中压配电网串联TCSC调压的应用研究

吴勇海

(国网福建省电力有限公司龙岩供电公司，福建 龙岩 364000)

中压配电网串联TCSC调压的应用研究

吴勇海

(国网福建省电力有限公司龙岩供电公司，福建 龙岩 364000)

利用TCSC可以平滑地调节阻抗，实现对不同线路参数或不同负荷的线路进行电压调节，稳定负荷侧电压。对线路电压调节时考虑线路横向压降的影响，从而得到串联补偿容抗计算公式；由于晶闸管的导通压降会影响TCSC的等效基波容抗，因而采用串接受控电压源来消除影响；最后通过TCSC对辐射线路电压调节的仿真分析，说明仿真时通过串接受控电压源可以消除晶闸管导通压降对调压的影响，而在实际应用中只需对查表进行修正，则同样可实现对电压进行精确调节。

中压配电网；串联调压；横向压降；TCSC；导通压降

0 引 言

可控串联补偿器TCSC(Thyristor Controlled Series Capacitor)[1-2]目前主要应用于输电网，利用其可以连续地调节阻抗，可增加输电线路的输送容量并调节控制网络的潮流，提高系统的暂态稳定性，抑制系统低频振荡等功能[3-4]，而在中压配电网中的应用仍处于研究阶段，主要是由于中压配电网出现电压问题时，通常采用并联无功补偿，串联电容补偿应用得还是很少。文献[5]提到串联电容补偿可以稳定配电网负荷侧电压，并可实现配电网潮流控制和改善电能质量。文献[6]采用TCSC对配电网电压进行调节，并且投入TCSC之后，负荷侧电压得到提高，但无法精确到负荷侧额定电压。

中压配电网无论网架结构如何复杂，正常运行时都是采用开环运行，因此进行调压时，可将其当成单辐射供电模式，并且当与其联络的线路出现故障需要转供负荷时，串联补偿可以增大线路的转供能力。本文进行电压调节时考虑线路横向压降的影响，从而得到补偿容抗计算公式；仿真时通过串接受控电压源来消除晶闸管对TCSC等效阻抗的影响；最后，根据负荷计算所需串联容抗，并通过查表得到晶闸管触发角，从而实现对波动负荷线路的负荷侧电压精确调节。

1 中压辐射配电线路调压原理

图1 带串联电容补偿器的辐射配电线路

(1)

(2)

其中

2 TCSC基波阻抗的仿真分析

2.1 存在晶闸管导通压降的仿真分析

如图2所示[7]，该仿真模型主要是由10.5 kV的理想电压源、三相TCSC模块、负载及相关测量计算模块组成，用于测试TCSC不同触发角α所对应的基波等效容抗。仿真时，电容大小取为1 000 μF，电感大小取为1.5 mH。晶闸管的参数为：导通阻抗为0.09 Ω，正向压降为0.8 V。

图2 TCSC基波阻抗仿真模型

TCSC等效基波容抗曲线如图3所示，在晶闸管没有触发导通时，TCSC装置等效基波容抗为3.179 2 Ω，而电容为1 000 μF的计算值3.183 1，略有差别。t=0.2 s时，晶闸管触发导通，经过0.1 s之后，TCSC的等效容抗接近稳定，此时TCSC的等效基波容抗为3.825 3 Ω，而通过文献[8]式(1)计算值为3.885 4 Ω，误差为1.547%，相对较大。

图3 TCSC等效基波容抗的曲线

经分析，造成仿真等效基波容抗与计算基波容抗出现较大差值的原因是晶闸管的内部导通电阻和导通时的压降。从图4(b)可看出，晶闸管导通压降达到23.65 V，可验证该值的计算式如下所示：

UTHon=ITH·Ron+Vf

(3)

式中ITH为晶闸管的导通电流，Ron为晶闸管的导通电阻，Vf为晶闸管导通时压降。

因此，晶闸管导通压降可以用式(3)计算，也为后面解决晶闸管导通压降影响提供依据。

图4 TCSC晶闸管导通电流及两端电压波形图

2.2 消除晶闸管导通压降的仿真分析

从前面的分析可知，由于晶闸管的导通压降的存在，使得TCSC基波容抗的仿真结果偏离了计算结果，并且晶闸管的导通压降UTHon可由式(3)计算得到。而根据式(3)可知，在晶闸管参数确定时，晶闸管的导通压降UTHon随晶闸管的导通电流的增大而增加，因此，采用控制信号为晶闸管的导通电流的串联受控电压源来消除晶闸管导通压降的影响。串接的受控电压源接线电路如图5所示，受控电压源的控制信号包含两部分：一部分来自晶闸管导通电流，将其乘以比例系数大小等于晶闸管内部电阻的数值；另一部分为一常数，其大小等于晶闸管导通时的压降Vf，该值只有在电感支路存在电流才存在，因此采用switch模块来选择控制。

图5 反向并联晶闸管串联电压受控源的电路接线图

串接电压受控源后TCSC晶闸管导通电流及两端电压波形如图6所示，当晶闸管导通时其两端电压约为25.38 V，串接受控电压源后，两端电压(即两图5中的in与out之间的电压)为-1.591×10-5，接近于0；而当反向并联的晶闸管导通时，两端电压为1.071×10-4，同样接近于0。因此，通过串联受控电压源可以抵消晶闸管导通压降。

图6 串联受控电压源后TCSC晶闸管 导通电流及两端电压波形图

当α=158.9°时，仿真得到的TCSC等效基波容抗如图7所示，晶闸管关断时，仿真得到基波等效阻抗与图3一样，但当晶闸管触发导通后得到的稳定容抗为3.885 2 Ω，与计算值3.885 4 Ω极为接近，从而可说明，串联受控电压源可以消除晶闸管导通压降对TCSC基波等效容抗的影响。

图7 消除晶闸管导通压降后的等效基波阻抗

3 TCSC调压分析

TCSC能够实现电压调节主要由于不同触发角α可使TCSC等效不同的容抗，因而通过负荷侧的电压电流计算负载大小，然后由式(2)得到其所需等效容抗并通过查表得到触发角α，便可实现对负荷侧电压的调节，如图8所示。

图8 串联TCSC调压原理图

TCSC的调压仿真模型如图9所示，三相电源使母线B1的电压保持为10.5 kV，线路长度为10 km，用1.25+j4 Ω的阻抗来模拟，负载用额定电压为10 kV、功率因数为0.85的2 MVA和4 MVA的阻抗负载来模拟。

图9 TCSC调压仿真模型

开关K1是在0.1s时投入，同时断开开关K2，投入TCSC1模块，但此时还没触发晶闸管导通，补偿容抗为基本容抗值；K3在0.4 s时闭合，使系统增加额定电压为10 kV、功率因数为0.85的2MVA的负荷，并在0.6 s时断开。0.2 s之前计算得到触发角α为等效容抗等于设定值4 Ω对应的触发角，之后是根据负荷侧电压电流计算得到的触发角，而触发角α是在0.25 s开始控制晶闸管导通和关断的，触发角的曲线如图10所示。

图10 触发角的变化曲线

负荷侧线电压在TCSC1投入前后的变化曲线如图11所示，t=0.1 s时才投入TCSC1，但由于补偿值为TCSC1基本容抗值，无法满足对应负荷所需补偿的容抗，所以负荷侧线电压没有达到目标值10 kV；t=0.25 s开始通过触发角控制晶闸管导通来改变TCSC1的等效容抗，通过几个周波的调整之后负荷侧电压达到目标值；在t=0.4 s时增加2 MVA负荷，虽然导致电压短时下降，但在0.1 s后又被调整到目标值；在t=0.65 s时切除2 MVA负荷，导致电压短时上升，经过约0.1 s调整后恢复到目标值。

图11 负荷侧线电压幅值变化曲线

从仿真结果可看出，TCSC可以根据中压配电网的负荷大小来调节晶闸管触发角，从而稳定负荷侧电压。实际应用中可能不采用串联受控电压源来消除晶闸管导通压降对调压的影响，但只要通过实验对TCSC的阻抗特性表进行修正，则同样可达到仿真时的效果。

4 结束语

本文在计算串联调压所需串联补偿容抗时，考虑了线路横向压降的影响，得到补偿容抗的精确计算公式。仿真时发现晶闸管导通压降会使等效基波阻抗偏小，并构造受控电压源消除晶闸管导通压降对其等效基波阻抗的影响。通过调压仿真分析可知，TCSC可以稳定波动负荷的负荷侧电压，并增加线路输电容量。随着负荷密度的增加、中压配电线路走廊的紧张，由于TCSC可以在保证负荷电压质量的同时，增加线路的输送容量，并在线路故障时可提高线路的转供能力，因而TCSC在中压配电网中的应用有很好的前景。

[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] 孙海顺，裴志宏，文劲宇,等．TCSC实验装置研制中的若干问题研究[J]．电力自动化设备，2004，24(9)：51-55．

[4] 吴熙，蒋平．TCSC在次同步谐振中的借阻尼现象[J]．电力系统保护与控制，2010，31(3)：34-38．

[5] 赵文忠，王东平．串联无功补偿技术在配电网中的应用分析[J]．低压电器，2010，33(5)：37-40．

[6] 张先泰，蔡金锭，丁智华,等．电容补偿在配电网电压调节中的应用[J]．电力自动化设备，2011，31(2)：116-119．

[7] 张德丰．MATLAB/SIMULINK建模与仿真实例精讲[M] 北京：机械工业出版社，2010．

[8] 郑旭，裴志宏，孙海顺，等．可控串补动模装置研制及阻抗特性研究[J]．电力自动化设备，2005，25(5)：50-53．

更正：

2017年第一期第70页“基于坐标变换的有源功率因数校正技术研究”一文撤稿，不作发表。

特此更正《电气自动化》编辑部

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

吴勇海(1987-)，男，福建龙岩人，硕士生，从事继电保护和电能质量研究。

定稿日期: 2016-08-17