可控硅控串联电容补偿器(TCSC)的结构、原理及应用研究报告

可控硅控串联电容补偿器(TCSC)的结构、原理及应用研究报告摘要可控串联电容器(TCSC)补偿装置是在常规串联补偿技术上发展而来的一种新型电力装置。由于采用晶闸管快速控制，其基频等值阻抗可以在较大范围内连续调节，既可以呈现容性电抗，也可以呈现感性电抗。TCSC的出现为电网运行控制提供了新的手段。除了具有常规串联补偿技术的优点之外，TCSC可以用于电力系统暂态稳定控制、阻尼功率振荡控制、SSR抑制以及动态潮流控制等。TCSC装置是一种结构简单、控制灵活以及容易实现的器件。正因为TCSC具有这些特点，因此在工业中较早投入应用。本文将通过简单介绍TCSC装置的结构及其工作原理，详细讨论TCSC装置的阻抗调节特性，以及考虑装置额定运行参数约束时TCSC装置的工作特性，从而归纳出TCSC装置的控制模式。其中，TCSC作为一项高可靠性和经济性的电力系统调节技术，在现代电网中的应用正在逐渐推广，口前全世界有多个TCSC工程在投人运行。本文还将针对TCSC装置在现代电网中的工程应用做出简要介绍，为从事TCSC的工程人员提供参考。关键字：可控串联电容补偿器；结构原理；工作特性；控制模式；工程应用1绪论可控串联补偿技术是在常规固定串联补偿技术的基础上为适应电力系统运行控制的需要而发展起来的。早期的可控串联补偿器采用机械开关投切串联电容器(MechanicallySwitchedSeriesCapacitor，简称MSSC)来实现，它采用分段投切方式改变对线路阻抗的补偿程度。由于机械开关动作速度较慢，因此，这种补偿装置只主要用于电网潮流控制。随着大功率电力电子器件技术的成熟和发展，出现了利用晶闸管控制的串联补偿技术，包括晶闸管控制串联电容补偿器(ThyristorControlledSeriesCapacitor，简称TCSC)和晶闸管投切串联电容补偿器(ThyristorSwitchedSeriesCapacitor，简称TSSC)。与机械开关控制的补偿装置相比，晶闸管控制补偿装置可以实现串联补偿度的快速调节，其性能可以满足电力系统稳定控制和快速潮流控制的需要。与MSSC和TSSC相比，TCSC具有阻抗连续可调节的优秀性能，因此，该项技术一经提出，就受到了电力工业界和电力系统研究人员的广泛关注。2TCSC装置的结构原理及其工作特性本章将介绍TCSC装置的基本结构及其工作原理，对TCSC电路的阻抗调节特性、装置工作特性进行了深入分析。2.1TCSC装置的基本结构TCSC具有结构简单、控制灵活和容易实现的特点，因此是较早投入工业应用的一种FACTS装置。图2.1是一种典型的工程实际应用TCSC的结构，它由一组固定容量的串联电容器和一个TCSC组成。工程上常常采用这样的组合实现输电线路阻抗的可控串联补偿，有的TCSC是通过将现有固定串联电容补偿装置中的一部分改造为TCSC来完成的。由图可以看出，整个TCSC装置的一次设备由主电路模块、操作控制模块和测量模块等三部分组成。图中，断路器CB3及隔离开关DS1、DS2和DS3构成了装置的控制模块，它通过一定的开关顺序控制操作，实现整个装置安全可靠地投入和退出运行，CB1还可以兼作紧急状态下装置的二级保护。主电路模块包括固定串联电容器和TCSC。固定串联电容器用于瞬态电容器过电压保护的MOV和间隙保护元件，以及用于投切固定串联电容器的旁路断路器CB2。旁路断路器CB2支路上设置有用于限制电容器放电电流的阻尼电抗器。和固定串联补偿电路结构相比，TCSC主电路子模块增加了一个由双向晶闸管控制的电抗器支路(ThyristorControlledReactor，简称TCR)。电抗器用于控制TCSC的阻抗，其参数对于TCSC装置的阻抗调节特性具有重要的影响，同时也兼作TCSC旁路断路器支路的阻尼元件。该TCSC电路省去了在固定串联电容补偿中采用的间隙保护元件，这是因为在TCSC晶闸管控制方式下，可以快速实现电容器的保护。在实际工程应用中，可以有多个固定串联补偿子模块和TCSC子模块串联组成整个串联补偿装置。测量系统的任务是为装置工作状态的监测控制和保护提供实时有效的信息，因此，所有与装置工作特性以及保护功能相关的变量都需要由该模块进行测量。用于装置控制功能的输电线路电流，母线电压，以及用于装置保护功能的电容器两端的电压和支路中的电流、电容器组间的不平衡电流、MOV支路电流和晶闸管支路电流等都是需要测量的电气量。注意到电容器的接线采用四组相同的电容器组按照桥型方式连接，其电容参数等效于一组电容器的参数。这样连接的目的是为了方便地实现电容器组的故障监测。通过检测中间桥路上流过的不平衡电流就可以监测是否出现了电容器组的内部故障。测量系统是连接装置中电气主回路和用于控制保护的二次系统的中间环节，出于绝缘和电气隔离的考虑，工程实际TCSC装置中的测量元件通常采用光电转换器件。由于整个TCSC装置将串联接入高压输电系统运行，因此，必须监视主回路安装平台对大地的绝缘状态，这是通过测量泄漏电流来实现的。2.2TCSC基本运行模式和阻抗调节特性1、TCSC基本运行模式由于TCSC是一种串联运行的FACTS元件，因此，在分析TCSC的运行模式和阻抗调节特性时，将线路电流作为外部激励电源考虑。根据由简单到复杂的原则，先考虑单相TCSC电路，如图2.2所示。图中，线路电流iLINE是TCSC的外部激励输入电流，电容器电压uC和晶闸管支路电流iTH是TCSC装置的状态量，电容器电流iC等于线路电流iLINE和晶闸管支路电流iTH的差。电路中各个电气量的参考方向如图中箭头所示。晶闸管触发控制信号是TCSC的控制输入。由图可以看出，在线路电流不变的情况下，通过周期性地触发导通晶闸管，将在TCSC电路中产生环路电流iTH。正是这个环路电流影响了电容器的充电电流iC，从而可以改变电容器两端的电压uC。最终改变了接入输电线路的阻抗的大小。根据晶闸管导通状况的不同，TCSC电路有三种基本运行模式，即：晶闸管全关断模式(电抗器退出运行)、晶闸管旁路模式(电抗器全值接入)和微调运行模式(电抗器可调接入)。TCSC的微调运行模式又可分为容性微调运行和感性微调运行两种运行方式。图2.3和图2.4是TCSC装置与上述几种基本运行模式对应的电路稳态运行波形图。图中横坐标为时间轴，用电角度表示;纵坐标为各有关电气量，均用标么值表示，其中电流量的基准值为线路电流的峰值，电压量的基准值为基准线路电流单独流过串联电容器时产生的电容电压峰值。图中，α和β是按照两种不同方式定义的晶闸管控制角。α称为触发延迟角，表示电容电压过零点(晶闸管开始承受正向电压)到晶闸管开始导通时刻之间的电角度差：β是触发越前角，定义为晶闸管导通时刻相对于随后的电压过零点的超前时间(用电角度表示)。两者之间满足关系式β=π-α。σ表示晶闸管导通区间的电气角度，即晶闸管导通角。在稳态运行情况下，σ=2β。图2.3(a)的运行方式对应为晶闸管触发延迟角为α=180。的情况，相应的触发越前角β=0o。在这种运行方式下，晶闸管处于全关断状态，TCR支路电流iTH=0，电容器电流就等于线路电流。这时的TCSC相当于一个固定串联电容器补偿装置，其等效电抗就是电容器的标称容抗Xc。这种运行模式称作晶闸管全关断(以下简称BLOCK)运行模式。当触发延迟角从180o开始减小，即增大触发越前角时，晶闸管开始部分导通，TCSC模块中出现了如图2.3(b)所示的脉冲状环路电流。图中，α=150o，σ=60o;由于环路电流iTH的基波分量与线路电流反相，两者共同作用的结果，使得电容器电流基波分量与线路电流同相，幅值大于线路电流。由于电容器电压基波分量滞后于线路电流90o，幅值大于线路电流单独通过电容器时产生电压的基波分量幅值，因此，这时的TCSC等效为一个容性电抗，其数值大于电容器的标称容抗Xc。在不考虑暂态变化过程的情况下，的导通角变化范围内，如逐渐增大触发越前角，晶闸管的导通角将逐渐增大，在一定TCSC装置的等效阻抗表现为逐渐增大的容抗特性。TCSC的这种运行方式称为容性微调运行方式。随着触发延迟角的进一步减小，晶闸管导通角将继续增大。当导通角大于某一特定值之后，TCSC电路将呈现与图2.3完全不同的运行特性，其运行波形如图2.4所示。在图2.4(a)中，触发延迟角α=138o，晶闸管导通角达到一个较大的数值，σ=840o这时，TCSC模块中的环路电流i。仍然为间断的脉冲电流，但是其基波分量的幅值将大于线路电流的幅值，其相位与线路电流相同，两者的共同作用会使电容器电流的基波分量与线路电流反相。这时，电容器电压基波分量超前线路电流90o，TCSC等效阻抗为感抗。在一定的区间内，连续改变导通角，TCSC的等效感抗也发生连续变化。TCSC的这种运行方式称为感性微调运行方式。图2.4(b)是触发延迟角α=90o时的情况，在理想情况下，两只反并联的晶闸管导通角各为180o，使TCR支路连续导通，这时TCSC装置等效于电容器和电抗器的并联运行。环路电流i。基本上是连续的正弦变化量，与线路电流同相，数值上略大于线路电流，结果使电容器电流在数值上远小于线路电流，产生的电容器两端的电压在相位上超前线路电流，幅值很小，TCSC模块呈现小值等效感抗。TCSC的这种运行模式称为晶闸管旁路(以下简称BYPASS)运行模式。图2.5和图2.6分别给出了上述TCSC的三种基本运行模式下的各支路基波电流分布示意图，图中，箭头方向相同表示相位相同，相反则表示相位相差180o;箭头粗细形象地代表基波电流幅值的大小。在TCSC装置的实际应用中，还需要区分如下的两种不同旁路运行模式，即：“断路器旁路运行模式”和“晶闸管旁路运行模式”。除了上述的晶闸管旁路运行模式外，实际TCSC装置中往往包含用断路器旁路TCR的电路，断路器的闭合可以构成TCSC的断路器旁路运行模式。晶闸管旁路运行模式的作用是向TCSC装置提供快速的控制和保护手段，而断路器旁路模式是用来退出TCSC或者因为TCSC内部故障而采取的保护措施。和TSSC和MSSC相比，TCSC的特点是它可以工作在微调运行模式下。在微调运行模式下，TCSC晶闸管支路在半个周波内部分导通，由此产生周期性的环路电流作用于电容器充电过程，从而改变了TCSC电路的等效电抗。由于TCR支路的控制触发角可以连续调节，因而其等效阻抗也可以在一定范围内连续发生变化。而对于TSSC和MSSC来说，电容器的并联支路是通过晶闸管或者机械开关来控制的，该支路要么全导通，要么完全关断，分别只能对应于TCSC的晶闸管旁路运行模式和全关断运行模式。2、TCSC等效基频阻抗与晶闸管控制角之间的关系由上述分析可知，周期性的环路电流是TCSC等效电抗可连续调节的直接原因，这里晶闸管控制触发角的大小成为TCSC装置的控制变量，通过改变晶闸管的控制触发角可以改变TCSC电路中的环路电流，从而改变TCSC的等效电抗。因此，基于对晶闸管电流的分析，可以得到TCSC稳态工频电抗与晶闸管控制角(用触发越前角表示)之间的关系，如公式(2-1)所示[55]。(2-1)式中：，，为电容器和电抗器环路的谐振角频率。为工频角频率。方程(2-1)表示了恒定正弦电流源激励条件下TCSC的工频等效电抗。可见TCSC的工频等效阻抗特性由图2.2中电容器和电抗器的参数共同决定。公式(2-1表示的微调运行模式下TCSC稳态工频阻抗特性如图2.7所示。图中横坐标是触发延迟角，纵坐标是TCSC工频稳态等效电抗，采用标么值表示，其基准值是串联电容器标称容抗。并且在这里定义容性电抗为正，感性电抗为负。由图可以看出：(1)TCSC晶闸管触发延迟角的控制范围是90o到180o，在该范围内，TCSC的稳态阻抗特性分为容性运行区和感性运行区。在感性运行区和容性运行区之间的转换过程中，要经过一个谐振点。与谐振点对应的控制触发延迟角αres的大小由电感和电容的参数决定。(2)当晶闸管触发延迟角位于区间(αres,180o]内时，TCSC呈现容性等效电抗运行特性。触发延迟角为180o时对应于晶闸管