含有TCSC 的輸電線路電能傳輸能力研究

孫海斌，傅國斌，王學(xué)斌，蔡生亮，星發(fā)輝，韓迎強(qiáng)

（國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810008）

0 引言

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電壓等級(jí)不斷提升，輸電線路作為電能傳輸?shù)闹饕O(shè)備，其運(yùn)行受到靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定極限的限制[1]。因此，當(dāng)前研究如何提升輸電線路的電能輸送能力，最大限度降低電力系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，成為了眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)話題[2]。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，可控性串聯(lián)補(bǔ)償裝置(TCSC,Thyristor Controlled Series Compensation)作為柔性交流輸電系統(tǒng)重要的控制器件之一，在靈活控制系統(tǒng)潮流、抑制系統(tǒng)的低頻振蕩和次同步諧振、提升電網(wǎng)的功率傳輸極限等方面都發(fā)揮著極其重要的作用[3-4]。

為了能夠有效提升輸電線路的電能傳輸能力，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，本文對含有TCSC 裝置的輸電線路進(jìn)行研究。其中，TCSC采用觸發(fā)角校正的PID 阻抗控制方式，通過PSCAD/EMTDC 仿真分析基于觸發(fā)角校正的PID阻抗控制方式下TCSC 的調(diào)節(jié)性能以及TCSC 在不同補(bǔ)償度條件下對系統(tǒng)傳輸容量的影響。

1 TCSC結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 TCSC 的結(jié)構(gòu)

TCSC 裝置主要由固定補(bǔ)償電容C、與電容并聯(lián)的一個(gè)由晶閘管控制的電抗器L、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）以及旁路斷路器等元件組成[5-6]。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 TCSC 結(jié)構(gòu)圖

氧化物壓敏電阻（MOV）等效為一個(gè)非線性電阻，主要目的是為了防止補(bǔ)償電容的過電壓。當(dāng)TCSC 正常工作時(shí)，旁路斷路器處于斷開狀態(tài)，當(dāng)裝置產(chǎn)生嚴(yán)重故障時(shí)，旁路斷路器閉合，使得電容器旁路，起到一定的保護(hù)作用[7]。

1.2 TCSC 提高線路輸電能力分析

以圖2 單機(jī)無窮大系統(tǒng)為例，其輸電線路上傳輸?shù)墓β蔖可由式(1)所示：

圖2 單機(jī)無窮大系統(tǒng)

式中：Eq為發(fā)電機(jī)電勢；V為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電壓；Xs為發(fā)電機(jī)等值阻抗；XL為線路等值阻抗；XT為變壓器等值阻抗。當(dāng)δ=90°時(shí)，輸送功率P最大。即：

式中：Pmax為輸電線路的靜態(tài)穩(wěn)定性極限。

因?yàn)檩旊娋€路的電抗與線路長度成正比，線路越長，其輸電能力越弱，若在輸電線路上串聯(lián)TCSC 補(bǔ)償裝置，即在式（2）分母中加入容性阻抗，使得系統(tǒng)總阻抗減小，功率傳輸極限增大。

可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置控制方式主要是通過觸發(fā)延遲角可控的晶閘管控制流過電感支路的電流，使得TCSC 中固定電容上的基頻電壓升高，實(shí)現(xiàn)了對TCSC 等值電抗平滑、快速的控制。

TCSC 的等效基波電抗是由觸發(fā)延遲角控制的連續(xù)函數(shù)，其等值電抗如公式（3-4）所示。

式中：a為TCSC 的觸發(fā)延遲角；XL(a)為TCR的等效電抗；XTCSC(a)為TCSC 的等效電抗；XC為電容的等效容抗；XL為電感的等效感抗[8]。

由公式1 可以看出，TCR 支路阻抗的大小由觸發(fā)延遲角a決定，a變化引起XL(a)變化，XTCSC(a)也就發(fā)生變化，但是TCSC 工作時(shí)存在諧振點(diǎn)，諧振點(diǎn)將TCSC 等效電抗分為感性區(qū)和容性區(qū)。

通過改變觸發(fā)延遲角的大小，使TCSC 可以工作在四種工作狀態(tài)下[9-10]：

（1）當(dāng)a=180°時(shí)，晶閘管處于關(guān)斷模式，電容器與線路串聯(lián)，相當(dāng)于常規(guī)串補(bǔ)。

（2）當(dāng)90°≤a≤aLlim，TCSC 處于感性微調(diào)區(qū)。（aLlim為感性觸發(fā)延遲角調(diào)節(jié)的極限值）

（3）當(dāng)aClim≤a≤180°)，TCSC 處于容性微調(diào)區(qū)。（aClim為容性觸發(fā)延遲角調(diào)節(jié)的極限值）

（4）當(dāng)a=90°時(shí)，晶閘管處于旁路模式。

其四種工作模式如圖3所示：

圖3 TCSC 典型運(yùn)行模式示意圖

當(dāng)TCSC 工作在感性調(diào)節(jié)模式或容性調(diào)節(jié)模式的限值附近時(shí)，要避免其工作在諧振區(qū)域內(nèi)，否則會(huì)造成嚴(yán)重的過電壓和過電流現(xiàn)象。以上四種工作模式仿真波形如圖4所示：

圖4 TCSC 四種工作模式波形圖

2 基于觸發(fā)角校正的PID阻抗控制器設(shè)計(jì)

基于TCSC觸發(fā)角校正的PID阻抗控制方式，與傳統(tǒng)的PID 阻抗控制方式相比，首先是對設(shè)置的命令阻抗Xorder通過a0=XTCSC-1(a)確定相應(yīng)的觸發(fā)延遲角a0后，可以將其通過數(shù)字電路鎖存起來直到命令阻抗發(fā)生變化，目的是為了消除傳統(tǒng)PID 阻抗控制方式下每次修正前進(jìn)行查表的繁瑣，其控制原理圖如圖5所示。

圖5 觸發(fā)角矯正控制原理

其原理就是利用測量所得的線路電流和電容電壓計(jì)算出基波阻抗XTCSC，根據(jù)命令阻抗Xorder與觸發(fā)延遲角的關(guān)系，預(yù)先得到一個(gè)穩(wěn)態(tài)條件下初始觸發(fā)角a0并將其保存起來。根據(jù)命令阻抗Xorder和基波阻抗XTCSC之間的差值經(jīng)過PID 控制方式得到相應(yīng)的觸發(fā)延遲角的偏差值Δa，利用Δa和初始觸發(fā)角a0經(jīng)過限幅后得到相應(yīng)的觸發(fā)延遲角a。在對線路電流進(jìn)行濾波后，根據(jù)觸發(fā)延遲角和電流產(chǎn)生的同步信號(hào)控制晶閘管的觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)電路工作，達(dá)到調(diào)節(jié)TCSC 等效電抗的作用。

3 含TCSC的輸電線路仿真

為驗(yàn)證TCSC 對輸電線路電能傳輸能力的提升作用，本研究針對一個(gè)單機(jī)無窮大系統(tǒng)，通過PSCAD/EMTDC 進(jìn)行仿真驗(yàn)證，相應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 含TCSC 的系統(tǒng)仿真參數(shù)

設(shè)置系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時(shí)，輸出功率為300 MW。為驗(yàn)證基于觸發(fā)角校正的PID 阻抗控制器的性能，首先設(shè)置補(bǔ)償?shù)娜菘怪禐?8 Ω，當(dāng)仿真運(yùn)行到25 s時(shí)，設(shè)置補(bǔ)償容抗值為48 Ω,50 s后，設(shè)置補(bǔ)償容抗值為38 Ω，其相應(yīng)觸發(fā)延遲角的階躍變化曲線如圖6 所示：

圖6 觸發(fā)延遲角變化曲線

由圖6 可知，基于觸發(fā)角校正的PID 阻抗控制器可以有效滿足觸發(fā)延遲角的實(shí)際值對命令值的跟蹤，體現(xiàn)出較好的魯棒性。

為驗(yàn)證TCSC 對輸電線路電能傳輸能力的提升作用，首先考慮不加TCSC，即串聯(lián)補(bǔ)償度為0 時(shí)，設(shè)置系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)線路傳輸?shù)挠泄β蕿?16 MW，40 s 后強(qiáng)行增加發(fā)電機(jī)輸出功率，線路極限傳輸功率可達(dá)425 MW。當(dāng)40 s 后強(qiáng)行增加發(fā)電機(jī)的輸出功率為437 MW 時(shí)，系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行。相應(yīng)的輸電線路傳輸?shù)挠泄β首兓€如圖7所示。

圖7 未加TCSC 的系統(tǒng)傳輸有功功率

系統(tǒng)加TCSC 后，設(shè)置相應(yīng)的串聯(lián)補(bǔ)償度為10%，設(shè)置線路初始傳輸功率達(dá)到345 MW 左右，40 s 后強(qiáng)行增加發(fā)電機(jī)輸出功率，線路極限傳輸功率可達(dá)到465 MW。如果40 s 后強(qiáng)行增加發(fā)電機(jī)輸出功率至480 MW，系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。相應(yīng)的輸電線路傳輸?shù)挠泄β嗜鐖D8所示。

圖8 10%串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)傳輸有功功率

當(dāng)設(shè)置串聯(lián)補(bǔ)償度為30%時(shí)，設(shè)置線路初始傳輸功率為396 MW，40 s 后強(qiáng)行增加發(fā)電機(jī)的輸出功率，線路極限傳輸功率可達(dá)到565 MW。當(dāng)增加發(fā)電機(jī)輸出功率為580 MW 時(shí)，系統(tǒng)失穩(wěn)。相應(yīng)的30%串聯(lián)補(bǔ)償度時(shí)，線路傳輸?shù)挠泄β嗜鐖D9所示。

圖9 30%串補(bǔ)度系統(tǒng)傳輸有功功率

4 結(jié)束語

本文從提升輸電線路傳輸功率入手，設(shè)計(jì)了基于觸發(fā)角校正的PID 阻抗控制下的TCSC，在保證了a對a0的跟蹤性能的同時(shí)，通過設(shè)置TCSC 不同的串聯(lián)補(bǔ)償度可以有效提升輸電線路的電能傳輸能力。