TSC＋TCR型SVC对风电场并网点电压影响的研究

安裔铭，冯星淇，张明理

（1.龙源电力股份有限公司，北京 100037；2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015）

专论

TSC＋TCR型SVC对风电场并网点电压影响的研究

安裔铭1，冯星淇1，张明理2

（1.龙源电力股份有限公司，北京 100037；2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015）

随着风电场并网点电压不稳定问题日益突出，对静止无功补偿器补偿性能的要求也有所提高。针对以往常用类型的SVC存在不足的问题，对TSC＋TCR型SVC的工作原理与控制方法进行了研究。在PSCAD环境下的仿真计算表明，该类型SVC具有更快的响应速度，更小的电压波动，补偿性能更高。最后，在含有风电场的IEEE3机9节点系统中，仿真了风电场并网点处发生三相短路以及风速变化干扰时，TSC＋TCR型SVC对风电场并网点母线电压的影响。

风电场；TSC＋TCR型SVC；电压稳定

目前，国内外关于SVC研究表明，SVC的类型、安装地点［1－3］等是影响SVC补偿效果主要因素。文献［4－5］指出，固定电容器（Fixed Ca⁃pacitor，FC）具有结构简单，投资少，运行可靠等优点，我国大部分牵引变电所都采用此种补偿方式，但由于牵引负荷波动大，FC在轻载时会形成无功反送，负荷较大时又会补偿不足；文献［6］介绍的固定电容器＋晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）型SVC解决了此问题，该补偿器不仅可以向系统输送容性无功，还可以向系统输送感性无功，但由于TCR工作中产生的感性无功电流需要固定电容中的容性无功电流来平衡，因此在需要实现输出额定感性无功时，TCR的容量则应是额定容量的2倍，从而导致开关器件和电感容量上的浪费。

随着风电场并网点电压不稳定问题的日益突出，对SVC补偿性能的要求也有所提高［7］，为了克服以上文献提到的补偿器的缺点，本文主要研究了TCR和晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）组合式SVC的工作原理及控制方法，并在PSCAD环境下对其无功调节及电压控制能力进行分析，同时引用含风电场的IEEE 3机9节点系统，考察在三相短路以及风速变化干扰情况下，TSC＋TCR型SVC对风电场并网点母线电压的影响。

1 TSC＋TCR型SVC

1.1 TSC＋TCR型SVC简介

TSC＋TCR型SVC是通过TSC作容性无功分级粗调与TCR作感性无功相控细调来进行平滑连续无功调节的，该类型补偿器谐波含量低，响应速度快，可快速改变发出的无功，具有较强的无功调节能力，提供动态无功补偿，从而提供动态电压支撑，加快暂态电压恢复，提高系统电压稳定水平。该种补偿器一般含有一组TCR与多组TSC，在设计时补偿器内部要串联降压变压器，这不仅可以避免晶闸管承受过高的电压，也可消除由晶闸管产生的3次谐波。该补偿器接线方式如图1所示，VS为负荷节点电压；VSVC为变压器二次侧电压；ISVC为流过补偿器的电流；Bσ为变压器等效电纳；BL为电抗器电纳；BC为电容电纳。

图1 TSC＋TCR型SVC装置接线图

1.2 TSC＋TCR无功补偿基本原理

本文基于改善电压调整的基本功能，对TSC＋TCR的动态无功功率补偿的基本工作原理做简单介绍［8］。

图2为系统与TSC＋TCR的电压－无功功率（电流）V－Q（I）特性曲线。

图2 SVC无功补偿原理图

图2中折线CABD为TSC＋TCR的V－Q特性曲线，A－B段为补偿器正常运行范围，其斜率为常数，一般取值为0.02～0.05。系统端口的网络特性等效为斜线1、2，其中斜线1代表电源与负荷间的无功功率平衡状态，此时补偿器输出无功功率为0，负荷节点电压稳定在参考电压Vref；斜线2代表电源发出无功功率大于负荷需求的状态，电压升高到Vr，此时补偿器发出感性无功电流ISVC，使负荷节点电压保持稳定，以上过程可由式（1）表示：

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由式（1）可得到电压控制目标ΔV：

设计电压调整器，使ΔV无限趋近于0，令式（1）左右两侧相等，以此作为补偿器电压控制系统设计的理论依据。

1.3 TSC＋TCR型SVC控制系统

1.3.1 总体结构框图

一个常规TSC＋TCR型SVC控制系统包括各类组件［9］，如测量电路、电压调整器、逻辑控制器、触发电路及其它辅助控制。测量电路在测出系统负荷节点电压VS与补偿器电流ISVC后，根据式（2）求出控制目标电压ΔV，通过电压调整器调整后输出电纳基准信号Bref，再经过导纳计算环节计算出非线性感性电纳BTCR与电容器电纳BTSC，两者分别通过非线性计算与逻辑运算获得控制触发角α和投入n组电容器的逻辑电平，最后再由触发电路形成脉冲信号令补偿器动作。其结构框图如图3所示。

图3 常规TSC＋TCR控制系统结构

1.3.2 TSC控制原理

TSC主要起可变电容的作用，其电容的投切是靠晶闸管控制的，计算出应该投入电容器组数n后，在电容电压超前电流90°时刻（见图4），利用逻辑电路依次投切相连的电容器。

图4 TSC的投切过程

1.3.3 TCR控制原理

TCR的作用是在TSC分组投入或退出之后做出细微调节，其基本单元是一个与双向晶闸管（或可控硅）开关串联的电抗器，改变晶闸管的控制角α，进而改变导通角θ与流过TCR的电流ΙTCR。晶闸管在α为90°时获得完全导通；当α在90°～180°时为部分导通；0°～90°之间的触发角是不允许的，因为将产生含有一直流分量的不对称电流。结合图1，可求流经TCR的电流ITCR：

将式（4）代入式（3）可得输出等效电纳BTCR与控制角α的函数关系：

控制角α调节范围为90°～180°，由式（5）可求最大等效电纳值BTCRmax＝BL（α＝90°），最小等效电纳值为BTCRmin＝0（α＝180°），图5为输出导纳随控制角α变化的非线性曲线。

图5 输出导纳特性

2 TSC＋TCR型SVC补偿能力分析

基于以上TSC＋TCR型SVC无功补偿的基本原理及电压控制的数学模型，本节在PSCAD环境下对TSC＋TCR型SVC进行了建模，并对其在负荷发生变化时的补偿能力进行了仿真，同时与另2种SVC：FC、FC＋TCR做了比较。母线额定电压为1 pu，两个无功负荷容量分别300 Mvar和87 Mvar，在运行1 s时，87 Mvar的负荷被切除，FC容量为271.3 Mvar，TCR容量为100 Mvar，TSC容量为271.3 Mvar。仿真结果如图6、图7所示。

从图6可以看出，0～1 s时间内，系统发出的无功比负荷需求的无功少140 Mvar，母线电压降低，t＝1 s时，部分负载被切除，负荷需求减小，使得系统与负荷间无功差值变为80 Mvar，母线电压有轻微的回升，但仍然低于额定值。

图6 无补偿情况下负荷变化时无功流动与母线电压

图7 3种SVC补偿效果比较

从图7明显可以看出，3种补偿器补偿效果的不同，当负荷被切除时，FC不能动态补偿，使得系统与FC输出的无功远大于负荷需求值，进而导致母线电压达到1.06 pu，严重超过额定参考电压值，出现过补偿现象；FC＋TCR与TSC＋TCR都可以跟随负荷进行动态补偿，使电压稳定在正常工作范围之内，但在负荷发生变化的瞬间，FC＋TCR超调量达到了0.06 pu，且母线电压持续0.16 s达到平衡，而TSC＋TCR的超调量为0.035 pu，只持续0.05 s就达到期望值。通过比较可知TSC＋TCR型SVC响应速度更快，补偿效果更好。

3 TSC＋TCR型SVC对风电场并网点母线电压的影响

本文取IEEE3机9节点系统（见图8），其中G3换成同容量的风电场，并网母线3处设置无功补偿装置。在BUS8～BUS9线路50%处设置1个三相短路故障，其中，5 s时故障动作，故障持续时间为0.5 s。风电场额定风速为10 m／s，不考虑阵风和斜坡风干扰。仿真结果如图9所示。

图8 含风电场的IEEE3机9节点系统

图9 3种情况下补偿器对母线3的影响

由图9可以看出，TSC＋TCR型SVC能够快速为系统提供无功支持，且补偿无功量合适，在故障和干扰情况下都能够使母线电压快速恢复额定值，并维持稳定。并联电容器虽然能一定程度的提供无功支持，但在大扰动和故障时，维持母线电压能力较SVC要稍差。

4 结束语

本文对TSC＋TCR型SVC无功补偿的基本结构、控制原理进行了分析，并通过实际仿真验证了SVC无功补偿装置对风电场无功补偿效果的优越性。从理论分析和仿真结果证明了在系统故障和干扰情况下，TSC＋TCR型SVC都能够使风电场并网母线电压快速恢复额定值，并且可以缩短风电场并网点在短路扰动后的暂态过程。

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Research on the Influences of the TSC＋TCR SVC for Voltage at PCC of Wind Farm

AN Yi⁃ming1，FENG Xing⁃qi1，ZHANG Ming⁃li2
（1.China Longyuan Power Group Co.，Ltd.，Beijing 100037，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

As the problem about voltage instability of wind farm node becomes increasingly prominent，the requirement for compensa⁃tion performance of the Static Var Compensator（SVC）also needs to be improved.In this paper，the operating principle and controlling method of TSC＋TCR SVC are studied.Simulation results in the PSCAD platform show that this kind of SVC has a faster response speed and a smaller voltage fluctuation.The simulation about TSC＋TCR SVC effecting wind farm node voltage is done when occurring three phase short circuit and wind speed change interference through IEEE three⁃generators 9⁃nodes power system.

Wind farm；TSC＋TCR type SVC；Voltage stability

TM614

A

1004－7913（2016）05－0001－04

安裔铭（1978—），男，学士，工程师，从事电力系统、新能源并网技术研究。

2016－01－20）