考慮暫穩(wěn)約束下含TCSC聯(lián)絡(luò)線的傳輸能力①

張 穎

（天津泰達(dá)電力公司，天津 300457）

可控串聯(lián)補(bǔ)償TCSC（thyristor controlled series compensation）是20世紀(jì)70年代開(kāi)始發(fā)展的FACTS中的一種，是在常規(guī)固定串聯(lián)補(bǔ)償基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，采用了電力電子技術(shù)和串補(bǔ)技術(shù)相結(jié)合，其主要特點(diǎn)是采用晶閘管控制的電抗器與串聯(lián)電容器相并聯(lián)，然后串聯(lián)在輸電線路上。根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的不同要求，在一個(gè)很大范圍內(nèi)通過(guò)改變觸發(fā)角使得電力電子器件快速地調(diào)整TCSC的基頻等值容抗，從而達(dá)到快速連續(xù)地調(diào)節(jié)所串聯(lián)輸電線路等值阻抗的目的。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)TCSC的的研究主要集中在TCSC的控制方面和其對(duì)電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)［1］提出了一種衡量區(qū)域振蕩的暫態(tài)能量函數(shù)，以減小振蕩能量為目標(biāo)采用模糊理論設(shè)計(jì)了一種TCSC阻尼控制器。文獻(xiàn)［2］提出了一種基于直接反饋線性化理論的TCSC阻尼區(qū)域功率振蕩的非線性控制器的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)［3］基于魯棒控制方法，提出了一種阻尼系統(tǒng)振蕩的TCSC的附加控制器。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于非線性PID（piping and instrument diagram）的TCSC控制模型，在數(shù)字仿真和動(dòng)模試驗(yàn)中都取得了良好的效果。文獻(xiàn)［5］針對(duì)可控串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，根據(jù)TCSC在大干擾后動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程中不同階段的不同物理過(guò)程，設(shè)計(jì)了具有暫態(tài)穩(wěn)定控制回路的改進(jìn)型PID控制器和以自抗擾理論為基礎(chǔ)的自抗擾TCSC控制器。文獻(xiàn)［6，7］中TCSC控制器就是采用模糊控制原則，對(duì)電力系統(tǒng)的機(jī)電振蕩進(jìn)行阻尼，取得良好的結(jié)果。文獻(xiàn)［8］將非線性控制器反饋增益的選擇歸結(jié)為參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，并通過(guò)仿真證明這種方法的控制器可以有效阻尼系統(tǒng)振蕩。文獻(xiàn)［9］對(duì)TCSC的穩(wěn)定控制方案和阻尼控制方案進(jìn)行了總結(jié)，并在研究模糊控制和PID控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)整定PID阻抗控制器。文獻(xiàn)［10］搭建了一個(gè)含有TCSC和金屬氧化物限壓器的系統(tǒng)模型。文獻(xiàn)［11］考慮了線路保護(hù)等一些因素，研究了安裝TCSC的線路出現(xiàn)故障后電壓的變化特點(diǎn)。文獻(xiàn)［12］通過(guò)對(duì)安裝有TCSC的巴西南北部互聯(lián)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真，考慮了TCSC的控制，得到此TCSC對(duì)抑制區(qū)域之間0.2 Hz振蕩有明顯作用。文獻(xiàn)［13］根據(jù)交直流電力系統(tǒng)的相互影響，采用合適的控制策略，靈活控制TCSC的電抗值，提高了系統(tǒng)電壓和功角穩(wěn)定性。

本文在前人分析的基礎(chǔ)上，建立了TCSC潮流分析和離散控制策略的暫態(tài)模型，通過(guò)對(duì)實(shí)際輸電系統(tǒng)的分析和暫態(tài)仿真，求出了考慮暫態(tài)約束的輸電線路傳輸功率的極限。證實(shí)了TCSC采用離散控制策略后，能大大提高滿足暫穩(wěn)約束的聯(lián)絡(luò)線傳輸能力。

1 TCSC的控制模型

1.1 TCSC阻抗

TCSC一次主回路是三個(gè)主要元件的并聯(lián)，即電容器組、與旁路電抗器串聯(lián)的兩個(gè)反向并聯(lián)晶閘管和保護(hù)用的金屬氧化物限壓器MOV（metal oxygen varistor）。本文主要使用TCSC的三種基本工作模式：閉鎖模式（即晶閘管閉鎖，只有電容）、容抗調(diào)節(jié)模式（容抗感抗可平滑調(diào)節(jié)）和旁路模式（串補(bǔ)電容被小阻抗電感XL旁路）。TCSC阻抗XTCSC與觸發(fā)角的關(guān)系表達(dá)式為［14］

1.2 TCSC穩(wěn)態(tài)控制模型

TCSC的穩(wěn)態(tài)控制模型如圖1所示，根據(jù)線路有功功率PL與給定值Pdef的偏差來(lái)改變可控串補(bǔ)等效電抗值XTCSC，并相應(yīng)地改變潮流計(jì)算中的導(dǎo)納矩陣元素。圖中XTCSCmax，XTCSCmin為XTCSC的上下限值。

圖1 TCSC潮流控制穩(wěn)態(tài)模型Fig.1 Stability model of TCSC with power control

2 含TCSC輸電線路的輸送功率極限計(jì)算

2.1 暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算模型

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型采用經(jīng)典模型，各發(fā)電機(jī)用x′d后的恒定電勢(shì)E來(lái)模擬，負(fù)荷用恒定阻抗模型，相對(duì)于系統(tǒng)慣性中心（COI）的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為

Pei和Pgi分別為發(fā)電機(jī)i電磁功率和機(jī)械功率；Gij與Bij為考慮了聯(lián)絡(luò)線附加設(shè)備阻抗的發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)節(jié)點(diǎn)之間導(dǎo)納的實(shí)部和虛部。

暫態(tài)穩(wěn)定約束采用功角約束，即以慣性中心為參考，將系統(tǒng)中任意一臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角，相對(duì)于慣性中心的角度差不超過(guò)某一極限作為判據(jù)，可描述為

其中

2.2 TCSC在系統(tǒng)暫態(tài)時(shí)的控制模型

本文采用的TCSC在系統(tǒng)暫態(tài)時(shí)的控制策略如圖2所示，TCSC的控制環(huán)節(jié)主要包括一個(gè)暫態(tài)穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)和一個(gè)阻尼功率振蕩環(huán)節(jié)。在暫態(tài)穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)中，通過(guò)特定線路的開(kāi)關(guān)跳閘信號(hào)，觸發(fā)后，TCSC強(qiáng)行補(bǔ)償至最大補(bǔ)償電抗XTCSC，max，投入時(shí)間為T(mén)ci。阻尼控制環(huán)節(jié)采用常規(guī)PSS控制或PID控制。本文結(jié)合離散控制思想，在常規(guī)控制上增加離散控制環(huán)節(jié)，控制信號(hào)是聯(lián)絡(luò)線上傳輸?shù)挠泄β省ｋx散控制環(huán)節(jié)如圖3所示，其中XTCSCmax、XTCSCrated和XL分別表示TCSC的最大容抗值、tci時(shí)刻阻尼控制輸出的容抗值和旁路模式時(shí)小電感的感抗值；tci、tLi分別代表考慮延遲的第i次令TCSC容抗值達(dá)最大的起始時(shí)刻和令TCSC工作在旁路模式時(shí)的起始時(shí)刻；TCi、TLi分別代表第i次持續(xù)XTCSCmax的時(shí)間和第i次持續(xù)旁路模式時(shí)間。

圖2 TCSC暫態(tài)控制示意圖Fig.2 Transient stability control sketch of TCSC

圖3 離散控制環(huán)節(jié)Fig.3 Discrete control link

3 實(shí)際算例及其分析

本文針對(duì)含TCSC的伊馮輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。伊敏電廠位于內(nèi)蒙古東部的呼倫貝爾地區(qū)，在東北電網(wǎng)的末端，屬于典型的坑口電廠，機(jī)組有四臺(tái)，兩臺(tái)單機(jī)容量500 MW，兩臺(tái)600 MW。電廠通過(guò)雙回輸電線路接入齊齊哈爾的馮屯變電站，輸電電壓等級(jí)為500 k V。由于輸電距離長(zhǎng)、負(fù)荷重，而再擴(kuò)建新的輸電線路投資巨大，考慮到經(jīng)濟(jì)性要求，在線路上加裝TCSC是個(gè)較好的選擇。系統(tǒng)如圖4所示。

圖4各項(xiàng)數(shù)據(jù)參見(jiàn)文獻(xiàn)［14］附錄，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為100.0 MVA。其中伊敏電廠的四臺(tái)機(jī)組用兩臺(tái)等值機(jī)表示，為圖中的G1、G2，并通過(guò)升壓變壓器連到廠高壓母線，廠高壓母線通過(guò)兩條輸電線路10和線路2與馮屯側(cè)的變電站相聯(lián)。為了增加線路的輸送能力，在這兩條線路上安裝了TCSC，串補(bǔ)度為45%，其中固定串補(bǔ)為30%，可控串補(bǔ)為15%。與電網(wǎng)相連的其他機(jī)組用等值機(jī)代替，如G3、G4和G6等。

圖4 伊馮輸電系統(tǒng)等值電路圖Fig.4 Equivalent circuit of Yi Min－Feng tun transmission system

設(shè)置故障為雙回輸電線路中的一回，線路10在靠近母線NHMYMC51側(cè)發(fā)生三相短路故障，故障從0.0 s開(kāi)始，0.10 s后線路10兩側(cè)斷路器斷開(kāi)，故障結(jié)束。下面為幾種情況的計(jì)算結(jié)果。

圖5 無(wú)串補(bǔ)傳輸功率為1350 MW時(shí)的功角不穩(wěn)定圖Fig.5 G1 power angle instability without TCSC when transmission power for 1350 MW

圖6 有串補(bǔ)傳輸功率為1800 MW時(shí)的功角穩(wěn)定圖Fig.6 G1 power angle stability with TCSC when transmission power for 1800 MW

（1）系統(tǒng)沒(méi)有加裝任何串補(bǔ)時(shí)，當(dāng)傳輸功率達(dá)到1350 MW時(shí)，系統(tǒng)失去穩(wěn)定，見(jiàn)圖5。圖中曲線為G1與等值機(jī)G6的功角圖。后續(xù)圖中的功角曲線也均為G1與等值機(jī)G6的。

（2）當(dāng)系統(tǒng)加裝固定串補(bǔ)后，其傳輸功率極限較未加任何補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)有大幅提高。當(dāng)雙回線傳輸功率為1800 MW時(shí)，發(fā)生故障后系統(tǒng)響應(yīng)見(jiàn)圖6：當(dāng)系統(tǒng)傳輸功率為1810 MW時(shí)，系統(tǒng)失去穩(wěn)定，見(jiàn)圖7、8，圖8為廠高壓母線電壓變化情況。

圖7 有串補(bǔ)傳輸功率為1810 MW時(shí)的功角不穩(wěn)定圖Fig.7 G1 power angle instability with TCSC when transmission power for 1810 MW

圖8 母線HQFFTB51電壓Fig.8 Bus HQFFTB51 voltage

圖9 有串補(bǔ)傳輸功率為1910 MW時(shí)的功角穩(wěn)定圖Fig.9 Power angle stability with TCSC when transmission power for 1910 MW

圖10 有串補(bǔ)傳輸功率為1920 MW時(shí)的功角不穩(wěn)定圖Fig.10 Power angle instability with TCSC when transmission power for 1920 MW

由此可知，由于TCSC的控制系統(tǒng)，能在故障發(fā)生后為系統(tǒng)提供強(qiáng)補(bǔ)，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得系統(tǒng)在考慮暫態(tài)穩(wěn)定約束時(shí)能夠傳輸?shù)墓β室灿辛溯^大的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本論文通過(guò)對(duì)實(shí)際伊馮輸電線路在暫態(tài)約束下輸電功率的計(jì)算，得出了以下結(jié)論：在相同的故障情況下，系統(tǒng)不加裝串補(bǔ)，系統(tǒng)傳輸?shù)墓β首钚。友b固定串補(bǔ)后，系統(tǒng)傳輸功率可以得到大幅提高，當(dāng)系統(tǒng)加裝可控串補(bǔ)后，由于可控串補(bǔ)可以通過(guò)自身的調(diào)節(jié)作用阻尼系統(tǒng)振蕩，所以可以在可控串補(bǔ)的基礎(chǔ)上將系統(tǒng)傳輸容量進(jìn)一步提高。TCSC作為一種柔性輸電裝置，由于其自身的可控性，可以使系統(tǒng)的傳輸功率有更大提高。

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