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华中科技大学文华学院

毕业设计[论文]

题目：

柔性串联补偿装置TCSC的建模

学生姓名：

黄浩学号：

080372011316

学部（系）：

机电学部

专业年级：

08应用电子技术

指导教师：

唐萃职称或学位：

讲师

2011年4月20日

目录

摘要……………………………………………………………………页码

Abstract…………………………………………………………………………页码

前言………………………………………………………………………………页码

1、FACTS技术……………………………………………………………………页码

1.1FACTS的主要功能……………………………………………………页码

1.2研究FACTS技术的意义………………………………………………页码

2、TCSC的构成及工作方式………………………………………………………页码

2.1TCSC的基本结构………………………………………………………页码

2.2TCSC的工作方式………………………………………………………页码

3、TCSC特性的研究……………………………………………………………页码

3.1TCSC阻抗特性分析……………………………………………………页码

3.1.1TCSC阻抗模型的建立………………………………………………页码

3.1.2TCSC阻抗特性仿真研究……………………………………………页码

3.2TCSC抑制次同步振荡特性分析………………………………………页码

3.2.1次同步振荡…………………………………………………………页码

3.2.2TCSC抑制次同步振荡特性分析模型的建立……………………页码

3.3.3TCSC抑制次同步振荡特性的仿真研究……………………………页码

结束语……………………………………………………………………………页码

参考文献…………………………………………………………………………页码

致谢………………………………………………………………………………页码

摘要

可控串补（ThyristorControlledSeriesCompensation,简称TCSC）是灵活交流输电（FlexibleACTransmissionSystem,简称FACTS）技术的一种,它通过改变晶闸管的触发角来实现对TCSC阻抗的大范围平滑调节。

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实验装置可以在一定程度上真实地反映实际装置的物理特性,同时又不像现场试验那样受到系统运行条件的约束。

而且,其控制器可以和实际装置的控制器完全一样,利用各种控制理论设计的TCSC控制装置可以在实验室首先进行试验。

因此,利用实验装置研究TCSC的基本运行特性及其控制策略具有重要的理论和实际意义。

Abstract：

ThyristorControlledSeriesCompensation（TCSC）isakindofFACTS（FlexibleACTransmissionSystem）device.Itcanregulateimpedancesmoothlyoverawiderangebychangingthetriggerangleofthyristor.Asanovelmethodforelectricalnetworkcontrol,TCSCcanbeappliedinpowersystemtransientstabilityenhancement,powersystemoscillationdamping,subsynchronousresonance（SSR）mitigationandloadflowcontrol.ExperimentalsetuphasphysicalcharacteristicsimilartorealTCSCtoalargeextent,anditisnotrestrictedbysystemoperationcondition.Also,asthecontrolsystemoftheTCSCexperimentalsetupcouldbethesameasthoseusedinthepracticalpowersystem,controllersbasedonvarioustheoriescanbetestedandtheperformanceofthemcanbeverifiedbeforetheirpracticalapplication.Consequently,itisofgreatimportancetodevelopexperimentalsetupofTCSCfortheinvestigationofitsbasicoperationcharacteristicsandcontrolstrategy.

前言

柔性交流输电系统（FACTS）技术在电力系统中有着广阔的应用前景,是近年来电力系统研究的前沿课题之一。

可控串联补偿（TCSC）便是FACTS家族的一个重要成员,其结构简单,造价低廉,具备提高输电线传输能力及改善系统稳定性的卓越性能。

因此,对TCSC的研究有比较大的理论意义和实用价值。

本文即以TCSC为研究对象,对其进行了以下几个方面的研究:

建立了TCSC稳定状态下的阻抗模型,并对其阻抗特性进行分析。

研究发现,若感抗与容抗之比大于1/9,TCSC有一个稳定状念谐振点,根据触发角其工作区域分为两部分:

一个是感性工作区域,另一个是容性工作区域。

若感抗与与容抗之比小于1/9,稳定状态谐振点多于一个。

同时,通过动态方程求出TCSC两端的谐波电压,并对TCSC谐波特性进行分析。

研究发现,满足以下两个条件时谐波电压很大:

一个是容抗与感抗比为3~2、5~2、7~2……;另一个是容抗与感抗比的平方根与导通角的1/2的乘积为π/2的奇数倍。

另外,通过建立次同步电流与次同步电压的关系式,分析了TCSC抑制次同步振荡（SSR）原理。

计算机仿真研究证明,TCSC对SSR确实有积极的抑制作用。

在对上述特性分析的基础上,根据触发角与电感电流之间的关系建立TCSC的控制模型。

在容性工作区域,模型的增益随着触发角大小的变化而变化。

根据触发角,容性工作区域分为两个子区域:

一个子区域的响应是单调的,另一个是阻尼振荡的。

计算机仿真研究表明,当输入相同时,模型输出与系统响应基本一致。

本文综述TCSC的研究现状和工程应用情况,介绍本课题的研究背景,阐述TCSC的基本运行原理,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。

结合TCSC设计的总体目标,确定了TCSC主电路基本结构,给出了主电路元件参数。

实验装置主要包括主电路、信号接口、控制、保护、录波、通信及监控等功能模块。

为TCSC动模实验装置设计和实现了控制、保护、录波和通信系统,详细介绍了其功能、硬件构成和相关程序设计。

对所研制的TCSC实验装置,本文进行了初步试验。

研究TCSC在两种同步信号下基频阻抗的阶跃暂态特性和容性区、感性区相互切换时的暂态特性,并深入分析TCSC的模式切换过程。

掌握TCSC的结构；运用电力电子学知识，设计出晶闸管串联电容器电路及相应得控制电路，并运用计算机辅助分析软件（matlab/EMTDC）进行仿真，实现可控串联补偿功能，达到提高输电线路输电能力，改善系统稳定。

1、FACTS技术

柔性交流输电系统是FlexibleACTransmissionSystems中文翻译，英文简称FACTS，指应用于交流输电系统的电力电子装置。

利用大功率电力电子元器件构成的装置来控制调节交流电力系统的运行参数或网络参数，优化电力系统运行状态，提高交流电力系统线路的输电能力。

其中“柔性”是指对电压电流的可控性；如装置与系统并联可以对系统电压和无功功率进行控制，装置与系统串联可以对电流和潮流进行控制；FACTS通过增加输电网络的传输容量，从而提高输电网络的价值，FACTS控制装置动作速度快，因而能够扩大输电网络的安全运行区域；在电力电子装置最早用于直流输电系统中并实现了对输送功率的快速控制，由此人们想在交流系统中加装电力电子装置，寻求对潮流的可控，以获得最大的安全裕度和最小的输电成本，FACTS技术应运而生，静止无功补偿器（SVC），静止同步补偿器（STATCOM）又称作ASVG，晶闸管投切串联电容器（TCSC），静止同步串联补偿器（StaticSynchonousSeriesCompensator）以及统一潮流控制器（UPFC）就是基于FACTS装置家族的成员。

随着我国国民经济的快速发展，我国电力系统在走向全国大联网的过程中又取得了质变性的成就——使全国电网初步成型，扩大了大电网的运行效益和对经济发展的支持能力。

电网规模扩大也意味着其运行条件的复杂化和运行难度对控制技术的进一步需求。

基于电力电子技术和其他先进技术的新型控制技术FACTS（FlexibleACTransmissionSystem,即“柔性交流输电系统”）应运而生，它自诞生以来的20年中，已在世界上引起普遍重视并取得了广泛应用，其各种用途的控制器已发展到了第三代，它的支持技术也由基本只依靠电力电子技术扩大并依靠其他新技术，例如高温超导，高分子聚合物（polymer）以及结线技术和机电技术的新应用等。

FACTS技术是大型复杂电力系统提高其运行功能和经济效益的新型强大工具，它区别于电力系统中原有的运行控制设备（电抗器，电容器组，调相机，变压器分接头，串联补偿，电气制动等等）就是它质变地提高了控制能力：

使钢性控制（断续动作、不可重复、慢速、不够准确、不够灵活的旧式机电型控制器）提级改变为柔性控制（可快速、准确、平滑和重复控制、且其组成和功能可灵活变动）从而使原来稳态控制措施改进得更有效；或者可兼具更优良的暂态和动态控制能力，这就使FACTS技术成为大型电力系统中不可或缺的控制技术。

1.1FACTS的主要功能

（1）静止无功补偿器SVC　　静止无功补偿器的典型代表是晶闸管投切的电容器（TSC）,和晶闸管控制的电抗器（TCR）。

实际应用中,将TCR与并联电容器配合使用,根据投切电容器的元件不同,可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器,和TCR与断路器投切电容器配合使用的补偿器,以及TCR与TSC配合使用的无功补偿器。

这些组合而成的SVC的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率,进行动态补偿,使补偿点的电压接近维持不变,但SVC只能补偿系统的电压,其无功输出与补偿点节点电压的平方成正比,当电压降低时其补偿作用会减弱。

SVC的主要作用是电压控制,采用适当的控制方式后,SVC也可以有阻尼系统功率振荡和增加稳定性等作用。

目前,SVC技术已经比较成熟,国外从60年代就已经开始应用SVC,七十年代末开始用于输电系统的电压控制,经过几十年的发展,不仅将静止无功补偿器,用于输电系统的电压控制,也用于配电系统的补偿和控制,还可用于电力终端用户的无功补偿一电压控制。

（2）静止同步补偿器STATCOM　　静止同步补偿器也可以称为ASVG——有源静止无功发生器。

它的基本原理是将自换相桥式电路直接或者通过电抗器并联到电网上,适当调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿。

ASVG根据直流侧采用的电容和电感两种不同的储能元件,可以分为电压型和电流型。

它可以通过控制其容性或感性电流,与系统交换无功,在任何系统电压的情况下,都能输出额定的无功功率,与SVC相比,在系统故障的情况下静止同步补偿器维持系统电压,提高系统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用较明显;近二十几年,静止同步补偿器受到了国内外专家学者的普遍重视,日本从1980年研制出第一台20Mvar的强迫自换相的桥式ASVG,1991年又投入了一台±80Mvar的ASVG成功地运行在154kV的输电线路上,而美国于1995年投入了一台±100Mvar的ASVG。

我国清华大学和河南电力局共同研制成功了一台±20Mvar的静止无功补偿器,并于1999年在河南洛阳朝阳变电所投入运行。

　　（3）并联蓄能系统　　并联蓄能装置包括蓄电池蓄能系统（BESS）和超导磁能存储器（SMES）等,是采用并联式电压源换流器的能量存储系统,其换流器可通过快速调节向交流系统供给或吸收电能。

将SMES用于两机系统的频率控制,可以有效地抑制两系统之间的频率偏移。

也可将SMES与静止移相器相结合用于互联系统负荷频率控制。

但这种超导储能装置不但技术要求高,而且在目前的条件下投资费用比较昂贵,大量投入系统运行还存在一定的困难　　（4）晶闸管控制的串联电容器TCSC　　晶闸管控制的串联电容器的模块主要由串联电容和含有电抗、晶闸管开关的并联回路组成,通过可控硅控制可以灵活、连续地改变补偿容量,达到快速响应的效果。

TCSC在改善电力系统性能方面有很多优点,将TCSC用于高压输电系统,可发挥现有系统的潜力,提高功率传输极限,灵活地调节系统潮流,增加系统阻尼作用,是保证超高压电网安全稳定运行的重要措施。

　　TCSC与其它FACTS装置相比,潮流控制功能比较简单,受到了GE、ABB和Siemens等大公司的关注和重视。

在美国有三处已经安装了TCSC,并且运行良好,瑞典、巴西等国家也相继将TCSC投入实际运行。

我国在伊敏电厂至齐齐哈尔地区的冯屯变电站的双回输电线上采用串联补偿技术。

　　（5）静止同步串联补偿器SSSC　　静止同步串联补偿器是以DC/AC逆变器为基本结构,它的基本原理是向线路注入一个与电压相差90的可控电压,以快速控制线路的有效阻抗、从而进行有效地系统控制。

它在系统中的作用有些类似于TCSC,但是,它控制潮流的能力远大于单方向减少线路阻抗功能的TCSC控制器,并且谐波含量小。

　　（6）晶闸管控制的移相变压器TCPST　　晶闸管控制的移相变压器是利用可控硅开关控制移相角度从而改变线路两侧的移相角来控制潮流的大小或方向。

移相器的发展比较早,早在三十年代第一台移相器已经在美国投入运行,随着电力电子技术的发展,70年代开始各国电力专家将晶闸管与移相器相结合开始进行晶闸管控制的移相器TCPST的研究。

经研究表明TCPST具有提高联络线传输潮流,抑制小干扰,提高系统稳定性,阻尼功率振荡,母线电压控制,规约联络线潮流等功能,晶闸管控制的移相器的控制速度快,相角阶梯可以很小,甚至达到无级调节,但晶闸管控制的移相器有一个缺点,它本身需要消耗无功功率,运行中一般需要与无功补偿装置联合使用,并且谐波的含量较高,因此对电能质量有一定的影响。

　　（7）可转换式静止补偿器CSC　　可转换式静止补偿器是近两年推出的FACTS控制器的一种新产品,它实际上是将基于同步变流器的串并联补偿器技术,通过在结构上实现柔性化,使其可以更加灵活地应对不断变化的电力系统要求。

CSC是由2台电压源换流器、一个与输电线并联的变压器和2个串联的变压器组成。

通过开关的转换实现补偿器的不同运行工作状态,根据控制目标的不同,CSC可以提供静止同步无功补偿器,静止同步串联无功补偿器、统一潮流控制器和线间潮流控制器4种基本控制方式。

　　（8）统一潮流控制器UPFC　　UPFC的概念是由美国西屋科技中心的L.Gyugyi于1992年首次推出的,统一潮流控制器是一种从原有潮流控制装置的基础上发展而来的新型潮流控制装置,它由一个并联的换流器和一个串联的换流器通过公共侧的电容耦合而成,仅仅通过控制量的变化就可以分别实现并联补偿、串联补偿或移相器的功能,也可以将三者的功能结合使用。

通过不同控制策略的设计,UPFC不但可以用于控制母线电压。

线路潮流、提高系统动态和暂态稳定性,抑制系统振荡,而且可以快速地转换工作状态以适应系统的紧急状态的需要。

它被认为是FACTS家族中最有代表性、功能最强大和技术最复杂的成员。

1.2研究FACTS技术的意义

FACTS技术，即灵活交流输电系统技术（FlexibleACTransmissionSystem,缩写为FACTS），自美国电力科学院（EPRI）N.G.Hingorani博士1986年提出以来，便得到了世界范围的广泛响应。

FACTS技术是基于电力电子技术改造交流输电的系列技术，它对交流系统中的电压（无功）、电抗和相角都可以进行控制，从而能实现对交流系统潮流分布的直接灵活控制，有效提高交流系统的安全稳定性，使传统的交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，使输电线路得到充分利用，以满足电力系统安全、可靠和经济运行的目标。

FACTS技术作为21世纪输电技术的发展方向，已被国内外的一些较权威性的输电技术研究者和工作组称为“未来输电系统新时代的三项支撑技术之一（FACTS技术、先进的控制中心和综合自动化技术）”。

柔性交流输电系统技术之所以出现，一方面是由于电力工业发展的实际需要，另一方面，大功率电力电子技术的发展使这种需求的实现成为可能。

它的提出基于如下背景:

（1）随着电力工业生产的发展，常常需要长距离转移输送大量的电力，电力在线路上辗转输送增加了功率损耗。

在互联电网中，功率的走向主要由电网结构决定，用常规方法很难实现大幅度调节，实际功率分布可能与理想功率分布相差甚远。

要改变这一现状，必须实现一个突破，那就是实现对系统参数和网络结构的快速灵活调节。

应用统一潮流控制器、可控串联补偿器和先进的静止无功发生器等FACTS元件，能够方便地控制电力网络功率的走向及分布。

（2）随着电力工业的发展，网络结构日益复杂，新的控制手段和控制设备不断涌现，发电站的单机容量不断增大，电力系统新问题亦不断出现。

近年来，国内外由于电力系统稳定性破坏而发生多次大面积停电事故，给国民经济造成极大损害，社会生活受到很大影响。

大电力系统稳定问题，促使人们寻求能够根据系统参数迅速反应的控制手段，以大幅度提高系统的稳定程度。

（3）在现代交流输电系统中，虽然计算机技术己经得到广泛应用，但是就其控制手段来讲，仍然是机械式的。

无论是发电机调速器、断路器、传统的有载调压器还是移相器，在控制的终端，任务最后落实于机械动作上。

在许多场合，特别是对于电力系统稳定控制，速度往往是成败的关键。

机械惯性限制了机械式控制动作速度的提高，严重阻碍了在事故处理及系统稳定控制中的应用，而且机械动作可靠性差、器件寿命短.电子化的控制手段，能够实现机械式控制不可比拟的动作速度，而且寿命不受动作次数和动作速度的影响。

（4）寻求新的快速控制手段，方便地控制系统参数，一直是人们追求的目标。

高压直流输电的控制手段快速灵活，当输送容量与稳定的矛盾难以调和时，有时可以通过建设直流线路来解决，但是换流站的一次性投资很高。

应用FACTS元件的方案常常比增加一条线路或增加换流站的方案投资要少。

（5）电力电子技术和现代控制技术的飞速发展使人们对FACTS技术的需求变为可能。

（6）灵活交流输电元件是逐渐加入现行的交流输电系统，而不是摒弃现有系统。

一项新技术能否被广泛采用，是否具有生命力，很大程度上取决它与现有系统的兼容程度。

FACTS与现行的交流输电系统并行发展，可以完全兼容。

FACTS这项新技术在我国也具有广阔的应用前景。

我国大多数电网的结构比较薄弱，结构不甚合理，耐受事故冲击的能力比较差，高压输电线路的输送能力远未发挥出来;从系统运行方面讲，系统稳定性指标不高。

由于FACTS技术具有与现行系统完全兼容的优点，可以在现有设备不做重大改动的条件下，针对当时、当地的具体问题，采用相应的FACTS技术，充分发挥现有电网的潜力，以渐进的方式改变电力系统的面貌。

这点特别适合我国发展资金比较紧张的状况。

2、TCSC的构成及工作原理

TCSC是第一代串联型FACTS工程应用控制器，它是从机械控制的固定串联补偿器FSC（FixedSeriesCapacitor）发展而来，工程应用中通常是将部分FSC改进为TCSC。

从图1可知，TCSC通过控制改变输电线路的总阻抗，主要用于电力系统阻尼控制、网络潮流控制、电力系统暂态稳定控制；达到提高系统的暂态稳定性、改善电网潮流分布、抑制低频振荡和次同步振荡的目的。

由于TCSC结构简单、工程上较易于实现，具有很高的性能价格比，因此是目前实际应用最多且前景看好的一种FACTS装置。

可控串联补偿技术经过近年来的研究发展己经进入实际应用阶段，其工程装置已经在美国等发达国家的电力系统中得到应用，我国也在积极进行TCSC试验装置的开发研究和工程应用方面的准备工作。

目前在美国己有三处TCSC装置投入运行，它们的目的都是为了提高交流输电线路的输送能力。

1992年，可控串联补偿技术在Kayenta变电站（239kV）实现了工程应用，它是由SIEMENS公司制造的世界上第一套投入运行的三相式TCSC装置；GE公司主要承担的Slatt变电站（500kV）TCSC试验工程于1993年投入运行；ABB公司改建的KanawhaRiver变电站（345kV）单相串补投切工程。

我国也已计划在伊敏至冯屯、阳城至淮阴的500kV输电系统中应用TCSC技术。

2.1TCSC的基本结构

TCSC模块主要由串联电容和含有分路电抗、晶闸管开关的并联回路所组成,如图所示。

模块还包含了作为过电压保护的氧化锌避雷器和旁路断路器。

一个完整的TCSC系统往往是由几个这样的模块串联而成,并且还可以与传统的串联电容一起构成整个串联补偿以提高电力系统的性能。

图2-1TCSC的单向电路结构

TCSC是在并联LC电路的电感支路中串联一对反并联的晶闸管开关,对其进行相控,即改变晶闸管的触发角α,则可以改变电感支路的电流,即等效于改变电感支路感抗的大小,其变化范围从XL（对应于α=90°,晶闸管全导通）到无穷大（对应于α=180°,晶闸管全关断）,因此并联后整个TCSC等值阻抗的性质与大小就能通过控制晶闸管触发角α而改变。

上图为TCSC等值阻抗（基波）随触发角变化的曲线大致形状,触发角α以电容器两端电压过零为参考。

图中虚线左边等值阻抗为感性,右边为容性,虚线对应并联谐振点,此时等值阻抗为无穷大。

在整个电力线路中TCSC就是一个可控的电力电子元件,通过对其晶闸管开关的相控达到调整线路阻抗的目的。

2.2TCSC的工作方式

TCSC模块有3种基本运行模式:

全关断模式、旁路模式和微调模式。

在全关断模式时，晶闸管门极没有触发信号,晶闸管开关一直不导通,触发角α=180°。

整个模块阻抗就等于电容器容抗。

在旁路模式时，晶闸管门极连续触发,晶闸管开关全导通,触发角α=90°。

由于晶闸管支路中电抗的存在,模块成小感抗性质。

在TCSC的应用中还存在一种“断路器旁路”模式,它是指跨接在TCSC上的断路器（如图1）闭合时的情形。

这两种旁路模式是性质和功能不同的模式,前者是用来线路控制且和许多线路保护相关,后者是用来在线路中切除TCSC或因为TCSC内部故障而采取的保护动作。

在微调模式时,晶闸管门极触发信号采用相控,晶闸管开关处于部分导通状态,触发角α<180°。

整个模块性质取决于晶闸管导通程度。

当晶闸管导通程度较低时,模块呈容性;当晶闸管导通程度较高时,模块呈感性。

TCSC一般工作在容性等值阻抗下。

在感抗调节模式下可控串补将产生一定的谐波分量，对系统安全和经济运行不利，实际工程中一般不采用。

不同运行模式下TCSC模块电