可控串补(TCSC)的特性分析与应用建模仿真

装装 订订 线线 可控串补 可控串补 TCSC 的特性分析与应用建模仿真 的特性分析与应用建模仿真 目 录 摘要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 FACTS 的发展概况 1 1 2 1 FACTS 概念的提出 2 1 2 2 FACTS 技术的应用现状及作用意义 2 1 3 可控串补 TCSC 的发展现状 3 1 3 1 可控串补 TCSC 的应用现状 3 1 3 2 采用可控串补 TCSC 的优越性 3 1 4 本文的主要工作 4 2 TCSC 的运行原理与工作模式 5 2 1 TCSC 的基本电路结构 5 2 2 TCSC 的基本工作原理 5 2 3 TCSC 的基本工作模式 6 3 TCSC 的特性分析 7 3 1 TCSC 的等效阻抗特性分析 7 3 2 TCSC 的稳暂态特性分析 9 3 2 1 TCSC 的稳态特性分析 9 3 2 2 TCSC 的暂态特性分析 11 3 3 TCSC 的谐波特性分析 12 4 TCSC 的应用建模仿真 14 4 1 TCSC 的应用仿真 14 4 1 1 仿真电路方案 14 4 1 2 TCSC 应用建模仿真 17 4 2 TCSC 应用的仿真结果研究 19 5 全文总结 21 参看文献 23 致 谢 24 Contents Abstract II 1 Preface 1 1 1 Introduction 1 1 2 FACTS and its deve1oping situation 1 1 2 1 Concept of FACTS 2 1 2 2 Application of FACTS and advantages 2 1 3 Development situation of TCSC 3 1 3 1 Application situation of TCSC 3 1 3 2 Advantages of TCSC 3 1 4 Main work of thesis 4 2 Operation and operating principle of TCSC 5 2 1 Basic circuit model of TCSC 5 2 2 Basic operating principle of TCSC 5 2 3 Basic operrating model of TCSC 6 3 Characteristics Analysis Of TCSC 7 3 1 Equivalent impedance charaeteristics analysis of TCSC 7 3 2 Steady and dynamic state charaeteristics analysis of TCSC 9 3 2 1 Steady state charaeteristics analysis of TCSC 9 3 2 2 Dynamic state charaeteristics analysis of TCSC 11 3 3 Harmonic characteristics analysis of TCSC 12 4 Application modeling simulation of TCSC 14 4 1 Application modeling simulation of TCSC 14 4 1 1 The project of circuit simulation 14 4 1 2 Application modeling simulation of TCSC 17 4 2 Research of application simulation result 19 5 Conclusion of the thesis 21 References 23 Acknowledgement 24 I 可控串补 可控串补 TCSC 的特性分析与应用建模仿真 的特性分析与应用建模仿真 摘要 可控串联补偿技术是通过对晶闸管的触发角实行迅速而准确地控制来实现其控制潮流 降低网 损 改善次同步振荡的功能 且可控串补具有造价低 结构简单的特点 十分迎合现代电力系统的发 展需求 在很多国家的实际电网中得到很好的应用 是各国 FACTS 实践中首选的实用化装置 在带来 各种好处的同时 由于 TCSC 的引入改变了系统结构 因此就可能对现有的电力系统产生某些影响 为 了保证电力系统的安全稳定运行 有必要对 TCSC 的特性进行分析 包括对 TCSC 的应用进行建模仿真 以便于进一步地考察 TCSC 对现有继电保护系统的影响等 关键词 FACTS TCSC 特性分析 应用模型 仿真 II Characteristics Analysis of Thyristor Controlled Series Compensation TCSC and Application Modeling Simulation Abstract Thyristor Controlled Series Compensation TCSC has many functions such as controlling the distribution of tidal current lowering the loss of network improving transient state and suppressing sub synchronous resonance by precisely and fast controlling the thyristor operating angle And it has many characteristics such as ordinary structure and being cheap it caters to the development of the modern electric power system because of this In present it has been used in many countries and played an important role It is primarily in the application of FACTS At the same time the use of the TCSC brings the change of the network so it is possible to bring an influence to the existing power system Therefore in order to promise the steady operation of the power system it is necessary to study the characteristics of TCSC and found an applied model for the study of the adaptation of TCSC on the existing relay protection Keywords FACTS TCSC features application model simulation 1 1 绪论绪论 1 1 引言引言 为了适应国民经济的发展需求 我国现代电力系统经过电网互联 迅速发展形成逐渐 增大的巨型电力系统 且电力系统的装机容量也在不断增长 超大规模的电力网络互联收 获诸多益处的同时 也迎来了不断的挑战 进行长距离超大容量的输电不可避免 资源分 配的优化与系统规划 互联电网的协调运作 电力系统稳固运行的问题也变得愈加尖锐 电网的输电可控性较差 无法与发电 配电相比 负荷改变 网络中的功率潮流分布 也会改变 可能导致系统的安全运行受到干扰 电能损失过大 采取降低输送功率的消极措 施成为必然 原来电网输电线路所承担的输电要求加重 面临输电能力不足的考验 同时 输电线路的输电能力接受多种不稳定性因素制约 所以 保持电力系统优化稳定运行对电 网的输电能力的提升很关键 采用串并联电容 采用同步调相机等前人设计研制的设备对 提升系统的安全稳定性 提高输电线路的输电能力等方面发挥了重要作用 但是这些大部 分不外乎机械式调控的方式 一些不可忽略的局限性也暴露出来 例如受控的速度太慢 短时间内不可以反复多次操作 机械控制方法中机械装置容易老化 寿命短暂等各种缺 陷 要达到控制电力系统稳定性的目的 速度决定一切 所以 机械控制被电子化控制 手段替代已经是一种电力系统不可阻挡的趋势 从电能的生产到传输至用户的过程曲折 提升输电线路的输送能力很有必要 输电 过程中因为增加功率的输送变化次数导致系统的控制问题变复杂 在现代互联电网中继 续运用传统的调控方法来达到理想中的大幅度调节的目的无比艰巨 电力电子元件得到迅猛发展 为迎合现代电力系统的需要 系统的可控性就可采用电 力电子器件实现 灵活性交流输电技术 FACTS 特别是可控串补技术 TCSC 能够提 升输电线路电能的传输能力 电网互联逐渐形成全国联合电网 为保证资源充分利用 电 网经济灵敏运转 必须要进行大功率 远距离输电 如何提高电网最大输送功率 加强电 力网络的安全 可靠和经济等性能 是现代电网面对的刻不容缓的难题 此时展开可控串 联补偿装置 TCSC 的特性分析 研究它在电网中发挥的作用 具有重要意义 1 2 FACTS 发展发展概况概况 在 FACTS 技术这一概念问世之前 电力业界被广泛应用的控制器基本只有静止无功 补偿 SVC 之后 FACTS 迅猛发展并且得到广泛推广 成为电力界新兴技术领域的 重要发展代表 目前 接近 20 种的 FACTS 控制器已经被发明 其中部分控制器 例如 SVC TCSC UPFC STATCOM 等 已取得较好的成效 放眼未来 FACTS 产生的影 响会更深远 正如 FACTS 分委会的 FACTS 工作组在其报告中所指出的 FACTS 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 2 着电力传输系统一个新时代的到来 1 2 1 FACTS 概念的提出概念的提出 Flexible AC Transmission System 的概念 1988 年由美国 N G Hingorani 博士提出 它 是综合电力电子技术 微处理的微电子技术 通讯技术和控制技术而形成的用于控制交 流输电的新技术 最早 FACTS 的定义为 FACTS 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 后来大量的学者不断地加入该领域的研究 FACTS 概念有了不断的发展 有了 FACTS 概念的指引领导 创新的 FACTS 新设备 例 如 TCSC 统一潮流控制器 UPFC 等地相继出现又再一次促进了 FACTS 概念的发展与 完善 伴随着 Cuspow 的发展进步 IEEE 又提出了一个比较有权威性但是有些宽松含糊 的 FACTS 定义 这一点为 FACTS 的概念创新留出了充分余地 即 装有电力电子型或其 他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 FACTS 控制器是可 提供一个或多个控制交流输电系统参数的电力电子型系统或其它静止设备 1 2 2 FACTS 技术的应用现状及作用意义技术的应用现状及作用意义 上世纪六七十年代 国外就开始在直流输电 HVDC 系统方面应用晶闸管 意味着 FACTS 在本质上丧失了对高压直流输电技术的延伸 ABB 原 BBC 和 ASEA SIEMENS 等举世著名的电气公司在这一技术领域内比较先进 当年 BBC 为我国提供了 第一条 50OkV 高压直流输电线路 葛一上线 西门子公司承建了我国的第二条 5OOKV 高压直流输电线路 天一广线 六十年代初期 美国西屋公司就已经在电力传输技术的科研方面投入精力 开始应 用电力电子技术 虽然当时的 GTO 还在初期应用阶段 但是在八十年代中期 GTO 便已 投入运行 其中 1996 年 美国加州圣豪西市附近的 TV 投入运行了西屋公司当年第一 个超大规模 100Mvar STATCOM 需要连接在额定电压为 161kV 的输电线路上 并且通过 此来达到对 500KV 侧的补偿 在 1991 年 美国东部已有三个地方将静止同步串联补偿装 置 SSSC 应用于 765kV 的交流输电系统中 如今 美国的西屋公司与 EPRI 已经合作组 建了一个新的公司用于进行发展研究 FACTS 技术和其它另外的先进电力电子控制技术 门极可关断晶闸管 GTO 是灵活交流输电技术中很关键的技术 现今在国外水平下 GTO 的额定电压为 4 5KV 额定电流参数为 5kA 若是通过采用多个 GTO 串联应用于 FACTS 中 因为非同步性的触发脉冲 使得每一个 GTO 的电压产生变化 最终导致击穿现象 因此 必须采取均压手段 普通的情况就是两三个 GTO 串联 组成串联段 我国对 FACTS 技术的研究着手较晚 FACTS 的技术基础方面十分薄弱 但是国家对 于此技术的研究和应用相当重视 多方面的工作也在各方的有力支持下开展进行 尽管 已经在实际应用方面取得不小的成功 但是与国外相比差距还很大 尤其我国现阶段 3 GTO 的制造水平无法与国外相比 是制约我国 FACTS 技术进步发展的一个瓶颈问题 控 制技术如对应用电光和磁光互感器做高压控制信号传感元件 美国等国家都已应用 而 中国只是处于研究阶段 FACTS 技术作用意义重大 它的问世意味着从前的只用一种控制营造部分作用的局 面被颠覆 可以使交流输电系统的无功电流降到最低的水平 提升了原来输电线路的电能 传输能力和电能利用率 降低了线路上的阻抗 合理地调控网络中的潮流分布 另外可 以抑制电网谐波 开创了增强交流输电网整体运行控制能力的技术途径 FACTS 以其具 有的超快的控制响应速度 可以快速补偿电网的各种扰动从而可以保证电力系统具有良 好的动态稳定性 FACTS 使交流输电系统高效能 低耗损运转 是一个重要的技术革命 1 3 可控串补 可控串补 TCSC 的发展现状 的发展现状 1 3 1 可控串补可控串补 TCSC 的应用现状的应用现状 TCSC 以其庞大的经济和功能效益成为 FACTS 技术的一个重要元件 在其他国家灵 活性输电的运用实践中都是实用化装置的第一选择 1991 年第一套可控串联补偿 TCSC 设备投入使用 迄今 世界上投入商业运行的已有十一套可控串补 TCSC 设 备 总建成容量已达到 2000Mvar 目前仍然有一些可控串联补偿的计划在有条不紊地建设 布局中 美国的著名电气公司如西门子 ABB 等与相关电力系统合作成功研制出多套 TCSC 装置投入了运行 如 1991 年 ABB 公司改建的 Kanawha River 变电站 345kV 单相串补投 切工程 用来提高线路传输能力 增强暂态稳定性 改善阻尼功率的振荡 1992 年 Siemens 公司建造的 WAPA 电力系统 Kayenta 变电站的 22OkV 新型串联补偿 ASC 工程 用于提高 线路传输能力 1993 年 GE 公司承担的 BPA 电力系统 Slatt 变电站的 5OOkvTCSC 试验工 程 用于限制阻尼功率振荡且次同步谐振 2004 年 8 月 印度又启动了在 Kanpur 一 Ballabhgarh400kV 线路的 Ballabhgarh 处安装 FSC 和 TCSC 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 12OMW 第 2 阶段设计安装 8 一 20 的 TCSC 我国着手研讨可控串补较晚 2003 年 6 月 在 500kV 的天生桥一平果双回线平果变电 站南方电网投运了由西门子公司制造的包括 TCSC 的串联补偿装置 这是我国所投入的第 一个 TCSC 工程 经天广线 TCSC 工程的投产 输电线路能力增强 此替 西电东送 大 约增加了 300MW 的容量 系统暂态稳定性水平和阻尼功率振荡都得到了改善 2005 年 中国电力科学研究院研制了第一套国产化的 TCSC 装置 此装置投入运行于甘肃省壁口 一成县的 22OkV 电网 该装置额定容量为 86 6MVar 基本容抗 21 7 此工程标志着中国 成为在继美 德和瑞典之后第四个可以制造出可控串联补偿装置的国家 4 1 3 2 采用可控串补 采用可控串补 TCSC 的优越性 的优越性 可控串补 TCSC 是一项传拥有着传统串联补偿技术无法相比优势的新技术 可控 串联补偿技术拥有下面几个优越性 1 控制潮流分布 可以动态地控制网络系统中所选定的线路潮流进而达到潮流分布 最优条件 并且通过潮流控制以免产生功率环流 2 提高电网输电能力 由于可控串补能够等效地减小系统等值电抗 这也就意味着 缩短了线路原长度 降低了电能传输成本 提高系统运行的经济性 3 增强系统暂态稳定性 因为晶闸管可以快速 连续控制作用 如果系统突然受 到了较大的扰动 那么快速准确地对晶闸管的触发控制角进行调控 改变阻抗的补偿度 电力系统暂态稳定性得到提高 另外 TCSC 还可阻止由本地与区间之间震荡模式引起的 功率波动 4 抑制次同步振荡 在串联电容补偿的时候有可能会发生次同步振荡现象 但是可 控串补 TCSC 能抑制次同步振荡现象 若在次同步频率情况下 则 TCSC 呈现出一个 固有的电阻 电感性质的电抗 那么此时次同步振荡就无法再维持下去而只能逐渐衰减 5 提高串联电容的保护水平 当故障扰动发生 电容器上可能会出现过电压 通过控 制晶闸管触发角 达到旁路串联闸管的快速动作从而使得电容器立即投入来帮助稳定系统 6 减小短路电流 如果系统中短路电流比较高 可控串补能够从容性微调模式转向 感性微调模式 从而能够限制短路电流 1 4 本文的主要工作本文的主要工作 本文首先简要阐述了 FACTS 技术 从其应用现状及重要意义入手 引出了可控串补 的概念 具体介绍了 TCSC 的电路基本结构 工作原理及其所特有的四种工作模式 分 析了 TCSC 的等效阻抗 稳暂态和谐波特性 最后根据 TCSC 的应用建立模型 在 MATLAB 的 Simulink 中进行仿真 对波形进行了初步的研究分析 具体章节安排如下 第一章 基于国内外相关文献的基础上介绍了 FACTS 技术和 FACTS 发展及其应用现 状以及使用 FACTS 的作用意义 后又引出 TCSC 的运用现状及优越性 第二章 主要是介绍了 TCSC 的基本电路结构 基本工作原理及等效阻抗特性 稳暂 态 谐波等特性进行分析 第四章 主要进行 TCSC 应用建模过程 在 MATLAB 的中建立可控串补的应用模型 对仿真波形研究探讨 第五章 对本文研究小结 并对未来问题进行了展望 5 2 TCSC 的运行原理与工作模式的运行原理与工作模式 2 1 TCSC 的基本电路结构的基本电路结构 可控串补的基本的电路结构如图 2 1 所示 主要元件有四个 串联电容器 C 与两个 反向的晶闸管支路相串联的电抗 L 两个反向并联的晶闸管 T 限压器 MOV 和对装置起 保护作用的旁路断路器 B 图中的 MOV 接在串联电容器的两端 可用来避免电容器上产生较高过电压损坏设备 在根本上还只是一个非线性的电阻 而且它不仅能够限制串联电容器上的过高电压 还 有一个不可忽视的功能 无论正常运行还是出现大小故障 它都能让电容器始终保持着 接入的状态 这对系统暂态稳定性的提高十分有益 对于旁路断路器 B 它也跨接于串联 电容器的两端 作用是监测控制电容器是不是接进了电路中去 如果发生了重大故障或 者是系统的设备不能稳定工作时 旁路断路器 B 就会将电容器旁路 图图 2 1 TCSC 电路基本结构电路基本结构 实际应用 TCSC 装置一般是通过很多图 2 1 所示的基本 TCSC 模块级联组成的 为了 使成本降至最低 TCSC 系统中都串联有一个很固定的电容 2 2 TCSC 的基本工作原理的基本工作原理 TCSC 的基本工作原理 由图 2 1 所示 TCSC 的电路基本结构中可以简单地了解到 可控串联补偿装置是在并联的 LC 电路中的 L 支路上串联着一对反并联的晶闸管 通过控 制晶闸管的触发脉冲 改变电感电流的大小 增大系统中串联固定电容基频电压 等值 电抗能连续地被改变 从 90 此刻晶闸管为全导通 电抗为感性电抗 而 为LX 180 时的晶闸管就是全部截止的状态 电抗变成了无限大 那么线路的补偿程度就可以连 续地变化 对线路的功率就可实现了大范围连续地控制 所以 对晶闸管的触发控制角准 确无误的控制 就能达到为线路系统提供可控制的串联补偿的目的 原理向量图如图 2 2 6 所示 Uc ILIcI Uc IL IcI 图图 2 2 1 IC IL 的相量图的相量图 图图 2 2 2 IC IL 的相量图的相量图 向量图分析 如图 2 2 1 所示 时 电容电流大于电感电流 I 在相位上CXLX 超前90 容性阻抗 电容电流由和电感的电流组成 如图 2 2 2 所示 CU I LI CX 时 电容电流小于电感电流 在相位上落后于电容电压90 感性阻抗 电感电LX I CU 流由和电容电流组成 I 2 3 TCSC 的基本工作模式的基本工作模式 通过对触发脉冲进行控制 改变晶闸管的触发角 而改变与晶闸管在同一支路上的电 感电流 连续地改变系统的等效阻抗 对于 TCSC 的工作模式有四种 晶闸管截止模式 晶闸管旁路模式 容性微调模式和感性微调模式 1 晶闸管截止模式 晶闸管完全截止的模式即晶闸管与电感串联的那条支路开路 相当于电感支路不存在 装置就成为普通的串联补偿 串联电容器上流过电路中的全部 电流 电路阻抗即是电容容抗 2 晶闸管旁路模式 晶闸管旁路即晶闸管 T1 T2 都处于持续导通状态 而此时晶闸 管支路相当于一个小电感 那么对于电路中的电流 大部分经过晶闸管支路流过 TCSC 便是工作在晶闸管旁路模式 3 容性微调模式 晶闸管的导通角较小 情况如图 2 2 1 所示 线路的电流与电容的 电流方向相同 电容电流的大小因为两个晶闸管中有了环流而增加 甚至包括电容器上 的电压也有了提高 TCSC 装置系统的阻抗呈现容抗特性 而且大于电容器的容抗 事实 上 TCSC 通常运行的就是这种模式下 4 感性微调模式 晶闸管的导通角较大 具体的情形是如图 2 2 2 所示 线路电流与 流经晶闸管支路的电流方向相同 TCSC 的阻抗呈现感性特性即为感性微调模式 7 3 TCSC 的特性分析的特性分析 3 1 TCSC 的等效阻抗特性分析的等效阻抗特性分析 这里分析的 TCSC 的等效阻抗特性是指对 TCSC 的基频等效阻抗进行分析 所谓基频 即频率为 50hz 等效阻抗 即由线路中串联的电容与晶闸管控制的电抗这部分电路在电力 系统中工作时的阻抗 电感电流的瞬时值与触发角 的关系如下式所示 3 1 wt wtwt U L 0 cos cos wL I 其中 U 一一电源电压峰值 一一晶闸管的触发角 一一晶闸管的导通角 对上式进行 傅里叶展开 得出 3 2 2sin2 X U IL L 其中 L 为电抗器基频电抗 从上式可以看出 如果触发角为 0 电抗值为 如 X LI U 果 90 等效于开路 图图 3 1 TCR 电路结构图电路结构图 图 3 1 为 TCR 的结构示意图 则 TCR 支路的等效电抗为 3 3 sin2 2 X X L TCR 对于电容支路的电容基本不变 TCSC 的基频等效阻抗为与 TCR 支路并联求CXCX 得 有 3 4 LCw w j jX jX TCR TCR 2 TCSC 2sin2 L jwc 1 jwc 1 X 其中公式中的为电容电压达到最大值后开始计及的触发角 8 图图 3 2 TCSC 的阻抗特性与的阻抗特性与 的关系图的关系图 从图 3 2 可以看出 在 为 145 180 时 TCSC 工作于容性阻抗调节模式 在 为 90 140 时 TCSC 工作于感性阻抗调节模式 触发角为 90 时 TCSC 处于晶闸管旁路状 态 等效阻抗等效于电容支路电抗和电感支路电抗的并联 此时标么值比 1pu 要小得多 触发角为 180 时 TCSC 处于晶闸管截止状态 等效阻抗即是串联固定电容的容抗 cX 标幺值相当于 1pu 可以看出触发角为 143 附近时 TCSC 处于谐振区 能看到阻抗曲线的 斜率很大 触发角的一点变化都能引起阻抗的巨大变化 TCSC 工作运行时要避免 以免 发生谐振危及设备及人身 等效电容 3 6 Lw wLC wXTCSC 2 TCSC 2sin21 C 等效电感 3 7 LCw L w 2 TCSC 2sin2 X L 容性阻抗区域 TCSC 可等效看作与线路的等效电感 L 线 线路的等效电阻 RTCSCC 线串联的电路系统 阻尼参数即为 3 8 Cw w L2sin2 LL 2 C L 2 2 TCSC 线线 触发角 减小 对应公式 3 8 中增加 实际线路的等效电阻 R 线特别小 使得 阻尼参数较大 大于电感电阻 TCSC 振荡时间延长 若触发角 增大 减小 TCSC 振荡时间变短 当 TCSC 工作于感性阻抗的调节区域 电路可看成感抗和纯电阻串联的 电路 时间常数 L R TCSC 达到稳态的时间长度会受影响 如果单个的 TCSC 装置 则对于其阻抗具有一定的调节范围 晶闸管全关断模式的 9 电容器标称容抗为最小容抗 最小感抗为晶闸管旁路模式的等效电抗 在数值上 CXLX 等效阻抗不可能为小于的容抗以及不可能小于的感抗 CXLX 另外来讲 想办法将触发角 控制在一定的角度内是必须的 那是因为越在接近近谐振发 生点运行 越容易产生过大的 U 及工作 I 在感性阻抗调节区域 触发角 不允许超过最 大触发延迟角 对应最大等效感抗为 在容性阻抗调节区域 最大导通角不能超MAX LMAX 过 对应最大等效容抗为 MAX CMAX 3 2 TCSC 的稳暂态特性分析的稳暂态特性分析 TCSC 正常稳态运行工作于容性微调模式 对 TCSC 的稳态特性进行分析有利于在正 常情况下掌握对晶闸管触发角的调控 使装置发挥需要的最佳水平 为现代电力系统的 发展更好的服务 一旦 TCSC 装置发生故障 系统短时间内不会到达稳态正常水平 这 中间需要经过一段比较复杂的暂态过程 不希望系统一直处于暂态故障过程中 对于暂 态过程的特性进行分析 使能够尽快地掌握故障所在 故障特征 及时做出准备 有利 于提高电力系统的稳定性 3 2 1 TCSC 的稳态特性分析的稳态特性分析 目前研究可控串联补偿的研究重点就是连续地调节晶闸管的触发角来连续改变系统 阻抗 研究时可以借助静止补偿器 SVC 中的固定电容器和 TCR 的技术特性 不过可 控串连补偿装置在电源方面处于电流源的环境 且正常稳态下的可控串补工作在容性模 式 图图 3 3 a TCSC 稳态分析电路图稳态分析电路图 10 Uc Ic I IL 图图 3 3 b 容性微调模式下波形图容性微调模式下波形图 按图 3 3 b 所示定义 触发角即为电容电压达到峰值与后面电流出现时刻的角CU 度为 导通角 为电流出现时间宽度的一半 通过电抗器的电流 其波形是正弦波的一 部分 再导通范围内 电流 波形表达式为 3 9 90sin 90I sin wt cos I cos wt iL 当 TCSC 稳态运行时 电容电压和线路电流的波形都不是正常的正弦波 除去固定 的基波外 还蕴含着其余次数的谐波 因为 TCSC 的谐波特点为呈现为一个几乎可以忽 略内阻抗的串联于电路中的电压源 所以其所产生谐波性质的电流还取决于线路具有的谐 波阻抗与两端系统谐波阻抗大小 而且 因为在长距离输电线路中安装 TCSC 装置 那么 在线路所具备的谐波阻抗和两端系统的谐波阻抗作用下 可控串联补偿引起的谐波电流相 对来说就很小很小了 所以 此时在分析稳态特性 可不计谐波 取电容电压过零变正时为时间的零点 可控串补运行在容性微调模式下 线路的CU 电流在相位上近似超前电容电压九十度 忽略线路谐波 电流为 3 10 ktcosI i m t 晶闸管导通时 电感电压与电容电压相等 满足下列方程 3 11 c L L uc u dt d L ikt dt d i cosImC 不计及谐波 TCSC 稳态时的阻抗为 每周期电容电压变化规律满足以下 m C I U CU 3 12 221 2121C1C 0uu 21 aaa aaaaan nnn 其中 11 体现的 2cos1 2sincos I I 12 cos I sin I I 12 cosa 2cosa 00 0 0m m 00 2 m 0 0m m 0 2 2 0 2 1 22 2 22 2 w w w w ww wlw w w w w w wc ww wlw w w w w w c c 0 UC 是某周期内电容电压的峰值 是在晶闸管导通角为 2 而且经若干个周期后电容电压 nuc 的峰值 n 趋向于无穷大 电容电压数列是收敛的 收敛于 稳态下的阻抗近似为 11 2 a a 感性微调模式稳态下的阻抗仅仅与容性模式下相差一个负号 如果触发控制角 m1 2 I 1 a a 改变的情况下 装置需要若干周期达到稳定 一般 8 到 10 周期 甚至可能更长 3 2 2 TCSC 的暂态特性分析的暂态特性分析 已经知道 TCSC 的设计运行范围是 对于 145 180 系统的等效电抗呈容性 对于 90 140 等效电抗呈现感性 由于 TCSC 的这种性质使装置在电力系统发生故 障时能够限制短路电流的大小 触发角在发生了变化之后 TCSC 系统在进入稳态的的稳 定时刻之前 还会有必须经过的暂态过程 在上文稳态运行情况分析下 忽略谐波 TCSC 装置上通过的电压及电流均近似地体现为普通的正弦波 基频阻抗即为 如 IUZ 果系统发生故障 那么在此暂态过程中 线路电流 I 及通过 TCSC 上的电压除去原来含有 的基频分量之外 还包括衰减的直流分量及各次谐波分量 对于 TCSC 的暂态特性分析就 变复杂 同时也变得重要 TCSC 可以说是有两种可能的形式 晶闸管关断和晶闸管导通 若晶闸管关断 电力 装置只有普通串联电容 C 若晶闸管不是关断而处于导通 这种情形可以说就相当于电容 与电感的并联 暂态过程就运行在两种形式不断变换中 设线电流恒定 忽略电抗器和 晶闸管动态电阻 不考虑电阻 MOV 的非线性影响 建立模型 1 晶闸管截止 3 13 0 U cos cos I tUoff m Ccwtwt wC 其中 为电容的电压 为晶闸管关断时刻 为关断时刻的电容电压 tUCofft 0 UC 2 晶闸管导通 3 14 cos 0 Uc cos cos sin sincosZ U 00 0onc ononon on ttwttwwtZw ttwwtZwwtwt 其中 为晶闸管导通时刻 为此次导通起始时刻电容电 ww w I Z 22 2 0 0 m L LC 1 w0 ont 0 Uc 12 压 晶闸管导通模型由两部分组成 第一项为工频 w 分量 和触发角 无关 由电流激 励产生 后面三项为自然振荡频率分量分量 与触发角有关 暂态过程中 工频分量0w 与稳态一样 但是分量相对稳态平衡点发生偏移 随着时间推移 逐渐回到稳态水平 0w 触发控制角 越大 TCSC 装置暂态过程越短 达到稳态的时间也就短些 一是因为 如果触发角越大 TCSC 系统的等效容抗就会越接近原来输电线路电容电抗 系统状态与稳 态运行状态越接近 二是 TCSC 中串联电容上的电压为晶闸管提供了换相电压 然而电感 的电流也会使电容的电压产生突变 又影响换相 触发角改变 TCSC 在达到稳态运行之前 要经历暂态过程且需要一定的才能恢复稳定运行 3 3 TCSC 的谐波特性分析的谐波特性分析 已经知道 TCSC 有着巨大的潜在的经济和性能效益 在其他国家灵活性交流输电技 术的运用实践中都是实用化装置的第一选择 实际情况下 若 TCSC 的晶闸管的导通角 加大 TCSC 工作在感性微调模式 线路电流中的谐波成分不降低反而所占的比重有所升 高 那么电容电压无论是波形还是其幅值都可能会受到谐波的影响产生或多或少地改变 等效阻抗值受此牵连改变 电力系统的稳定运行受波及 因此有必要对 TCSC 的谐波特 性进行分析 因为晶闸管的相控特性 致使 TCSC 的 TCR 支路电流中包括电容电压中含有大量谐 波 稳态时 电容电压谐波分量取决于 设线路电流为正弦波 容性微调模式下主 w w0 要谐波分量为 3 5 7 次 图 3 4 是电压谐波分量波形与线路中的电流关系图 图图 3 4 电压谐波分量与线路电流关系图电压谐波分量与线路电流关系图 谐波电压的幅值随着增加而减小 7 次以上的谐波所占的比例很少了 可忽略 低 次谐波虽然占的分量比较高 但是因为在长距离输电线路中安装 TCSC 装置 那么在线路 阻抗和两端交流系统等值阻抗的作用下 TCSC 引起的低次谐波电流频率与外部交流系统 相比很小很小了 对外部的交流电网影响也就很小 13 在暂态过程里 TCSC 产生的谐波源电动势是一个随时间变化的量 暂态过程中 TCSC 的基频阻抗存在一个超调的过程 进入稳态时间较长 从而导致了同一个测量点对 谐波原电动势测量到的转移阻抗的大小随时间的变化而变化 晶闸管导通情况不同 产 生谐波源电动势也不同 这些可能的原因都造成了 TCSC 的谐波特性很复杂 图图 3 5 仿真系统示意图仿真系统示意图 按照图 3 5 所示系统图进行仿真 固定电容的补偿度 20 可控串联补偿为 46 工作状况调整后的具体情况如表 3 1 所示 表表 3 1 线路参数畸变率与触发角的关系线路参数畸变率与触发角的关系 从表 3 1 中可以看出 投入与关闭 TCSC 的触发控制角 接近谐振角时 暂态调整过 程中电压电流的畸变率最大 另外 比较投入与关闭过程 可以看到 因为在 TCSC 投 入的时刻除了系统自身的过渡过程 还包括可控串补自己的启动过程 至于 TCSC 关闭 就直接退出运行了 只存在系统的过渡过程 这样相对来说刚投入时电压畸变率大 退 出时电流瞬间减小 电流畸变率就大些 那么就有 正常稳态运行情况下 假如线路电压电流的谐波均在系统所许可的范围 14 以内 可以忽略不计 暂态故障情况下 谐波含量较高 畸变率增大 那么对电力系统 的电压质量以及稳定运行都会带来重大不利的影响 4 TCSC 的应用建模的应用建模仿真仿真 在 TCSC 基本工作原理及各种工作模式的研究基础上 可以针对 TCSC 的应用建立仿 真模型 应用仿真能够在 TCSC 运用之前实现简易分析测试 计算机技术的进步特别是 仿真软件的发展完善对研究和分析电力系统具有重要意义 迄今 我国常用的对电力系统进行分析仿真的软件主要是 PSCAD Power System Computer Aided Design EMTP Electro Magnetic Transient Program 等 本文中的应用 仿真建模主要是在 MATLAB 软件的 Simulink 仿真模块进行 Simulink 的 SimPowersystems 是电力系统建模的工具 对于这个工具下有一个 Block Library 是电力系 统元件库 含有电气中常用的各种元件模块 如电源元件 线路元件 电力电子元件 连接器元件 电路测量仪器 附加元件等 实现对电力系统的生动直观描述 电力系统 的仿真模型的正常运行需要电力系统仿真 SimPowersystems 与 Simulink 的其他模块密 切配合 共同实现系统的仿真分析 TCSC 的仿真模型可以分为应用功能模型仿真和内部详细模型仿真两种 应用功能模 型仿真是将现成的 TCSC 装置模型作为理想的可变电抗支路 通过调节触发脉冲 观察线 路系统的其他性能变化 内部详细模型仿真则模拟 TCSC 的实际结构 包括电容器 并联 电抗器 反并联晶闸管等器件 仿真过程中通过晶闸管的导通和关断 改变 TCSC 的等效 阻抗 由于 TCSC 装置主要是应用于系统中来提高线路输电能力而提高电能的输送功率 本论文中涉及到的仿真属于前者应用功能模型仿真 4 1 TCSC 的应用仿真的应用仿真 4 1 1 仿真电路仿真电路方案方案 包含 TCSC 装置的仿真电路原理简单接线方案如图 4 1 所示 TCSC 装置 三相交流 电压源V1 三相交流 电压源V2 RL 15 图图 4 1 TCSC 的应用仿真模型原理接线图的应用仿真模型原理接线图 该应用系统是采用两端供电的双电源网络 设线路的电阻电抗集中于图 4 1 所示的电 阻电感元件中 在线路应用 TCSC 装置 V1 V2 是三相交流电压源 1 电压源 V1 参数设置如图 4 2 所示 图图 4 2 电压源电压源 V1 参数设置图参数设置图 2 电压源 V2 的相关参数设置如图 4 3 所示 16 图图 4 3 电压源电压源 V2 参数设置图参数设置图 3 RL 参数相关设置如图 4 4 所示 图图 4 4 RL 相关参数设置图相关参数设置图 4 可控串补的参数设置如图 4 5 所示 图图 4 5 可控串补参数设置图可控串补参数设置图 17 4 1 2 TCSC 应用建模应用建模仿真仿真 图 4 6 给出的是按照图 4 1 电路接线搭建高压输电线路上 TCSC 的应用模型 TC SC 主主主 Iabc Alpha Irms TCR Pulses CB 主主主主 Vtcsc Iabc zref alpha Irms 主主主主 主主主main variables zref P cb A B C A1 B1 C1 Ptcsc ztcsc alpha Scopes Vtcsc Iabc a b c A B C A B C a b c A B C a b c N A B C V1 N A B C V 2 主主 主主ztcsc Ohms 主 deg 在图 4 6 所示 TCSC 的应用模型中 Zref 为 Timer 模块 指定两次触发 Timer 事 件之间的时间间隔 时间参数设置 0 2 5 5 即每隔 2 5S 触发一次窗口的t Timer 事件 此外 TCSC 的控制系统是 TCSC 装置的核心之一 Zref 阻抗控制直接反 映 TCSC 跟踪并反映参考阻抗的能力 论文模型中按实际线路参数计算出实际参考阻 抗为 在容性微调模式下 120 Zref 126 在感性微调模式下 19 Zref 60 将其输 入到查表环节得到触发角预测值 把触发角输入到触发单元 经过触发模块产生两 个触发信号 TCR 触发脉冲 CB 旁路断路器触发信号 控制晶闸管动作 图图 4 6 TCSC 的仿真应用模型搭建图的仿真应用模型搭建图 18 控制系统参数与触发单元参数设置如图 4 7 与图 4 8 所示 图图 4 7 控制系统参数设置图控制系统参数设置图 图图 4 8 触发单元参数设置图触发单元参数设置图 19 4 2 TCSC 应用的仿真结果研究应用的仿真结果研究 在 MATLAB 中采用图 4 6 所示仿真模型 按图中的控制触发方法进行仿真 得出工 作于容性与感性模式下的电流波形 图图 4 9 a 容性模式下的 容性模式下的 TCSC 电流波形图电流波形图 图图 4 9 b 感性模式下的 感性模式下的 TCSC 电流波形图电流波形图 由图 4 9 a 和图 4 9 b 可以看出 容性微调模式切换到感性微调模式下时 系统 会出现很高的振荡 这可能对设备安全运行造成威胁 对于 TCSC 在容性微调模式下的波 形正常 接近正弦波规律稳定地运行 而 TCSC 切换在感性微调模式下时 波形波动不 规律 略有少许的混乱 容性微调模式下 TCSC 工作比较稳定 20 图图 4 10 TCSC 功率流动示意图功率流动示意图 系统传输功率关系表达式 4 1 sin X X VV P21 TCSCL 21 长距离输电 R 可忽略 其中 P 如图所示流动的有功功率 V1 母线 1 的电压幅值 母线 1 电压相位 V2 母线 2 的电压幅值 母线 2 电压相位 线路感抗 1 2 LX 含有固定串联电容的容抗在内的装置的电抗 对于应用于长距离传输线 TCSC 的TCSCX 仿真波形如图 4 11 与图 4 12 所示 图图 4 11 应用应用 TCSC 装置线路的有功功率变化波形装置线路的有功功率变化波形 21 图图 4 12 TCSC 等效阻抗随触发角变化波形图等效阻抗随触发角变化波形图 由图 4 11 和图 4 12 波形图看出 在高压输电线路中应用 TCSC 装置 改变触发角 可以改变 TCSC 的等效阻抗 也影响到线路的功率传输 功率 P 随着 的改变而作相应 的变化 当 TCSC 呈现波形中的感性补偿时 有功功率随着有效电抗的增加也有所增加 有功功率实现调节 这与公式中所传达的意义一致 即对于实际应用中 输电线路在传 输电能的时候 倘若采用 TCSC 装置 现代长距离高压线路要达到提高传输功率的要求就 可通过控制 TCSC 装置的晶闸管脉冲触发实现 5 全文总结全文总结 为了适应国民经济的发展需求 我国现在的电力系统通过电网互联 迅速发展形成逐 渐增大的巨型电力系统 电力系统的装机容量也在不断增加 超大规模的电力网络形成与 电网互联收获诸多益处的同时 也迎来了众多挑战 长距离大容量输电不可避免 资源分 配的优化与系统规划 互联电网协调运作 改善系统的稳定性问题也变得更加尖锐 可 控串补 TCSC 是基于对晶闸管的触发控制角所实行的精确迅速地控制 实现其调控潮 流 降低网损 改善次同步振荡进而提高电力系统暂态稳定性等多种的功能 而且其具 有造价低廉 结构简单的特点 十分适应现今电网发展需求 利用电力电子器件晶闸管 22 快速调整控制基波的等值容抗 进而实现动态调节串联线路等值阻抗的串联补偿装置 利用电力电子器件晶闸管快速调整控制基波的等值容抗 实现动态调节串联线路等值阻 抗的串联补偿装置 是最近几年来串联补偿技术的新代表 在其他国家灵活性交流输电 FACTS 的运用实践中都是实用化装置的第一选择 本论文主要做的工作总结如下 1 综合论述了可控串联补偿技术的应用现状及优越性 介绍了本文的研究背景 2 具体解释了 TCSC 的电路结构 基本工作原理及它的四种工作运行模式 3 对 TCSC 进行了各种特性的分析与介绍 总结分析了 TCSC 的等效阻抗特性 稳暂态特性 谐波特性 4 为了进一步传达 TCSC 的应用情况 在 MATLAB 中搭建了仿真应用模型 其中 一部分分析了 TCSC 的通常工作模式 一部分对 TCSC 应用于长距离输电的功率情况进 行建模仿真并分析 本文中主要研究了可控串补的特性 利用 MATLAB 构造应