高压TSC控制策略触发控制仿真研究_陈佳永.pdf

/2023.05高压 TSC 控制策略触发控制仿真研究陈佳永马涛支正轩蔡安永安万洙(辽宁荣信兴业智能电气有限公司)摘要:晶闸管投切电容器(TSC)是电力系统静止无功补偿(SVC)的重要组成部分。由于电容器具有可储存电荷的特性，使之在需要快速投切的 SVC 中应用出现了较大的困难。本文重点研究 TSC快速投切的触发控制策略。关键词:TC+TSC;控制策略;SVC;触发角0引言能源成本在不断上升，新建输电线路对环境的影响倍受关注，在这种形势下，寻找新的控制装置使现有的输电线路损耗最小、稳定输送容量最大势在必行1。柔性交流输电系统(Flexible AC TransmissionSystems，FACTS)技术是各种新型电力电子控制装置应用的集成。晶闸管投切电容器(Thyristor SwitchedCapacitor，TSC)是电力系统静止无功补偿(StaticVar Compensator，SVC)的重要组成部分。由于电容器可储存电荷的特性，使之在需要快速投切的 SVC中应用出现了较大的困难2。本文首先阐述了在电力系统中 TSC 主要的控制策略及控制目标，重点研究TSC 快速投切的触发控制策略，验证 TSC 的控制逻辑及 TSC 实现快速投切的算法;然后仿真 TSC 可控硅触发时序对系统谐波的影响，验证电压波动情况下对TSC 实现快速投切的控制算法;最后给出高压 TSC 触发应遵循的策略。1主电路一个典型的 TC+TSC 型 SVC 由一个晶闸管控制电抗器(Thyristor Control eactor，TC)分支、一个TSC 分支和 3 个电容滤波器分支组成(如图 1 所示)。电压等级为 30kV，通过耦合变压器连接至 230kV 母线，无功输出容量值为!30Mvar 120Mvar，接入点系统条件设定最高电压为 245kV，系统的额定频率为60Hz，最小频率为 57.5Hz，最大频率为 63Hz。主变压器选择三相双绕组无载调压变压器，额定容量为150/150MVA，电压比为(230 2 2.5%)kV/30kV，接线型式为 YNd1，阻抗电压 Uk1 2=12%额定电压。安装点(230kV)系统短路水平为 40kA(有效值)，全波雷电冲击电压(1.2/50s)BIL 峰值为 950kV，工频 1min耐受电压峰值为 325kV，采用直接接地方式。图 1TSC 型 SVC 示意图2高压 TSC 的控制策略2.1自动控制模式SVC 的正常运行模式是自动电压控制，电压控制系统包括一个带有控制的闭环系统，TSC 型 SVC 自动控制策略的简化模块如图 2 所示。电压调节器需要足够快地抵消电压变化和干扰，但也要保持足够的稳定性。将电压响应与参考灵敏度相乘，产生的信号相当于 SVC 电流，将该信号乘以电压调节器输入端的增加斜率，可获得斜率在 SVC 特性中的重要程度。功率振荡阻尼控制调节器输出可以被视为添加 SVC 参考电压，与斜率的补偿电压响应一同输入到 PI 调节器。由于电压控制模式在闭环中运行，因此，如果电压响应信号丢失，则不可能运行。如果失去电压响应，将看到 SVC 的自动控制被强制切换到手动模式。在自动控制模式下，灵敏度跟随电压调节器的输出变化;当处于手动控制模式时，参考电压修正了斜率的实际应力。这将导致电压 PI 调节器的输出不会改变，确保自21电气技术与经济/研究与开发2023.05/动和手动模式之间的过渡不间断。所需的参考电压由操作员工作站(Operator Work Station，OWS)调节，并限制在规定的范围内，SVC 的运行范围如图 3 所示。图 2TSC 型 SVC 自动控制策略图 3TSC 型 SVC 运行范围为了避免不稳定，在 TSC 切换滞回区，存在 2 种配置，因此，无功功率输出是平滑的。在 TSC 运行中，TC 实际上用于完全驱动和补偿 TSC 的无功功率。另一种状态是只有两个 TSC 在运行，并且 TC 控制几乎为零电流。对于磁滞调整，考虑了变压器的 SVC 和电抗及其制造公差。当 TC 的绝对磁化率值比 TSC 的磁化率高 5%且持续 1s 时，在动态条件下磁滞面积仅由控制系统决定。2.2手动控制模式在手动控制模式下，SVC 以开环控制运行，所需无功功率通过手动改变 SVC 的主基准电纳来获得。这个手动 Bref值将通过 OWS 可调整的斜坡速率获取。SVC 启动时，在解锁控制功能之前，手动参考将被设置为零，这样，SVC 将始终以 0 开始，然后，操作员将输出调整到所需水平。TSC 投切原理如图 4 所示。(a)TSC 关闭31电气技术与经济/研究与开发/2023.05(b)TSC 开启图 4TSC 投切原理在手动控制模式下，电压参考遵循实际线路电压，包括斜率校正，在 SVC 启动和自动控制模式下，手动Bref遵循由电压调节器计算得到的电纳。因此，SVC 的输出在从一种控制模式转换到其他控制模式时，都是平滑的。2.3功率振荡阻尼控制(POD)SVC 电压调节器在功率振荡期间不受旁路的影响，POD 功能可以从操作员工作站加入或取消。当POD 功能未被激活时，所有 POD 函数中包含的积分将等于零;当启动过压或欠压策略时，将禁用调节器;当释放过压或欠压策略时，调节器可以从零输出开始。图 5 所示为 SVC 的 POD 调节器控制原理图，包括两个可调时间常数 TW1和 TW2，三个可调超前-延迟类型模块(参数 TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和 TM6)，调节器增益KPOD和可调输出限制器 VPOD max和 VPODmin。除了这些功能外，还将实现一个禁用自动调节器，它取决于响应对电压(VWS)和输入信号(PWS)的导数，调节器可能会在干扰期间自动被禁用。该功能可以通过 OWS 进行激活控制。在干扰期间，如果禁用信号(DIS_POD)为“1”，则调节器被禁用，并保持 20s。为了避免在激活时因滤波器复位而产生瞬态功率振荡，斜率将缓慢增加，直至达到调节器的稳态输出。图 5POD 控制原理3高压 TSC 快速投切控制仿真从以上分析可知，高压 TSC 型 SVC 对于 TSC 的快速投切响应有着基本要求。因此，本文还将给出快速/可靠投切 TSC 的方法及控制策略。下文将研究在不同的触发脉冲延迟时间及不同的阀组电压下，TSC 支路电流、晶闸管冲击、TSC 支路谐波等参数的变化，来确定最合适的 TSC 投切控制策略。41电气技术与经济/研究与开发2023.05/3.1仿真模型搭建本文的仿真模型采用 PSCAD 软件进行搭建。PSCAD 是世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件，EMTDC 是其仿真计算核心，PSCAD 为 EMTDC 提供图形操作界面。最早版本的 EMTDC 由加拿大 DennisWoodford 博士于 1976 年在曼尼托巴水电局开发完成。本文 的 研 究 基 于 如 下 系 统 参 数 配 置:10kV50MVA，7 次滤波电感电容，电容 C=530 F，电抗L=0.000402H。测量相电压 UA、UB、UC及晶闸管电压UA、UB、UC，晶闸管电压 UT=UA!UA，仿真示意图如图 6 所示。图 6TSC 仿真示意图3.2仿真数据考虑到 TC+TSC 的控制方式，分别研究在不同触发控制策略下，TSC 支路的电流、电压波形及响应速度。仿真使用的 TSC 控制矩阵如图 7 所示。当 SVC的输出小于 60Mvar 时，TC 和 FC 输出，TSC 退出运行，这样做的最大好处是可以达到最低的功率损耗;当无功需求大于 60Mvar 时，TSC 迅速投入，提供大约60Mvar 的容性无功，同时 TC 将自动调节其输出，使无功从 0 60Mvar 变化。通过这个控制方法，SVC 不仅可以快速、平滑地输出无功功率，同时也可以将 SVC损耗控制在最低。图 7TSC 型 SVC 仿真控制矩阵TSC 触发不同于 TC 触发，TSC 触发要求在每个周期过零点都发出触发脉冲。实际上，每周期过零点触发晶闸管导通，但是由于晶闸管本身的导通时序要求，必须在晶闸管承受一定大小的正向电压时，才能被触发导通，因此，每周期快速触发和晶闸管可靠触发成为了一对矛盾体。本文将试图寻找一种既能快速触发晶闸管，又可以使晶闸管可靠触发的方法。图8 和9 所示为系统电压波形及 TSC 的控制信号。51电气技术与经济/研究与开发/2023.05图 8系统电压波形图 9投入信号与电流曲线(1)晶闸管电压大于 60V 时的触发波形选取不同的触发时间，会造成晶闸管在开通时两端承受的电压不同，这会导致 TSC 支路的投入暂态过程变长、冲击电流变大等问题。可控硅电压大于 60V时的触发电流波形如图 10 所示。图 10可控硅电压大于 60V 时的触发电流波形(2)晶闸管电压大于 800V 时的触发波形晶闸管电压大于 800V 时的触发电流波形如图 11所示。图 11可控硅电压大于 800V 时的触发电流波形(3)TSC 触发实时性验证及仿真图 12 和 13 分别所示为 TSC 的投入/退出指令电压波形及 TSC 电压波形放大情况。由图可知，TSC 能跟踪指令信号快速投入或退出。61电气技术与经济/研究与开发2023.05/图 12TSC 指令电压波形图 13TSC 电压放大波形(4)TC+TSC 无功响应当 TSC 投入时，系统侧无功功率可跟随 TSC 的投切指令产生相应的变化，当 TC 和 TSC 支路采用联合控制方式时，系统无功相应可快速、无波动地跟随指令。系统无功曲线如图 14 所示。图 14系统无功曲线4结束语TSC 型 SVC 在电力系统中大量广泛应用。本文首先阐述了在电力系统中 TSC 主要的控制策略及控制目标，接下来通过仿真的方式，模拟了 TSC 在不同触发条件下的响应、晶闸管承受电压及电流等参数。TSC 触发需要快速、无扰动、对晶闸管的损伤小、限制 di/dt 以保护晶闸管及电容器。通过大量的仿真研究，可得出以下结论:(1)可控硅过零触发时，可以实现快速投切;(2)可控硅过零信号电压需要尽量降低;(3)在晶闸管阀组侧安装直流电压互感器，用该信号与电网电压比较作为强触发条件可以实现电压波动时的快速投切。后续，对晶闸管的保护有待于进一步研究，阀组电压过零检测需要根据低压试验台进一步验证，完善及不断改进 TC+TSC 型 SVC 的应用。参考文献 1Mathur M，Varma KThyristor-Based FactsControllers for Electrical Transmission SystemsJ IEEE Press，2002(6):119-122 2范巍，王光磊，安万洙，等 33kV 级 TC+TSC 型SVC 控制策略及仿真研究J 数字技术与应用，2018(6):3(收稿日期:2022-12-22)71电气技术与经济/研究与开发