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        含有TCSC 的輸電線路電能傳輸能力研究

        2023-11-28 12:33:22孫海斌傅國斌王學(xué)斌蔡生亮星發(fā)輝韓迎強(qiáng)
        青海電力 2023年3期
        關(guān)鍵詞:發(fā)電機(jī)設(shè)置系統(tǒng)

        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,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,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,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,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,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,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,要避免其工作在諧振區(qū)域內(nèi),否則會造成嚴(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)生的同步信號控制晶閘管的觸發(fā)脈沖,驅(qū)動電路工作,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,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,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,設(shè)置系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時線路傳輸?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,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,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,系統(tǒng)失穩(wěn)。相應(yīng)的30%串聯(lián)補(bǔ)償度時,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,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。

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