基于ARENE軟件的TCSC特殊觸發(fā)方式研究

1、基于ARENE軟件的TCSC特殊觸發(fā)方式研究        摘要: 可控串補(bǔ)(TCSC)相對于固定串補(bǔ)的優(yōu)勢在于它可以快速靈活地調(diào)整線路阻抗以響應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行變化且不會(huì)引起次同步諧振(SSR)，而能否準(zhǔn)確地觸發(fā)TCSC則是實(shí)現(xiàn)其阻抗控制的關(guān)鍵所在。研究表明，對TCSC采用常規(guī)的相控觸發(fā)方式無法實(shí)現(xiàn)正常的旁路及閉鎖工作模式，因此有必要對TCSC的觸發(fā)方式進(jìn)行研究。在研究前人成果的基礎(chǔ)上提出一種適合于軟件仿真的實(shí)現(xiàn) TCSC旁路及閉鎖的特殊觸發(fā)控制方式。仿真結(jié)果表明，該觸發(fā)方式不依賴于同步信號，可靠穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)旁路及

2、閉鎖工作模式。這對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制至關(guān)重要。1前言可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置（thyristor controlled series compensation,TCSC）是一種重要的靈活交流輸電系統(tǒng)（flexible AC transmission system,FACTS)，可以起到調(diào)節(jié)潮流、抑制振蕩、減小短路電流、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等作用。精確地觸發(fā)TCSC是保證其正常工作的重要環(huán)節(jié)。研究表明，采用常規(guī)的相控觸發(fā)方式難以實(shí)現(xiàn)可控串補(bǔ)正常的旁路及閉鎖工作模式。為此，本文在研究前人成果的基礎(chǔ)上提出一種適合于軟件仿真實(shí)現(xiàn)TCSC旁路及閉鎖的特殊觸發(fā)控制方式。該觸發(fā)方式能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)旁路及閉鎖工作模式。 2TC

3、SC的工作模式圖1是TCSC的電路原理圖，它通過控制晶閘管SCR的觸發(fā)角，可以改變流過旁路電感L的電流，從而改變TCSC的等效基波阻抗，達(dá)到控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)其它電氣量如電流、電壓、有功、無功的目的。TCSC的工作模式可以分為以下三種1：1)晶閘管閉鎖模式。觸發(fā)角=180°，此時(shí)相當(dāng)于只有電容器串接在系統(tǒng)中，運(yùn)行特性與常規(guī)串補(bǔ)相同。2)旁路模式。TCSC的晶閘管處于全導(dǎo)通狀態(tài)，觸發(fā)角=90°。模塊的有效阻抗為一小感抗，可在系統(tǒng)故障期間抑制短路電流，減輕MOV能量吸收的負(fù)擔(dān)。3)容性調(diào)節(jié)模式。此時(shí)，觸發(fā)角Cmin180°(Cmin為容性區(qū)最小容性觸發(fā)角)。隨著觸發(fā)角的減小

4、，電感電流增大，容抗增加，串補(bǔ)度增大。TCSC通常運(yùn)行于該模式。3ARENE軟件簡介ARENE是由法國電力公司(EDF)開發(fā)的電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真軟件，可進(jìn)行電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算、短路計(jì)算及穩(wěn)定性校驗(yàn)等。它是由EDF發(fā)展而來的電網(wǎng)數(shù)字暫態(tài)分析器。其功能強(qiáng)大，元件庫器件豐富。與其它電力系統(tǒng)分析軟件，如PSASP、EMPT等比較，它的特殊功能是網(wǎng)絡(luò)化仿真，可與硬件配合使用，對電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測等。ARENE系統(tǒng)的硬件平臺是HP公司生產(chǎn)的基于多處理器的HPCONVEX并行處理計(jì)算機(jī)。其硬件全部采用市場上能買到的標(biāo)準(zhǔn)組件。ARENE的軟件核心是EMTP程序4，因此其仿真結(jié)論的正確性與EMTP相同

5、。本文使用ARENE軟件對圖2所示的多機(jī)TCSC系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。該系統(tǒng)的串聯(lián)補(bǔ)償由 固定串補(bǔ)與可控串補(bǔ)兩部分組成。其中可控部分的參數(shù)為L=9.72mH，C=175F，線電流峰值Im=2 630A。 4常規(guī)觸發(fā)方式用于旁路及閉鎖工作模式的分析圖3給出了以電容電壓為同步信號的觸發(fā)控制回路。這種觸發(fā)方式稱為常規(guī)觸發(fā)方式，與普通整流電路的相控觸發(fā)方式相同。在這種常規(guī)觸發(fā)方式下，觸發(fā)回路直接發(fā)出對應(yīng)導(dǎo)通角的觸發(fā)脈沖以控制晶閘管的導(dǎo)通，從而達(dá)到改變TCSC等效基波阻抗的目的。使用這種常規(guī)觸發(fā)方式，可以較好地實(shí)現(xiàn)阻抗在容性區(qū)的階躍變化,即容性調(diào)節(jié)模式(觸發(fā)角為180°的情況除外)，如圖4所示。

6、但是在這種常規(guī)觸發(fā)方式下,當(dāng)TCSC由容性狀態(tài)躍變到旁路以及由旁路躍變到閉鎖 工作模式時(shí)，控制效果很差，致使TCSC不能正常工作，如圖5(a)、(b)所示。電容電壓和電感電流很大，并且旁路狀態(tài)下的電感電流并不連續(xù)，而阻斷狀態(tài)下仍有很小的電感電流。通過仿真還可以得知，即使采取線路電流2或電容電壓工頻分量等做同步信號2也無濟(jì)于事。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是3：當(dāng)可控硅的觸發(fā)角分別為90°和180°時(shí)，理論上TCSC工作于旁路和閉鎖狀態(tài)。但這一結(jié)論僅在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)成立。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生大的擾動(dòng)或TCSC處于暫態(tài)過程中時(shí)，由于信號的相位之間發(fā)生劇烈變動(dòng)且相互影響，所以造成晶閘管工作于不正確

7、的開通狀態(tài)，進(jìn)而失控。由此可見，“常規(guī)觸發(fā)方式無法實(shí)現(xiàn)TCSC的旁路和閉鎖工作模式”這一結(jié)論是由TCSC自身特性所決定的，與使用何種實(shí)驗(yàn)手段（仿真軟件或動(dòng)模試驗(yàn)）無關(guān)。文獻(xiàn)3利用動(dòng)模試驗(yàn)也得到了同樣的結(jié)論。 5TCSC的特殊觸發(fā)方式及仿真結(jié)果分析為了使TCSC在旁路和閉鎖狀態(tài)正確觸發(fā)，本文設(shè)計(jì)了特殊的觸發(fā)回路，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)TCSC進(jìn)入旁路模式時(shí)，其觸發(fā)過程是通過 對晶閘管門極發(fā)出持續(xù)的高頻脈沖序列迫使TCSC快速穩(wěn)定地進(jìn)入旁路狀態(tài)，即只要晶閘管承受正向電壓便可導(dǎo)通。當(dāng)TCSC進(jìn)入到閉鎖模式時(shí)，就停止給晶閘管的門極發(fā)脈沖，迫使其在電流的過零瞬間自然關(guān)斷 。這種特殊觸發(fā)方式不依賴于同步

8、信號且可靠穩(wěn)定。由于這一特殊觸發(fā)方式的設(shè)計(jì)思想來源于控制TCSC旁路及閉鎖模式下的晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，而與所使用的仿真軟件無關(guān)，所以該觸發(fā)回路適用于所有的相關(guān)仿真軟件。至于實(shí)現(xiàn)這種特殊觸發(fā)方式的硬件電路，可以參考文3。依據(jù)圖6的特殊觸發(fā)方式，當(dāng)TCSC由容性狀態(tài)躍變到旁路模式以及由旁路模式躍變到閉鎖模式的仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，當(dāng)采用了特殊觸發(fā)方式后，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了容性模式到旁路模式以及旁路模式到閉鎖模式的躍變，過渡過程迅速、平滑、穩(wěn)定。克服了常規(guī)觸發(fā)方式產(chǎn)生的振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象，控制效果良好。有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。大量的仿真結(jié)果還表明，在利用特殊觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)TCSC的旁路工作模式時(shí)，高

9、頻脈沖的頻率對暫態(tài)過程的影響很大，過高或過低的脈沖頻率都會(huì)使旁路效果不理想，而脈沖寬度對旁路的影響則不大。文獻(xiàn)3給出了用硬件電路實(shí)現(xiàn)的特殊觸發(fā)方式的動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)果，效果與圖7的結(jié)果吻合。從而可以證明本文所提的特殊觸發(fā)方式的正確性。 6TCSC的觸發(fā)策略由于常規(guī)觸發(fā)模式和本文所提出的特殊觸發(fā)方式分別實(shí)現(xiàn)了TCSC的三種工作模式，因此本文提出如下的觸發(fā)策略：1)當(dāng)觸發(fā)角處于容性調(diào)節(jié)模式時(shí)，仍采用常規(guī)觸發(fā)策略。此時(shí)同步信號可以采用電容電壓或電容電壓的基波分量2。2)當(dāng)觸發(fā)角處于旁路和閉鎖模式時(shí)，采用不依賴同步信號的特殊觸發(fā)方式。從而可以實(shí)現(xiàn)理想的旁路和閉鎖模式，使過渡過程迅速平滑。 7結(jié)論1)良好的觸

10、發(fā)控制是實(shí)現(xiàn)TCSC實(shí)際應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。針對常規(guī)觸發(fā)無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)旁路及閉鎖工作模式的情況，本文在分析了其無法實(shí)現(xiàn)的原因后提出一種適合于軟件仿真的TCSC特殊觸發(fā)控制方式，為進(jìn)一步研究TCSC的控制策略奠定基礎(chǔ)。仿真結(jié)果表明，所提出的特殊觸發(fā)方式克服了常規(guī)觸發(fā)方式產(chǎn)生的振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象，過渡過程迅速、平滑、穩(wěn)定，控制效果良好。2)在提出TCSC的特殊觸發(fā)方式之后，給出了TCSC的觸發(fā)策略，即容性調(diào)節(jié)模式使用常規(guī)觸發(fā)方式，旁路和閉鎖模式使用特殊的觸發(fā)方式。3)旁路與閉鎖工作模式的電氣特性決定了采用常規(guī)觸發(fā)方式是失效的，必須采用特殊觸發(fā)方式。這與采用何種仿真軟件無關(guān)，即不論采用哪種仿真軟件實(shí)現(xiàn)旁路與閉鎖工作模式都需要使用特殊的觸發(fā)方式。本文使用的ARENE仿真軟件是國際上三大全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真設(shè)備之一，軟件內(nèi)核是EMTP，所以其仿真的正確性是可信的。4)由于本文所提出的特殊觸發(fā)方式可以快速實(shí)現(xiàn)旁路與閉鎖的工作模式，所以對于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是十分有利的。 參考文獻(xiàn)1馮宇，張軍國，張慧媛.兩種TCSC旁路起動(dòng)模式的對比研究J.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2003，15(2)：24-26.2馮宇，張慧媛，張軍國.基