基于TCPC技术的10kV高压电力系统动态无功无级柔性补偿技术研究

摘要

TCPC（Thyristor Controlled Parallel Compensator，简称 TCPC）技术，是一种基于电力电子器件控制的动态无功无级柔性并联补偿技术。它是综合SVC技术、STATCOM技术、TCSC技术的优点，而提出的一种较为先进的基本不产生电力谐波的10kV高压电力系统动态无功无级柔性并联补偿新技术。
　　 本文首先介绍了基于TCPC技术的10kV高压电力系统动态无功无级柔性补偿技术的由来，介绍了其基本的工作原理和二种基本的电路拓扑结构形式。综述了国内外的研究概况。为提高TCPC技术模块容量，本文在研究中选择了基本电路拓朴结构形式（二）作为重点研究对象。
　　 论文首次提出了一种可不加滤波电路的高压电力系统动态无功无级柔性并联补偿新技术。首次研制出了在不加滤波电路情况下，可由一级基本不产生电流谐波的动态无功无级柔性补偿TCPC技术模块与高压固定电容组成基本不产生谐波的80kVar10kV高压电力系统动态无功无级柔性补偿技术试验装置。论文从TCPC技术的基本结构、工作原理、数学模型、谐波分析、设计方法、控制策略、驱动控制系统、动态无功补偿和电压稳定功能等方面进行了较为系统深入的研究，取得了多项创新成果。通过仿真和动模实验重点研究了10kV TCPC技术动态无功补偿和电压稳定功能。
　　 具体研究了TCPC技术主电路的最佳拓扑结构。对其控制方法和谐波特性进行了实验研究和理论分析。建立了相应数学模型。进行了系统的计算机数值仿真和实验技术装置的动模实验研究。介绍了电路参数对10kV TCPC技术主电路工作特性的影响。通过仿真和实验研究，得到了使TCPC技术模块的基频容抗XC与晶闸管回路的基频电抗XL的方根值之比λ≤3，即可保证TCPC联模块在工作中，仅出现一个容性控制区和一个感性控制区，保证TCPC仅有一个并联谐振点的技术结论。得到了只要选择XC>X1，即可保证TCPC模块在运行过程中不会出现串联谐振现象的技术结论。同时得到了在选取TCPC模块中晶闸管回路L的技术参数值时，使λ值在1.4～2.7范围内有利于TCPC控制的结论。
　　 研究了同步信号对10kV TCPC动态无功补偿电路控制特性的影响，提出了相应控制策略和控制技术。进行了同步信号对TCPC区域切换的开闭环控制特性影响的仿真和动模实验研究。提出了TCPC非线性PID控制技术、基于综合同步信号的TCPC内控模式非线性PID控制技术。对10kV TCPC动态无功补偿技术试验装置进行了技术实现和联机调试与并网动模实验。
　　 通过对TCPC模块容性补偿电流波形的傅立叶分析，得到了TCPC模块输出容性补偿电流波形的主要谐波含量数据。研究分析表明，各谐波电流值远低于国家电网谐波电流允许值标准，TCPC模块在可控范围内所产生的谐波电流几乎可以忽略不计。仿真和动模实验结果表明，采用基于综合同步信号的内控模式非线性PID控制方法，可较好地实现TCPC模块的稳定运行和三相补偿系统的稳定运行，其动态响应时间在2～3个周波左右，可以达到理想稳定控制要求。
　　 通过并网动模实验研究表明，在试验线电压为420V时，TCPC无级柔性补偿模块正常工作电流范围达到了8～27.5A，TCPC模块自身动态电流可调范围达到了63.6％。整个补偿系统正常可对8A～110A的动态感性无功电流负荷进行动态无级柔性补偿；可对8A～17.5A的动态容性无功电流负荷进行动态无级柔性补偿；补偿后功率因数可达到0.95～0.98；可实现三相不对称无功补偿和超前与滞后补偿；三相动态无功补偿容量达到了80kVar。实测波形表明，进入电网的动态无功补偿电流波形正弦度较好，电流谐波含量远低于TCR型SVC补偿技术。研究表明本文相应研究方法和所建立的数学模型及理论分析方法是正确的，运用TCPC动态无功补偿技术模块与有级固定电容组成基本无谐波的大容量动态无功无级柔性补偿技术是可行的。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 问题的背景

1.2 国内外发展概况

1.2.1 国外发展概况

1.2.2 国内发展概况

1.2.3 目前国内外研究的主要方面和不足

1.3 本文研究的课题来源与主要内容

第二章 10kV TCPC动态无功无级柔性补偿技术主电路基本原理及数学模型

2.1 引言

2.210kV TCPC技术单相主电路基本工作原理

2.2.110kV TCPC技术单相主电路的拓扑结构与特点

2.2.210kV TCPC技术单相主电路的基本工作原理

2.310kV TCPC技术单相主电路数学模型

2.3.1 基频状态下的电流和电压方程及等效阻抗方程

2.3.2 非正弦状态下的电流和电压方程及基频等效阻抗方程

2.4 小结

第三章 10kV TCPC技术稳定工作区域和稳态及动态功能分析

3.1 引言

3.2 TCPC技术模块补偿特性与工作区域和电流电压谐波特性

3.2.1 TCPC技术模块稳态电流电压波形与补偿特性

3.2.2 TCPC技术模块稳态电流电压波形谐波特性分析

3.2.3 TCPC技术模块稳态阻抗特性与稳定工作区域

3.310kV TCPC技术稳态功能分析

3.3.1 在配电系统中的动态无功补偿功能

3.3.2 提高输电系统稳态输送容量功能

3.410kV TCPC技术动态功能分析

3.4.1 增强电力系统阻尼功能

3.4.2 提高电力系统暂态稳定和电压稳定功能

3.4.3 抑制电力系统次同步振荡(SSR)功能

3.5 小结

第四章 单模块TCPC谐波特性与10kV三相最佳主电路拓扑结构

4.1 引言

4.2 单模块TCPC谐波特性

4.2.1 单模块TCPC电容谐波电压特性分析

4.2.2 单模块TCPC电流ILlm的谐波特性分析与谐波限制

4.310kV TCPC三相最佳主电路拓扑结构及补偿特性

4.3.110kV TCPC三相主电路Y形拓扑结构及补偿特性

4.3.210kV TCPC三相主电路△形拓扑结构及补偿特性

4.4 小结

第五章 电路参数对TCPC技术主电路工作特性影响与仿真及动模实验

5.1 引言

5.2 电路参数对TCPC技术主电路工作特性和可控范围影响

5.2.1 电路参数对TCPC基频等效阻抗工作特性影响

5.2.2 TCPC谐振点和稳定控制区与并联模块阻抗方根比λ的关系

5.3 TCPC技术主电路的谐振点与可控范围的仿真及动模实验

5.4 TCPC控制范围与TCR回路基频电抗XL的关系

5.5 小结

第六章 10kV TCPC技术装置主电路关键元器件选择与计算

6.1 引言

6.2 TCPC技术主电路补偿容量确定与电容元件选择及计算

6.2.1 TCPC技术主电路和技术模块补偿容量的确定

6.2.2 TCPC技术主电路中电容元件的选择与计算

6.3 TCPC技术模块中电感元件和电压变换器的选择与计算

6.3.1 TCPC技术模块中电感元件的选择与计算

6.3.2 TCPC技术模块中电压变换器的选择与计算

6.4 TCPC技术模块中晶闸管元件的选择与计算

6.5 TCPC技术模块中保护器件的选择与计算

6.6 小结

第七章 同步信号对10kV TCPC动态无功补偿主电路控制特性影响与控制对策

7.1 引言

7.2 同步信号对10kV TCPC开闭环控制特性影响与控制对策

7.2.1 同步信号对TCPC开闭环控制特性影响及仿真与动模实验

7.2.2 同步信号对TCPC区域切换控制特性影响与动模实验

7.2.3 TCPC区域切换运行时的控制对策

7.3 同步信号对10kV TCPC主电路故障运行影响与控制对策

7.3.1 同步信号对TCPC主电路故障运行影响与仿真波形

7.3.2 TCPC主电路故障运行时常规控制方式动模实验波形

7.3.3 TCPC主电路故障运行时的情况分析

7.3.4 TCPC故障运行时的控制对策

7.4 基于综合同步信号的TCPC控制方式

7.5 小结

第八章 10kV TCPC动态无功补偿控制技术与实现

8.1 引言

8.210kV TCPC动态无功补偿控制技术

8.2.1 TCPC非线性PID控制技术

8.2.2 TCPC内控模式非线性PID控制技术

8.310kV TCPC动态无功补偿控制技术实现

8.3.1 系统无功和有功快速检测技术与实现

8.3.2 TCPC内控模式非线性PID控制技术实现

8.3.3 TCPC内控模式非线性PID控制时的仿真与动模实验

8.4 小结

第九章 基于TCPC技术的10kV动态无功无级柔性补偿技术仿真与并网实验

9.1 引言

9.210kV TCPC动模试验技术装置

9.310kV TCPC动态无功补偿技术仿真与分析

9.3.110kV TCPC动态无功补偿技术仿真

9.3.2 TCPC动态无功补偿技术仿真结果谐波分析

9.410kV TCPC动模试验技术装置并网实验与分析

9.4.1 Y形接法单模块TCPC动模实验与结果分析

9.4.210kV TCBC动模试验技术装置并网实验与结果分析

9.5 小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的学术成果

攻读博士学位期间完成的主要论文

攻读博士学位期间完成的主要论著

攻读博士学位期间完成的科研项目