TCSC技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢及實現(xiàn)彈性交流輸電系統(tǒng)控制器的設(shè)計

傳統(tǒng)交流輸電網(wǎng)的電流潮流屬于自然分布狀態(tài)，不易控制電流流向。在并聯(lián)的網(wǎng)路中，當某條線路輸送功率改變時，會導致同一并聯(lián)電路輸送電力的改變或?qū)е颅h(huán)流。若傳輸功率增加時，會造成動態(tài)穩(wěn)定度的惡化或電壓崩潰。彈性交流輸電系統(tǒng)是指在傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)中，引入電力電子技術(shù)，提高電網(wǎng)的運行效率。通過引入可控大功率電子元件，使輸電網(wǎng)的阻抗、相角可控，使電網(wǎng)功率潮流分布可控，直接控制有功功率和無功功率的傳輸，提高系統(tǒng)應(yīng)對緊急事故的靈活性，提高現(xiàn)有輸電設(shè)備的傳輸能力和系統(tǒng)穩(wěn)定度。

彈性交流輸電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）電力潮流可彈性控制;（2）輸電能力可大幅提高;（3）防止設(shè)備與系統(tǒng)故障的累積，避免連鎖效應(yīng);（4）提升區(qū)域間電能傳輸能力，充分利用發(fā)電容量;（5）根據(jù)系統(tǒng)需求提供快速靈活補償，改善供電品質(zhì);（6）抑制電力系統(tǒng)振蕩。彈性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備，如并聯(lián)電容電抗、晶閘管控制制動器、靜態(tài)同步調(diào)相器、靜態(tài)移相器與晶閘管控制串聯(lián)電容器被用于調(diào)整動態(tài)網(wǎng)路，以加強系統(tǒng)靜態(tài)特性與暫態(tài)穩(wěn)定度。對于長距離輸電線路，為避免壓降過大，常使用晶閘管控制串聯(lián)電容器提高線路輸電能力 。

本文在模態(tài)控制理論的基礎(chǔ)上提出的極點指定法來確定彈性交流輸電系統(tǒng)控制器的設(shè)計法則，提高控制器適應(yīng)性以滿足電力系統(tǒng)復雜、高度非線性及狀態(tài)多變的使用特性。

1、 晶閘管控制串聯(lián)電容器

多模塊的晶閘管控制串聯(lián)電容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。單個TCSC模塊由一個串聯(lián)電容器并聯(lián)一個晶閘管控制器，為了防止過電壓，還會并聯(lián)一個金屬氧化物可變電阻。一個完整的補償系統(tǒng)由多個模塊串聯(lián)而成，并且有一個旁路開關(guān)，在TCSC故障或維修時將其旁路掉 。

TCSC方框圖如圖2所示，其中Xa為開環(huán)輔助信號，如電力潮流控制信號;Xr為TCSC的初始操作點，Xm為調(diào)制小信號輸入，上述三個信號合成TCSC的控制信號Xd。TCSC的自然響應(yīng)延遲為時間的單一函數(shù)，用TT表示;TCSC的輸出等效阻抗受操作模式與容量而存在上下限XTmax和XTmin;XT與固定電容Xf合成Xtotal。

2、 電力系統(tǒng)模型

當電力系統(tǒng)有小負載變動或系統(tǒng)本身發(fā)生自發(fā)性低頻振蕩時的動態(tài)行為，即小信號穩(wěn)定度。低頻振蕩現(xiàn)象是一種轉(zhuǎn)軸的動態(tài)行為，其頻率大約在0.5 Hz~2Hz之間，可用線性系統(tǒng)中的頻域特征值來分析。

全部的特征值涵蓋的頻率范圍很廣，其中對應(yīng)的低頻振蕩部分稱為系統(tǒng)機電模式。系統(tǒng)低頻振蕩常導致系統(tǒng)運轉(zhuǎn)困難，嚴重的可引起系統(tǒng)停機等穩(wěn)定度問題。

電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，若系統(tǒng)有足夠的阻尼時，在干擾解除后發(fā)電機可迅速恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。改善穩(wěn)定度的方法有在靜態(tài)勵磁機系統(tǒng)中外加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，設(shè)計良好的調(diào)速器和汽輪機控制器。調(diào)整靜態(tài)功率補償器的虛功率，并聯(lián)電抗器和靜態(tài)移相器，以提高系統(tǒng)的阻尼，提高穩(wěn)定度。

隨著大功率電子元件的快速發(fā)展，晶閘管控制串聯(lián)電容器能有效提升電網(wǎng)的輸電效率，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度。典型的單機無限匯流排電力系統(tǒng)如圖3所示，勵磁系統(tǒng)采用如圖4所示的IEEE Type1勵磁機，發(fā)電機的非線性動態(tài)行為利用雙軸模型來描述。

結(jié)合發(fā)電機、勵磁機方框圖，得到7個1階微分方程式，如式（3）至（9）。

3、 特征值分析

未加晶閘管控制串聯(lián)電容器前的開環(huán)系統(tǒng)，其完整的特征值列于表1的第2列，系統(tǒng)的機電振蕩模式不穩(wěn)定。只加入晶閘管控制串聯(lián)電容器而未加入輔助控制器的完整特征值列于表1第3列，系統(tǒng)的低頻振蕩阻尼雖有改善，但仍不穩(wěn)定。所以必須施加控制信號至晶閘管控制串聯(lián)電容器的控制機構(gòu)。即

本文利用如圖5所示的進相-遲相控制器來增加低頻振蕩阻尼，控制器的傳遞函數(shù)如式（12），可以化成（13）至（14）兩個一階微分方程式。

進相-遲相控制器的參數(shù)可以根據(jù)基于模態(tài)控制理論的極點指定法來決定。將不穩(wěn)定的低頻振蕩模式特征值移至預設(shè)的穩(wěn)定位置，經(jīng)過簡單的矩陣運算，可得到控制器的參數(shù)值，詳細的運算法則如下所示。

極點指定法在使用時有以下幾點限制：

（1）所求得的控制器參數(shù)必須合理，且具可行性。如時間延遲常數(shù)需為正值，比例放大值不可過大等。

（2）必須使整個系統(tǒng)的特征值穩(wěn)定。

（3）所指定的極點需合理，且不能影響整個系統(tǒng)其他部位的特性。根據(jù)以上法則，求得的結(jié)果如下：

預設(shè)特征值的低頻振蕩模式：-1.2±j6.0

進相-遲相控制器的參數(shù)為：

系統(tǒng)加入TCSC與進相-遲相輔助控制器后的特征值如表1第4列所示，機電模式振蕩的特征值準確的落在指定的位置上，其他模式的阻尼也得到了改善。

針對特定操作點設(shè)計的控制器，討論控制器的適應(yīng)性和適用范圍，針對系統(tǒng)在不同發(fā)電機輸出功率、端電壓、功率因數(shù)的低頻振蕩模式與發(fā)電機特征值分別列于表2-表4。由表2可以看出，低頻振蕩模式因發(fā)電機負載增加而造成阻尼降低。另外由表3可以看出端電壓越高時，系統(tǒng)的阻尼越好。由表4可以看出未加入TCSC前，發(fā)電機低頻振蕩模式隨功率因數(shù)的增加而阻尼變差;加入TCSC后，發(fā)電機特征值特性未變，低頻振蕩模式則隨功率因數(shù)的增加阻尼變得更好。

4、 時域模擬分析

特征值分析是在指定的操作點，對非線性系統(tǒng)作線性化后，分析其特征值穩(wěn)定度，適合于小信號穩(wěn)定度分析。由于電力系統(tǒng)有很多限制器和飽和現(xiàn)象，如勵磁機、TCSC等，所以需利用非線性微分方程作時域計算機模擬，以驗證TCSC與系統(tǒng)動態(tài)特性是否與特征值分析結(jié)果一致。

首先，機組在0.2 s時，突然有0.1 pu的機械轉(zhuǎn)矩加入，持續(xù)100ms后恢復，未加TCSC前的動態(tài)響應(yīng)如圖6所示，系統(tǒng)狀態(tài)不穩(wěn)定;加入TCSC與設(shè)計的進相-遲相控制器后，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)如圖7所示，并于未加TCSC的動態(tài)響應(yīng)進行對比，可以看出TCSC能夠抑制機電模式低頻振蕩的效果。相反圖8、圖9為機組在0.2s時，突然降低0.1pu的機械轉(zhuǎn)矩，持續(xù)100 ms后恢復，未加TCSC與加入TCSC與控制器后的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)圖?？芍徽摍C組在加速或減速擾動下，TCSC結(jié)合控制器均能有效抑制系統(tǒng)的低頻振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度。

另一種狀態(tài)下，輸電線路2發(fā)生斷線擾動，輸電線路2在0.2 s時并聯(lián)的雙線中的一條線跳脫，持續(xù)100 ms后恢復，未加TCSC前的動態(tài)響應(yīng)如圖10所示，系統(tǒng)狀態(tài)不穩(wěn)定;加入TCSC與設(shè)計的進相-遲相控制器后，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)如圖11所示，可認為TCSC抑制了機電模式的低頻振蕩效果。

特征值分析與動態(tài)模擬結(jié)果表明：TCSC在穩(wěn)態(tài)下，可降低傳輸線阻抗，提高傳輸線的功率輸送量。加入適當?shù)目刂破骱瓦m當?shù)目刂品▌t后，TCSC不僅能提高電能輸送量，還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度。從動態(tài)模擬中可看出，雖然TCSC的阻抗變動在動態(tài)下存在上下限值，但仍可有效抑制低頻振蕩。

5 、結(jié)論

本文研究TCSC對電力系統(tǒng)中低頻振蕩的抑制及對電力系統(tǒng)穩(wěn)定度的提高。TCSC結(jié)構(gòu)選擇適當?shù)哪Ｐ?，并將其加入電力系統(tǒng)模型中，由特征值分析與非線性動態(tài)模擬可知：TCSC不僅可以降低輸電線路阻抗，提高輸電線容量，加入適當?shù)目刂破骺捎行б种齐娏ο到y(tǒng)低頻振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定度。

根據(jù)本研究獲得的初步結(jié)論，后續(xù)的研究應(yīng)對多機電力系統(tǒng)中，TCSC裝設(shè)的位置與效果，以及容量和位置等關(guān)系進行研究。除此之外，研究多機電力系統(tǒng)中，TCSC的控制法則，包括選擇反饋信號與控制器形態(tài)，將TCSC研究成果應(yīng)用于電力系統(tǒng)，為TCSC用于彈性交流輸電系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。

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