含有TCSC 的输电线路电能传输能力研究

孙海斌，傅国斌，王学斌，蔡生亮，星发辉，韩迎强

（国网青海省电力公司电力科学研究院，青海 西宁 810008）

0 引言

随着我国电网建设规模的不断扩大，电压等级不断提升，输电线路作为电能传输的主要设备，其运行受到静态和暂态稳定极限的限制[1]。因此，当前研究如何提升输电线路的电能输送能力，最大限度降低电力系统的运行风险，成为了众多学者研究的热点话题[2]。

随着电力电子技术的不断发展，可控性串联补偿装置(TCSC,Thyristor Controlled Series Compensation)作为柔性交流输电系统重要的控制器件之一，在灵活控制系统潮流、抑制系统的低频振荡和次同步谐振、提升电网的功率传输极限等方面都发挥着极其重要的作用[3-4]。

为了能够有效提升输电线路的电能传输能力，提高电力系统运行可靠性，本文对含有TCSC 装置的输电线路进行研究。其中，TCSC采用触发角校正的PID 阻抗控制方式，通过PSCAD/EMTDC 仿真分析基于触发角校正的PID阻抗控制方式下TCSC 的调节性能以及TCSC 在不同补偿度条件下对系统传输容量的影响。

1 TCSC结构及工作原理

1.1 TCSC 的结构

TCSC 装置主要由固定补偿电容C、与电容并联的一个由晶闸管控制的电抗器L、金属氧化物压敏电阻（MOV）以及旁路断路器等元件组成[5-6]。其基本结构如图1所示：

图1 TCSC 结构图

氧化物压敏电阻（MOV）等效为一个非线性电阻，主要目的是为了防止补偿电容的过电压。当TCSC 正常工作时，旁路断路器处于断开状态，当装置产生严重故障时，旁路断路器闭合，使得电容器旁路，起到一定的保护作用[7]。

1.2 TCSC 提高线路输电能力分析

以图2 单机无穷大系统为例，其输电线路上传输的功率P可由式(1)所示：

图2 单机无穷大系统

式中：Eq为发电机电势；V为发电机系统电压；Xs为发电机等值阻抗；XL为线路等值阻抗；XT为变压器等值阻抗。当δ=90°时，输送功率P最大。即：

式中：Pmax为输电线路的静态稳定性极限。

因为输电线路的电抗与线路长度成正比，线路越长，其输电能力越弱，若在输电线路上串联TCSC 补偿装置，即在式（2）分母中加入容性阻抗，使得系统总阻抗减小，功率传输极限增大。

可控串联补偿装置控制方式主要是通过触发延迟角可控的晶闸管控制流过电感支路的电流，使得TCSC 中固定电容上的基频电压升高，实现了对TCSC 等值电抗平滑、快速的控制。

TCSC 的等效基波电抗是由触发延迟角控制的连续函数，其等值电抗如公式（3-4）所示。

式中：a为TCSC 的触发延迟角；XL(a)为TCR的等效电抗；XTCSC(a)为TCSC 的等效电抗；XC为电容的等效容抗；XL为电感的等效感抗[8]。

由公式1 可以看出，TCR 支路阻抗的大小由触发延迟角a决定，a变化引起XL(a)变化，XTCSC(a)也就发生变化，但是TCSC 工作时存在谐振点，谐振点将TCSC 等效电抗分为感性区和容性区。

通过改变触发延迟角的大小，使TCSC 可以工作在四种工作状态下[9-10]：

（1）当a=180°时，晶闸管处于关断模式，电容器与线路串联，相当于常规串补。

（2）当90°≤a≤aLlim，TCSC 处于感性微调区。（aLlim为感性触发延迟角调节的极限值）

（3）当aClim≤a≤180°)，TCSC 处于容性微调区。（aClim为容性触发延迟角调节的极限值）

（4）当a=90°时，晶闸管处于旁路模式。

其四种工作模式如图3所示：

图3 TCSC 典型运行模式示意图

当TCSC 工作在感性调节模式或容性调节模式的限值附近时，要避免其工作在谐振区域内，否则会造成严重的过电压和过电流现象。以上四种工作模式仿真波形如图4所示：

图4 TCSC 四种工作模式波形图

2 基于触发角校正的PID阻抗控制器设计

基于TCSC触发角校正的PID阻抗控制方式，与传统的PID 阻抗控制方式相比，首先是对设置的命令阻抗Xorder通过a0=XTCSC-1(a)确定相应的触发延迟角a0后，可以将其通过数字电路锁存起来直到命令阻抗发生变化，目的是为了消除传统PID 阻抗控制方式下每次修正前进行查表的繁琐，其控制原理图如图5所示。

图5 触发角矫正控制原理

其原理就是利用测量所得的线路电流和电容电压计算出基波阻抗XTCSC，根据命令阻抗Xorder与触发延迟角的关系，预先得到一个稳态条件下初始触发角a0并将其保存起来。根据命令阻抗Xorder和基波阻抗XTCSC之间的差值经过PID 控制方式得到相应的触发延迟角的偏差值Δa，利用Δa和初始触发角a0经过限幅后得到相应的触发延迟角a。在对线路电流进行滤波后，根据触发延迟角和电流产生的同步信号控制晶闸管的触发脉冲，驱动电路工作，达到调节TCSC 等效电抗的作用。

3 含TCSC的输电线路仿真

为验证TCSC 对输电线路电能传输能力的提升作用，本研究针对一个单机无穷大系统，通过PSCAD/EMTDC 进行仿真验证，相应系统参数见表1。

表1 含TCSC 的系统仿真参数

设置系统处于初始状态时，输出功率为300 MW。为验证基于触发角校正的PID 阻抗控制器的性能，首先设置补偿的容抗值为28 Ω，当仿真运行到25 s时，设置补偿容抗值为48 Ω,50 s后，设置补偿容抗值为38 Ω，其相应触发延迟角的阶跃变化曲线如图6 所示：

图6 触发延迟角变化曲线

由图6 可知，基于触发角校正的PID 阻抗控制器可以有效满足触发延迟角的实际值对命令值的跟踪，体现出较好的鲁棒性。

为验证TCSC 对输电线路电能传输能力的提升作用，首先考虑不加TCSC，即串联补偿度为0 时，设置系统稳定运行时线路传输的有功功率为316 MW，40 s 后强行增加发电机输出功率，线路极限传输功率可达425 MW。当40 s 后强行增加发电机的输出功率为437 MW 时，系统无法稳定运行。相应的输电线路传输的有功功率变化曲线如图7所示。

图7 未加TCSC 的系统传输有功功率

系统加TCSC 后，设置相应的串联补偿度为10%，设置线路初始传输功率达到345 MW 左右，40 s 后强行增加发电机输出功率，线路极限传输功率可达到465 MW。如果40 s 后强行增加发电机输出功率至480 MW，系统失去稳定性。相应的输电线路传输的有功功率如图8所示。

图8 10%串联补偿系统传输有功功率

当设置串联补偿度为30%时，设置线路初始传输功率为396 MW，40 s 后强行增加发电机的输出功率，线路极限传输功率可达到565 MW。当增加发电机输出功率为580 MW 时，系统失稳。相应的30%串联补偿度时，线路传输的有功功率如图9所示。

图9 30%串补度系统传输有功功率

4 结束语

本文从提升输电线路传输功率入手，设计了基于触发角校正的PID 阻抗控制下的TCSC，在保证了a对a0的跟踪性能的同时，通过设置TCSC 不同的串联补偿度可以有效提升输电线路的电能传输能力。