一种基于双TCR支路并联的可控串补装置及其控制方法

摘要

本发明提供了一种基于双TCR支路并联的可控串补装置及其控制方法，属于灵活交流输电领域中的可控串补领域。可控串补装置采用两条TCR支路并联，使得流过每条TCR支路的电流较小，从而解决了现有晶闸管阀在特高压可控串补中通流能力不足的问题。TCR支路由两个反并联晶闸管阀串联一个电抗器组成，之后两条TCR支路进行串联构成可控串补装置；或两条TCR支路并联后再串联一共用电抗器构成可控串补装置；通过对串补装置两TCR支路电路幅值相等的控制和基波阻抗的控制，来实现支路的均流和阻抗要求。本发明装置能够满足阻抗控制的要求，且控制环节简单，均采用线性控制，在工程中容易实现，控制稳定性好。

说明书

技术领域

本发明属于灵活交流输电领域中的可控串补(Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC) 领域，具体涉及。

背景技术

目前，我国已开始建设1000kV特高压输电网络，并已投运了1000kV晋东南-南阳-荆 门特高压交流试验工程。特高压交流输电在输送容量、输送距离、功率损耗等方面具有明显 的优势。但是，由于特高压线路本身所具有的长距离、大容量等特征，以及受限于系统暂态 稳定性等要求，使得部分特高压输电线路的输电能力受到了限制，很难发挥出其应有的优势。 借助超高压电网的发展经验，在特高压输电线路上加装串补装置，可显著提升特高压输电线 路的输送能力，提高所在系统的暂态稳定性，从而在一定程度上解决特高压线路所存在的一 些问题。

通常，串联补偿技术分为两种，即固定串补(Fixed Series Capacitor，FSC)和可控串补。 固定串补设备简单，安全可靠，在设计合理的情况下能满足一般电力系统对容性阻抗补偿的 需求。目前，我国已经开展了特高压固定串补技术的研究和关键设备的研制工作，并将于2011 年年底投入运行。但是，固定串补装置的补偿阻抗固定，线路的补偿度不能进行灵活地调整， 且固定串补装置可能引发次同步谐振(Sub-Synchronous Resonance，SSR)，对电力系统的安 全运行造成一定威胁。可控串补装置可在一定程度上避免上述问题。可控串补技术利用对晶 闸管阀的触发控制，实现对串联补偿阻抗以及线路补偿度的灵活调节，使得系统的静态、暂 态和动态性能得到明显改善。可控串补固有的次同步频率阻抗特性，能改善系统的次同步频 率阻尼特性，从而在一定程度上降低发生次同步谐振的风险。因此，在特高压线路或750kV 输电线路加装可控串补装置，相比固定串补有着显著的技术优势。

现阶段，只有在500kV及以下电压等级的线路上加装可控串补的工程实例，对于特高压 和750kV输电线路，尚没有加装可控串补装置的工程实例。现有的可控串补工程的额定电流 一般在1000A～3000A之间，而特高压输电线路的传输容量大，可控串补装置的额定电流应 在5000A～6300A之间；750kV输电线路的可控串补额定电流也在4000A以上。而现有的已 运用于工程的晶闸管阀，其最大通流能力仅能达到4500A左右，不能满足特高压输电线路加 装可控串补对晶闸管阀的要求；对于750kV交流输电线路，当额定电流较高时，亦不能满足 要求。若采用具有更大通流能力的晶闸管阀，则取决于电力电子器件的技术进步。

发明内容

本发明目的在于针对上述问题，提供一种基于双TCR支路并联的可控串补装置及其控制 方法，串补装置通过两条TCR支路的并联，使得流过每条TCR支路的电流小于现有的晶闸 管阀的最大额定电流，从而解决了现有晶闸管阀在特高压可控串补中通流能力不足的问题， 通过对串补装置两TCR支路电路幅值相等的控制和基波阻抗的控制，来实现两条TCR支路 的均流和阻抗要求。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于双TCR支路并联的可控串补装置，所述串补装置包括电容器；其改进之处在于 所述串补装置包括两条并联的TCR支路，两条并联的TCR支路与所述电容器并联；每条TCR 支路由反并联的两个晶闸管阀与电抗器串联组成，串补装置导通时，所述两条并联的TCR支 路电流幅值相等，或者有效值相等，或者平均值相等。

其中：两条并联的TCR支路串联一电抗器L₃再与电容器并联。

一种如权利要求1所述的串补装置的控制方法，其改进之处在于所述方法包括如下步骤：

1)建立基波阻抗Z与触发角α₁之间的阻抗特性表Table1，依据如下：

$Z=\frac{1}{\mathrm{\omega c}}-\frac{2A}{\pi k^2{\omega }^3{c}^2}\left\{(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2})\right[{\beta }_1+\frac{1}{2}\sin 2{\beta }_1-\frac{2F\cos {\beta }_1\cos k{\beta }_1}{k^2-1}(k\tan k{\beta }_1-\tan {\beta }_1)]$

$+(\frac{H_1}{L_1}+\frac{H_2}{L_2})\sin {\beta }_1\}$

其中：

${\omega }_0=\frac{1}{\sqrt{\frac{L_1{L}_2}{L_1+L_2}c}}$

ω＝2πf

$k=\frac{{\omega }_0}{\omega }=\frac{1}{2\mathrm{\pi f}}\sqrt{\frac{L_1+L_2}{L_1{L}_{2}c}}$

$A=\frac{k^2}{k^2-1}$

$F=1-\frac{2\cos {\beta }_1-2\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

$H_1=(L_1/L_2-1)\frac{\cos {\beta }_1-\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

$H_2=(L_2/L_1-1)\frac{\cos {\beta }_1-\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

β₁＝π-α₁

f：为系统频率；

L₁、L₂：为电抗器的电抗值；

c：为电容器电容；

2)阻抗命令的获取

A：求命令阻抗Z_ref和测量阻抗Z_measure的差值；

B：阻抗差值经过反馈控制环节，获得命令阻抗修正量，命令阻抗修正量与命令阻抗Z_ref相 加作为阻抗命令值；

3)下达阻抗命令，通过Table1得出相应的触发角α₁，作为该命令阻抗下两条支路的晶 闸管触发角初始值；

4)两个晶闸管触发角相等，晶闸管同时导通，当L₁＝L₂时，执行步骤7)；当L₁≠L₂时， 两条TCR支路电流幅值i_max不相等，执行步骤5)；

5)设L₁＜L₂，i_1max＞i_2max，保持TCR支路1的触发角α₁不变；

6)获取TCR支路2的触发角α₂，使得i_1max＝i_2max；

TCR支路电流幅值的测量：

A：采用检测电容电压过零点来产生采样信号脉冲；

B：对TCR支路电流进行采样；

C：取采样电流值的绝对值作为TCR支路的电流幅值i_1max和i_2max；

两TCR支路均流的控制：

A：建立TCR支路2电流幅值i_2max与触发角α₂的关系表Table2，依据如下：

$i_{2\max }^{*}=\frac{i_{2\max }}{i_m}=\frac{k^2}{k^2-1}\frac{{\cos \beta }_1-\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

α₂满足方程：

$\frac{i_m}{{\omega }^2{L}_{2}c(k^2-1)}[\cos (\pi -{\alpha }_2)-F\cos k(\pi -{\alpha }_2)+H_2]=0$

其中：

β₁＝π-α₁

${\omega }_0=\frac{1}{\sqrt{\frac{L_1{L}_2}{L_1+L_2}c}}$

$k=\frac{{\omega }_0}{\omega }=\frac{1}{2\mathrm{\pi f}}\sqrt{\frac{L_1+L_2}{L_1{L}_{2}c}}$

$F=1-\frac{2\cos {\beta }_1-2\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

$H_2=(L_2/L_1-1)\frac{\cos {\beta }_1-\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

为标幺值；

i_2max为TCR支路2电流幅值；

i_m为线路电流幅值；

B：求两TCR支路电流幅值i_1max和i_2max之差Δi_max，Δi_max＝i_1max-i_2max；

C：由Δi_max经过反馈控制环节，获得电流幅值修正量i_修正，i_修正+i_1max作为TCR支路2 电流幅值的命令值；

D：将命令值与线路电路幅值作为Table2的输入，获得TCR支路2的触发角α₂；

E：TCR支路2在触发角α₂下，满足i_1max＝i_2max；

7)若有新的阻抗阶跃命令下达，则通过阻抗命令值获得触发角α₁，通过步骤6)获得触 发角α₂，实现两TCR支路的均流；

其中：所述反馈控制环节为线性PI环节。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1)本申请采用两条TCR支路并联的方法，使得流过每条TCR支路的电流较小，从而解 决了现有晶闸管阀在特高压可控串补中通流能力不足的问题，提供了一种新的适用于特高压 线路的可控串补实现方案；

2)采用了幅值相等的控制策略，使得两条TCR支路导通电流幅值相等，尽可能地实现 了均流；

3)阻抗控制效果与以往只用一条TCR支路的常规可控串补基本一致，建立了幅值相等 条件下，新可控串补方案中基波阻抗与触发角的关系，并通过查表和PI环节，使之能够满足 对阻抗控制的要求；

4)所有的控制环节简单，均采用线性控制，在工程中容易实现，且控制稳定性好，可 用于特高压和750kV输电线路，具有良好的通用性；

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是双TCR支路并联方案一；

图2是双TCR支路并联方案二；

图3是双TCR支路TCSC相关变量时序图；

图4是支路2电流幅值与触发角的关系曲线；

图5是幅值相等控制策略控制原理框图；

图6是阻抗控制策略控制原理框图；

图7是实例仿真主电路图；

图8是初始命令阻抗为1.2p.u.时波形图；

图9是命令阻抗由1.2p.u.阶跃至2.0p.u.时波形图；

附图标记：

α₁、α₂为晶闸管触发角初始值；

2β₁为晶闸管导通角；

f为系统频率；

L₁、L₂为电抗器电抗值；

c为电容；

i_1max、i_2max为支路电流的幅值；

i^*_2max为支路电流的标幺值；

i_m为主电路中线路电流幅值，即流过电阻R_L的电流值；

Z_ref为命令阻抗值；

Z_measure为测量阻抗值；

R_L为线路等效电阻；

X_L为线路等效电抗；

E为电压源。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

本发明的目的是，针对特高压输电线路，提出一种可控串补实现方案，同时提出了相应 的控制目标，以及为达到控制目标所采用的控制策略。

本发明采用两条并联的TCR支路作为调节可控串补装置基波阻抗的技术手段。两条TCR 支路的并联方式，本发明提出两种方案，分别如图1和图2所示。

图1中的技术方案，两个晶闸管阀经反并联后，与一电抗器串联，从而构成一条TCR支 路，之后两条TCR支路再进行并联。理论上两条TCR支路上的电抗器电抗值应相等。在两 条支路都导通的情况下，两条并联的TCR支路对外等效感抗能满足可控串补装置的调节要求。

图2中的技术方案，两条TCR支路除了各自串有的独立电抗器之外，在并联后串联一共 用电抗器，在两条支路都导通的情况下，三个电抗器通过串并联后，其对外等效感抗能满足 可控串补装置的调节要求。此方案较图1方案，区别在于由于有一共用电抗器，并联的两条 TCR支路上的阀串电抗器所需电抗值较小，从而减少了电抗器制造的绝对误差等所带来的不 平衡，更有利于均流。

本发明相应地提出了两条TCR支路并联的均流控制目标，以使得两条并联的TCR支路 尽可能地均流。通过相应的控制环节，分别使得两条TCR支路的电流幅值相等，使得两条 TCR支路的电流有效值相等，使得两条TCR支路的电流平均值相等，从而达到均流的目的。

本发明亦相应地提出了支路电流幅值相等的控制方法作为可控串补实现方案的控制策略。 在工程实际中，两条TCR支路所串电抗器的电抗值不可能完全相等，因此，若简单采用同时 触发的控制策略，流过两条TCR支路的电流将出现不平衡。为了保证两条支路电流的均衡， 本发明采用晶闸管不同时触发，最终令两条支路电流幅值相等的方法进行控制。在电流幅值 达到相等后，整个可控串补装置的基波阻抗亦能达到所需的阻抗值。

以图1中的方案为例进行说明，具体包括以下步骤：

1.分析本发明提出的拓扑原理图(不妨设L₁＜L₂)，得出其数学模型，再通过对数学模 型的分析，建立可控串补实现方案中基波阻抗Z与触发角α₁的阻抗特性表。该表是本发明中 新提出来的，与以往的单支路可控串补阻抗关系表有所不同。

2.阻抗命令下达后，通过阻抗控制环节，查表得出相应的触发角，作为该命令阻抗下两 条支路的晶闸管触发角初始值。

3.此时两个晶闸管触发角相等，即同时导通，两条支路将出现不均流，电流幅值应不相 等。

4.对于电流幅值较大的TCR支路1，保持其现有的触发角α₁不变。

5.对于电流幅值较小的TCR支路2，依据两个支路的电流幅值之差及阻抗命令，通过 相应的控制环节，使该支路晶闸管触发角α₂最终达到一新的稳态值。在新的稳态触发角下， 两条支路电流的幅值相等，且基波阻抗值亦能满足控制要求。

6.若有新的阻抗阶跃命令下达，则通过阻抗特性表查得触发角α₁，通过步骤(5)获得 触发角α₂，以此实现对基波阻抗和电流幅值的控制。

实施例1：

1.TCR支路电流幅值的获得

采用检测电容电压过零点来产生采样信号脉冲，对TCR支路电流进行采样。从图3时序 图可以看出，当电容电压u_c过零时，TCR支路的电流(图中i_L1和i_L2)绝对值达到最大。利用这 个关系，通过检测电容电压过零点，产生一个采样脉冲信号，对两个TCR支路的电流分别进 行采样，获得的采样值后，取绝对值，作为两个支路电流的幅值，并在以下的算法和控制策 略中进行使用。

2.两TCR支路电流幅值相等的控制

以图1所示的并联方案为例(不妨设L₁＜L₂)，对支路电路电流幅值相等的具体实施方式 进行说明。

命令阻抗下达后，利用阻抗特性表Table1查得两个支路的晶闸管触发角初始值α₁＝α₂。 因为L₁＜L₂，所以，此时两支路电流的幅值i_1max＞i_2max。之后，令α₁保持不变，而对α₂的值 进行调整控制，以使i_1max＝i_2max。

对于某一给定的α₁角度，由电路的拓扑结构和数学推导，可以得出相应的i_2max的值，由 式(1)求得

$i_{2\max }^{*}=\frac{i_{2\max }}{i_m}=\frac{k^2}{k^2-1}*\frac{{\cos \beta }_1-\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}---\left(1\right)$

其中

β₁＝π-α₁

${\omega }_0=\frac{1}{\sqrt{\frac{L_1{L}_2}{L_1+L_2}c}}$

$k=\frac{{\omega }_0}{\omega }=\frac{1}{2\mathrm{\pi f}}\sqrt{\frac{L_1+L_2}{L_1{L}_{2}c}}$

式(1)中为标幺值，以线路电流幅值i_m为基准值；2β₁表示晶闸管导通角，如图3所 示；f为系统频率。对于不同的线路电流幅值i_m，支路2的电流幅值i_2max的有名值不同。相 应的α₂的值可由下面的方程近似解得

$\frac{i_m}{{\omega }^2{L}_{2}c(k^2-1)}[\cos (\pi -{\alpha }_2)-F\cos k(\pi -{\alpha }_2)+H_2]=0---\left(2\right)$

其中

$F=1-\frac{2\cos {\beta }_1-2\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

$H_2=(L_2/L_1-1)\frac{\cos {\beta }_1-\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

β₁＝π-α₁

至此，可以得出相应的i_2max和α₂的对应关系，如图4所示。图4中，横坐标为支路2电 流幅值的100倍标幺值，纵坐标为对应的触发角α₂。实际应用中采用表格处理，建立电流幅 值i_2max和支路2的晶闸管触发角α₂的对应关系表Table2，不同的线路电流对应不同的关系曲 线，通过查表方式获得支路2的晶闸管触发角α₂。

除了建立支路2的晶闸管触发角α₂和电流幅值i_2max的对应关系表外，再加装反馈环节， 如图5所示中的PI环节，可以使得电流幅值达到无差调节。整个控制策略的原理框图如图5 所示。

3.基波阻抗的控制

从2.中可知，若α₁变化，α₂通过幅值调整也会相应的进行变化，利用这个关系并加以控 制，可使得双支路可控串补的基波等效阻抗达到命令阻抗值。通过对图1的电路拓扑结构和 数学推导，可得出在幅值相等的控制策略下基波阻抗Z很大程度上取决于α₁，故基波阻抗Z 用式(3)近似

$Z=\frac{1}{\mathrm{\omega c}}-\frac{2A}{\pi k^2{\omega }^3{c}^2}\left\{(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2})\right[{\beta }_1+\frac{1}{2}\sin 2{\beta }_1-\frac{2F\cos {\beta }_1\cos k{\beta }_1}{k^2-1}(k\tan k{\beta }_1-\tan {\beta }_1)]$

$+(\frac{H_1}{L_1}+\frac{H_2}{L_2})\sin {\beta }_1\}---\left(3\right)$

其中

$A=\frac{k^2}{k^2-1}$

$F=1-\frac{2\cos {\beta }_1-2\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

$H_1=(L_1/L_2-1)\frac{\cos {\beta }_1-\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

$H_2=(L_2/L_1-1)\frac{\cos {\beta }_1-\cos k{\beta }_1}{2-2\cos k{\beta }_1-k^2{\omega }^2{L}_{1}c}$

β₁＝π-α₁

式(1)过于复杂，仍然采用表格处理，建立基波阻抗Z与支路1的晶闸管触发角α₁的关 系表Table1，通过查表可获得命令阻抗下相应的α₁的值。

除了建立基波阻抗Z与α₁的对应关系表外，再加装反馈环节，如图6中的PI环节，可以 使得基波阻抗Z较快地达到无差调节。控制原理框图如图6所示。

实施例2：

根据以上所述，采用图7所示的简单电路，对本发明所述的方式方法进行仿真分析，以 验证本发明的可行性。仍以图1所述方案为例。图7中，电压源幅值为500kV，线路等效电 阻R_L＝11.0Ω，线路等效电抗X_L＝111.15Ω，可控串补的基本电容值C＝190.5μF，两个阀串电抗 器的电感量取最大制造工艺误差±5％，L₁＝0.01729H，L₂＝0.01911H。

根据仿真电路的主电路参数和公式(3)，可建立适用于双TCR支路并联TCSC的阻抗特 性表，如附表1所示。表1中只选取若干点进行说明，实际应用时应根据工程中的最小时间 间隔进行密集取点，以使得阻抗特性表满足控制精度的要求。阻抗值为正，表示感性阻抗； 阻抗值为负，表示容性阻抗。触发角以角度表示。

表1阻抗特性表

初始阻抗命令为12倍标幺值时，仿真波形图如图8所示。0.4秒处投入电流幅值控制环 节，可以看出两支路电流经过调整后，幅值趋于相等，阻抗值达到12倍的标幺值。

之后在1秒处，下达阻抗阶跃命令，阻抗命令值从12倍标幺值阶跃到2.0倍标幺值，仿 真波形图如图9所示。可以看出，经过阻抗控制环节和电流幅值控制环节后，两支路的电流 幅值趋于相等，阻抗值达到2.0倍的标幺值。

从而验证本发明方案及其控制策略的可行性。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的 范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围 的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。