（电力系统及其自动化专业论文）可控串联补偿晶闸管失控引起的振荡现象机理研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文可控串联补偿晶闸管失控引起的 振荡现象机理研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特n ：自1 1 以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他入己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华j 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：匕立日期：砭孕够； 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：血红 、 日 期：护夕# 哆 导师签名： e l 期：2 - 7 7 乙3 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 灵活交流输电系统( f a c t s ) 技术是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 年首先提出的i 。发展至今已有2 0 年的历史，该技术“应 用电力电子技术的最新发展成就以及现代控制技术实现对交流输电系统参数以至 网络结构的灵活快速控制，以期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、可靠性”1 2 l 。它可以用来对系统的有功和无功潮流进 行灵活控制，以达到大幅度提高线路输送能力，阻尼系统振荡，提高系统稳定水平 的目的。 在电力系统中，f a c t s 的主要功能可归结为【3 l ： 较大范围地控制潮流，使之按指定路径流动； 使输电线路的功率传输能力接近其热稳定极限； 在受控区域内传输更多的功率，可减少发电机的热备用； 依靠限制短路和设备故障的影响防止线路串级跳闸； 阻尼各种可能损坏电气设备或限制输电容量的电力系统振荡。 与直流输电相比，交流输电能力受到较多的限制，根本原因是交流输电中有相 角、无功和电抗三个参量，带来了交流输电线路的稳定和输送极限的问题利用电 力电子器件的特性，可根据提高输电能力的需要，快速地改变这三个参数，对输电 功率的大小、流向进行有效地调控。从效益上看，灵活交流输电系统技术以它特有 的大功率、高速、精确连续的控制，代替了传统的机械、电子和电磁的控制手段， 使交流输电系统的功率具有高度的可控性，且可按人们事先的计划路径流动。 从f a c t s 概念提出至今，已发展出多种装置，如静止无功补偿器( s v c ) 、静 止调相器( s t a t c o n ) 、晶闸管控制的串联电抗器( t c s c ) 、晶闸管控制的移相器 ( t c p s ) 、统一潮流控制器( u p f c ) ，其中有串联型的、并联型的、串并联混合型的， 随着技术的发展和实际的需要，有些装置已经投入实用，对电网的稳定起到了积极 作用。 串联补偿技术是一种提高交流输电线路稳定极限的经济而有效的手段。在输电 线路上加入串联电容器，能减小线路感抗，缩小两端电势间的相角差，从而获得较 大稳定裕度和较高传输容量。晶闸管控制的串联电容补偿器( t i ：s c ) 是在常规串联电 容补偿的基础上发展起来的，采用晶闸管进行开关操作，理论上可进行无数次操作 而没有机械磨损，控制速度快( m s 级) ，串联补偿程度可分级或连续调节，使用t c s c 华北电力大学硕士学位论文 可大大提高系统控制的灵活性和可靠性。 t c s c 的主要作用包括川： 潮流控制：能优化平行输电线路和不同电压等级线路的负载潮流，同时使 系统总的损耗最小； 阻尼线路功率振荡、增加电压稳定性：能增加系统容量，提高已有线路和 新建线路的输电能力，从而用更少的线路输送更多电力，节省资金，对环 境保护也有一定好处； 消除次同步振荡：次同步振荡是输电线路在定运行条件下和串联补偿相 关的一种谐振现象，消除次同步谐振的危险意味着扩大串联补偿的使用范 围。 1 2t c s c 白懈究现状 自可控串补的概念提出至今，国内外学术界和工业界针对t c s c 做了大量的研 究工作，同时国内外也有多项t c s c 工程投入运行，在t c s c 的运行方面也总结出 了大量经验。主要包括以下几方面的成果： 1 t c s c 数学模型的建立、仿真以及动模实验方面的研究 不论是对可控串补自身特性的研究还是考虑其对电力系统稳定性的影响，首要 的问题是为可控串补建立一个适用的数学模型，该模型应该能准确的描述t c s c 的 特性，在不影响其特性的基础上能简化分析根据应用进行分类，t c s c 的计算模 型包括潮流计算模型、暂态稳定计算模型、小信号分析模型以及电磁暂态模型等四 种类型。根据模型的建立方法又有稳态阻抗模型、准稳态阻抗模型、电流源模型、 采样数据模型和相量动态模型等几种。 进行包含t c s c 的电力系统潮流计算时通常只关心其基频等值阻抗，因此可以 采用稳态阻抗模型【5 1 ；文献【6 】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i 文献 s l q 。使用电流源表示t c s c ，该电流源是线路电流、 触发角以及电容电压的函数；文献【9 1 提出了一种基于傅立叶变换的动态向量模型； 文献 1 1 1 用拓扑建模法建立了能描述可控串补暂态全过程的数学模型，得出了暂态 响应时间的计算公式；文献 1 2 1 进行了基于综合同步信号方式的t c s c 仿真和动模 实验；文献 1 3 1 提出了t c s c 电容支路的电容是随着控制角芦的变化而变化的等效电 容的观点，并且运用动模实验结果进行了验证；文献 1 4 1 介绍了用t n a ( t r a n s i e n t n e t w o r k a n a l y z e r ) 模拟试验研究t c s c 的方法，并证明了t c s c 可以提高电网稳定 水平：文献1 1 5 1 研制了t c s c 动态模拟的实验方案和控制装置，进行了基本的特性 实验；文献 1 6 1 从工程实际出发，建立了符合工程实际的t c s c 底层控制模型；文 献 1 7 1 讨论了电容电压增量触发算法在t c s c 物理模拟控制器上的实现方法。 2 华北电力大学硕士学位论文 2 t c s c 系统特性的分析，包括稳态特性、暂态特性的分析 文献1 1 8 】使用傅立叶顺序扩张算法来计算t c s c 的频率响应，对于分析次同步 振荡和其他谐波问题具有重大意义；文献【1 9 】分析了电流源模型下的稳态特性， t c s c 等效电抗的可控范围和t c r 支路电抗的限制；文献 2 0 1 、【2 1 1 研究了电抗器 支路电阻对t c s c 稳态工作特性的影响：文献1 2 3 1 利用小信号分析法对t c s c 的频 率响应特性进行了研究；文献f 2 4 】推导了t c s c 的稳态特性；文献1 2 5 1 运_ 用状态变量 法，全面分析了t c s c 的稳态、暂态和动态特性。 了解t c s c 电路工作模式转化过程中的暂态特点，以及触发角变化时t c s c 的 基频等值阻抗的响应特性，对于建立t c s c 的暂态计算模型非常重要。用于t c s c 暂态特性分析的方法主要是时域仿真分析方法。对于简单电路结构，也可以采用计 算分析的方法求解t c s c 电路的暂态过程。文献 2 6 1 提出了一种考虑t c s c 及m o v 暂态过程的电力系统动态特性分析方法；文献【2 7 】采用拓扑建模法建立了能描述电 容电压同步下t c s c 暂态特性变化规律的二阶差分数学模型；文献【2 8 】用p o i n t c a r e 映射法分析了t c s c 系统的动态稳定性；文献 2 9 1 分析了采用线路电流和电容电压 两种不同的同步信号时对t c s c 装置在系统发生单相接地短路故障时的影响：文献 f 3 0 l 提出了不同同步信号及电路参数对t c s c 的动态工作特性及控制精度的主要影 响。 3 t c s c 对电力系统稳定性的影响以及与之对应的控制策略的研究，包括抑翩 低频振荡。次同步振荡，提高系统暂态稳定性等 文目r 3 h 提出了一种基于h 8 理论的t c s c 控制器用于阻尼功率振荡；文献1 3 3 1 以实际多机系统为对象，深入研究了可控串朴抑制功率振荡的规律；文献 3 4 1 中采 用采样一数据模型分析较大规模电力系统在不同t c s c 控制策略下的动态特性；文献 【3 5 研究了可控串补抑制次同步谐振的机理。 4 t i c s c 控制策略的研究以及控制器的设计 文献 3 8 1 研究了t c s c 和s v c 之间的相互影响，并提出采用滤波器和合成相角 输入的阻尼控制器来减少这种影响：文献 3 9 1 提出了一种基于测试信号法的t c s c 功率振荡阻尼控制器的设计方法，避免了计算量庞大的状态矩阵特征值计算；文献 【4 0 l 提出了基于在线辨识的自适应移相式控制器；文献【4 1 1 利用单神经单元设计了 t c s c 控制器；文献 4 2 l 对t c s c 装置在电力系统中采用常规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；文献 4 3 】介绍了t c s c 模 拟试验研究中控制器的设计及软、硬件结构并利用t n a 进行了模拟试验。 1 。3t c s c 的工程应用情况 固定串联补偿技术己经在世界各国电力系统中得到很好的应用2 0 世纪5 0 年 3 华北电力大学硕士学位论文 代初，苏联在古比雪夫向莫斯科送电的1 0 0 0 k m4 0 0 k v 线路，瑞典由北部水电站群向 南部负荷中心送电的多回长距离重载4 0 0 k v 线路，北美西部系统若干条5 0 0 k v 长距 离输电线路等都采用了串联电容器补偿装置。 1 9 9 1 年1 2 月在美国a e p ( a m e r i c a ne l e c t r i cp o w e r ) 的k a n a w h ar i v e r 站的 3 4 5 k v 线路上，第一个晶闸管投切的可控串联补偿器( t s s c ) 投入运行，这标志着 t c s c 技术实用化阶段的开始。t c s c 技术是目前较实用、工程应用较多的一种 f a c t s 技术，具有广阔的应用前景。 1 9 9 2 年美国西部电业管理局( w 姐a ) 在k a y e n t a 变电站的2 3 0 k v 系统侧安装了 一套晶闸管控制的串联补偿器( t c s c ) 装置。该装置包括两组工频容抗为5 5 q 的串联 电容器组。其中第一组为固定串联电容器，第二组分为两部分，一部分是4 0 q 的固 定串联电容器，另一部分是在1 5 k j 的电容器两端并联带有晶闸管控制的电抗器支路 的可控电容器。该t c s c 装置的安装为研究t c s c 装置的特性及其应用提供了现场 试验条件。 1 9 9 3 年美国邦纳维尔电业管理局在所属的s l a t t 变电站5 0 0 k v 系统侧安装了一 套多模块t c s c 装置，该装置由6 个相同的t c s c 模块组成，每个模块的串联电容 器容抗为1 3 3 q ，三相电容器总容量为2 0 2 m v a r 。和单模块t c s c 装置相比较丽言， 多模块t c s c 装置具有阻抗可控范围宽，连续调节性能好的优点。研究人员在此基 础上针对t c s c 装置的特性及其在阻尼电力系统功率振荡和抑制次同步谐振等应用 方面开展了大量的理论和试验研究工作。 位于瑞典中部的f o r s m a r k 核电站通过多回4 0 0 k v 的输电线路与北部水电系统 相连，这些线路全部采用了固定串联补偿。其中，一台容量为1 3 0 0 m w 的发电机组 多次发生次同步谐振问题引起继电保护动作，串联电容器被迫旁路运行，严重影响 了系统的功率传输。为解决这一问题，1 9 9 7 年对安装在s t o d e 变电站的串联补偿装 置进行了改造，其补偿容量的3 0 由t c s c 装置实现，另外7 0 的补偿容量仍然是 通过固定串联电容器实现。这是专门为解决s s r 闯题而安装的t c s c 装置。 1 9 9 7 年巴西在其北南电网互联工程中从l m p e r a t r i z 到s a m a m b a i a 长达1 2 0 0 k m 的5 0 0 k v 输电线路上安装了串联补偿装置，包括6 组容量为1 6 1 m v a r 的固定串联补 偿装置以及2 组容量为1 0 8 m v a r 的t c s c 装置，用于阻尼系统低频振荡和抑制可能 发生的s s r 问题，以提高系统的输电能力。 我国对于t c s c 技术的研究起步较晚1 9 9 6 年，由中国电力科学研究院联合东 北电管局，国内高等院校和相关研究所，针对东北电网伊敏至冯屯的5 0 0 k v 输电线 路采用t c s c 装置提高系统输电容量的问题，开展了广泛深入的t c s c 装置特性与 应用方面的关键技术研究。 亚洲首个5 0 0 k v 可控串补工程一天广交流输变电平果站已于2 0 0 3 年1 1 月投运。 天广可控串补系统提高了广西5 0 0 k v 交流电网天生桥平果输电线路的输电容量。 4 华北电力大学硕士学位论文 天广t c s c 是首个使用光直接触发晶闸管( l t t ) 的串补工程，它不仅可用作控制装 置还可用作快速旁路开关装置，并能承受很大的交流故障电流。 我国正在实施规模宏大的西电东送的能源战略以及全国联网系统工程，可以预 计，可控串联补偿技术必将在未来我国电力系统中得到广泛应用。 1 4 本文的研究目的及主要内容 目前国内外关于t c s c 的文献中普遍对t c s c 运行在容性模式情况下的分析比 较多，而很少涉及到t c s c 在感性调节模式下的特性，本文通过理论推导以及仿真 和实验分析，深入研究了t c s c 在感性调节模式下的稳态运行特性。 虽然t c s c 在正常运行时很少进入感性调节区域，但感性调节区域内t c s c 随 触发角变化而表现出的行为对研究t c s c 的运行特性有很重要的作用，同时在扩展 t c s c 的应用范围方面和t c s c 的规划设计方面其作用也不可忽视。 感性调节模式下t c s c 的运行特性和其参数的选取有极大的关系，主要反映在 电抗值和电容值的关系上，c s c 电容值和电抗值的关系由参数k 决定，置的定义 为k - x q g d x , 研究表明，j b 3 时由于感性调节区内电容电压波形谐波含量较大， 导致t c s c 出现一些反常表现。 文献1 2 2 1 中提到了t c s c 在k 3 时具有多个谐振点的问题，认为t c s c 在正常 调节范围内可能会发生多次谐振，本文经过分析认为，理论上多次谐振的发生需要 t c s c 满足一定的前提条件，即- 芦f 弓卢时晶闸管导通，卢tm 忙肛时晶闸管关 断，但是由于感性调节模式下电容电压畸变严重，一定条件时，可能出现当 一肛t = 卢时由于反向电压的作用晶闸管关断或者肚f = 扣卢时由于正向电压作 用使晶闸管开通的情况，本文中称这种情况为晶闸管失控现象。当前提条件不满足 时，基于该前提条件的一切推导都将不成立。本文的研究结果表明，理论上推导出 的多个谐振点正好处于晶闸管失控区间，推导t c s c 稳态运行特性的前提条件不满 足。 通过仿真计算发现，1 s c 在发生晶闸管失控时将发生振荡，不论是在规划阶 段还是在运行阶段，都应该避开这些可能的振荡点，保证t c s c 的正常运行。本文 推导了发生振荡的临界条件，为t c s c 规划设计中电抗值的选择提供了理论支持。 本文的主要工作包括： 设计并实现了一套包括底层触发角控制的t c s c 物理模型，作为研究晶闸 管失控问题的物理模拟平台。 研究了t c s c 在感性调节区内的运行特性，根据t c s c 调节范围内电容电 压波形的不同，提出了t c s c 在感性调节模式下的两种不同情况：正常感 性调节模式和深度感性调节模式 5 华北电力大学硕士学位论文 提出了一定条件下，t c s c 在两种感性调节模式下可能发生晶闸管失控现 象，分析了晶闸管失控发生的原因以及发生失控的临界条件。 根据不同的目标，提出了几种不同的t c s c 电抗值选择原则，对t c s c 的 规划设计和实际工程青一定的指导意义。 利用数字仿真和物理模型实验对本文结论进行了验证。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章可控串补的基本原理及其工作特性 2 1可控串补的基本结构 t c s c 利用晶闸管的快速可控能力，改变通过电抗器支路的电流控制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。根据t c r 导通状态的不同， t c s c 的总等效电抗既可以是容性电抗，也可以是感性电抗。因此，只要对晶闸管 的导通角进行精确调节，就可以对t c s c 的等值电抗快速、连续、精确地控制。 t c s c 的主电路结构非常简单，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 主电路图如图2 1 所示； 稿布 t 图2 1t c s c 主电路结构 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 和保护用旁路断路器b 。 目前可控串补技术在工程应用研究中有两种结构形式；固定串补+ 可控串补和 完全可控串补。其中可控串补又可以由单模块和多模块两种结构组成，也就是说， 既可以将t c s c 作为一个单独模块串接于输电线路中，也可以将多个小容量的t c s c 单元同时串联接入输电系统，并分别对每个t c s c 单元进行控制调节。 2 2 可控串补的工作原理及运行特性 可控串补主要由串联电容器，旁路电抗器、并联双向晶闸管阀、非线性电阻、 阻尼回路、旁路断路器、测量控制和触发回路及其它辅助设备构成。图2 1 是可控 串补的系统接线示意图，其静态特性与具有可变电抗的并联i c 电路相似。当 i i 。，li ，即邑，x 。时，线路电流与电容电流同相位，u 。滞后线路电流9 0 。，并 联阻抗呈容性，相量图如图2 2 ( a ) 。电容电流，c 由两部分组成，一是线路电流，一， 7 华北电力大学硕士学位论文 是电抗支路电流，。因此在电容两端的电压，比只有线路电流流过电容时的电压 高。电抗器支路电流越大，电容电压也越高，即并联后的等效容抗变大了。但当 i i 。t i li 时，线路电流与电抗器支路电流同相位，领先线路电流9 0 。，并联阻抗 呈感性，相量图如图2 2 ( b ) 如果在支路电抗中串联一个晶闸管开关，对电抗进行 相控，当改变晶闸管的触发角时，就可改变支路电抗的电流，也就改变并联阻抗的 大小与性质。因此只要对晶闸管导通角进行精确控制，就可以对t c s c 的等值电抗 快速、连续、平滑地调节，从而为系统提供可控串联补偿。 l l cl u c i c l i l i l 。i l ( a ) ，c ，f 的相量图( b ) ，c | r ，的相量图 图2 2t c s c 运行的相量图 单相t c s c 电路中，线路电流j 如是t c s c 的外部激励输入电流，电容器电压 和晶闸管支路电流矗是t c s c 装置的状态量，晶闸管触发控制信号是t c s c 的控 制输入在线路电流不变的情况下，通过周期性地触发导通晶闸管，将在t c s c 电 路中产生环路电流，工，正是这个环路电流影响了电容器的充电电流坛，从而可以改 变电容器两端的电压阮，最终改变了接入输电线路的阻抗的大小。 根据晶闸管导通状况的不同，t c s c 电路有三种基本运行模式，即：晶闸管全 关断模式( 电抗器退出运行) 、晶闸管旁路模式( 电抗器全值接入) 和微调运行模式 ( 电抗器可调接入) 。t c s c 的微调运行模式又可分为容性微调运行和感性微调运行 两种运行方式。图2 3 和图2 4 是t c s c 装置与上述几种基本运行模式对应的电路 稳态运行波形图。图中横坐标为时间轴，用电角度表示；纵坐标为各有关电气量， 均用标幺值表示。其中电流量的基准值为线路电流的峰值，电压量的基准值为基准 线路电流单独流过串联电容器时产生的电容电压峰值。 在t c s c 装置的实际应用中，还需要区分如下的两种不同旁路运行模式，即： “断路器旁路运行模式”和。晶闸管旁路运行模式”。除了上述的晶闸管旁路运行 模式外，实际t c s c 装置中往往包含用断路器旁路t c r 的电路，断路器的闭合可以 构成t c s c 的断路器旁路运行模式。晶闸管旁路运行模式的作用是向t c s c 装置提 矗 华北电力大学硕士学位论文 供快速的控制和保护手段，而断路器旁路模式是用来退出t c s c 或者因为t c s c 内 部故障而采取的保护措施。 当圈 ! 圆 圆 。刚磊 圈 ，i 固 _ 圆 鼐 t - 避惟 性 s ! 圈 圈 圆 s 圈 一釉蕊 运行区的稳态波形 适羽 _ 圈 j 圆 逻骊 m 相鞭秘 ( b 螨嬉 图2 4t c s c 感性运行区的稳态波形 2 3 可控串补的基频阻抗调节特性 周期性的环路电流是t c s c 等效电抗可连续调节的直接原因，晶闸管触发角成 为t c s c 装置的控制变量，通过改变晶闸管的触发角可以改变t c s c 电路中的环路 电流，从而改变t c s c 的等效电抗，最终达到改变输电线路总阻抗的目的。 对于由电抗器和电容器组成的并联回路，其等效阻抗取决于两者的关系。当电 9 华北电力大学硕士学位论文 容器容抗小于电抗器感抗时，其等值阻抗呈容性，且等效容抗值不低于电容器实际 容抗。当电容器容抗大于电抗器感抗时，其等值阻抗呈感性，且等效电抗值不低于 电抗器实际感抗。当电容器容抗等于电抗器感抗时，系统构成并联谐振回路。 根据文献【2 4 】的分析，可以得到单模块的t c s c 基频等效阻抗的表达式为： x r c a ：击一毫等警+ 茹( k m r p 力 ( 2 1 ) 。历一面而+ 磊承巧f 一”州铲“7 式中，k 堕，钆毒三为电容器和电抗器环路的谐振角频率，m 为工频角频 m 4 l c 率。 公式( 2 1 ) 表示了恒定正弦电流源激励条件下t c s c 的工频等效电抗。可见t c s c 的工频等效阻抗特性由图2 1 中电容器和电抗器的参数共同决定。公式( 2 - 1 ) 表示的 微调运行模式下t c s c 稳态工频阻抗特性如图2 5 所示。图中横坐标是触发延迟角， 纵坐标是t c s c 工频稳态等效电抗，采用标幺值表示，其基准值是串联电容器标称 容抗，定义容性电抗为正，感性电抗为负。 可控串补的控制原理是，根据各种控制目的( 系统稳定控制、恒功率控制、恒 阻抗控制等) ，得出要求串补输出的基波阻抗值，再根据图2 5 所示的曲线得到该阻 抗值对应的触发角。为了使可控串补的输出阻抗尽快达到要求的阻抗值，可以适当 采用一些控制方法。 i j 图2 5t c s c 基频阻抗特性 根据图2 5 可以总结出t c s c 运行时基频阻抗具有如下特性： 1 t c s c 晶闸管触发延迟角的控制范围是9 0 。到1 8 0 。，在该范围内，t c s c 的 稳态阻抗特性分为容性运行区和感性运行区在感性运行区和容性运行区之间的转 换过程中，要经过一个谐振点。与谐振点对应的控制触发延迟角o 的大小由电容 1 0 华北电力大学硕士学位论文 和电感的参数决定。 2 当晶闸管触发延迟角位于区间( ，1 8 0 。】内时，t c s c 呈现容性等效电抗运 行特性。触发延迟角为1 8 0 。时对应于晶闸管全关断运行模式，对应的等效容抗数值 最小，即电容器标称容抗，标幺值为1 0 p u 。从1 8 0 。逐渐减小触发延迟角( 增大 触发越前角) ，t c s c 等效容抗逐渐增大，对应于容性微调运行模式。 3 当晶闸管触发延迟角位于区间 9 0 。，) 内时，t c s c 呈现感性等效电抗运行 特性。触发延迟角为9 0 。时等效感抗凰。数值最小，对应晶闸管旁路运行模式， 等效感抗在数值上等于电容电抗和电感电抗并联，一般远小于1 o p u从9 0 。开始 逐渐增大触发延迟角，在达到谐振角饵。之前，t c s c 等效感抗逐渐增大，对应于感 性微调运行模式 4 单模块t c s c 的阻抗调节具有一定的范围最小容抗为电容器标称容抗，对 应于b l o c k 运行模式；最小感抗对应于b y p a s s 模式时的等效电抗蜀，。t c s c 装 置的等效阻抗在数值上小于的容抗恐以及小于而，的感抗是不可能得到的。另一 方面，由于靠近谐振点运行对会产生过大的工作电压和电流，因此，为保证t c s c 的稳态运行，必须将触发控制角限制在一定的范围内在感性运行区，触发延迟角 不允许超过最大触发延迟角。，对应的最大等效感抗为噩；在容性运行区，最 大触发越前角不能超过风。，对应的最大等效容抗为& 。 2 4 可控串补数字仿真模型的建立 2 4 1 仿真模型参数的选取 图2 6t c s c 接线图 仿真中采用的线路等效电感l s l = 1 5 9 m h ，等效电阻咫j = 9 6 f a ，以4 0 的串补度 来选择电容，其中3 5 为固定串补，5 为可控串补。由此推出固定电容的值 c f s c = 1 8 2 心，可控部分的电容值c z c s c = 1 2 7 2 1 1 f 。由于本文主要研究t c s c 在不同k 值条件下，尤其是k 3 时的特性，故t c r 支路的电抗值根据仿真要求改变。仿真 中采用的t c s c 接线图如图2 6 所示，模型中采用理想晶闸管模型。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 2 4 2 一次系统和二次系统的分别建模 圈2 6 是t c s c 的一次系统接线图，为了完整模拟t c s c 系统的运行特性，还 需要建立它的二次系统的数学模型。为了更好的接近真实值，时间的步长应该尽可 能的小，但是太小又会增加计算时间，甚至使仿真软件不能正常运行综合以上原 因，经过仿真测试，选取仿真步长为1 0 t a s 。 本文中的仿真模型只包括了主回路和底层触发控制两部分，触发控制使用电容 电压作为同步信号，考虑到电容电压谐波含量较大时不易精确计算触发角，所以先 利用f f t 提取出电容电压的基波分量，利用该基波分量作为同步信号。 2 4 3 触发角的计算 利用过零检测模块检测同步信号基波分量的过零点，将触发延迟角转换成延迟 时间并设置该时间为延时模块的参数，零点信号通过延时模块，得到触发点信号， 再通过晶闸管触发脉冲发生模块产生触发信号，对晶阐管进行控制 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章可控串补物理模型的设计 数字仿真在科学研究过程中起到了重要作用，在一定程度上可以模拟实际情 况，但不可否认的是它与实际系统还有一定差距。物理模拟能够复制电力系统中的 各种运行情况，模拟采用实际的控制硬件，因而可进行开关瞬态过程、交流故障、 功率振荡阻尼、次同步谐振条件等一系列的性能测试。物理模拟能进行的自动调节、 控制装置的实物试验功能是数字仿真所不具备的。因此尽管数字仿真已经取得了很 大进展，物理模拟仍然是研究电力系统的重要工具。由于本文主要是对可控串补做 原理性的研究，不涉及到其控制策略，所以只须建立一个简单的、只涉及底层控制 的物理模型，以验证本文的结论。 3 1电力系统物理模拟的基本原理 电力系统物理模拟是介于数字仿真和实际电力系统之间的一种试验方法物理 模拟是采用和原型系统具有相同物理性质、参数成比例的元件模型，根据相似理论 建立起来的模拟。电力系统物理模拟把真实的电力系统缩小到实验室中，是真实电 力系统的缩影。 电力系统物理模拟具有下列一些特点： 1 研究人员可以在物理模拟仿真研究中，直观地观察到在电力系统中产生的 全部可能物理过程、现象( 例如发电机的摇摆、系统的功率振荡) ，得到明确的物理 概念。 2 对目前还不能或者不完全能用数学方程很好描述的新闯题，可以利用物理 模拟探求问题的物理本质。物理模拟也可以校验现有理论和数字仿真结果的合理 性、正确性，使理论和数学模型更加完善。 3 对一些新型的控制器装置、继电保护装置，可以直接将其接入物理模拟系 统来研究。可以在模拟系统中人为设置各种故障，对控制器、自动装置的工作特性 进行校验。 4 物理模拟系统中的各元件是独立的，参数是可调的。因此可根据实际需要， 方便地设置不同的系统，改变不同的运行方式，模拟不同的故障。 和数字仿真相比，物理模拟仿真的缺点是参数调制不够方便，试验前要对模拟 参数进行配置，改变系统的运行方式的调整比较麻烦。 相似理论是建立物理模型、进行动模试验以及将试验结果推广到真实电力系统 的理论依据根据相似定理：为了真实的反映原型系统中的动态、稳态过程，动 华北电力大学硕士学位论文 模与原型之间必须保证两个系统物理量的标幺值相等；两个系统对应的每一个元 件都相似，而且边界条件和起始条件也相似。如果两个系统能够满足上面两个条件， 则可以认为这两个系统就是耜似的。因此在对电力系统进行模拟时，必须分别对原 电力系统中的每个子系统和元件进行模拟。 在进行电力系统模拟试验时，定义原型系统的量与模拟系统的量之比r a 为模拟 比，例如阻抗模拟比拼：，其中而为原型系统阻抗，x m 为模拟系统阻抗，类似 定义电压模拟比m 、电流模拟比r a t ，和功率模拟比在进行电力系统模拟计算 时，各模拟比并不是独立的，而是必须满足以下的基本关系：帆= 朋f 耽，在动模系 统中习惯用功率比来表示它们之间的关系： 肼p 。坍，2 峨一魄- m t 2x 历， ( 3 1 ) 可以看出，以上四个参数只有两个可以任意选择，而另外两个则必须由上述关 系决定，这就是电力系统的模拟计算中选择模拟比所要遵循的原则。 电力系统物理模拟能够准确详细地模拟实际电力系统的各种运行情况，是研究 电力系统的重要工具t c s c 实际工程应用装置和物理横拟研究用的模拟实验装置 有很大的区别，特别是运行环境和运行条件差j j ! f 较大t c s c 物理模型装置参数的 选取，既要能反映所模拟的原型系统的动态过程，又要考虑到动模的实际运行要求。 3 2 可控串补物理模型设计方案 3 2 1可控串补物理模型的设计目标 对于一套完备的可控串补物理模型，应能满足以下功能； 1 适用于可控串联补偿装置的动态模拟； 2 能实现装置的各种基本运行方式，可用于t c s c 装置试验特性的研究，包括 t c s c 静态、动态特性的研究； 3 t c s c 的触发及控制系统必须能够满足电力系统各种故障研究的需要，模拟 系统能提供一个研究平台，用于t c s c 关于抑制次同步振荡、低频振荡，潮流控制， 暂态稳定、阻尼功率振荡等问题的研究； 4 满足对t c s c 相关问题研究的需要，如对继电保护的影响；t c s c 装置要具 有比较完善的装置保护、控制和系统监控功能； 5 满足研究t c s c 与系统其它稳定措施协调控制试验的需要，装置本身提供方 便的用户自定义控制算法编程接口。 本文主要关注的是t c s c 底层的物理特性，包括t c s c 的物理特性和振荡特性， 考虑到遮一点，在本文中只需设计一套简化的t c s c 物理模型，该模型可以实现以 1 4 华北电力大学硕士学位论文 上所提到了的前两项功能，可对本文中提出的结论进行验证即可。基于此需求，设 计了该简化的t c s c 模拟系统。 3 2 2 可控串补物理模型主电路参数设计 t c s c 物理模型采用单机一无穷大系统模型，如图3 1 所示，其中工用来模拟实 际系统中的输电线路。 图3 1t c s c 模拟系统原理图 对t c s c 物理模型的设计要考虑到故障情况下t c s c 可继续运行，本文考虑最 严重的三相短路故障。按照短路点k 设在靠近无穷大系统线路末端的情况来考虑 t c s c 装置的额定参数。动模系统中各动态模型的详细参数如下： 模拟系统母线电压：5 0 0 v ： 模拟输电线路：原型输电线路采用l g j 4 0 0 ，2 2 0 k 导线，输电距离为1 2 0 k i n ，线 路单位长度电抗值噩= 0 4 1 7 q k i n ，则其线路感抗x u = 0 4 1 7 x1 2 0 = 5 0 0 4q ，线路电 感l = x u ( 2 p d - - - o 1 5 9 h ，线路电阻风= 9 6q 。因此采用0 1 5 9 h 和9 6q 的电阻来模拟 其输电线路，阻抗模拟比选为1 ：1 ，模拟线路的阻抗角为3 9 6 。实验中模拟线路的 电抗：额定容量：6 2 8 k v a r ，额定电压：0 6 k v ，额定电流；1 0 a ，额定电感：2 0 0 m h ， 采用五抽头形式从1 5 0 m h 开始每1 0 m h 个抽头，以方便调整模拟线路的长度。 模拟发电机：本文中的简化t c s c 物理模型可以忽略系统振荡，发电机采用一 个调压器来模拟，实现对母线电压的调节。 模拟变压器；机端变压器铭牌额定数据为：额定容量：5 k v a ，变比为7 0 0 ：5 0 0 ， 额定电压：高压：7 0 0 v ，低压：5 0 0 v ；采用y n 厂y 接线方式，二次侧抽头在5 0 0 - 7 0 0 v 之间每5 0 v 一个抽头( 含5 0 0 和7 0 0 ) ，方便对所需电压调整，漏抗无严格要求。系 统( 无穷大) 电源变压器：额定容量：5 k 、，a ；额定电压：高压：5 0 0 v ，低压：3 8 0 v , 变比：3 8 0 ：5 0 0 ，采用y n y n 接线方式，漏抗无严格要求。 电容参数：选择串补度为4 0 ，其中固定串补度3 5 ，可控串补度为5 。 固定串补电容参数：线路的串补度是串联电容的阻抗与线路感抗的比值，线路 感抗为5 0 0 4q ，固定串补按照3 5 串补度来选取其电容值，从而有； 工胱- 0 3 5 x 1 l 一0 3 5x 5 0 0 4 1 7 5 1 4 q ( 3 2 ) 11 。毒。面赤鬲以脚f ( 3 3 ) 可控部分电容参数：在t c s c 物理模型的设计中，与晶闸管并联的电容按照5 华北电力大学硕士学位论文 的串补度考虑，这样有x t c s c = o 0 5 x u = o 0 5 5 0 0 4 - - 2 5 0 2 0 。 。毒。赢- 1 2 7 2 “f ( 3 4 ) 电抗参数：电抗和晶闸管串联形成的t c r 支路用来对t c s c 的总电抗进行平滑 调节，当全导通时应该为感性，这样t c s c 既能运行在感性区又能运行在容性区， 选取k = 2 4 2 ， n 艨，则邑- 争一嚣0 4 2 7 2 6 。 工量0 4 2 7 2 61 3 6 m h t o2 石5 0 据此设计物理模型采用如下参数的电抗：额定容量0 ，3 8 k v a r ，额定电压0 2 k v ， 额定电流2 0 a ，额定电感3 m h 。电感从l m h 到3 m h 每0 5 m h 一个抽头，以方便实 验参数调整。 晶闸管参数：由于线路参数的限制，t c s c 物理模型中晶闸管的电流不高于5 a ， 由此计算晶闸管的峰值电压； 删- 去【1 + 南( 瞄声t a n 印一k s i n ，) 1 ( 3 5 ) 计算可得晶闸管承受的峰值电压为5 3 7 v 选取的晶闸管型号为s k k t l 0 6 1 6 e ， 额定电流为1 0 6 a 、额定电压1 6 0 0 v ，能满足实验要求，实际测量其导通压降约为 0 9 v 3 2 3可控串补物理模型控制电路参数设计 控制策略及控制器研究是f a c t s 技术研究的一个重要方面，它将直接影响 f a c t s 装置在电力系统中的作用。控制算法的优劣对t c s c 功能的发挥起着至关重 要的作用，工程实际中一般根据系统对控制命令响应速度和控制目标的不同，将整 个t c s c 控制器分为上层、中层和底层控制。 实际工程中的t c s c 控制器采用如图3 2 所示的分层式控制结构，每层都有各 自的控制输入和输出，完成特定的功能。不同控制层之间既有主从性，又有一定的 独立性以完成特定的控制任务。 图3 2 中各层所实现的功能详述如下： 上层控制：即电力系统控制，其主要任务是根据系统要求选择不同的控制模式 ( 如潮流控制、暂态稳定控制等) ，并根据与该模式相关的控制策略，得出t c s c 装 置所需的输出阻抗。上层控制的响应时间为3 0 6 0 0 m s 。 中层控制：其主要任务是根据系统控制要求的命令阻抗，制定相关的控制策略， 1 6 华北电力大学硕士学位论文 使t c s c 的输出阻抗迅速准确地跟踪命令阻抗。它的输出是经过反馈修正后的命令 阻抗值。当进行开环控制时，中层控制只是把上层控制的命令阻抗值传递给底层控 制。中层控制的响应时间为3 0 - 1 0 0 m s 。 摹统祆卷变量 曩统蠢柞 当地变量及 自身扶杏 缱藉愈麓 电容电压 图3 2t c s c 分层控制示意图 底层控制：取t c s c 本身变量作为控制输入，并接受中层控制的指令其主要 任务是实现对晶闸管的触发控制，使t c s c 装置的输出阻抗达到中层控制的要求。 底层控制的响应时间在1 0 m s 以内。 本文主要研究t c s c 自身的振荡特性，侧重的是t c s c 自身机理的研究，所以 在设计物理模型控制电路的时候可以简化为只考虑底层控制策略，即实现对晶闸管 的触发控制，不用考虑t c s c 对系统的影响，可以简化到只使用开环控制 经过这些简化，本文使用一块三相整流桥晶闸管触发控制电路作为t c s c 物理 模型的控制电路，以电容电压作为同步信号，利用开环的方式调节触发角，实现对 t c s c 的触发控制。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 第四章可控串补晶闸管失控导致的振荡现象机理研究 正常情况下，t c s c 运行在容性微调模式下，对线路的感抗进行补偿，以达到 提高线路输送容量和提高系统稳定性的目的。故障时，需要t c s c 在容性和感性之 间互相切换。考虑到这两点要求，通常在选择t c s c 中电抗值的时候，要既能兼顾 到容性调节要求又能兼顾到感性调节要求。 t c s c 由一个电容和一个t c r 支路并联而成，在容性和感性之间切换的时候必 然涉及到并联谐振的问题，文献【2 0 】中以电流源模型为基础推导了t c s c 稳态情况 下各物理量的表达式，根据这些表达式得出了t c s c 发生谐振的条件，即e o s r p = 0 时t c s c 发生谐振，进而得出如下结论：当k 3 时，臃0 。到9 0 。范围内调节t c s c 将会有多个谐振点 而由于j b 3 时的t c s c 在感性调节模式下电容电压波形谐波含量较大，影响到 晶闸管的正常导通，晶闸管的失控也使得以晶闸管正常导通为前提条件的t c s c 稳 态特性失去了意义，即晶阐管失控时t c s c 的行为已不能用文献【2 0 】中推导的稳态 特性描述。 本章基于在电流源模型基础上推导的t c s c 的稳态特性，提出了t c s c 调节过 程中可能会由于晶闸管失控而发生振荡，根据t c s c 电容电压的变化趋势分析了可 能产生晶闸管失控的各种情况，并推导了发生这些情况的临界条件，划分了晶闸管 的失控区域，对t c s c 在感性调节区域的特性进行了详细的描述。通过数字仿真和 动模实验分别对t c s c 的晶闸管失控现象进行了验证，对t c s c 在感性调节区内的 运行特性进行了深入的研究。 4 1可控串补稳态特性分析 t c s c 的基本结构是一个固定的电容和一个t c r 支路的并联，实际运行过程中， 通过改变t c r 支路晶闸管的触发延迟角来改变t c s c 的等效电抗，由于t c s c 电抗 的变化对线路电流影响很小，所以对t c s c 分析时可近似认为线路电流恒定，其基 本的结构如图4 1 所示，其中c 为串联补偿电容，工为t c r 支路电抗，v t l 和v t 2 是一组反并联的晶闸管，为线路电流，f c 为串联补偿电容电流，虹为t c r 支 路电流；即为串联补偿电容电压，仡为t c r 支路电抗电压，v f 为晶闸管电压。 由于晶闸管的非线性，t c s c 在调节过程中的特性非常复杂，尤其是当晒3 时 t c s c 在感性调节区内的调节特性，一直未能有研究结果给出令人信服的结论。本 文将在t c s c 电流源模型的基础上，通过其稳态特性方程来分析t c s c 在感性调节 华北电力大学硕士学位论文 区的运行特性。 v r v t 2 _ _ _ _ _ + 图4 1t c s c 基本结构图 4 1 1 可控串补时域稳态特性 正常情况下，t c s c 有四种基本运行方式：晶闸管阻断模式( 3 h y r i s t o rb l o c k e d ) 、 容性微调模式( c a p a c i t i v ev e r n i e ro p e r a t i o n ) 、感性微调模式( i n d u c t i v ev e r n i e r o p e r a t i o n ) 和晶闸管旁路模式( t h y r i s t o rb y p a s s e d ) 1 晶闸管阻断模式 此时晶闸管闭锁，相当于触发角口= 1 8 0 。，t c s c 相当于固定串联电容补偿，对 应的容抗值称为基本容抗值x c t c s c 在此状态