TCSC運行原理及其在電網(wǎng)中的工程應用

張強

（三峽電力職業(yè)學院動力工程系，湖北 宜昌 443000）

1 引言

為解決輸配電網(wǎng)輸電功率瓶頸問題，促進跨流域的水火互濟和更大范圍的資源優(yōu)化配置，克服西電東送和區(qū)域電網(wǎng)異步互聯(lián)等工程技術(shù)難題［1］，研究與開發(fā)靈活交流輸電技術(shù)及其工程應用，對電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展具有重大的意義。

依靠電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，柔性交流輸電技術(shù)（FACTS）對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起到了越來越重要的作用。柔性交流輸電系統(tǒng)的控制技術(shù)以其響應速度快、無機械運動部件以及較好地提取系統(tǒng)廣泛的信息等優(yōu)點而明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)潮流和穩(wěn)定控制措施。可控串聯(lián)補償（TCSC）作為FACTS技術(shù)應用的典型裝置之一，在超高壓線路輸送能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著巨大作用［2－4］。本文主要討論TCSC的運行原理及其在現(xiàn)代電網(wǎng)中的工程應用。

2 可控串聯(lián)補償?shù)陌l(fā)展概述

可控串聯(lián)補償［5，6］本質(zhì)上是晶閘管控制串聯(lián)電容器，它是20世紀70年代提出來的第一代FACTS裝置，第一代FACTS裝置的典型特征是:由半控型器件即傳統(tǒng)晶閘管組成的調(diào)節(jié)裝置。晶閘管控制型的FACTS裝置是利用了傳統(tǒng)的并聯(lián)或串聯(lián)電路排列中的具有快速固態(tài)開關(guān)的電容器或電抗器陣列。晶閘管開關(guān)控制著固定電容器和電抗器陣列的開和關(guān)過程，從而實現(xiàn)一個可變的無功阻抗。

采用串聯(lián)電容器補償線路感抗的補償方式可以縮短輸電線路的等效電氣距離，減小功率輸送引起的電壓降和功角差，從而提高線路輸送能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。常規(guī)串聯(lián)電容器補償裝置的補償電抗固定，它不能靈活地調(diào)整線路電抗以適應系統(tǒng)運行條件的變化。晶閘管控制串聯(lián)電容器應用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過對晶閘管閥的觸發(fā)控制，來實現(xiàn)對串聯(lián)補償電容器容抗值的平滑調(diào)節(jié)，使輸電線路的阻抗參數(shù)成為動態(tài)可調(diào)，實現(xiàn)了對線路補償度的靈活調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的動態(tài)性能得到改善［4］。

隨著常規(guī)固定串聯(lián)電容器應用的增加，帶來了一些新的挑戰(zhàn)［7，8］。當輸電線路采用固定串聯(lián)補償時，會引入一個次同步頻率的電氣振蕩，特別在補償度較高時，電氣諧振與機組諧振之間相互作用導致出現(xiàn)電氣振蕩與機械振蕩相互促進增強的現(xiàn)象即次同步諧振（SSR），還有固定串聯(lián)電容器補償線路時對故障響應靈敏度增加，可能使其在已增加的輸電能力上出現(xiàn)過負荷運行。而可控串聯(lián)補償?shù)某霈F(xiàn)正好彌補了這些不足，而且可控串聯(lián)補償可以方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功潮流，有效地控制電力系統(tǒng)的電壓水平和功率平衡，從而具有多種良好的性能［1］:快速連續(xù)地調(diào)節(jié)輸電線路串聯(lián)補償度；動態(tài)控制輸電線路潮流，優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布和減少網(wǎng)損；通過控制線路潮流，阻尼功率振蕩；能提高線路串聯(lián)補償度并抑制SSR；提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性；有助于調(diào)節(jié)母線電壓，緩解電壓不穩(wěn)定問題；可以轉(zhuǎn)入可控感性模式，降低線路短路電流。另外，從經(jīng)濟成本最優(yōu)的角度考慮，當線路輸送的功率相同時，即使串聯(lián)電容器每千乏的成本由于其較高的運行電壓是并聯(lián)電容器的兩倍，串聯(lián)電容器補償?shù)目傮w成本要比并聯(lián)補償要低一些，綜合來看可控串聯(lián)補償?shù)某霈F(xiàn)是電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

3 可控串聯(lián)補償運行原理

晶閘管控制串聯(lián)電容器的單相電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電容器與晶閘管控制的電抗器并聯(lián)構(gòu)成，實際應用中需要將多個TCSC單元串聯(lián)起來組成一個特定容量的裝置［5］。晶閘管控制電抗器的基波電抗值是觸發(fā)延遲角的連續(xù)函數(shù)，TCSC的穩(wěn)態(tài)基波阻抗可看作由一個不變的容性阻抗XC與一個可變的感性阻抗XL（α）并聯(lián)組成即TCSC的基波阻抗為:

圖1 TCSC的單相電路結(jié)構(gòu)

式中，UTCSC為TCSC承受電壓的基波分量有效值；I為線路電流的有效值；XFC=1/ωC為固定電容的阻抗值；XL（0）=XL=ωL為電感的阻抗值。

圖2 TCSC的等效阻抗與觸發(fā)延遲角的關(guān)系

4 TCSC在現(xiàn)代電網(wǎng)中的工程應用

4.1 TCSC在現(xiàn)代電網(wǎng)中的應用概況

TCSC作為一項高可靠性和經(jīng)濟性的電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)技術(shù)，在現(xiàn)代電網(wǎng)中的應用正在逐漸推廣，目前全世界有多個TCSC工程在投入運行［1］。由于技術(shù)相對比較成熟，國外的應用情況相對較早。1991年，由ABB公司制造的首個機械開關(guān)控制的串聯(lián)電容器補償裝置在美國AEP電網(wǎng)的KanawhaRiver變電站投入運行。1992年，由西門子公司和美國西部電力局聯(lián)合開發(fā)的TCSC裝置在Kayenta變電站投入運行，該項目是世界首個可以連續(xù)控制的TCSC裝置。1997年，為有效解決抑制低頻振蕩的問題，巴西在南北電網(wǎng)互聯(lián)工程中的500kV高壓輸電線路上投入TCSC裝置。

國內(nèi)正在追趕國外的先進技術(shù)，在TCSC工程方面也取得了一定的成績［9］。2003年，中國第一套TCSC裝置在南方電網(wǎng)某變電站投入運行，承受電壓等級為500kV，可控部分補償度為5%。2004年，由中國電力科學研究院自主研制的TCSC裝置在西北電網(wǎng)220kV某變電站建成投入運行，可控部分補償度為50%，是目前世界上可控部分補償度最大的工程。2007年，由國內(nèi)自主開發(fā)的TCSC裝置在東北電網(wǎng)500kV某變電站投入運行，補償容量為652Mvar。

4.2 現(xiàn)代電網(wǎng)的TCSC工程施工步驟［1］

（1）TCSC系統(tǒng)設計與工程建設:設計使用壽命一般要求為30年以上，同時要考慮未來電網(wǎng)的規(guī)劃及系統(tǒng)運行方式的改變情況。一般TCSC的施工建設分兩期完成，第一期為土建施工和一次設備安裝，第二期為電氣二次設備的安裝。

（2）TCSC裝置實驗技術(shù):現(xiàn)場試驗的主要項目有火花間隙現(xiàn)場檢驗、旁路斷路器功能測試和二次系統(tǒng)功能測試等，在此基礎(chǔ)上進行分系統(tǒng)測試，以保證各電氣設備是可靠無故障的。

（3）TCSC工程調(diào)試:包括系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試兩部分，分系統(tǒng)測試主要測試可控串補的保護功能是否正常，系統(tǒng)測試是保證TCSC投入系統(tǒng)后能正常運行，要求系統(tǒng)帶電調(diào)試。

（4）TCSC運行與維護:為保證TCSC的長期安全運行，依據(jù)電力設備預防性試驗規(guī)程和電力行業(yè)標準制訂編寫可控串聯(lián)補償?shù)囊淮卧O備、二次設備的試驗和檢驗大綱，按照檢驗大綱定期對TCSC裝置進行巡視與檢查。

5 結(jié)論

在保證電網(wǎng)可靠安全穩(wěn)定運行的同時，最大地提高現(xiàn)有電網(wǎng)資源的利用效率是目前電網(wǎng)急待解決的關(guān)鍵技術(shù)，而大功率靈活交流輸電技術(shù)為此提供了有效途徑。鑒于此，本文詳細分析可控串聯(lián)補償?shù)墓ぷ髟砑霸陔娋W(wǎng)中的工程應用，為從事TCSC的工程人員提供參考。

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