d e s i g n ss t e a d yn o n - l i n e a rv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e ri n t e g r a t i n gt h es e r i o u s n o n - l i n e a ra n dv a r i a b l er u n n i n gp r o c e s so fp o w e rs y s t e ma n dc o m p l e t es e l f - a d a p t a b i l i t yo f v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la g a i n s td i s t u r b a n c ea n dp a r a m e t e rc h a n g e s i na d d i t i o n ，t h i sp a p e r i l l u s t r a t e st h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rh a se x c e l l e n tc o n t r o l l i n ga b i l i t ya n dr o b u s t n e s s k e y w o r d s ：s e r i e sc o m p e n s a t i o n ，t c t , t c r , t c s c ，n e u r o n ，v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l i i 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含我为获得任何其 它学位而使用过的材料。其他人员对本学位论文所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名垒迭l 丑乏i 一 关于本学位论文使用授权的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档，有权送 交给有资质的信息档案机构存档。除在保密期内的保密论文外，本论 文允许被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容。上述事项授 权南京理工大学研究生院办理。 作者签名 硕士论文基于可控电抗器的串联补偿研究与设计 1 绪论 1 1 研究背景及意义 我国幅员辽阔，一次能源分布和生产力发展水平很不均衡，煤炭储量的8 2 和可开 发水电资源的6 7 都集中在西部地区，而能源和电力需求主要集中在东部和中部经济发 达地区。这种能源分布与消费的地域不平衡状况决定了能源资源必须在全国范围内优化 配置，因此远距离、大容量输电已成为不可回避的现实问题。近年来，我国电网已经出 现超高压、远距离、大容量的特征，特别是三峡水电厂的并网发电极大地促进全国联网 的实现，电力系统已经进入了大系统、超高压、跨区域联网的新阶段。当前，随着电力 运营模式由传统的发、输、配统一管理和运行机制，逐步向发、输、配分别作为独立实 体参与竞争的电力市场运行机制转化，电力系统运行更加复杂化。运行方式的多变性， 要求更加快速有效的稳定控制手段。同时，国民经济的飞速发展，对电力供应的要求越 来越高，为了更合理的利用有限的资源，节约投资和运行费用，增加对用户供电的可靠 性，越来越多的区域电网实现了互联。社会经济的发展促使现代输电网的管理和运营模 式发生变革，这对其安全、稳定、高效、灵活运行的控制要求日益提高，从而急需发展 新的调节手段，提高其可控性。 f a c t s ( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 的出现为现代电力发展带来了新的生机。 所谓f a c t s ，又称灵活交流输电系统或柔性交流输电系统，是泛指利用电力电子或其他 静止型控制器的一类电力装置，它们的应用可以增大交流输电系统电力传输能力和加强 其可控性。其特点是把现代电力电子技术和现代自动控制技术结合到一起，用大功率可 控硅元件代替传统的阻抗、功角、电压控制元件上的机械式电力设备，从而使影响电力 系统动静态特性的主要电气参数( 电压、输电线路阻抗和功角) ，使其可按系统需要快 速灵活地调整，为交流输电网提供快速、连续和精确的控制以及优化潮流的能力，可以 在不改变网络结构的情况下提高电网的输电能力，增强对电压和潮流的可控性【l 】。由于 它在提高输电系统的输送功率和潮流控制能力以及改善电力系统稳定性，抑制系统振荡 等方面具有明显的作用，因此被国内外一些权威的输电技术研究工作者认为是“未来输 电系统的三项支持技术( 柔性输电技术、先进的控制中心技术和综合自动化技术) 之一 2 1 ，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【3 ，4 1 。通过将飞速发展的电力电子技术引入 到电力传输系统中，可以为电力系统提供理想的控制手段，使得原来基本不可控的电网 变得完全可控。 随着国民经济的高速发展，社会对电力的需求与日剧增，原规划的线路已经不能提 供足够的传输能力。再加上一些大型区域性的发电厂的建设和投入，能量的对外输送存 l 1 绪论 硕士论文 在瓶颈。因为土地征用、环境等问题，新建线路将变得越来越困难。绝大多数线路传输 容量并没有达到其热稳的极限，因此开发这部分的输电能力具有极大的实际意义。串联 电容器补偿是目前解决这一问题最可行的方案，从经济性的角度来看，对于同样的功率 传输要求，采用串联补偿装置的投资通常不到建造一条相应输电线路投资的1 0 ，而且 通过串联电容器补偿提高系统传输稳定性所产生的经济效益能在很短的时间内就可以 收回补偿设备投资的费用【5 1 。串联电容器补偿技术对于提高系统电压调节能力、改善系 统无功功率平衡和电网的潮流分布等都具有重要的作用【6 】。可控串联电容器补偿是在常 规串联电容器补偿的基础上发展而来的，它除了具备传统串联电容器补偿技术的优势 外，还具有抑制次同步谐振( s u bs y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ，s s r ) 、阻尼功率振荡、提高 暂态系统稳定性以及进行动态潮流控制和电压控制等功能。由此可见对可控串联电容器 补偿的研究有着重要的理论价值和社会经济效益。 1 2 可控串补研究现状 晶闸管控制的串联补偿( 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 ) 属于f a c t s 家 族中的重要一员，它是指在一个交流输电系统中应用阻抗补偿，实现对输电线路阻抗的 控制。它有以下两种结构1 7 】： 1 ) 晶闸管投切的串联电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e ds e r i e sc a p a c i t o r , t s s c ) 晶闸管投切串联电容器单相电路结构如图1 2 1 所示，它是由一系列的电容器串联 组成，每个电容器都并联一个适当容量的晶闸管旁路，t s s c 是通过投入或旁路串联电 容器来改变串联补偿度的，因此不能做到阻抗的平滑调节。 c 1 c 2c n 图1 2 1t s s c 电路结构 2 ) 晶闸管控制的串联电容器( 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 , t c s c ) 晶闸管控制的串联电容器，即可控串联电容器补偿，通常文献将其简称为可控串联 补偿。它最早是在1 9 8 6 年由v i r h a y a t h i l 等人作为一种快速调节网络阻抗的方法提出来 的，其单相电路结构如图1 2 2 所示，它是由串联电容器和晶闸管控制的电抗器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r , t c r ) 并联组成，通过控制晶闸管的触发角可连续改变电感支路的电 流，等效于连续改变电感支路感抗的大小，进而改变了电容和晶闸管控制电抗器的并联 等效阻抗，这种结构可以连续调节装置的阻抗。 2 硕士论文基于可控电抗器的串联补偿研究与设计 c 图1 2 2t c s c 电路结构 1 2 1 可控串联补偿的工程运用情况 在f a c t s 和d f a c t s ( d i s t r i b u t i o nf l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 领域，一些 发达国家( 如美国、日本、德国) 在上世纪8 0 年代初就开始研究了。8 0 年代末至9 0 年代，一系列产品和示范工程问世，如1 9 9 2 年美国在k a y e n t a 变电站安装了一套由 s i e m e n s 公司制造的晶闸管控制的串联补偿( t c s c ) 装置，在电工届引起很大震动。 国内对于t c s c 的研究起步较国外晚，直到1 9 9 1 年文献【8 】才首次把灵活交流输电 的概念引入中国，并提到了可控硅调节的串联电容补偿。国内从1 9 9 6 年起，在国家自 然科学基金会、原电力部和原东北电管局的联合资助下，由电力科学研究院、原东北电 管局、东北电力设计院，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) 和天( 生桥) 广( 州) 线及其它后续串联补偿及可控串联补偿工 程的建设和投运的研究取得了一系列的成果。其中以5 0 0 k v 伊( 敏) 冯( 屯) 输电线路 装设可控串补为背景，系统地进行了可控串补的控制理论、系统应用、关键技术和工程 化研究，并研制了t c s c 样机【9 一o l 。2 0 0 3 年我国第一个t c s c 工程在南方电网天广线上 投运，这也是亚洲的第一例5 0 0 k v 可控串补工程。2 0 0 5 年中国电力科学院自主研制了 第一套国产化t c s c 装置在甘肃壁口成县2 2 0 k v 电网投运，这标志我国具有了t c s c 国产化的能力，使我国成为继瑞典、德国、美国之后第四个掌握t c s c 技术并拥有完全 知识产权的国家，打破了西方发达国家在串补和可控串补技术方面的垄断地位，实现了 历史性的突破，提高了我国电网输送能力和稳定水平，是我国柔性输电技术发展史上的 一个里程碑。 国内外已经有多套t c s c 工程投运，表1 2 1 1 列举了几个重要的工程【l l 】，数据截至 2 0 0 7 年底。 3 1 绪论硕士论文 表1 2 1 1 国内外重要t c s ci 程列表 投运 装置 制造商，电压等控制模式主要应用效果 时间类型用户级瓜v 1 9 9 2a s c德国西门2 3 0开环阻抗控制、闭提高线路的传输容量张愉容 ( f s c ! 子美国环电流控制、晶闸量从3 0 0 m w 提高到 t c s c ) 西部电力管投切电感、普通 4 0 0 m g o t 连续调节线路潮流、 局固定电容补偿减少短路电力、抑制s s r 1 9 9 3t c s c g e ，e p r f5 0 0阻抗控制、阻尼控提高暂态稳定和传输容量，抑 美国b p a 制、潮流控制、暂制低频振荡很s s r 态稳定控制、s s r 抑制 1 9 9 8f s c a b b 瑞4 0 0 s s r 抑制提高传输能力，抑制s s r t c s c典电力 1 9 9 9f s c a b b 、西5 0 0 阻尼功率振荡控能有效抑制巴西南北电网互 t c s c门子巴( 最高制联引起的区间低频振荡，实现 西南北联 5 5 0 ) 双向传输1 3 0 0 m w 网 2 0 0 0t c s c 西门子 5 0 0 动态稳定，潮流控提高传输容量 美国制 2 0 0 3f s c 西门子 5 0 0 阻抗控制、阻尼控抑制低频振荡和s s r ，提高暂 t c s c 中国南方制、潮流控制、暂态稳定性和传输容量 电网 态稳定控制、s s r 抑制 2 0 0 5t c s c电科院2 2 0阻抗控制、阻尼控 抑制低频振荡，提高暂态稳定 甘肃省网制、暂态稳定控制性和传输容量，改善电压质量 2 0 0 7t c s c电科院5 0 0阻抗控制、阻尼控抑制低频振荡，提高暂态稳定 东北电网制、潮流控制、暂性和传输容量，改善电压质量 ( 伊冯)态稳定控制、s s r 抑制 1 2 2 可控串补的理论研究现状 国内外针对t c s c 的应用问题开展了大量卓有成效的研究工作。研究的主要内容包 括：t c s c 建模仿真及动态模拟研究、t c s c 阻抗控制策略研究、t c s c 特性分析以及 t c s c 在系统中运用研究等。为了说明t c s c 在国内外的研究情况，文中从以下三个方 4 硕士论文基于可控电抗器的串联补偿研究与设计 面来叙述： 第一方面：t c s c 建模及阻抗控制研究 数学模型是描述一个系统静态和动态特性的信息集合，是分析和综合系统的基本出 发点。建立一个实用的、能详细反映t c s c 性质的数学模型是t c s c 研究的重要课题。 模型又可分为暂态模型和稳态模型，暂态模型用来分析系统的动态特性和行为，便于电 磁暂态过程的数字仿真，而稳态模型则考虑系统的输入输出特性，这对于描述电力系统 的行为以及潮流控制有帮助。 由于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 开闭) ，这给它的建模带来了困难。目前的建模方法主要有两种【1 2 】：拓扑建模法与输出 建模法。拓扑建模法主要根据装置在不同运行状态下不同的拓扑结构分别写出其微分方 程，然后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求解所对应的微 分方程组；而输出建模法比较简单，通常将装置等效为一个电流源或电压源外接阻抗， 再考虑装置本身的一些约束条件，从而得到一组联立方程，但它忽略了装置内部信息， 不利于分析装置的内部特性。文献 1 3 1 求出了t c s c 基于不同状态下的解析表达式，进 而导出了其稳态模型。文献 1 4 i j i 入了开关函数，建立了描述t c s c 电路拓扑变化暂态 过程的解析数学模型。文献 1 5 】分析了t c s c 稳态运行的阻抗调节特性及电抗器参数对 于基频等值阻抗特性的影响。文献 1 6 1 为提高t c s c 模型精度在推导过程中考虑了电容 电压的谐波特性，同时有效解决了动态相量法本身固有的状态空间方程阶数随着计及频 率成分增加而迅速增长问题，使得t c s c 的动态特性最终由一个两阶的状态空间方程描 述，仿真结果表明，该模型在整个容性工作区域都有较高的精度。文献【1 7 】提出了采用 模糊控制来整定p i d 的控制参数，文中得出了比较理想的结果，但是它把t c s c 装置用 一个理想的一阶惯性环节模型来处理，这对于在中层阻抗控制是不合适的，整定出来的 参数也没有多大的实际意义，对于上层控制可以把装置等效为一个惯性环节。对仿真方 面的模型研究有：文献 1 8 】提出了一种用于稳定分析的t c s c 模型，并讨论扩展该模型 用于长期稳定分析；文献【1 9 】提出一种用于潮流分析的串补模型，并进行了三相平衡及 不平衡条件下的潮流分析；文献【2 0 】利用数值仿真程序和所研制的动模装置对t c s c 的 稳态及动态阻抗特性进行了研究，重点分析了以电容电压和线路电流作为同步信号时的 阻抗阶跃特性，并提出闭环阻抗控制，用以改善以电容电压为同步信号时t c s c 的阻抗 阶跃特性。 第二方面：系统级应用控制研究 系统级应用控制方面是根据可控串联补偿装置能够快速的调节阻抗，改变电力系统 的网络结构参数而获得的一系列的运用，如表1 2 1 1 所示。其控制方式可分为：阻尼控 制、潮流控制、暂态稳定控制、s s r 抑制等。系统级应用控制根据其所用控制理论可分 为三类： 5 1 绪论 硕士论文 线性控制理论 实际应用的线性控制系统实质上就是在数学模型中，以非线性解析函数在某一平衡 状态的全微分代替其增量。在t c s c 的应用方面，线性控制理论主要包括基于频率相位 分析的阻尼控制，线性p i d 控制，基于特征根分析和极点配置技术的阻尼控制，线性最 优控制等。如文献【2 1 】分别采用全状态反馈控制，线性二次型最优控制和输出反馈最优 控制设计了用于阻尼低频振荡的t c s c 控制器；文献 2 2 1 以输出反馈控制方法对t c s c 进行了控制规律的研究，并以单机无穷大系统为例，采用特征值分析和时域仿真方法研 究了所提控制方案在提高电力系统动态、静态和暂态稳定性中的作用。 这种在一定的运行点和运行状态下进行设计的控制器，在此运行点附近阻尼摇摆很 有效，由于电力系统的强非线性，当运行点有较大偏移或系统遭受较大扰动时，很难保 证其仍然具有良好的性能，严重时甚至可能引起相反的作用。 非线性控制理论 由于电力系统固有的非线性特性，随着非线性控制理论的深入研究，非线性控制在 电力系统中的应用也得到了相当的发展。常见的非线性控制方法有：精确反馈线性化方 法、非线性h 控制、变结构控制、l y p a u n o v 直接控制方法、b a e k s t e p p i n g 控制、基于 能量的控制方法、自适应控制等。如文献【2 3 】对t c s c 装置在电力系统中采用p i d 控制 及基于微分几何仿射非线性系统理论的非线性控制方式进行了研究。以单机无穷大系统 中的固定电容补偿，常规p i d 控制及非线性控制方式的t c s c 为例，说明t c s c 的非线 性控制具有明显改善系统动态稳定性的作用。文献 2 4 】针对发电机阻尼系数不能精确测 量的情况，提出用自适应逆推方法设计稳定控制器，仿真结果表明所设计的稳定控制器 能快速抑制振荡，保证单机无穷大系统的暂态稳定。文献 2 5 】将逆推方法与k 性能准则 相结合，设计了多机系统t c s c 非线性鲁棒控制器，该控制器可以抑制干扰对系统输出 的影响，为多机系统的设计提供了指导。文献 2 6 】设计了t c s c 非线性p i 预测控制器， 通过仿真说明了其控制效果优于p i 控制。文献【2 7 】将微分几何理论和p i d 控制方法相结 合，设计了t c s c 的非线性控制系统。建立双机模型进行动态仿真，结果表明该控制系 统在提高系统暂态稳定性方面有很好的作用。 非线性控制能反映电力系统的非线性特性和不确定性，因而往往具有较好的适应性 和鲁棒性。但是，它们自身也有缺点，例如其理论比较深奥，控制器结构比较复杂，往 往需要大量的计算和获取远方信号，因此使其在实际工程中的应用受到一定的限制。 综合智能控制理论 鉴于传统控制器设计方法在以上方面的不足，现在很多研究人员将智能控制引入到 t c s c 的控制器设计中来。这些方法可用于直接设计t c s c 控制器，也可作为其它设计 方法的辅助工具，如确定优化控制参数等。文献 2 8 ，2 9 分别应用模糊集和变结构，设 计了t c s c 的智能控制器。文献【3 0 】利用神经网络0 【阶逆系统等人工智能理论，设计了 6 硕士论文 基于可控电抗器的串联补偿研究与设计 t c s c 的智能控制器；此外，多种控制方式的结合也成为控制策略研究的新热点，文献 r 31 1 设计了t c s c 的模糊神经网络控制器。 相比传统的线性和非线性理论，它们具有智能性、鲁棒性、自适应性、容错性等优 势。但是各种智能控制方法，存在各自的问题，如复杂系统的模糊控制在知识获取和描 述方面有一定的困难：大系统的遗传算法计算量十分巨大：神经元网络的训练比较困难， 并且对于超出训练范围的样本，其性能也无法保证。因此，在实际工程中采用智能控制 时，应根据具体问题选择适宜的方法。 第三方面：装置研制 1 9 9 6 年，中国电力科学研究院、清华大学、上海交通大学和东南大学与东北电力局 合作，在国家自然科学基金的支持下开始联合研究可控串联电容补偿装置( t c s c ) 。其 中电力科学研究院研究t c s c 装置的过电压绝缘问题，清华大学负责研究t c s c 装置的 动态物理模型及其控制规律，上海交通大学和东南大学则负责研究次同步振荡( s s r ) 及其它问题。该项目已经在2 0 0 0 年7 月通过验收及鉴定。 东南大学对可控串联电容补偿( t c s c ) 控制器对潮流的控制、稳定控制、次同步振 荡等机理与控制策略展开了研究，已取得了重要理论研究成果，并完成了一套t c s c 的 物理模拟装置。 山东大学电力学院电力系统动态模拟实验室，建立了一套晶闸管控制串联补偿的物 理模拟实验系统，对t c s c 数字仿真结果进行了实验验证，从而展开了对t c s c 的深入 研究，为我国广泛应用t c s c 打下了基础。这套动模实验装置到目前所做的阶段性工作 主要有【3 2 。4 】：总结了限制t c s c 工作能力的因素，提出了主电路设计的基本原则：在模 拟触发控制的基础上，以电容电压为同步信号，实现了t c s c 样机的正常运行，得到了 样机的主要技术指标：在数值仿真的基础上，研究了电抗器支路品质因数对t c s c 阻抗 特性和谐波特性的影响，并从理论和实验两个方面对分析结果进行了验证。 1 2 3 目前存在的不足 虽然目前t c s c 已经运用在实际工程中，但它还存在以下的一些不足： 1 ) 由于晶闸管串联在主回路中，目前晶闸管的耐压水平还不够高，必须由多级晶 闸管串联和并联来承受高电压和大电流，如在平果可控串联补偿( t c s c ) 中晶闸管串 联1 1 级【3 5 1 ，成碧可控串联补偿( t c s c ) 的晶闸管串联达到了2 6 级【3 6 1 ，由于多级晶闸 管的串联其可靠性会受到影响。 2 ) 晶闸管阀串联在主回路中，功耗大导致温度很高需要另配散热装置，投资大， 管理运行复杂。 3 ) 晶闸管阀串联在主回路中，运行于高电位，对绝缘要求很高，取能回路复杂， 这也是导致高压晶闸管价格高的主要因素。 7 1 绪论 硕士论文 4 ) 采用电触发的晶闸管故障率比较高，而光触发稳定性虽好价格却很昂贵。 5 ) 普通的空心电抗器产生很强的磁场，对运行人员身体健康危害很大。 由于t c s c 造价昂贵、维护复杂，所以在超、特高压中广泛使用还不太现实。针对 t c s c 存在其自身的技术的弱点，就目前能检索到的文献来看，国内贵州大学正在研究 用变耦式可控电抗器与电容串联来实现可控串联补偿，并取得了一系列的成果印_ 引，该 种方案采用的是电容和变耦式电抗器串联，调节变耦式可控电抗器的电抗值来改变电容 和电抗的总阻抗变化实现潮流控制，在相同的补偿度情况下这种方案所需电容器容量比 t c s c 高，补偿最高容量取决于电容器的最高容量，经过后期的研究发现这种方案并不 理想( 3 9 】。 1 3 论文的主要工作及章节安排 本文首先分析和总结了可控串联补偿( t c s c ) 的研究现状，经过分析得出t c s c 存在的不足，其不足在于晶闸管控制的电抗器支路，由于晶闸管控制的电抗器等效于一 个可控的电抗器，故通过改进晶闸管控制的电抗器支路，构造新的可控串联补偿装置有 望解决目前t c s c 的不足。文中首次提出了运用晶闸管控制的变压器式可控电抗器 ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r ，t c t ) 来构造新型的可控串联补偿装置。文中研究 了t c t 的特性，设计了新型可控串补的阻抗控制器，研究了其在电力系统稳定控制中 的应用，并设计了非线性变结构稳定控制器。文章以可控串联补偿为研究对象，按照可 控串联补偿的分层( 底层设计、中层控制、上层控制) 思想，将全文章节安排如下： 第一章概述了课题的研究背景及意义、总结了t c s c 的研究现状及其应用情况，提 出了课题的研究范围，最后介绍了本课题的主要工作和安排了全文的章节。 第二章总结了可控电抗器的分类及其研究现状，并结合可控串联补偿对可控电抗器 的要求，选择了合适的可控电抗器来改进可控串联补偿装置，最后推导了晶闸管控制的 变压器式可控电抗器( t c t ) 的数学模型。 第三章分析了可控串补的基本工作原理，总结了其功能。通过晶闸管控制的变压器 式可控电抗器( t c t ) 构造了新型的串联补偿装置，分析了t c t 与t c r 的等效性，用 拓扑法推导出了t c t 式可控串补的阻抗公式，研究了元件的参数选择依据及其运行限 制。 第四章对t c t 式可控串联补偿装置的阻抗控制进行了深入的研究，包括阻抗仿真 模型和控制表的建立、同步信号的选择。分析了阻抗的开环控制和闭环控制，设计了基 于单神经元的自适应p i d 阻抗控制器。 第五章结合可控串联补偿装置的功能，用变结构控制理论设计了提高系统暂态稳定 的非线性稳定控制器，并通过大量的仿真验证了其有效性。 第六章对全文做了总结，并指出了有待进一步研究的方面。 8 硕士论文基于可控电抗器的串联补偿研究与设计 2 可控电抗器选型分析及数学模型 2 1 可控电抗器的分类 随着现代工业的发展，对电力系统的系统稳定和电能质量等的要求越来越高。可控 电抗器作为电抗器的一个重要分支，作为电压控制和无功补偿的主要元件，可以提高系 统稳定，改善电能质量，其应用范围相当广泛。可控电抗器分类【5 叼如下： i 传统可控电抗器 翥墨藻式 ii 交流可控电抗器 可控电抗器 磁控电抗器 直流可控电抗器j 蓑篙妻萼霎电抗器 lii 正交磁芯可控电抗器 i 晶闸管控制电抗器 l p w m 控制电抗器 摹 、 传统可控电抗器 调匝式：改变电抗器绕组的匝数是一种有效的改变电抗的方法，匝数的较小改变可 导致电抗值较大的改变。具有成本低、调节方便的优点。但存在的问题是：电感不能平 滑调节，补偿效果不能达到最佳状态。 调节气隙式：通过调节铁芯气隙改变电感。它可以连续调节，结构简单，线性度好。 缺点是需要较为精密的机械传动装置，响应速度慢，噪声大，有时会因灰尘、污垢等引 起机械动作失灵。 晶闸管控制变压器式可控电抗器 晶闸管控制变压器式可控电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r ，t c t ) 结构如 图2 1 1 所示。文中将其称为t c t 式可控电抗器，它是在t c r 基础上发展起来的一种 可控电抗器。其中高压主绕组1 和低压控制绕组2 之间漏抗电压为1 0 0 ( 即高漏抗变 压器，所以有文献也称其为高漏抗变压器式可控电抗器) ，s w 为双向晶闸管，改变它们 的导通角，电抗值可在开路电抗与短路电抗间平滑调节 4 0 一1 1 ，绕组2 的电压很低，故晶 闸管的选择比较容易。图2 1 1 中绕组3 为补偿绕组，它与其他两相的相应绕组接成三 角形，以便为3 及3 的倍数次谐波电流提供通道而不使其注入电网。这种电抗器的特点 是其响应时间极短，只有0 0 1 s ，其速度和t c r 相当，这说明其速度满足可控串补的要 求。 9 2 可控电抗器选型分析及数学模型 硕士论文 3 号 2 号 图2 1 1t c t 式可控电抗器 基于磁通控制式可控电抗器 基于磁通控制式可控电抗器是一种新的可控电抗器【4 2 1 。它通过在带气隙的变压器的 二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流成比例的电流，改变二次侧注入电流的大 小即可实现变压器一次侧等效阻抗的连续可调。与现有的可控电抗器相比，此可控电抗 器铁心不饱和，从原理上来讲不产生谐波，可以实现电抗值的无极可调。这种电抗器目 前尚处于理论研究阶段。 正交磁心式可控电抗器 正交磁心式可控电抗器是直流可控电抗器中起步较晚的一种采用特殊的正交铁心 结构的可控电抗器，副边绕组磁场和原边绕组磁场在空间上正交。正交磁心式结构使直 流控制绕组中不会感应交流侧的感应电势，同时还可以通过改变直流控制绕组中的电流 来改变铁心中的磁通，进而达到控制电抗的目的。通过在铁心中开一定大小的气隙可以 降低可控电抗器的谐波成分。因而正交磁心式可控电抗器具有控制简单，谐波含量小的 优点。 变耦式可控电抗器 变耦式可控电抗装置 3 7 - 3 9 , 4 3 1 是一种串联型的装置，其接线原理如图2 1 2 所示，三 相串联互感器t i 和t 2 的一次侧串联后接入同一三相输电线路中，二次侧经晶闸管开关 装置联接，晶闸管开关装置可以改变两个串联互感器二次侧的联结组别或任意一个二次 绕组匝数，进而改变每个互感器的磁耦合。当电流流过两个互感器一次侧时，将在铁心 中产生自感磁通。二次侧绕组中的感应电流将产生互感磁通。一次绕组的电流一定时， 自感磁通不变，但二次绕组的电流大小和相位可以通过控制晶闸管开关装置来改变，故 铁心中的互感磁通和合成磁通也改变，从而改变了每个互感器一次侧的等效电抗m 。 1 0 直流助磁式可控电抗器 图2 1 2 变耦式可控电抗器 硕士论文 基于可控电抗器的串联补偿研究与设计 直流可控电抗器( d c c r ) 是借助控制回路的直流电流来改变铁心的磁饱和程度， 从而改变电抗器的电感值。直流可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的。 如图2 1 3 所示为一种直流助磁式可控电抗器( c s r ) 【4 5 4 6 1 。中间主铁心柱一分为 二，分别绕以上、下两个绕组，中间部分交叉连接，a a 两端分别接到交流电源两端。 此外，另有两个绕组由外接电源和晶闸管供电，由此产生的直流助磁在两个分裂铁心柱 内自我闭合而不向边柱铁心流出。改变晶闸管的导通角，即可改变直流助磁绕组的电流 大小，从而通过改变分裂铁心柱的饱和程度来调节电抗器。这种可控电抗器控制策略易 于实现，控制精度高，控制系统较简单，动态性能好，响应速度快，在超高压电力系统 中已有成功应用的范例，但它也存在缺点，就是有功损耗比较大。 嵫 = _ c 辜 a 占 主 百、 v t 旁轭 n j _ 一 n 2 n 2 一 n l jii 铁心1 d 毒0 n l _ 一 n l 一 n l 、一t d ， 图2 1 3 直流助磁式可控电抗器 图2 1 4 磁阀式可。控电抗器的原理图 图2 1 4 所示为磁阀式可控电抗器的结构原理图。电抗器由两个结构相同的主铁心 1 、2 和两个旁轭组成。每个铁心上绕有总匝数为n a 的上下两个绕组，每个绕组各有一 个抽头分别与晶闸管v t l 、v t 2 相连，n a = n j + n 2 ，抽头比为艿= 鸩n 。，不同铁心上、 下两个绕组交叉顺连后并联至电网，二极管d 横跨在交叉端点用于续流。绕组中的直流 环流厶受控于晶闸管触发角口的大小，通过调节口的大小就可以达到连续调节电抗值的 目的。 晶闸管控制电抗器( t c r ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 如图2 1 5 所示，它常采用相控的方式，改变的是电压 和电流的关系，从而改变其等效电抗。其特点是控制灵活，响应速度快。但由于晶闸管 的耐压水平约束，其使用受到了部分限制。 图2 1 5t c r 可控电抗器 j。， 拓 2 可控电抗器选型分析及数学模型 硕士论文 p w m 控制的电抗器 p w m 控制的电抗器是新近几年发展起来的一种基于脉宽调制( p w m ) 技术的可控 电抗器。其电路如图2 1 7 所示。使用四个双向开关和一个电抗器构成整个可控电抗器。 两个双向开关互补开关操作，达到调整电感量的目的【4 7 】。 2 2 可控电抗器的选型 图2 1 6p w m 式可控电抗器 2 2 1t c t 式可控电抗器的优点 1 2 节中分析了t c s c 存在的一些不足，根据可控串联补偿的特性，要求电抗支路 能够快速地调节电抗值，结合2 1 节分析的现有可控电抗器的特性，晶闸管控制变压器 式可控电抗器( t c t ) 响应时间和t c r 一样能够达到1 0 m s ，文中选择t c t 来改进t c s c ， 与t c s c 的t c r 式可控电抗器相比采用t c t 式可控电抗器的优点如下： 1 ) t c t 式可控电抗器具有变压器的结构，能够达到降压的目的，其次级侧电压可 以取得较低，如l k v 左右，在单个晶闸管器件的工作电压以内，能够采用较低电压的晶 闸管，所以主电路和门极电路的绝缘均变得简单，安装容易、节省投资。 2 ) 对于超高压或者特高压系统来说，t c t 的特定结构巧妙的避免了在高压环境下 晶闸管阀组为承受高电压而必须用大量晶闸管阀组串联，从而也避免了由于晶闸管阀组 串联带来的一系列问题，如均压以及复杂的维护。 3 ) 对于1 0 0 漏抗的变压器来说，利用其本身的漏抗可以不用设置专用电抗器。 4 ) 高可靠性：次级绕组短路( 即双向晶闸管全导通) 乃是t c t 式可控电抗器的正 常的运行方式，这种电抗器的一个突出优点为，即使低压侧发生短路故障，短路电流也 不大，不会造成严重事故，故可不用装设专用的断路器，可以节省大笔投资。 5 ) 由于t c t 漏抗很高，所以不易饱和、线性度好。 6 ) t c t 式可控电抗器比空心电抗器具有更大的热容量和过负载能力，而t c r 式可 控电抗器其电感是空心设计的，不具备大的过负荷能力。 硕士论文 基于可控电抗器的串联补偿研究与设计 2 2 2 可靠性分析 首先说明一下与可靠性相关的几个概念： 可靠性：元件、设备和系统在规定的条件下和预定的时间内完成规定功能的概率。 串联系统：如果系统中任何一个元件发生故障，便构成系统故障，这种系统称为串 联系统。 并联系统：凡在一个系统中，若所有元件都发生了故障的时候才构成系统的故障， 这种系统称为并联系统。 串联系统的可靠度为 墨= 墨r 2 r = n r ， l ( 2 2 2 1 ) 其中r ，( 0 ，1 ) 为各元件的可靠度，足为系统的可靠度。由此可见串联系统的可靠度 等于各元件可靠度的乘积，串联系统的故障率等于各元件的故障率之和。串联系统的可 靠度比其中任一元件的可靠度都小，也就是系统可靠度低于最弱元件的可靠度。所以要 提高系统的可靠度，首先要提高系统中可靠度最弱的元件的可靠度。如果要得到较高可 靠度的系统，则不宜采用多元件串联。 而并联系统可靠度为 勺 卫 ? r ，= 1 一i l ( 1 一r ) ( 2 2 2 2 ) 一l 一 其中r ，( o ，1 ) 为各元件的可靠度，r 为系统的可靠度。由此可见并联元件数越多， 系统的可靠性就越高。 为了说明问题，文中采用实际的算例来对比分析t c s c 采用的t c r 式可控电抗器 的可靠性与可控串联补偿改用t c t 式可控电抗器后的可靠性。以碧成2 2 0 k v 可控串联 补偿( t c s c ) 为例，其采用t c r 式可控电抗器晶闸管阀用了2 6 层1 3 7 ，设t c t 原副边 ( 原边为高压侧，副边为低压侧) 电压的比值为k 。当k 取2 6 ( 为了便于比较) 时，也 即原t c r 需要2 6 只晶