串聯(lián)補償抑制功角振蕩的研究

張雪然 蔣同香 馬廣強 康婉瑩

1.國網(wǎng)技術學院 山東 泰安 271000

2.國網(wǎng)泰安供電公司 山東 泰安 271000

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛躍發(fā)展，電力需求也在迅速增長，考慮到我國能源與需求的分布特點，大量電力需要長距離輸送。串聯(lián)補償技術和可控串聯(lián)補償技術是增強輸電系統(tǒng)大容量、遠距離的有效措施之一［1-3］。

固定串聯(lián)補償FSC（Fixed Series Compensation）能夠有效地提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，它實際上是用容抗抵消線路的等值電抗，從而提高線路的輸電能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定極限。但是FSC實際采用的是分級控制或全部容量退出或接入，控制不靈活，使得它在抑制系統(tǒng)振蕩、靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流等方面不夠理想。文獻［4－5］認為隨著固定串補度的提高，即使其他輸電線路的損耗有所下降，但由于串聯(lián)補償線路的損耗增加，可能使其負荷水平超出其本身已增加的輸送能力，這些不希望的效應，可以用通過采用TCSC代替FSC來避免。另外FSC有可能會引發(fā)次同步振蕩問題和阻尼不夠的問題，這是配置FSC時必須考慮的問題之一。

晶閘管控制的串聯(lián)補償電容器TCSC（Thyristor Controlled Series Capacitor）正是為控制靈活，適應電力系統(tǒng)發(fā)展的產(chǎn)物之一，是靈活交流輸電系統(tǒng)的重要組成部分。它在提高系統(tǒng)輸電能力、控制系統(tǒng)潮流、抑制系統(tǒng)振蕩、提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性等方面有廣泛的用途。TCSC可以平滑地調(diào)節(jié)基波等值電抗。和FSC相比，它具有以下優(yōu)點和系統(tǒng)應用領域［6-8］：1）控制網(wǎng)狀電網(wǎng)中的線路潮流；2）改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，降低系統(tǒng)網(wǎng)損；3）改善暫態(tài)穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)的傳輸能力；4）阻尼系統(tǒng)兩區(qū)域之間的低頻振蕩。

相同容量下，TCSC費用比FSC貴很多，因此在實際的電力系統(tǒng)中，將固定串補和可控串補相結(jié)合，在實現(xiàn)可控串補的控制功能上，又能降低成本。本文主要分析在固定串補、可控串補單獨及相結(jié)合的情況下，分析它們對電力系統(tǒng)功角振蕩的影響。

1 固定串聯(lián)補償和可控串聯(lián)補償特性分析

1.1 固定串聯(lián)補償

FSC能夠增加電氣聯(lián)系，對增加發(fā)電機的功率極限、提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定是有積極作用的［9］。文獻［10］認為串聯(lián)補償用于連接兩個交流系統(tǒng)的輸電線路中點，具有改善電壓質(zhì)量的作用。

配置有串聯(lián)補償裝置的輸電線路傳輸?shù)墓β士捎上率奖硎緸椋?/p>

U1、U2分別為送受端電壓的幅值，XL為輸電線路感抗，輸電線路電阻忽略不計，XC為串補所表現(xiàn)出來的容抗值，δ表示送受端電壓相角差。

則功率可以表示為：

從上式可以看出，假設電壓不變的情況下，增加補償度，可以提高線路輸送容量。實際上串聯(lián)電容器的主要作用是降低線路電抗，降低線路的電壓降和減少兩端電壓相角差，從而提高輸電線路動態(tài)及穩(wěn)定裕度［8］。

1.2 可控串聯(lián)補償

可控串聯(lián)補償由一個反向并聯(lián)的晶閘管串上電感，再并上電容器組成，如下圖1所示。

圖1 TCSC基本模塊

從系統(tǒng)角度來看，可控串聯(lián)補償?shù)脑碇皇峭ㄟ^適當?shù)馗淖冇|發(fā)角而使串聯(lián)補償線路中固定電容器上的基頻電壓得到提高，而這個提高了的電壓改變了串聯(lián)容性電抗的有效值。對其簡單的理解可以通過分析一個與固定電容器FC相關聯(lián)的可變電抗器來獲得，其等效阻抗可以表示為：

TCSC的串補度為其等效阻抗與線路感抗之比，與固定串聯(lián)補償?shù)拇?lián)補償定義是一樣的，只不過TCSC的串補度是可控的。

TCSC的控制策略很多，主要包括線性控制、非線性控制、智能化控制等。線性控制理論是一種最常用的控制理論，它結(jié)構清晰，參數(shù)物理意義明確，易于工程實現(xiàn)。但是線性控制策略是在一定的運行點和運行工況下進行設計，在這些運行點附近是很有效的；當運行點有較大的偏移或系統(tǒng)遭受較大的擾動時，線性控制策略就不能保證仍有良好的運行特性。Bang-bang控制是一種離散的控制形式，在這種控制方式下，晶閘管要么全導通（α=90°），要么全關斷（α=180°）。因此TCSC在固定電感器和固定電容器之間交替變化，這種控制不但對于減小第一擺振蕩是有利的，而且對于阻尼隨后的振蕩也是有利的。Bang-bang控制在大擾動情況下可以提高暫態(tài)穩(wěn)定性［5－11］。

可用以調(diào)制TCSC阻抗的輔助信號如下所述，參考文獻［12－18］對此進行了討論。當?shù)匦盘柊ǎ?）線路電流；2）有功功率；3）母線電壓；4）當?shù)氐哪妇€頻率。遠方信號包括：1）遠方發(fā)電機的轉(zhuǎn)子角／速度偏差；2）系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)子角／速度（頻率）偏差；3）鄰近線路上的有功功率。

本文采用的是中國電力科學研究院BPA中線性控制結(jié)合Bang-bang控制策略，小的擾動情況下，TCSC采用的是線性控制，大的擾動情況下，TCSC采用的是Bang-bang控制。輔助信號是有功功率，它的線性控制框圖如圖2所示：

圖2 可控串補線性阻尼控制框圖

2 實例驗證

以典型系統(tǒng)為例，如圖3所示，分析不同補償度下可控串聯(lián)補償對系統(tǒng)的影響。補償度，其中為串聯(lián)補償?shù)牡戎惦娍?，為補償前線路電抗。

圖3 典型系統(tǒng)拓撲圖

其中 xc1、xc2為可控串補，zl1、zl2為線路阻抗，母線配高抗。

以圖3（圖中對應都是雙回線）典型系統(tǒng)為研究對象，線路上發(fā)生單相永久性故障，在不配置串聯(lián)補償、只加固定串聯(lián)補償和只加可控串聯(lián)補償?shù)那闆r下，發(fā)電機的功角曲線分別如下圖4所示。

圖4 無串補和配置FSC時發(fā)電機功角曲線

2.1 配置FSC效果

通過仿真發(fā)現(xiàn)，無串聯(lián)補償時，線路的潮流極限是6000MW，發(fā)電機的功角曲線圖4黑線；配置40%的FSC時，發(fā)電機的功角曲線圖4藍線。對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SC在一定程度上能夠阻尼功角振蕩。

2.2 配置TCSC效果

如圖5所示：

可控串補度為40%，固定串補度為40%。通過仿真發(fā)現(xiàn)，只配置FSC時，線路的潮流極限是6900MW，發(fā)電機的功角曲線圖5黑線，此時將TCSC全部替換FSC時，發(fā)電機的功角曲線圖5藍線。對比發(fā)現(xiàn)，相同補償度下，TCSC在阻尼功角振蕩方面比FSC更有效。

圖5 配置FSC和TCSC時發(fā)電機功角曲線

FSC能夠在一定程序上阻尼功角振蕩，但TCSC在這方面更有效，另外考慮到同容量下TCSC比FSC的費用要多很多，因此在實際應用中，是將FSC與TCSC結(jié)合起來用，這樣既能達到阻尼功角振蕩的目的，又能達到節(jié)約費用的目的。

2.3 不同總串補度下可控串聯(lián)償補對系統(tǒng)的影響分析

以圖3為基礎（圖中對應都是雙回線），線路l2發(fā)生單相永久性故障，其中可控串聯(lián)補償占總串聯(lián)補償?shù)?0%，固定串聯(lián)補償占總串補的60%，不同總串補度下，發(fā)電機功角曲線如圖6所示。

圖6 不同總串補度下，發(fā)電機功角曲線

圖6表明，隨著總串補度的增加，發(fā)電機的功角阻尼效果越好。分析：圖1控制策略圖采用的是功率控制。當功率減少時，發(fā)電機功角擺開，但同時功率變化量控制可控串聯(lián)補償?shù)牡戎惦娍箒碓黾友a償度kc，減小發(fā)電機與無窮大系統(tǒng)的電氣距離，從而增加線路的傳輸功率，即增加電磁功率，使發(fā)電機功角減小。

2.4 不同可控串補度下可控串聯(lián)補償對系統(tǒng)的影響分析

以圖3為基礎（圖中對應都是雙回線），線路l2發(fā)生單相永久性故障，其中總串補度為20%，可控串聯(lián)補償占總串聯(lián)補償?shù)?0%、50%、70%，固定串聯(lián)補償占總串聯(lián)補償?shù)?0%、50%、30%，與未加任何串聯(lián)補償情況下，發(fā)電機功角曲線如圖7所示。

圖7 不同可控串補度下發(fā)電機功角曲線

圖7表明，在總串補度相同的情況下，隨著可控串聯(lián)補償?shù)谋壤牟粩嘣黾?，功角振蕩抑制的效果越來越好?/p>

3 結(jié)論

1）FSC能夠在一定程度上阻尼功角振蕩，但效果不如TCSC效果好；

2）實際中兼顧費用與效果，將FSC與TCSC按一定比例組合。FSC和TCSC的比例不變情況下，隨著總串補度的增加，功角振蕩阻尼效果越來越好；總串補度不變的情況下，隨著TCSC比例的增加，功角振蕩阻尼效果越來越好。

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