宋彬彬 趙延青 張建楠

摘 要：在研究了相間功率控制器（IPC）的基本原理的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的動(dòng)態(tài)可控相間功率控制器（DCIPC）。此種DCIPC用靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）來(lái)支路的移相功能，應(yīng)用PI控制，可以快速、連續(xù)地改變電容和電感支路的移相角;由晶閘管控制電抗器（TCR）來(lái)完成IPC電感支路的電感器功能，通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)延遲角，可以連續(xù)改變DCIPC電感支路的參數(shù);由晶閘管控制串聯(lián)電容器（TCSC）的容性微調(diào)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)IPC電容支路的參數(shù)調(diào)節(jié)。DCIPC四個(gè)環(huán)節(jié)均能夠快速、連續(xù)和靈活地進(jìn)行控制。在聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)電網(wǎng)相位滑移的情況下，調(diào)節(jié)DCIPC的參數(shù)可以協(xié)調(diào)聯(lián)絡(luò)線潮流，使得聯(lián)絡(luò)線有功保持基本恒定，并能夠較好地改善傳統(tǒng)IPC的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，使得端口電壓滿足要求。采用Matlab/Smulink仿真，驗(yàn)證了在兩側(cè)電網(wǎng)相位滑移時(shí)，基于SSSC的DCIPC可以完成聯(lián)絡(luò)線潮流控制，并改善過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

關(guān)鍵詞：相間功率控制器;動(dòng)態(tài)可控相間功率控制器;相位滑移;潮流控制;過(guò)電壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.112

0 引言

電網(wǎng)互聯(lián)使電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，會(huì)出現(xiàn)諸如輸電線路過(guò)負(fù)荷運(yùn)行、潮流分布不合理、網(wǎng)絡(luò)損耗增大，聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)等問(wèn)題[1]。相間功率控制器IPC（Interphase Power Controller）是一種可對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制的組合型柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）控制器[2]。IPC具有潮流控制的魯棒性和限制事故電流、消除事故波及的優(yōu)良特性，應(yīng)用前景受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。在IPC中應(yīng)用具有RLC無(wú)緣濾波器的PST，大大降低了諧波失真，同時(shí)又不影響IPC特性[3]。利用SSSC代替了IPC中的PST，可以提高功率控制的精度、響應(yīng)速度和靈活性在IPC兩側(cè)電壓相位差較大時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)絡(luò)線潮流控制、改善過(guò)電壓?jiǎn)栴}[4]，還可以對(duì)短路電流起到限制作用[5]。

IPC具有高阻效應(yīng)，在電網(wǎng)事故隔離和限制短路電流方面優(yōu)點(diǎn)突出，但事物總是優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)并存的，由于IPC的高阻效應(yīng)，當(dāng)兩互聯(lián)電網(wǎng)負(fù)荷頻率變化不一致時(shí)，兩互聯(lián)電網(wǎng)相位角差可能發(fā)生較大的變化，嚴(yán)重情況將會(huì)進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)?；ヂ?lián)電網(wǎng)中相對(duì)搖擺及相位滑移的現(xiàn)象是普遍存在的，帶相間功率控制器的聯(lián)絡(luò)線連接的互聯(lián)電網(wǎng)，由于高阻效應(yīng)的存在，情況比較嚴(yán)峻，如果單方向相位滑移過(guò)大，帶IPC聯(lián)絡(luò)線的兩側(cè)電網(wǎng)就有可能進(jìn)入異步運(yùn)行[6]。

本文針對(duì)IPC通過(guò)調(diào)節(jié)電感、電容支路阻抗及移相環(huán)節(jié)可以控制聯(lián)絡(luò)線潮流的特點(diǎn)，提出一種基于SSSC的DCIPC，并進(jìn)行仿真分析。

1 IPC基本結(jié)構(gòu)及工作原理

IPC的單相原理結(jié)構(gòu)如圖1，包括并聯(lián)的容性和感性支路，每個(gè)支路分別由容性和感性阻抗與獨(dú)立的移相單元串聯(lián)組成，共四個(gè)可控單元。

IPC入口和出口的電壓的大小分別用、表征，兩電壓之間的相位角差為，、分別為IPC電感、電容支路的感抗和容抗，、分別代表兩個(gè)支路的移相角。

根據(jù)IPC原理結(jié)構(gòu)圖，可得出口的輸送功率為：

? ? ?（1）

（2）

由（1）、（2）可知調(diào)節(jié)IPC支路的阻抗和移相角大小，可以調(diào)節(jié)帶IPC的聯(lián)絡(luò)線的功率。

由IPC原理結(jié)構(gòu)圖，可知電感和電容兩端的電壓為[7]：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

由上式可以畫(huà)出電壓關(guān)系相量圖如圖2：

由公式（3）、（4）和圖2可知在IPC兩端電壓一定的情況下，移相角越大，電容器和電感器兩端的電壓越大。

2 基于SSSC的DCIPC原理和控制環(huán)節(jié)

基于SSSC的DCIPC是將傳統(tǒng)IPC電感支路改造為T(mén)CR結(jié)構(gòu)，將電容支路改造為T(mén)CSC結(jié)構(gòu)，兩條支路中的移相環(huán)節(jié)由SSSC來(lái)實(shí)現(xiàn)。單相原理電路圖如圖3。

2.1 電感支路

TCR是由固定的電抗器串聯(lián)雙向?qū)ňчl管構(gòu)成。通過(guò)改變TCR晶閘管觸發(fā)角，電感支路的阻抗參數(shù)變化。電感支路可以由隨觸發(fā)延遲角變化的無(wú)功導(dǎo)納來(lái)表示，表達(dá)式如下：

（）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

由式（5）可知當(dāng)時(shí)，TCR等效電納值最小;當(dāng)時(shí)，TCR等效電納值取得最大值。隨著晶閘管觸發(fā)延遲角改變，電感支路的等效阻抗大小將在和之間變化。

根據(jù)晶閘管觸發(fā)原理，晶閘管觸發(fā)延遲角可以用參考電平表示如下：

（6）

為晶閘管觸發(fā)延遲角，表征參考電平，T是同步正弦電壓的周期（0.02），K為鋸齒波斜率（0.01）。

根據(jù)式（6）可以設(shè)計(jì)晶閘管觸發(fā)脈沖仿真電路。首先利用一個(gè)同步正弦電壓波形，將其轉(zhuǎn)換為平頂波;然后把平頂波積分轉(zhuǎn)換為鋸齒波，將鋸齒波與參考電平進(jìn)行比較，當(dāng)鋸齒波大于參考電平時(shí)，觸發(fā)脈沖輸出為1，反之觸發(fā)脈沖輸出為0，從而來(lái)控制晶閘管的導(dǎo)通。改變參考電平的大小來(lái)等效的改變晶閘管觸發(fā)角，當(dāng)參考電平增大時(shí)，觸發(fā)延遲角增大;當(dāng)參考電平減小時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角增大。

2.2 電容支路

電容支路由TCSC容性微調(diào)模式來(lái)替代傳統(tǒng)IPC中的電容器。TCSC由電容器與晶閘管控制電抗器并聯(lián)構(gòu)成，TCSC的基本思路用是TCR來(lái)部分抵消并聯(lián)電容，以提供一個(gè)連續(xù)的可控電抗，TCSC的穩(wěn)態(tài)阻抗就相當(dāng)于一個(gè)LC并聯(lián)電路，其等效電抗就是固定容抗和一個(gè)可變電抗的并聯(lián)值，等效電抗可以是容性，亦可以為感性。TCSC穩(wěn)態(tài)基波阻抗值可以用關(guān)于的函數(shù)表示為：

? （7）

TCSC隨著變化有四種運(yùn)行狀態(tài)，分別為：晶閘管旁通模式、感性微調(diào)模式、容性微調(diào)模式和晶閘管閉鎖模式。其中容性微調(diào)模式時(shí)，，等值容性電抗能夠在與之間連續(xù)取值。

2.2.1 電容支路控制環(huán)節(jié)

電容支路TCSC采用阻抗閉環(huán)控制，把電容支路三相電流、TCSC兩側(cè)電壓和參考阻抗作為控制的輸入量，原理框圖如圖4。

根據(jù)輸入變量線路電流和電容兩端電壓，能夠計(jì)算出TCSC的實(shí)際基波阻抗Z，將TCSC實(shí)際阻抗與參考阻抗進(jìn)行比較，比較之后的差值經(jīng)過(guò)一個(gè)典型的放大增益PI控制環(huán)節(jié)矯正后，產(chǎn)生TCSC的控制角，控制角再經(jīng)由脈沖生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。脈沖生成部分以經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)PLL的流經(jīng)TCSC的三相電流的標(biāo)幺值作為同步的基準(zhǔn)信號(hào)，以由線路電流和電容兩端電壓計(jì)算得到的TCSC電流的算數(shù)平均值為基準(zhǔn)值計(jì)算得出，脈沖生成環(huán)節(jié)根據(jù)這個(gè)同步基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)脈沖。

2.3 移相環(huán)節(jié)

移相環(huán)節(jié)SSSC原理示意圖如圖5，包括由直流儲(chǔ)能元件提供電壓的三相電壓源變換器VSC（voltage source converter）和串聯(lián)耦合變壓器等主要部分。

SSSC通過(guò)耦合變壓器串聯(lián)在輸電線路中，可以等效視為向輸電線路注入的一個(gè)接近正弦的串聯(lián)電壓[8]。直流儲(chǔ)能元件一般采用電容器組，所以SSSC裝置除本身?yè)p耗外，一般與系統(tǒng)間不存在有功功率的交換，因此SSSC裝置產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓與線路電流正交。SSSC裝置串聯(lián)與輸電線路后，將向輸電線路注入一個(gè)與輸電線路電流正交的補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償電壓與線路電壓、電流的向量關(guān)系如圖6。由圖6可知，經(jīng)SSSC補(bǔ)償后，電壓的模值和相位都發(fā)生了改變，能夠?qū)崿F(xiàn)類似于傳統(tǒng)移相器的功能。

SSSC注入輸電線路的補(bǔ)償電壓可表示為：

補(bǔ)償電壓的大小由SSSC本身的補(bǔ)償能量決定，通過(guò)公式的控制系數(shù)K表征，K可以是正實(shí)數(shù)，亦可以是負(fù)實(shí)數(shù);式中為線路電流。K值可以在允許的范圍內(nèi)連續(xù)變化，SSSC可以在感性和容性范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)可控的串聯(lián)補(bǔ)償電壓。通過(guò)控制補(bǔ)償電壓的大小和性質(zhì)，可以在允許范圍內(nèi)連續(xù)、快速、靈活的改變DCIPC感性和容性支路的移相角[6]。

3 仿真分析

系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如參考文獻(xiàn)[9]，將兩個(gè)系統(tǒng)互聯(lián)系統(tǒng)簡(jiǎn)化如圖7。在S側(cè)有250MW的負(fù)荷;在R側(cè)有50MW的負(fù)荷;SSSC的容量為40MW，直流側(cè)電容的額定電壓為400V。

由于擾動(dòng)互聯(lián)電網(wǎng)兩側(cè)相位角發(fā)生滑移，本文選取相位滑移范圍在（-45°，45°）之間進(jìn)行算例分析。當(dāng)兩側(cè)相位滑移時(shí)，不通過(guò)DCIPC來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)，聯(lián)絡(luò)線功率將發(fā)生振蕩。表1列出了兩側(cè)電勢(shì)相位差從45°每隔5°直到-45°之間變化時(shí)，聯(lián)絡(luò)線功率的變化情況。

由表1數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)兩側(cè)電網(wǎng)相位滑移時(shí)，聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)墓β孰S之發(fā)生變化，這種聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)情況是電網(wǎng)安全運(yùn)行所不希望發(fā)生的。設(shè)初始運(yùn)行狀態(tài)兩側(cè)電壓相位差δ=-30°（以出口電壓相位為參考值）時(shí)：P=1.5699，Q=2.4214，保持有功功率不變進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。DCIPC參數(shù)的約束條件我們?cè)O(shè)置如下：

DCIPC入口、出口端電壓約束：

電感、電容兩端電壓約束：

通過(guò)調(diào)節(jié)DCIPC參數(shù)，對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。兩側(cè)電壓相位差每隔5°將調(diào)節(jié)后的各個(gè)參數(shù)的變化情況列于表2中。

由表2中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠明顯的看出：通過(guò)協(xié)調(diào)DCIPC的感性、容性支路等效阻抗值和移相環(huán)節(jié)的參數(shù)，可以對(duì)聯(lián)絡(luò)線的潮流進(jìn)行有效的控制。當(dāng)聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)電網(wǎng)相位滑移時(shí)，能夠根據(jù)要求將聯(lián)絡(luò)線有功保持在一個(gè)基本不變的數(shù)值運(yùn)行。

注： Vr為SSSC的參考電壓;VL為電感元件上的電壓;VC為電容元件上的電壓;XL為電感元件阻抗值，單位為Ω;XC為電容元件阻抗值，單位為Ω;其他單位均為標(biāo)幺值。

4 結(jié)論

本文將SSSC、TCR和TCSC運(yùn)用到傳統(tǒng)的IPC中，在兩側(cè)電網(wǎng)相位滑移時(shí)，通過(guò)協(xié)調(diào)DCIPC電感支路阻抗值、電容支路阻抗值和移相環(huán)節(jié)移相角，來(lái)調(diào)節(jié)聯(lián)絡(luò)線潮流。經(jīng)過(guò)理論分析和仿真分析，證明改進(jìn)是合理可行的，并且改進(jìn)后的IPC具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）與傳統(tǒng)IPC相比，基于SSSC的DCIPC可以快速、靈活、連續(xù)的改變電感、電容支路的移相角及其等效阻抗，且損耗較小。

（2）此種DCIPC運(yùn)行和維護(hù)的成本更小。

（3）在兩側(cè)電網(wǎng)相位滑移時(shí)，DCIPC可以控制聯(lián)絡(luò)線潮流基本不變，并能夠很好的改善過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

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