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摘 要：針對電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)用的可控串聯(lián)補(bǔ)償(TCSC)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的電抗器支路電流波形與傳統(tǒng)分析方法所得到的波形不一致的問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)波形的不一致是由于電抗器支路所具有的電阻所引起的。論文采用拓?fù)浣７�，建立了包含電抗器支路電阻的TCSC數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出TCSC中電容支路兩端的電壓和電感支路中電流的時(shí)域計(jì)算公式。論文并結(jié)合數(shù)字仿真波形和動模樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究了電抗器支路電阻對TCSC穩(wěn)態(tài)工作特性的影響。
關(guān)鍵詞：可控串補(bǔ); 穩(wěn)態(tài)阻抗特性; 數(shù)學(xué)模型
1 引言
可控串聯(lián)補(bǔ)償電容(TCSC)作為靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)家族的一員在改善電力系統(tǒng)性能方而具有很多優(yōu)點(diǎn)，將TCSC用于電力系統(tǒng)能夠控制電力系統(tǒng)的潮流、改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高功率傳輸極限。正因?yàn)槿绱�，近年來TCSC越來越引起電力工業(yè)界的研究人員和工程技術(shù)人員的關(guān)注，其研究得到了迅猛的發(fā)展[1]。 TCSC的穩(wěn)態(tài)阻抗特性是TCSC的一個(gè)基本特性，也是一個(gè)最重要的特性，已有不少文獻(xiàn)報(bào)道了TCSC的穩(wěn)態(tài)阻抗特性，然而這些結(jié)果幾乎都是在理想情況，即忽略了晶閘管控制電抗器支路所包含的電阻(r)的情況下得到的。在實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)動模實(shí)驗(yàn)用的TCSC樣機(jī)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)TCSC電抗器支路中的電流波形與文獻(xiàn)中報(bào)道的電抗器支路中的電流波形不同，它們并不以電容電壓由負(fù)向正過零點(diǎn)軸對稱，波形有明顯的前傾特征。對此我們進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，電抗器支路中電流波形的畸變是由于電抗器支路中所存在的電阻所引起的。嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)表明該電阻對TCSC裝置的阻抗特性有很大影響，不可以忽略。
TCSC樣機(jī)的動模實(shí)驗(yàn)表明，在晶閘管控制的電抗器支路電阻過大時(shí)，在觸發(fā)角恒定的情況下，導(dǎo)通角的角度將隨電抗器支路電阻的變化而變化，從而無法按要求實(shí)現(xiàn)TCSC的阻抗調(diào)節(jié)功能。盡管目前已有許多國內(nèi)外專家學(xué)者對TCSC的穩(wěn)態(tài)阻抗特性進(jìn)行了大量的研究，但卻未見到文獻(xiàn)就這一現(xiàn)象做出相應(yīng)的報(bào)道和研究[2-4]。建立TCSC元件的精確數(shù)學(xué)模型是TCSC研究領(lǐng)域的重要課題，建立模型的方法目前主要包括拓?fù)浣７ㄅc輸出建模法[5]。本文通過分析TCSC在不同狀態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用拓?fù)浣７ń⒘税чl管控制電抗器支路電阻的TCSC穩(wěn)態(tài)模型，推導(dǎo)出有關(guān)電流和電壓等物理量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并用所建立的模型和TCSC的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對上述現(xiàn)象進(jìn)行了分析和研究，得出了一些具有參考價(jià)值的結(jié)論。 2 TCSC的工作原理和樣機(jī)的阻抗特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果
TCSC結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，TCSC主要由四個(gè)元器件組成：電力電容器C、旁路電感L和兩個(gè)反相并聯(lián)大功率晶閘管SCR。實(shí)際裝置中還包括保護(hù)用的金屬氧化物壓敏限壓器MOV，旁路斷路器等。通過對觸發(fā)脈沖的控制，改變晶閘管的觸發(fā)角，即可改變由其控制的電感支路中電流的大小，因而可以連續(xù)改變總的等效電抗，也即使線路的串補(bǔ)程度連續(xù)的變化。通常設(shè)計(jì)的運(yùn)行范圍使得晶閘管觸發(fā)角在約145°～180°范圍內(nèi)時(shí)，其等效電抗呈容性;而觸發(fā)角在約90°～140°范圍時(shí)，其等效電抗呈感性，這段特性使其在系統(tǒng)故障時(shí)具有限制短路電流的作用。
在圖2所示理想狀態(tài)下，α為觸發(fā)角，β為觸發(fā)超前角，σ為導(dǎo)通角，且β=180°-α，此時(shí)σ=2β。圖3為TCSC樣機(jī)的動模實(shí)驗(yàn)所錄波形，可以看出此時(shí)導(dǎo)通角σ=β1+β2。由于取電容電壓為同步信號，β1=180°-α，而由圖中可以看出β2<β1，此時(shí)分析TCSC穩(wěn)態(tài)特性必須要考慮導(dǎo)通角的此種變化。
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3 TCSC的數(shù)學(xué)模型對于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電力系統(tǒng)，遵循一個(gè)假設(shè)：線路電流不含諧波分量。取電容電壓uC由負(fù)變正過零點(diǎn)作為時(shí)間零點(diǎn)，則I=Imcosωt，不失一般性可設(shè)Im=1A。晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)下：當(dāng)-β1=β<ωt≤β2時(shí)，uC和IL滿足下列微分方程組
式中uC為電容支路電壓;IL為電感支路電流。相應(yīng)的邊界條件為：
解微分方程組(1)并計(jì)及邊界條件(2)，可得到下式：
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式中A1;A;a;b;C1;C2都為積分常數(shù)。晶閘管關(guān)斷狀態(tài)下：當(dāng)β2<ωt≤α=180°-β1時(shí)，uC和IL滿足下列等式
可以推知，當(dāng)TCSC運(yùn)行于感性微調(diào)模式時(shí)，上述推導(dǎo)公式仍然成立。 4 TCSC導(dǎo)通特性分析及仿真 4.1 電抗器支路電阻對晶閘管導(dǎo)通的影響圖2可以看出，理想情況下晶閘管(SCR)端電壓UT為奇函數(shù)，此時(shí)β1=β2=β;把r=0代入(3)式得到晶閘管在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻的端電壓：
此時(shí)晶閘管導(dǎo)通對稱。然而在實(shí)際可控串補(bǔ)裝置中，受到晶閘管控制電抗器支路電阻的影響，此時(shí)UT不再是奇函數(shù)，β1不再等于β2即公式(6)不再成立。β2的值可以令式(3)中的電感支路電流公式IL=0求得，本文中采用數(shù)值解法求解β2。表1和表2分別列出了不同補(bǔ)償度下，晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻的端電壓值。
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4.2 仿真驗(yàn)證大量的數(shù)字仿真中驗(yàn)證，晶閘管控制的電抗器支路電阻的阻值對裝置可控硅的導(dǎo)通效果確實(shí)有著很大的影響，該電阻的存在，將會導(dǎo)致晶閘管的不對稱導(dǎo)通，從而無法按要求實(shí)現(xiàn)TCSC的阻抗調(diào)節(jié)功能，其影響在TCSC高補(bǔ)償區(qū)更突出，這點(diǎn)從表1和表2的對比中也可以看出。圖4為MATLAB仿真波形，仿真參數(shù)取電抗器支路電阻r=10Ω，觸發(fā)角150°，可控串補(bǔ)工作在高補(bǔ)償容性區(qū)�？梢钥闯龇抡娼Y(jié)果與圖3所錄動模實(shí)驗(yàn)波形基本一致。
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