可控移相器抑制短路电流的控制策略

余珊，夏成军，范国晨，李作红，李峰，余梦泽，刘若平

(1. 华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641；2.广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广东 广州 510080；3.广东省新能源电力系统智能运行与控制企业重点实验室，广东 广州 510663)

广东长期存在着因潮流分布不均而引起输电受限的问题，其中500 kV东西交换断面功率交换受限和粤东外送断面功率受限问题突出；大规模新能源并网后，其自身的间歇性、波动性也导致电网由于输电通道不足存在电能输送问题[1-3]。移相器通过在线路中串入一个幅值、相位均可调节的补偿电压，控制输电线路功率或电压，实现输电线路潮流的合理分配，提高关键断面的输送能力，是现有网架下控制潮流的有效手段[4-5]。移相器在欧洲、美国、日本等地已经应用多年，具有较好的调控效果和显著经济效益，然而目前国外实际工程中应用的移相器仍以机械式移相器为主，其机械开关动作时间长，响应时间慢，不适应现在电网快速调节的要求。随着电力电子技术的快速发展，提出一种由晶闸管代替机械式调压开关的可控移相器——晶闸管控制移相器(thyristor controlled phase shifting transformer，TCPST)，能够快速、连续调节潮流，提高系统暂态稳定性[6]。国内外专家学者针对TCPST进行了大量研究，主要集中在潮流建模和实现其功能的控制策略方面[7-10]，也有学者考虑将其应用于线路融冰和配电网合环控制[11-12]，这些研究均表明TCPST未来将有很大的工程应用前景。

广东电网500 kV等级网架现有短路电流较大，未来几年短路电流水平可能进一步增加。短路电流超标严重威胁电网的安全运行，目前针对TCPST安装后的系统短路电流研究也已取得一些成果[13-15]。文献[16]考虑移相器相角因素和移相器安装位置对差动电流的影响，分析纵联保护在含移相器线路的适应性。文献[17]基于对称分量法建立含TCPST系统的各序分量网络方程，提出各类型不对称短路电流实用计算方法。文献[18]利用支路追加法，通过数学推导得出TCPST接入后阻抗矩阵变化公式，分析对短路电流的主要影响因素。但上述文献都未提出TCPST应对系统故障的处理策略，正常运行状态时TCPST的最主要功能是调控潮流，在系统发生故障后TCPST调节潮流失去意义，本文尝试采用TCPST控制策略在故障时抑制系统短路电流，提高广东电网运行方式安排的灵活性和系统资源优化配置能力。

本文根据TCPST结构和原理建立TCPST三序数学模型，分析交流系统故障下TCPST对短路电流的影响；然后提出TCPST抑制短路电流策略，当电网发生短路故障时，控制策略使TCPST等效为高阻抗串联在回路中，使其具备故障限流能力；最后以广东电网为例，通过仿真验证所提控制策略的合理性和可行性。

1 TCPST的拓扑结构和基本原理

1.1 拓扑结构

本文研究双芯对称TCPST，其主电路拓扑结构如图1所示[19]，主要由串联变压器BT一次绕组B1、B2和二次绕组B3，并联变压器ET一次侧绕组E1、二次侧绕组E2—E4和晶闸管调压电路构成，其中元件符号后的a、b、c表示三相，SA、SB、SC为输入端，LA、LB、LC为输出端。串联变压器一次绕组每相平均分为2个部分串联在输电线路中，中间引出抽头与并联变压器一次侧高压端相联，串联变压器二次绕组采用三角形接线。并联变压器一次绕组和二次绕组都采用中心点接地的星形接法，二次侧绕组E2、E3、E4的变比为1∶3∶9。晶闸管调压电路将串联变压器二次侧和并联变压器二次侧连接在一起，可以通过控制晶闸管调压电路调节移相角度。

图1 双芯对称TCPST拓扑结构

1.2 工作原理

TCPST利用并联变压器取得所在支路首端电压，根据系统需求调节晶闸管调压装置得到指定相角与幅值的电压，最后利用串联变压器将该电压注入到线路中，使输出电压幅值相同、相位变化，从而改变输电线路的潮流分配。通过控制晶闸管组的通断来获得不同的移相角度，实现TCPST档位T的变换。不同的晶闸管开通和关断组合，可获得-13—+13共27个档位，并对应27个不同的移相角φ。

档位T下并联变压器对应的匝数比

T=0,±1,±2,…,±13.

(1)

式中：UE1为并联变压器原边绕组的电压幅值；UT为并联变压器副边绕组的电压幅值；NE1为绕组E1的匝数；NE2为绕组E2的匝数。

串联变压器变比

(2)

式中：UB1、UB2、UB3分别为绕组B1、B2、B3的电压幅值；NB1、NB2、NB3分别为对应绕组匝数。

图2 TCPST输入、输出电压相量图

由此可计算移相角

(3)

图3 考虑漏抗时TCPST单相等效电路

(4)

在实际系统中，变压器绕组电抗远大于电阻，通常计算中用jXeq表示TCPST等效电抗值Zeq，Xeq计算公式为[20]

(5)

式中：XB1、XB3为绕组B1、B3的电抗值；XE1为绕组E1的电抗值；X0为并联变压器副边绕组的等效漏电抗；m为TCPST变化一个档位时移相角近似改变的角度。

图4 考虑等效漏抗时TCPST相量关系

由图4可知，在潮流不反向时，实际TCPST角度为：

(6)

如果潮流反向，则σ(-)=-φ+β。

2 TCPST对系统不对称短路电流的影响

2.1 TCPST三序模型

2.1.1 正序等效模型

图5 TCPST正序等效模型

根据图5，TCPST支路pq的2个端口处输入的正序电流与节点的正序电压之间的关系为

(7)

(8)

2.1.2 负序等效模型

与正序等效模型类似，TCPST负序模型等效为1个负序串联电抗和1个有复匝数比的理想变压器，其中TCPST负序电抗等于其正序电抗，理想变压器变比为K的共轭。变量的上标“(2)”表示该量是负序，下同。

根据图6，TCPST支路pq的2个端口处输入的负序电流与节点负序电压之间的关系为

图6 TCPST负序等效模型

(9)

2.1.3 零序等效模型

零序电流的流通路径与变压器三相绕组连接形式和中性点是否接地有关。根据图3，列出零序电压、电流关系﹝式(10)—(12)﹞，变量的上标“(0)”表示该量是零序，下同。

(10)

(11)

(12)

TCPST串联变压器二次绕组为三角形连接，零序电流将在串联变压器二次侧形成环流，不能从串联变压器流入励磁变压器绕组，这种情况与串联变压器二次绕组短接是等效的。励磁变压器两侧虽然采用YN接法，但二次侧连接的外电路并没有提供零序电流通路，所以没有零序电流流过。励磁变压器铁心采用三相五柱结构[22]，零序励磁电抗的数值很大，可以忽略励磁电流，即：

(13)

(14)

根据式(10)—(13)，可得

(15)

变压器的磁势平衡方程为

(16)

将式(2)、(14)、(16)代入式(15)，整理化简可得

(17)

忽略绕组电阻，TCPST的零序电抗

(18)

从以上零序网络分析可知，零序电流只在串联变压器中存在，通过励磁变压器的晶闸管调压电路并不会改变其零序网络特性，TCPST零序等效模型可以用1个恒定的电抗表示，如图7所示。

图7 TCPST零序等效模型

根据图7，TCPST支路pq的2个端口处输入的零序电流与节点零序电压之间的关系为

(19)

2.2 不对称故障下短路电流分析

根据正序等效定则[23]，简单不对称故障时的短路电流正序分量

(20)

短路电流的绝对值If(n)与其正序分量的绝对值成正比，即

(21)

式中m(n)为比例系数，其值因短路类型而异。

不对称短路时的ZΔ(n)和m(n)取值见表1。不对称故障短路电流可以通过式(21)计算。由表1可知，单相短路和两相接地短路与三序网络阻抗有关，而两相短路仅受正序和负序影响。安装TCPST后，系统正序、负序和零序网络阻抗值都发生了变化，并且TCPST安装位置、短路故障发生位置和移相角均对短路电流有影响。

表1 不对称短路时的ZΔ(n)和m(n)

3 TCPST抑制短路电流控制策略

3.1 潮流控制策略

在系统正常运行状态下，TCPST作为潮流控制器，通过晶闸管调压电路调节输电线路输电能力。晶闸管调压电路每相由12组晶闸管组构成，图8为档位T=-2时的晶闸管电路的电流路径，具体控制方案为：触发晶闸管组1、4导通，正向串入绕组E2，触发晶闸管组6、7导通，反向串入绕组E3，触发晶闸管组9、10导通，绕组E4不接入系统。

图8 T=-2时的晶闸管调压电路电流路径

潮流调节时需要施加触发脉冲来导通特定的晶闸管组，改变励磁变压器副边绕组接入系统状态，即可调节移相角度，副边绕组接入状态与TCPST移相档位关系见表2。

表2 TCPST档位与ET副边绕组接入组合关系

3.2 短路限流控制策略

当系统发生短路故障时，TCPST晶闸管调压电路采用故障限流控制策略，使TCPST退出运行，TCPST模块等效为高阻抗，将系统流经TCPST的电流限制到较低数值，从而抑制故障点的短路电流。

当检测到短路故障时，立即封锁TCPST所有晶闸管组的触发脉冲，这时BT和ET连接电路断开，使得BT和ET二次侧均处于开路状态，TCPST退出运行。ET二次侧开路时，ET的抽头比nT为无穷大，在ET原边耦合成1个大阻抗，IE1非常小，忽略ET原边空载励磁电流时，相当于ET退出电力系统，所以BT原来的2个绕组串联成1个绕组。采用三角型接线的BT二次绕组开路时，串联变压器励磁绕组直接串入线路，串联变压器迅速饱和，并最终以饱和空心电抗抑制系统故障电流，TCPST的等效阻抗立即从低阻抗转换为高阻抗。故障限流策略下TCPST等效模型如图9所示，其中ZBM为BT饱和空心电抗阻抗，ZBM=ZBM1+ZBM2。

图9 故障限流策略下的TCPST等效模型

故障限流策略下TCPST的等效阻抗

ZTCPST=ZB1+ZBM+ZB2.

(22)

此时TCPST支路pq的2个端口处输入的电流与节点电压之间的关系为

(23)

正常运行状态下为低阻抗，TCPST等效阻抗为式(5)；短路时通过限流策略使得TCPST迅速退出运行，其变压器的空心电抗远大于绕组漏抗，其等效阻抗为式(22)。高阻抗可保护TCPST免受系统高压和大短路电流的冲击，限制流过TCPST线路的短路电流，以便断路器开断故障。同时配合线路保护和线路重合闸逻辑，当故障清除后，TCPST可恢复到正常潮流控制模式，重新投入TCPST，保证电网能够安全稳定运行。

采用TCPST短路限流策略的前提是在高压断路器开断之前完成TCPST控制策略的切换。断路器动作时序如图10所示。在切换控制策略之前继电器发出分闸指令，并在中断时间内完成控制策略的转换，使高压断路器在相对较小的短路电流下动作。现代电力电子设备的触发脉冲快至10 ms，本文假定控制策略切换时间为20 ms。

图10 断路器动作时序

4 仿真分析

4.1 仿真参数

广东电网500 kV SUI-HENG输电线潮流重载，同时相邻ZONG站的短路水平也较高，其近区网架结构如图11所示。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建SUI、HENG、ZONG等值网络，计算该片区短路电流水平，其中SUI-HENG双回线路长50 km，HENG-ZONG双回线路长38.9 km。

图11 广东电网部分网架结构

根据TCPST原理和接线方式，在PSCAD中建立TCPST电磁暂态模型，设备参数见表3。

表3 TCPST设备参数

4.2 短路电流仿真

根据上述建立的仿真模型进行故障限流策略抑制短路电流仿真验证，在母线发生单相短路接地时，记录TCPST支路电流和短路点电流数据。

4.2.1 故障限流策略对TCPST支路电流的影响

ZONG站母线发生故障时TCPST支路电流波形如图12所示，此时TCPST安装在ZONG-HENG线路上。由图12(a)可以看出，1 s发生故障后TCPST未采用故障限流控制时，TCPST安装支路短路电流峰值依然很大，达到15.7 kA，这是由于TCPST的等效阻抗相较于系统阻抗较小，对安装支路电流的抑制作用有限。当故障后采用故障限流控制，流过TCPST支路电流峰值迅速减小到2.21 kA，如图12(b)，但短路限流策略切换需要时间，无法避开短路电流的第一周期峰值。

图12 TCPST支路电流波形

4.2.2 不同控制策略对短路电流的影响

不同控制策略下单相短路接地的短路电流如图13所示，此时TCPST安装在HENG-ZONG线路上，故障点为ZONG站，未加TCPST时短路电流为46.1 kA。由图13可知，潮流控制和故障限流控制均对短路电流有一定抑制作用，潮流控制在档位13情况下对短路电流抑制作用最强，使短路电流减小到42.96 kA，而故障限流控制策略下可使短路电流减小到40.63 kA，可见故障限流策略抑制效果比潮流控制好。

图13 不同控制策略对短路电流的抑制作用

4.2.3 故障位置和安装位置对短路电流的影响

TCPST分别安装在SUI-HENG线、HENG-ZONG线的短路电流计算结果见表4、表5，其中抑制率为故障限流控制短路电流值与潮流控制短路电流值之比，其值越小抑制能力越强。

表4 TCPST安装在SUI-HENG线的短路电流计算结果

表5 TCPST安装在HENG-ZONG线的短路电流计算结果

SUI站的短路电流主要来源于HENG站，TCPST安装在SUI-HENG线路上对SUI站短路电流抑制效果明显，抑制率为69.37%，而对HENG站抑制作用较弱，对ZONG站基本没有抑制效果。TCPST安装在HENG-ZONG线路上，对ZONG站和HENG站故障的短路电流均有较好的抑制作用，对稍远的SUI站抑制作用较弱。

综上所述，TCPST对距离较近的故障点短路电流抑制能力较强，对距离较远的故障点短路电流抑制能力相应较弱。根据表4和表5的数据，本文建议TCPST安装在ZONG-HENG线路上，其故障限流控制策略对ZONG、HENG、SUI处的短路电流均有一定抑制能力，且对短路电流最大的ZONG站抑制能力较强，保障系统运行安全。

5 结论

本文基于TCPST三序数学模型，分析TCPST加入系统对短路电流的影响，提出TCPST在交流系统故障时的短路电流抑制策略，降低了系统的短路电流水平，并在广东电网系统中进行了仿真验证，得到以下结论：

a)当检测到交流系统故障时，TCPST可快速动作转换为故障限流控制策略，有效抑制TCPST支路电流。但短路限流策略切换需要时间，无法避开短路电流的第一周期峰值，因此仍需附加其他措施。

b)TCPST本身阻抗也可抑制短路电流，随着移角度增大，抑制能力增强，档位13时抑制能力最大。但潮流控制策略下抑制短路电流能力有限，采用故障限流策略可以增强TCPST抑制短路电流人能力。

c)TCPST安装位置和故障位置都会影响短路电流抑制效果，短路位置靠近TCPST安装位置，抑制效果更好。对距离TCPST较远的点，应采用其他限流措施。