余珊，夏成軍，范國晨，李作紅，李峰，余夢澤，劉若平

(1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080；3.廣東省新能源電力系統(tǒng)智能運行與控制企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510663)

廣東長期存在著因潮流分布不均而引起輸電受限的問題，其中500 kV東西交換斷面功率交換受限和粵東外送斷面功率受限問題突出；大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，其自身的間歇性、波動性也導(dǎo)致電網(wǎng)由于輸電通道不足存在電能輸送問題[1-3]。移相器通過在線路中串入一個幅值、相位均可調(diào)節(jié)的補償電壓，控制輸電線路功率或電壓，實現(xiàn)輸電線路潮流的合理分配，提高關(guān)鍵斷面的輸送能力，是現(xiàn)有網(wǎng)架下控制潮流的有效手段[4-5]。移相器在歐洲、美國、日本等地已經(jīng)應(yīng)用多年，具有較好的調(diào)控效果和顯著經(jīng)濟效益，然而目前國外實際工程中應(yīng)用的移相器仍以機械式移相器為主，其機械開關(guān)動作時間長，響應(yīng)時間慢，不適應(yīng)現(xiàn)在電網(wǎng)快速調(diào)節(jié)的要求。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，提出一種由晶閘管代替機械式調(diào)壓開關(guān)的可控移相器——晶閘管控制移相器(thyristor controlled phase shifting transformer，TCPST)，能夠快速、連續(xù)調(diào)節(jié)潮流，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性[6]。國內(nèi)外專家學(xué)者針對TCPST進行了大量研究，主要集中在潮流建模和實現(xiàn)其功能的控制策略方面[7-10]，也有學(xué)者考慮將其應(yīng)用于線路融冰和配電網(wǎng)合環(huán)控制[11-12]，這些研究均表明TCPST未來將有很大的工程應(yīng)用前景。

廣東電網(wǎng)500 kV等級網(wǎng)架現(xiàn)有短路電流較大，未來幾年短路電流水平可能進一步增加。短路電流超標嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行，目前針對TCPST安裝后的系統(tǒng)短路電流研究也已取得一些成果[13-15]。文獻[16]考慮移相器相角因素和移相器安裝位置對差動電流的影響，分析縱聯(lián)保護在含移相器線路的適應(yīng)性。文獻[17]基于對稱分量法建立含TCPST系統(tǒng)的各序分量網(wǎng)絡(luò)方程，提出各類型不對稱短路電流實用計算方法。文獻[18]利用支路追加法，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出TCPST接入后阻抗矩陣變化公式，分析對短路電流的主要影響因素。但上述文獻都未提出TCPST應(yīng)對系統(tǒng)故障的處理策略，正常運行狀態(tài)時TCPST的最主要功能是調(diào)控潮流，在系統(tǒng)發(fā)生故障后TCPST調(diào)節(jié)潮流失去意義，本文嘗試采用TCPST控制策略在故障時抑制系統(tǒng)短路電流，提高廣東電網(wǎng)運行方式安排的靈活性和系統(tǒng)資源優(yōu)化配置能力。

本文根據(jù)TCPST結(jié)構(gòu)和原理建立TCPST三序數(shù)學(xué)模型，分析交流系統(tǒng)故障下TCPST對短路電流的影響；然后提出TCPST抑制短路電流策略，當電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，控制策略使TCPST等效為高阻抗串聯(lián)在回路中，使其具備故障限流能力；最后以廣東電網(wǎng)為例，通過仿真驗證所提控制策略的合理性和可行性。

1 TCPST的拓撲結(jié)構(gòu)和基本原理

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

本文研究雙芯對稱TCPST，其主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示[19]，主要由串聯(lián)變壓器BT一次繞組B1、B2和二次繞組B3，并聯(lián)變壓器ET一次側(cè)繞組E1、二次側(cè)繞組E2—E4和晶閘管調(diào)壓電路構(gòu)成，其中元件符號后的a、b、c表示三相，SA、SB、SC為輸入端，LA、LB、LC為輸出端。串聯(lián)變壓器一次繞組每相平均分為2個部分串聯(lián)在輸電線路中，中間引出抽頭與并聯(lián)變壓器一次側(cè)高壓端相聯(lián)，串聯(lián)變壓器二次繞組采用三角形接線。并聯(lián)變壓器一次繞組和二次繞組都采用中心點接地的星形接法，二次側(cè)繞組E2、E3、E4的變比為1∶3∶9。晶閘管調(diào)壓電路將串聯(lián)變壓器二次側(cè)和并聯(lián)變壓器二次側(cè)連接在一起，可以通過控制晶閘管調(diào)壓電路調(diào)節(jié)移相角度。

圖1 雙芯對稱TCPST拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

TCPST利用并聯(lián)變壓器取得所在支路首端電壓，根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓裝置得到指定相角與幅值的電壓，最后利用串聯(lián)變壓器將該電壓注入到線路中，使輸出電壓幅值相同、相位變化，從而改變輸電線路的潮流分配。通過控制晶閘管組的通斷來獲得不同的移相角度，實現(xiàn)TCPST檔位T的變換。不同的晶閘管開通和關(guān)斷組合，可獲得-13—+13共27個檔位，并對應(yīng)27個不同的移相角φ。

檔位T下并聯(lián)變壓器對應(yīng)的匝數(shù)比

T=0,±1,±2,…,±13.

(1)

式中：UE1為并聯(lián)變壓器原邊繞組的電壓幅值；UT為并聯(lián)變壓器副邊繞組的電壓幅值；NE1為繞組E1的匝數(shù)；NE2為繞組E2的匝數(shù)。

串聯(lián)變壓器變比

(2)

式中：UB1、UB2、UB3分別為繞組B1、B2、B3的電壓幅值；NB1、NB2、NB3分別為對應(yīng)繞組匝數(shù)。

圖2 TCPST輸入、輸出電壓相量圖

由此可計算移相角

(3)

圖3 考慮漏抗時TCPST單相等效電路

(4)

在實際系統(tǒng)中，變壓器繞組電抗遠大于電阻，通常計算中用jXeq表示TCPST等效電抗值Zeq，Xeq計算公式為[20]

(5)

式中：XB1、XB3為繞組B1、B3的電抗值；XE1為繞組E1的電抗值；X0為并聯(lián)變壓器副邊繞組的等效漏電抗；m為TCPST變化一個檔位時移相角近似改變的角度。

圖4 考慮等效漏抗時TCPST相量關(guān)系

由圖4可知，在潮流不反向時，實際TCPST角度為：

(6)

如果潮流反向，則σ(-)=-φ+β。

2 TCPST對系統(tǒng)不對稱短路電流的影響

2.1 TCPST三序模型

2.1.1 正序等效模型

圖5 TCPST正序等效模型

根據(jù)圖5，TCPST支路pq的2個端口處輸入的正序電流與節(jié)點的正序電壓之間的關(guān)系為

(7)

(8)

2.1.2 負序等效模型

與正序等效模型類似，TCPST負序模型等效為1個負序串聯(lián)電抗和1個有復(fù)匝數(shù)比的理想變壓器，其中TCPST負序電抗等于其正序電抗，理想變壓器變比為K的共軛。變量的上標“(2)”表示該量是負序，下同。

根據(jù)圖6，TCPST支路pq的2個端口處輸入的負序電流與節(jié)點負序電壓之間的關(guān)系為

圖6 TCPST負序等效模型

(9)

2.1.3 零序等效模型

零序電流的流通路徑與變壓器三相繞組連接形式和中性點是否接地有關(guān)。根據(jù)圖3，列出零序電壓、電流關(guān)系﹝式(10)—(12)﹞，變量的上標“(0)”表示該量是零序，下同。

(10)

(11)

(12)

TCPST串聯(lián)變壓器二次繞組為三角形連接，零序電流將在串聯(lián)變壓器二次側(cè)形成環(huán)流，不能從串聯(lián)變壓器流入勵磁變壓器繞組，這種情況與串聯(lián)變壓器二次繞組短接是等效的。勵磁變壓器兩側(cè)雖然采用YN接法，但二次側(cè)連接的外電路并沒有提供零序電流通路，所以沒有零序電流流過。勵磁變壓器鐵心采用三相五柱結(jié)構(gòu)[22]，零序勵磁電抗的數(shù)值很大，可以忽略勵磁電流，即：

(13)

(14)

根據(jù)式(10)—(13)，可得

(15)

變壓器的磁勢平衡方程為

(16)

將式(2)、(14)、(16)代入式(15)，整理化簡可得

(17)

忽略繞組電阻，TCPST的零序電抗

(18)

從以上零序網(wǎng)絡(luò)分析可知，零序電流只在串聯(lián)變壓器中存在，通過勵磁變壓器的晶閘管調(diào)壓電路并不會改變其零序網(wǎng)絡(luò)特性，TCPST零序等效模型可以用1個恒定的電抗表示，如圖7所示。

圖7 TCPST零序等效模型

根據(jù)圖7，TCPST支路pq的2個端口處輸入的零序電流與節(jié)點零序電壓之間的關(guān)系為

(19)

2.2 不對稱故障下短路電流分析

根據(jù)正序等效定則[23]，簡單不對稱故障時的短路電流正序分量

(20)

短路電流的絕對值If(n)與其正序分量的絕對值成正比，即

(21)

式中m(n)為比例系數(shù)，其值因短路類型而異。

不對稱短路時的ZΔ(n)和m(n)取值見表1。不對稱故障短路電流可以通過式(21)計算。由表1可知，單相短路和兩相接地短路與三序網(wǎng)絡(luò)阻抗有關(guān)，而兩相短路僅受正序和負序影響。安裝TCPST后，系統(tǒng)正序、負序和零序網(wǎng)絡(luò)阻抗值都發(fā)生了變化，并且TCPST安裝位置、短路故障發(fā)生位置和移相角均對短路電流有影響。

表1 不對稱短路時的ZΔ(n)和m(n)

3 TCPST抑制短路電流控制策略

3.1 潮流控制策略

在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，TCPST作為潮流控制器，通過晶閘管調(diào)壓電路調(diào)節(jié)輸電線路輸電能力。晶閘管調(diào)壓電路每相由12組晶閘管組構(gòu)成，圖8為檔位T=-2時的晶閘管電路的電流路徑，具體控制方案為：觸發(fā)晶閘管組1、4導(dǎo)通，正向串入繞組E2，觸發(fā)晶閘管組6、7導(dǎo)通，反向串入繞組E3，觸發(fā)晶閘管組9、10導(dǎo)通，繞組E4不接入系統(tǒng)。

圖8 T=-2時的晶閘管調(diào)壓電路電流路徑

潮流調(diào)節(jié)時需要施加觸發(fā)脈沖來導(dǎo)通特定的晶閘管組，改變勵磁變壓器副邊繞組接入系統(tǒng)狀態(tài)，即可調(diào)節(jié)移相角度，副邊繞組接入狀態(tài)與TCPST移相檔位關(guān)系見表2。

表2 TCPST檔位與ET副邊繞組接入組合關(guān)系

3.2 短路限流控制策略

當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，TCPST晶閘管調(diào)壓電路采用故障限流控制策略，使TCPST退出運行，TCPST模塊等效為高阻抗，將系統(tǒng)流經(jīng)TCPST的電流限制到較低數(shù)值，從而抑制故障點的短路電流。

當檢測到短路故障時，立即封鎖TCPST所有晶閘管組的觸發(fā)脈沖，這時BT和ET連接電路斷開，使得BT和ET二次側(cè)均處于開路狀態(tài)，TCPST退出運行。ET二次側(cè)開路時，ET的抽頭比nT為無窮大，在ET原邊耦合成1個大阻抗，IE1非常小，忽略ET原邊空載勵磁電流時，相當于ET退出電力系統(tǒng)，所以BT原來的2個繞組串聯(lián)成1個繞組。采用三角型接線的BT二次繞組開路時，串聯(lián)變壓器勵磁繞組直接串入線路，串聯(lián)變壓器迅速飽和，并最終以飽和空心電抗抑制系統(tǒng)故障電流，TCPST的等效阻抗立即從低阻抗轉(zhuǎn)換為高阻抗。故障限流策略下TCPST等效模型如圖9所示，其中ZBM為BT飽和空心電抗阻抗，ZBM=ZBM1+ZBM2。

圖9 故障限流策略下的TCPST等效模型

故障限流策略下TCPST的等效阻抗

ZTCPST=ZB1+ZBM+ZB2.

(22)

此時TCPST支路pq的2個端口處輸入的電流與節(jié)點電壓之間的關(guān)系為

(23)

正常運行狀態(tài)下為低阻抗，TCPST等效阻抗為式(5)；短路時通過限流策略使得TCPST迅速退出運行，其變壓器的空心電抗遠大于繞組漏抗，其等效阻抗為式(22)。高阻抗可保護TCPST免受系統(tǒng)高壓和大短路電流的沖擊，限制流過TCPST線路的短路電流，以便斷路器開斷故障。同時配合線路保護和線路重合閘邏輯，當故障清除后，TCPST可恢復(fù)到正常潮流控制模式，重新投入TCPST，保證電網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定運行。

采用TCPST短路限流策略的前提是在高壓斷路器開斷之前完成TCPST控制策略的切換。斷路器動作時序如圖10所示。在切換控制策略之前繼電器發(fā)出分閘指令，并在中斷時間內(nèi)完成控制策略的轉(zhuǎn)換，使高壓斷路器在相對較小的短路電流下動作?，F(xiàn)代電力電子設(shè)備的觸發(fā)脈沖快至10 ms，本文假定控制策略切換時間為20 ms。

圖10 斷路器動作時序

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)

廣東電網(wǎng)500 kV SUI-HENG輸電線潮流重載，同時相鄰ZONG站的短路水平也較高，其近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖11所示。在PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建SUI、HENG、ZONG等值網(wǎng)絡(luò)，計算該片區(qū)短路電流水平，其中SUI-HENG雙回線路長50 km，HENG-ZONG雙回線路長38.9 km。

圖11 廣東電網(wǎng)部分網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

根據(jù)TCPST原理和接線方式，在PSCAD中建立TCPST電磁暫態(tài)模型，設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 TCPST設(shè)備參數(shù)

4.2 短路電流仿真

根據(jù)上述建立的仿真模型進行故障限流策略抑制短路電流仿真驗證，在母線發(fā)生單相短路接地時，記錄TCPST支路電流和短路點電流數(shù)據(jù)。

4.2.1 故障限流策略對TCPST支路電流的影響

ZONG站母線發(fā)生故障時TCPST支路電流波形如圖12所示，此時TCPST安裝在ZONG-HENG線路上。由圖12(a)可以看出，1 s發(fā)生故障后TCPST未采用故障限流控制時，TCPST安裝支路短路電流峰值依然很大，達到15.7 kA，這是由于TCPST的等效阻抗相較于系統(tǒng)阻抗較小，對安裝支路電流的抑制作用有限。當故障后采用故障限流控制，流過TCPST支路電流峰值迅速減小到2.21 kA，如圖12(b)，但短路限流策略切換需要時間，無法避開短路電流的第一周期峰值。

圖12 TCPST支路電流波形

4.2.2 不同控制策略對短路電流的影響

不同控制策略下單相短路接地的短路電流如圖13所示，此時TCPST安裝在HENG-ZONG線路上，故障點為ZONG站，未加TCPST時短路電流為46.1 kA。由圖13可知，潮流控制和故障限流控制均對短路電流有一定抑制作用，潮流控制在檔位13情況下對短路電流抑制作用最強，使短路電流減小到42.96 kA，而故障限流控制策略下可使短路電流減小到40.63 kA，可見故障限流策略抑制效果比潮流控制好。

圖13 不同控制策略對短路電流的抑制作用

4.2.3 故障位置和安裝位置對短路電流的影響

TCPST分別安裝在SUI-HENG線、HENG-ZONG線的短路電流計算結(jié)果見表4、表5，其中抑制率為故障限流控制短路電流值與潮流控制短路電流值之比，其值越小抑制能力越強。

表4 TCPST安裝在SUI-HENG線的短路電流計算結(jié)果

表5 TCPST安裝在HENG-ZONG線的短路電流計算結(jié)果

SUI站的短路電流主要來源于HENG站，TCPST安裝在SUI-HENG線路上對SUI站短路電流抑制效果明顯，抑制率為69.37%，而對HENG站抑制作用較弱，對ZONG站基本沒有抑制效果。TCPST安裝在HENG-ZONG線路上，對ZONG站和HENG站故障的短路電流均有較好的抑制作用，對稍遠的SUI站抑制作用較弱。

綜上所述，TCPST對距離較近的故障點短路電流抑制能力較強，對距離較遠的故障點短路電流抑制能力相應(yīng)較弱。根據(jù)表4和表5的數(shù)據(jù)，本文建議TCPST安裝在ZONG-HENG線路上，其故障限流控制策略對ZONG、HENG、SUI處的短路電流均有一定抑制能力，且對短路電流最大的ZONG站抑制能力較強，保障系統(tǒng)運行安全。

5 結(jié)論

本文基于TCPST三序數(shù)學(xué)模型，分析TCPST加入系統(tǒng)對短路電流的影響，提出TCPST在交流系統(tǒng)故障時的短路電流抑制策略，降低了系統(tǒng)的短路電流水平，并在廣東電網(wǎng)系統(tǒng)中進行了仿真驗證，得到以下結(jié)論：

a)當檢測到交流系統(tǒng)故障時，TCPST可快速動作轉(zhuǎn)換為故障限流控制策略，有效抑制TCPST支路電流。但短路限流策略切換需要時間，無法避開短路電流的第一周期峰值，因此仍需附加其他措施。

b)TCPST本身阻抗也可抑制短路電流，隨著移角度增大，抑制能力增強，檔位13時抑制能力最大。但潮流控制策略下抑制短路電流能力有限，采用故障限流策略可以增強TCPST抑制短路電流人能力。

c)TCPST安裝位置和故障位置都會影響短路電流抑制效果，短路位置靠近TCPST安裝位置，抑制效果更好。對距離TCPST較遠的點，應(yīng)采用其他限流措施。