柔性输电的基本原理

柔性输电的基本原理 引言 按技术的成熟程度可以划分为三类 1 已在实际工程中大量应用的 静止无功发生器 简称SVC staticVarCompensator 晶闸管控制的串联电容器 简称TCSC ThyristorControlledSeriesCapacitor 静止同步补偿器 简称STATCOM StaticSynchronousCompensator 2 已有工业样机 但仍处在研究阶段的 统一潮流控制器 简称UPFC UnifiedPowerFlowController 3 刚刚提出原理设计 尚无工程应用的 静止同步串联补偿器 简称SSSC StaticSynchronousSeriesCompensator 晶闸管控制的移相器 简称TCPST ThyristorControlledPhaseShiftingTransformer 柔性输电装置按其在系统中的联接方式可分为串联型 并联型和综合型 SVC和STATCOM是并联型 TCSC和SSSC是串联型 TCPST和UPFC是综合型 SVC的工作原理 调相机传统的静止并联无功补偿是在被补偿的节点上安装电容器 电抗器或者它们的组合以向系统注入或从系统吸收无功功率 并联在节点上的电容器和 或电抗器通过机械开关按组投入或退出 传统补偿方法的缺点 其调节是离散的 其调节速度缓慢 不能满足系统的动态要求 其电压负特性 即当节点电压降低 升高 时 并联电容注入系统的无功功率也降低 升高 属于柔性输电技术范畴的现代静止无功发生器 StaticVarCompensator 将电力电子元件引入传统的静止并联无功补偿装置 从而实现了补偿的快速和连续平滑调节 理想的SVC可以支持所补偿的节点电压接近常数 良好的动 静态调节特性使SVC得到了广泛的应用 SVC的构成形式有多种 但基本元件为晶闸管控制的电抗器 ThyristorControlledReactor 和晶闸管投切的电容器 ThyristorSwitchedCapacitor 为了降低SVC的造价 大多数SVC通过降压变压器并入系统 由于阀的控制作用 SVC将产生谐波电流 因而为降低SVC对系统的谐波污染 SVC中还应设有滤波器 对基波而言 滤波器呈容性 即向系统注入无功功率 TCR和TSC支路 TCR支路由电抗器与两个背靠背连接的晶闸管相串联构成 控制元件为晶闸管 设加在TCR支路上的系统电压为正弦 其波形如图8 3 a 所示 阀的触发延迟角为 则触发时刻为 TCR电压波形和电流 这种运行模式相当于将电抗器直接并联在系统中 当触发角 从 增大到 时 阀的导通区间宽度将由 下降到零 这时在任何时刻两个阀都处在截止状态 这种运行模式即相当于将电抗器退出运行 当小于 时 已经处在导通状态的阀 其电流回到零点的时刻将大于尚未导通的阀的触发时刻 在这种情况下 当未导通的阀的触发脉冲发出时 由于已导通的阀尚未关断 故未导通阀的阀电压为零 因而不能被触发而导通 这样 两个阀中总有一个阀在任何时刻都是截止状态 这种状态将导致电感电流中的主要分量为直流分量 因而正常情况下 TCR的触发角运行范围为由式 8 3 或波形图可见 由于阀的控制作用 电抗器中流过的电流发生畸变而不再是正弦量 调整触发角的大小将改变电流的峰值和导通区间的宽度 TCR支路的等值基波电抗为 由上式可见 TCR支路的等值基波电抗是导通角或者说是触发角的函数 调整触发角可以平滑地调整并联在系统的等值电抗 如图8 2 b 所示 TSC支路由电容器与两个反向并联的晶闸管相串联构成 TSC支路的电源电压与TCR相同 其波形如图8 3 a 所示 TSC中通过对阀的控制使电容器只有两种运行状态 将电容器直接并联在系统中或将电容器退出运行 切除投运状态的电容器比较简单 只要停止对阀进行触发即可 SVC向系统注入的无功功率为 可见当时 SVC向系统注入的无功功率可以连续平滑地调节 为了扩大SVC的调节范围 根据补偿容量的需要 一个SVC中可以采用多个TSC支路 SVC的等值电抗为SVC的等值伏安特性由TCR和TSC组合而成 系统电压变化时SVC的等值阻抗随 变化的示意图 SVC的伏安特性 当系统电压在SVC的控制范围内变化时 SVC可以看成电源电压为和内电抗为的同期调相机 式中 即是图8 5中直线AB的斜率 及分别为SVC的端电压及端电流 当系统电压的变化超出SVC的控制范围时 SVC即成为固定电抗 在电力系统稳定性分析和控制问题中 SVC可以看成并联在系统中的一个可变电纳 其电纳值由SVC的控制器决定 STATCOM的工作原理 STATCOM也称为静止无功发生器 ASVG AdvancedStaticVarGenerator 其功能与SVC基本相同 但是运行范围更宽 调节速度更快 SVC的控制元件为晶闸管 晶闸管是半控型器件 只能在阀电流过零时关断 STATCOM是用全控型器件实现的 STATCOM的原理接线如图8 6所示 其中控制元件为全控型阀元件GTO 理想的GTO开关特性为 当阀有正向电压且在门极加正向控制电流时 阀即时开通 阀在导通状态下阀电阻为零 当在门极加负向控制电流时阀即时关断 阀在关断状态下阀电阻为无穷大 显见 GTO与普通晶闸管的关键区别是其关断时刻是由门极控制而并不要求阀电流过零 图8 6所示的STATCOM实际上为一个自换相的电压型三相全桥逆变器 电容器的直流电压相当于理想的直流电压源 为逆变器提供直流电压支撑 与GTO反向并联的普通二极管的作用是续流 即为交流侧向直流侧反馈能量时提供通道 逆变器在正常工作时通过GTO的通断将直流电压转换成与电网同频率的相位与幅值都可控制的交流电压 由于三相对称正弦电路的三相功率瞬时值之和为常数 因此各相的无功功率不是在电源与负载之间而是在相与相之间周期性交换 若不考虑在电力系统动态过程中由上述能量支持交流系统时 电容C的值可以较小而STATCOM能为系统提供的无功容量要远大于此 STATCOM为系统提供的最大无功容量主要受逆变器的容量所限 所以与SVC相比较 STATCOM的构成避免了采用体积庞大的电抗器和电容器 TCSC的工作原理 晶闸管控制的串联电容器 TCSC 可以快速 连续地改变所补偿的输电线路的等值电抗 因而在一定的运行范围内 可以将此线路的输送功率控制为期望的常数 在暂态过程中 通过快速地改变线路等值电抗 从而提高系统的稳定性 最早的TCSC于1991年在美国投运 TCSC原理结构示意图 图中包括一个固定电容和与其相并联的晶闸管控制的电抗 TCR 控制元件为晶闸管 在上边分析SVC的控制原理时 其中也涉及到TCR 但需注意 由于SVC是并联在系统的节点上 所以认为加在TCR的电压是正弦量 而流过TCR支路的电流由于阀的控制作用而发生畸变 其波形如图8 3 b TCSC中的TCR与SVC中的TCR的运行条件大不相同 注意TCSC是串联在系统的输电线中 由于谐波管理的要求和系统运行条件的物理约束使得流过TCSC的电流即线路电流为正弦波 这样 由于阀的控制作用 当流过TCR支路的电流发生畸变时 与其并联的电容电压必发生畸变而成为非正弦量 这是二者的重要区别 SSSC的工作原理 TCSC是用半控型电力电子元件实现的串联补偿 用全控型元件实现串联补偿的方法有数种 这里介绍采用GTO实现的电压型逆变器构成的串联补偿SSSC 前边已介绍的STATCOM是将电压型逆变器经电抗器或变压器并联在系统中 SSSC则是将电压型逆变器经变压器串联在线路中 忽略线路对地支路时 其原理接线如图所示 SSSC是基于可关断器件的新型串补装置 通过串联在线路中与线路电流相角差为90 幅值可调的电压来实现对线路纵向电压的控制 起到调节线路输送功率 抑制电压振荡和功率振荡 并影响线路两端母线电压及其相角等作用 容性补偿时 注入电压滞后线路电流90 与线路阻抗上的电压降反向 使线路电流的幅值增加 如图 b 所示 从而在不改变功角差的情况下 使线路输送功率增加 若保持相同输送功率不变时 减小输电线路两端的电压降和相角差 从而将提高系统的稳定裕度和输送能力 感性补偿时 注入电压超前线路电流90 与线路阻抗上的电压降同向 使线路电流的幅值减小 输送功率减小 如图 c 所示 TCPST的工作原理 晶闸管控制的移相器 ThyristorcontrolledPhaseshiftingTransformer 简称TCPST 用机械开关通过切换变压器分接头实现的移相器在电力系统中已有较长的应用历史 这种移相器也称为串联加压器 由于机械开关调整变压器分接头的速度十分缓慢 因而这种移相器只能用于电力系统的稳态调整 另外 机械开关的运行寿命短也是这种移相器的主要缺点 用晶闸管替换机械式切换开关可以实现移相器的快速调整从而使其应用范围大大扩展 具体实现的方案有多种 这里以其中比较简单的一种为例来介绍移相器的基本工作原理 移相器由并联变压器 ET 串联变压器 BT 和切换开关构成 并联变压器和串联变压器也分别称为激励变压器和加压变压器 图8 10中并联变压器的二次侧和串联变压器的一次侧只画出了c相 其他两相具有相同的结钩 开关S由一对反向并联的晶闸管组成 与前面介绍的TCSC中的开关具有完全相同的工作原理 S1 S5在任何情况下只允许导通一个 其余断开 由图可以看出 并联变压器的变比随开关S1 S4的导通情况变化 当S1 S4都断开时 S5必须导通 将串联变压器的一次侧短路 以避免将串联变压器的激磁阻抗串进线路 UPFC的工作原理 前边介绍的几种FACTS装置都是只调节影响电力线输送功率的三个参数中的一个 TCSC和SSSC补偿线路参数 SVC和STATC