吳勇海

(國網(wǎng)福建省電力有限公司龍巖供電公司，福建 龍巖 364000)

中壓配電網(wǎng)串聯(lián)TCSC調(diào)壓的應(yīng)用研究

吳勇海

(國網(wǎng)福建省電力有限公司龍巖供電公司，福建 龍巖 364000)

利用TCSC可以平滑地調(diào)節(jié)阻抗，實現(xiàn)對不同線路參數(shù)或不同負荷的線路進行電壓調(diào)節(jié)，穩(wěn)定負荷側(cè)電壓。對線路電壓調(diào)節(jié)時考慮線路橫向壓降的影響，從而得到串聯(lián)補償容抗計算公式；由于晶閘管的導(dǎo)通壓降會影響TCSC的等效基波容抗，因而采用串接受控電壓源來消除影響；最后通過TCSC對輻射線路電壓調(diào)節(jié)的仿真分析，說明仿真時通過串接受控電壓源可以消除晶閘管導(dǎo)通壓降對調(diào)壓的影響，而在實際應(yīng)用中只需對查表進行修正，則同樣可實現(xiàn)對電壓進行精確調(diào)節(jié)。

中壓配電網(wǎng)；串聯(lián)調(diào)壓；橫向壓降；TCSC；導(dǎo)通壓降

0 引 言

可控串聯(lián)補償器TCSC(Thyristor Controlled Series Capacitor)[1-2]目前主要應(yīng)用于輸電網(wǎng)，利用其可以連續(xù)地調(diào)節(jié)阻抗，可增加輸電線路的輸送容量并調(diào)節(jié)控制網(wǎng)絡(luò)的潮流，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)低頻振蕩等功能[3-4]，而在中壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用仍處于研究階段，主要是由于中壓配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓問題時，通常采用并聯(lián)無功補償，串聯(lián)電容補償應(yīng)用得還是很少。文獻[5]提到串聯(lián)電容補償可以穩(wěn)定配電網(wǎng)負荷側(cè)電壓，并可實現(xiàn)配電網(wǎng)潮流控制和改善電能質(zhì)量。文獻[6]采用TCSC對配電網(wǎng)電壓進行調(diào)節(jié)，并且投入TCSC之后，負荷側(cè)電壓得到提高，但無法精確到負荷側(cè)額定電壓。

中壓配電網(wǎng)無論網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，正常運行時都是采用開環(huán)運行，因此進行調(diào)壓時，可將其當成單輻射供電模式，并且當與其聯(lián)絡(luò)的線路出現(xiàn)故障需要轉(zhuǎn)供負荷時，串聯(lián)補償可以增大線路的轉(zhuǎn)供能力。本文進行電壓調(diào)節(jié)時考慮線路橫向壓降的影響，從而得到補償容抗計算公式；仿真時通過串接受控電壓源來消除晶閘管對TCSC等效阻抗的影響；最后，根據(jù)負荷計算所需串聯(lián)容抗，并通過查表得到晶閘管觸發(fā)角，從而實現(xiàn)對波動負荷線路的負荷側(cè)電壓精確調(diào)節(jié)。

1 中壓輻射配電線路調(diào)壓原理

圖1 帶串聯(lián)電容補償器的輻射配電線路

(1)

(2)

其中

2 TCSC基波阻抗的仿真分析

2.1 存在晶閘管導(dǎo)通壓降的仿真分析

如圖2所示[7]，該仿真模型主要是由10.5 kV的理想電壓源、三相TCSC模塊、負載及相關(guān)測量計算模塊組成，用于測試TCSC不同觸發(fā)角α所對應(yīng)的基波等效容抗。仿真時，電容大小取為1 000 μF，電感大小取為1.5 mH。晶閘管的參數(shù)為：導(dǎo)通阻抗為0.09 Ω，正向壓降為0.8 V。

圖2 TCSC基波阻抗仿真模型

TCSC等效基波容抗曲線如圖3所示，在晶閘管沒有觸發(fā)導(dǎo)通時，TCSC裝置等效基波容抗為3.179 2 Ω，而電容為1 000 μF的計算值3.183 1，略有差別。t=0.2 s時，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，經(jīng)過0.1 s之后，TCSC的等效容抗接近穩(wěn)定，此時TCSC的等效基波容抗為3.825 3 Ω，而通過文獻[8]式(1)計算值為3.885 4 Ω，誤差為1.547%，相對較大。

圖3 TCSC等效基波容抗的曲線

經(jīng)分析，造成仿真等效基波容抗與計算基波容抗出現(xiàn)較大差值的原因是晶閘管的內(nèi)部導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通時的壓降。從圖4(b)可看出，晶閘管導(dǎo)通壓降達到23.65 V，可驗證該值的計算式如下所示：

UTHon=ITH·Ron+Vf

(3)

式中ITH為晶閘管的導(dǎo)通電流，Ron為晶閘管的導(dǎo)通電阻，Vf為晶閘管導(dǎo)通時壓降。

因此，晶閘管導(dǎo)通壓降可以用式(3)計算，也為后面解決晶閘管導(dǎo)通壓降影響提供依據(jù)。

圖4 TCSC晶閘管導(dǎo)通電流及兩端電壓波形圖

2.2 消除晶閘管導(dǎo)通壓降的仿真分析

從前面的分析可知，由于晶閘管的導(dǎo)通壓降的存在，使得TCSC基波容抗的仿真結(jié)果偏離了計算結(jié)果，并且晶閘管的導(dǎo)通壓降UTHon可由式(3)計算得到。而根據(jù)式(3)可知，在晶閘管參數(shù)確定時，晶閘管的導(dǎo)通壓降UTHon隨晶閘管的導(dǎo)通電流的增大而增加，因此，采用控制信號為晶閘管的導(dǎo)通電流的串聯(lián)受控電壓源來消除晶閘管導(dǎo)通壓降的影響。串接的受控電壓源接線電路如圖5所示，受控電壓源的控制信號包含兩部分：一部分來自晶閘管導(dǎo)通電流，將其乘以比例系數(shù)大小等于晶閘管內(nèi)部電阻的數(shù)值；另一部分為一常數(shù)，其大小等于晶閘管導(dǎo)通時的壓降Vf，該值只有在電感支路存在電流才存在，因此采用switch模塊來選擇控制。

圖5 反向并聯(lián)晶閘管串聯(lián)電壓受控源的電路接線圖

串接電壓受控源后TCSC晶閘管導(dǎo)通電流及兩端電壓波形如圖6所示，當晶閘管導(dǎo)通時其兩端電壓約為25.38 V，串接受控電壓源后，兩端電壓(即兩圖5中的in與out之間的電壓)為-1.591×10-5，接近于0；而當反向并聯(lián)的晶閘管導(dǎo)通時，兩端電壓為1.071×10-4，同樣接近于0。因此，通過串聯(lián)受控電壓源可以抵消晶閘管導(dǎo)通壓降。

圖6 串聯(lián)受控電壓源后TCSC晶閘管 導(dǎo)通電流及兩端電壓波形圖

當α=158.9°時，仿真得到的TCSC等效基波容抗如圖7所示，晶閘管關(guān)斷時，仿真得到基波等效阻抗與圖3一樣，但當晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后得到的穩(wěn)定容抗為3.885 2 Ω，與計算值3.885 4 Ω極為接近，從而可說明，串聯(lián)受控電壓源可以消除晶閘管導(dǎo)通壓降對TCSC基波等效容抗的影響。

圖7 消除晶閘管導(dǎo)通壓降后的等效基波阻抗

3 TCSC調(diào)壓分析

TCSC能夠?qū)崿F(xiàn)電壓調(diào)節(jié)主要由于不同觸發(fā)角α可使TCSC等效不同的容抗，因而通過負荷側(cè)的電壓電流計算負載大小，然后由式(2)得到其所需等效容抗并通過查表得到觸發(fā)角α，便可實現(xiàn)對負荷側(cè)電壓的調(diào)節(jié)，如圖8所示。

圖8 串聯(lián)TCSC調(diào)壓原理圖

TCSC的調(diào)壓仿真模型如圖9所示，三相電源使母線B1的電壓保持為10.5 kV，線路長度為10 km，用1.25+j4 Ω的阻抗來模擬，負載用額定電壓為10 kV、功率因數(shù)為0.85的2 MVA和4 MVA的阻抗負載來模擬。

圖9 TCSC調(diào)壓仿真模型

開關(guān)K1是在0.1s時投入，同時斷開開關(guān)K2，投入TCSC1模塊，但此時還沒觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，補償容抗為基本容抗值；K3在0.4 s時閉合，使系統(tǒng)增加額定電壓為10 kV、功率因數(shù)為0.85的2MVA的負荷，并在0.6 s時斷開。0.2 s之前計算得到觸發(fā)角α為等效容抗等于設(shè)定值4 Ω對應(yīng)的觸發(fā)角，之后是根據(jù)負荷側(cè)電壓電流計算得到的觸發(fā)角，而觸發(fā)角α是在0.25 s開始控制晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的，觸發(fā)角的曲線如圖10所示。

圖10 觸發(fā)角的變化曲線

負荷側(cè)線電壓在TCSC1投入前后的變化曲線如圖11所示，t=0.1 s時才投入TCSC1，但由于補償值為TCSC1基本容抗值，無法滿足對應(yīng)負荷所需補償?shù)娜菘?，所以負荷?cè)線電壓沒有達到目標值10 kV；t=0.25 s開始通過觸發(fā)角控制晶閘管導(dǎo)通來改變TCSC1的等效容抗，通過幾個周波的調(diào)整之后負荷側(cè)電壓達到目標值；在t=0.4 s時增加2 MVA負荷，雖然導(dǎo)致電壓短時下降，但在0.1 s后又被調(diào)整到目標值；在t=0.65 s時切除2 MVA負荷，導(dǎo)致電壓短時上升，經(jīng)過約0.1 s調(diào)整后恢復(fù)到目標值。

圖11 負荷側(cè)線電壓幅值變化曲線

從仿真結(jié)果可看出，TCSC可以根據(jù)中壓配電網(wǎng)的負荷大小來調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角，從而穩(wěn)定負荷側(cè)電壓。實際應(yīng)用中可能不采用串聯(lián)受控電壓源來消除晶閘管導(dǎo)通壓降對調(diào)壓的影響，但只要通過實驗對TCSC的阻抗特性表進行修正，則同樣可達到仿真時的效果。

4 結(jié)束語

本文在計算串聯(lián)調(diào)壓所需串聯(lián)補償容抗時，考慮了線路橫向壓降的影響，得到補償容抗的精確計算公式。仿真時發(fā)現(xiàn)晶閘管導(dǎo)通壓降會使等效基波阻抗偏小，并構(gòu)造受控電壓源消除晶閘管導(dǎo)通壓降對其等效基波阻抗的影響。通過調(diào)壓仿真分析可知，TCSC可以穩(wěn)定波動負荷的負荷側(cè)電壓，并增加線路輸電容量。隨著負荷密度的增加、中壓配電線路走廊的緊張，由于TCSC可以在保證負荷電壓質(zhì)量的同時，增加線路的輸送容量，并在線路故障時可提高線路的轉(zhuǎn)供能力，因而TCSC在中壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用有很好的前景。

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更正：

2017年第一期第70頁“基于坐標變換的有源功率因數(shù)校正技術(shù)研究”一文撤稿，不作發(fā)表。

特此更正《電氣自動化》編輯部

Application Research of Series TCSC Voltage Regulation in the Medium-voltage Distribution Network

Wu Yonghai

(State Grid Fujian Electric Power Co., Ltd. Longyan Power Supply Co., Longyan Fujian 364000, China)

Through TCSC we can adjust impedance smoothly, realize voltage regulation for different line parameters or lines with different loads, and stabilize load-side voltage. The impact of line lateral voltage drop is considered in line voltage regulation, and the calculation formula is obtained for the capacitive reactance for series compensation. As the turn-on voltage drop of the thyristor may affect the capacitive reactance of the equivalent fundamental frequency of TCSC, a series controlled voltage source is used to eliminate the influence. Finally, simulation analysis of voltage regulation on the radial supply line through TCSC shows that the series controlled voltage source in the simulation can eliminate the impact of the thyristor turn-on voltage drop upon voltage regulation. In practical applications, what is required for accurate voltage regulation is just to adjust the lookup table.

medium-voltage distribution network； series voltage regulation； lateral voltage drop；TCSC； turn-on voltage drop

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.022

TM712

A

1000-3886(2017)02-0072-03

吳勇海(1987-)，男，福建龍巖人，碩士生，從事繼電保護和電能質(zhì)量研究。

定稿日期: 2016-08-17