吳勇海

(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司龍巖供電公司，福建 龍巖 364000)

中壓配電網(wǎng)串聯(lián)TCSC調(diào)壓的應(yīng)用研究

吳勇海

(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司龍巖供電公司，福建 龍巖 364000)

利用TCSC可以平滑地調(diào)節(jié)阻抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同線路參數(shù)或不同負(fù)荷的線路進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，穩(wěn)定負(fù)荷側(cè)電壓。對(duì)線路電壓調(diào)節(jié)時(shí)考慮線路橫向壓降的影響，從而得到串聯(lián)補(bǔ)償容抗計(jì)算公式；由于晶閘管的導(dǎo)通壓降會(huì)影響TCSC的等效基波容抗，因而采用串接受控電壓源來(lái)消除影響；最后通過(guò)TCSC對(duì)輻射線路電壓調(diào)節(jié)的仿真分析，說(shuō)明仿真時(shí)通過(guò)串接受控電壓源可以消除晶閘管導(dǎo)通壓降對(duì)調(diào)壓的影響，而在實(shí)際應(yīng)用中只需對(duì)查表進(jìn)行修正，則同樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。

中壓配電網(wǎng)；串聯(lián)調(diào)壓；橫向壓降；TCSC；導(dǎo)通壓降

0 引 言

可控串聯(lián)補(bǔ)償器TCSC(Thyristor Controlled Series Capacitor)[1-2]目前主要應(yīng)用于輸電網(wǎng)，利用其可以連續(xù)地調(diào)節(jié)阻抗，可增加輸電線路的輸送容量并調(diào)節(jié)控制網(wǎng)絡(luò)的潮流，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)低頻振蕩等功能[3-4]，而在中壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用仍處于研究階段，主要是由于中壓配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓?jiǎn)栴}時(shí)，通常采用并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償，串聯(lián)電容補(bǔ)償應(yīng)用得還是很少。文獻(xiàn)[5]提到串聯(lián)電容補(bǔ)償可以穩(wěn)定配電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)電壓，并可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)潮流控制和改善電能質(zhì)量。文獻(xiàn)[6]采用TCSC對(duì)配電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且投入TCSC之后，負(fù)荷側(cè)電壓得到提高，但無(wú)法精確到負(fù)荷側(cè)額定電壓。

中壓配電網(wǎng)無(wú)論網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，正常運(yùn)行時(shí)都是采用開(kāi)環(huán)運(yùn)行，因此進(jìn)行調(diào)壓時(shí)，可將其當(dāng)成單輻射供電模式，并且當(dāng)與其聯(lián)絡(luò)的線路出現(xiàn)故障需要轉(zhuǎn)供負(fù)荷時(shí)，串聯(lián)補(bǔ)償可以增大線路的轉(zhuǎn)供能力。本文進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)時(shí)考慮線路橫向壓降的影響，從而得到補(bǔ)償容抗計(jì)算公式；仿真時(shí)通過(guò)串接受控電壓源來(lái)消除晶閘管對(duì)TCSC等效阻抗的影響；最后，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算所需串聯(lián)容抗，并通過(guò)查表得到晶閘管觸發(fā)角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)波動(dòng)負(fù)荷線路的負(fù)荷側(cè)電壓精確調(diào)節(jié)。

1 中壓輻射配電線路調(diào)壓原理

圖1 帶串聯(lián)電容補(bǔ)償器的輻射配電線路

(1)

(2)

其中

2 TCSC基波阻抗的仿真分析

2.1 存在晶閘管導(dǎo)通壓降的仿真分析

如圖2所示[7]，該仿真模型主要是由10.5 kV的理想電壓源、三相TCSC模塊、負(fù)載及相關(guān)測(cè)量計(jì)算模塊組成，用于測(cè)試TCSC不同觸發(fā)角α所對(duì)應(yīng)的基波等效容抗。仿真時(shí)，電容大小取為1 000 μF，電感大小取為1.5 mH。晶閘管的參數(shù)為：導(dǎo)通阻抗為0.09 Ω，正向壓降為0.8 V。

圖2 TCSC基波阻抗仿真模型

TCSC等效基波容抗曲線如圖3所示，在晶閘管沒(méi)有觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，TCSC裝置等效基波容抗為3.179 2 Ω，而電容為1 000 μF的計(jì)算值3.183 1，略有差別。t=0.2 s時(shí)，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)0.1 s之后，TCSC的等效容抗接近穩(wěn)定，此時(shí)TCSC的等效基波容抗為3.825 3 Ω，而通過(guò)文獻(xiàn)[8]式(1)計(jì)算值為3.885 4 Ω，誤差為1.547%，相對(duì)較大。

圖3 TCSC等效基波容抗的曲線

經(jīng)分析，造成仿真等效基波容抗與計(jì)算基波容抗出現(xiàn)較大差值的原因是晶閘管的內(nèi)部導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通時(shí)的壓降。從圖4(b)可看出，晶閘管導(dǎo)通壓降達(dá)到23.65 V，可驗(yàn)證該值的計(jì)算式如下所示：

UTHon=ITH·Ron+Vf

(3)

式中ITH為晶閘管的導(dǎo)通電流，Ron為晶閘管的導(dǎo)通電阻，Vf為晶閘管導(dǎo)通時(shí)壓降。

因此，晶閘管導(dǎo)通壓降可以用式(3)計(jì)算，也為后面解決晶閘管導(dǎo)通壓降影響提供依據(jù)。

圖4 TCSC晶閘管導(dǎo)通電流及兩端電壓波形圖

2.2 消除晶閘管導(dǎo)通壓降的仿真分析

從前面的分析可知，由于晶閘管的導(dǎo)通壓降的存在，使得TCSC基波容抗的仿真結(jié)果偏離了計(jì)算結(jié)果，并且晶閘管的導(dǎo)通壓降UTHon可由式(3)計(jì)算得到。而根據(jù)式(3)可知，在晶閘管參數(shù)確定時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通壓降UTHon隨晶閘管的導(dǎo)通電流的增大而增加，因此，采用控制信號(hào)為晶閘管的導(dǎo)通電流的串聯(lián)受控電壓源來(lái)消除晶閘管導(dǎo)通壓降的影響。串接的受控電壓源接線電路如圖5所示，受控電壓源的控制信號(hào)包含兩部分：一部分來(lái)自晶閘管導(dǎo)通電流，將其乘以比例系數(shù)大小等于晶閘管內(nèi)部電阻的數(shù)值；另一部分為一常數(shù)，其大小等于晶閘管導(dǎo)通時(shí)的壓降Vf，該值只有在電感支路存在電流才存在，因此采用switch模塊來(lái)選擇控制。

圖5 反向并聯(lián)晶閘管串聯(lián)電壓受控源的電路接線圖

串接電壓受控源后TCSC晶閘管導(dǎo)通電流及兩端電壓波形如圖6所示，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)其兩端電壓約為25.38 V，串接受控電壓源后，兩端電壓(即兩圖5中的in與out之間的電壓)為-1.591×10-5，接近于0；而當(dāng)反向并聯(lián)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，兩端電壓為1.071×10-4，同樣接近于0。因此，通過(guò)串聯(lián)受控電壓源可以抵消晶閘管導(dǎo)通壓降。

圖6 串聯(lián)受控電壓源后TCSC晶閘管 導(dǎo)通電流及兩端電壓波形圖

當(dāng)α=158.9°時(shí)，仿真得到的TCSC等效基波容抗如圖7所示，晶閘管關(guān)斷時(shí)，仿真得到基波等效阻抗與圖3一樣，但當(dāng)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后得到的穩(wěn)定容抗為3.885 2 Ω，與計(jì)算值3.885 4 Ω極為接近，從而可說(shuō)明，串聯(lián)受控電壓源可以消除晶閘管導(dǎo)通壓降對(duì)TCSC基波等效容抗的影響。

圖7 消除晶閘管導(dǎo)通壓降后的等效基波阻抗

3 TCSC調(diào)壓分析

TCSC能夠?qū)崿F(xiàn)電壓調(diào)節(jié)主要由于不同觸發(fā)角α可使TCSC等效不同的容抗，因而通過(guò)負(fù)荷側(cè)的電壓電流計(jì)算負(fù)載大小，然后由式(2)得到其所需等效容抗并通過(guò)查表得到觸發(fā)角α，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷側(cè)電壓的調(diào)節(jié)，如圖8所示。

圖8 串聯(lián)TCSC調(diào)壓原理圖

TCSC的調(diào)壓仿真模型如圖9所示，三相電源使母線B1的電壓保持為10.5 kV，線路長(zhǎng)度為10 km，用1.25+j4 Ω的阻抗來(lái)模擬，負(fù)載用額定電壓為10 kV、功率因數(shù)為0.85的2 MVA和4 MVA的阻抗負(fù)載來(lái)模擬。

圖9 TCSC調(diào)壓仿真模型

開(kāi)關(guān)K1是在0.1s時(shí)投入，同時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K2，投入TCSC1模塊，但此時(shí)還沒(méi)觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，補(bǔ)償容抗為基本容抗值；K3在0.4 s時(shí)閉合，使系統(tǒng)增加額定電壓為10 kV、功率因數(shù)為0.85的2MVA的負(fù)荷，并在0.6 s時(shí)斷開(kāi)。0.2 s之前計(jì)算得到觸發(fā)角α為等效容抗等于設(shè)定值4 Ω對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角，之后是根據(jù)負(fù)荷側(cè)電壓電流計(jì)算得到的觸發(fā)角，而觸發(fā)角α是在0.25 s開(kāi)始控制晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的，觸發(fā)角的曲線如圖10所示。

圖10 觸發(fā)角的變化曲線

負(fù)荷側(cè)線電壓在TCSC1投入前后的變化曲線如圖11所示，t=0.1 s時(shí)才投入TCSC1，但由于補(bǔ)償值為TCSC1基本容抗值，無(wú)法滿足對(duì)應(yīng)負(fù)荷所需補(bǔ)償?shù)娜菘梗载?fù)荷側(cè)線電壓沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)值10 kV；t=0.25 s開(kāi)始通過(guò)觸發(fā)角控制晶閘管導(dǎo)通來(lái)改變TCSC1的等效容抗，通過(guò)幾個(gè)周波的調(diào)整之后負(fù)荷側(cè)電壓達(dá)到目標(biāo)值；在t=0.4 s時(shí)增加2 MVA負(fù)荷，雖然導(dǎo)致電壓短時(shí)下降，但在0.1 s后又被調(diào)整到目標(biāo)值；在t=0.65 s時(shí)切除2 MVA負(fù)荷，導(dǎo)致電壓短時(shí)上升，經(jīng)過(guò)約0.1 s調(diào)整后恢復(fù)到目標(biāo)值。

圖11 負(fù)荷側(cè)線電壓幅值變化曲線

從仿真結(jié)果可看出，TCSC可以根據(jù)中壓配電網(wǎng)的負(fù)荷大小來(lái)調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角，從而穩(wěn)定負(fù)荷側(cè)電壓。實(shí)際應(yīng)用中可能不采用串聯(lián)受控電壓源來(lái)消除晶閘管導(dǎo)通壓降對(duì)調(diào)壓的影響，但只要通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)TCSC的阻抗特性表進(jìn)行修正，則同樣可達(dá)到仿真時(shí)的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在計(jì)算串聯(lián)調(diào)壓所需串聯(lián)補(bǔ)償容抗時(shí)，考慮了線路橫向壓降的影響，得到補(bǔ)償容抗的精確計(jì)算公式。仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)晶閘管導(dǎo)通壓降會(huì)使等效基波阻抗偏小，并構(gòu)造受控電壓源消除晶閘管導(dǎo)通壓降對(duì)其等效基波阻抗的影響。通過(guò)調(diào)壓仿真分析可知，TCSC可以穩(wěn)定波動(dòng)負(fù)荷的負(fù)荷側(cè)電壓，并增加線路輸電容量。隨著負(fù)荷密度的增加、中壓配電線路走廊的緊張，由于TCSC可以在保證負(fù)荷電壓質(zhì)量的同時(shí)，增加線路的輸送容量，并在線路故障時(shí)可提高線路的轉(zhuǎn)供能力，因而TCSC在中壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用有很好的前景。

[1] GOLDSWORTHY，DANIEL L．A linearized model for mov-protected series capacitors[J]．IEEE Transactions on Power Systems，1987，2(4)：953-958．

[2] E V LARSEN，K CLARK，JR S A MISKE，et al．Characteristics and rating considerations of thyristor controlled series compensation[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，1994，9(2)：992-1000．

[3] 孫海順，裴志宏，文勁宇,等．TCSC實(shí)驗(yàn)裝置研制中的若干問(wèn)題研究[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2004，24(9)：51-55．

[4] 吳熙，蔣平．TCSC在次同步諧振中的借阻尼現(xiàn)象[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，31(3)：34-38．

[5] 趙文忠，王東平．串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用分析[J]．低壓電器，2010，33(5)：37-40．

[6] 張先泰，蔡金錠，丁智華,等．電容補(bǔ)償在配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)中的應(yīng)用[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(2)：116-119．

[7] 張德豐．MATLAB/SIMULINK建模與仿真實(shí)例精講[M] 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

[8] 鄭旭，裴志宏，孫海順，等．可控串補(bǔ)動(dòng)模裝置研制及阻抗特性研究[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2005，25(5)：50-53．

更正：

2017年第一期第70頁(yè)“基于坐標(biāo)變換的有源功率因數(shù)校正技術(shù)研究”一文撤稿，不作發(fā)表。

特此更正《電氣自動(dòng)化》編輯部

Application Research of Series TCSC Voltage Regulation in the Medium-voltage Distribution Network

Wu Yonghai

(State Grid Fujian Electric Power Co., Ltd. Longyan Power Supply Co., Longyan Fujian 364000, China)

Through TCSC we can adjust impedance smoothly, realize voltage regulation for different line parameters or lines with different loads, and stabilize load-side voltage. The impact of line lateral voltage drop is considered in line voltage regulation, and the calculation formula is obtained for the capacitive reactance for series compensation. As the turn-on voltage drop of the thyristor may affect the capacitive reactance of the equivalent fundamental frequency of TCSC, a series controlled voltage source is used to eliminate the influence. Finally, simulation analysis of voltage regulation on the radial supply line through TCSC shows that the series controlled voltage source in the simulation can eliminate the impact of the thyristor turn-on voltage drop upon voltage regulation. In practical applications, what is required for accurate voltage regulation is just to adjust the lookup table.

medium-voltage distribution network； series voltage regulation； lateral voltage drop；TCSC； turn-on voltage drop

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.022

TM712

A

1000-3886(2017)02-0072-03

吳勇海(1987-)，男，福建龍巖人，碩士生，從事繼電保護(hù)和電能質(zhì)量研究。

定稿日期: 2016-08-17