（电力系统及其自动化专业论文）可控相间功率控制器数学模型及潮流控制研究.pdf

东北屯力大学硕f 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w t ho fe l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n , t h et r a n s m i s s i o n - l i n es y s t e mo f e l e c t r i cp o w e ri se s s e n t i a l l yt e n d i n gt ob ei n t e r c o n n e c t e dt o g e t h e r i no r d e rt om a k e f u l lu s eo ft h ee c o n o m i cb e n e f i to ft h ei n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m ，t h ep o w e rf l o w o f t i e - l i n es h o u l db ef l e x i b l yc o n t r o l l e d ，r e a l i z i n gt h ee c o n o m i cd i s p a t c hi nt h es t e a d y s t a t ea n dn o tc o n t r i b u t i n gt oi n c r e a s i n gs h o r t - c i r c u i tl e v e l si nf a u l t s b e c a u s eo ft h e c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co ft h ep o w e ra n dt h ef a u l t i n s u l a t i o n , i n t e r p h a s ep o w e r c o n t r o l l e r , ad e v i c eo ff a c t sf a m i l y , i sa d a p t e dt oa c ta st h ea ct i e l i n e d i s t u r b a n c ea m o n gt h ei n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e mi s e a s i l yt oc a u s et h e t i e l i n ep o w e rf l o wa n dv o l t a g et of l u c t u a t e ，w h i c hi sb l o r es e r i o u st ot h o s ec o n n e c t e d b yi p cw i mh i g hi m p e d a n c e t h ep a p e ri sa i m e dt or e s e a r c hh o w t h ei p ct oc o n t r o l t h et i e l i n ep o w e rf l o wa f t e rd i s t u r b a n c e i no r d e rt oc o n t r o lp o w e rf l o wi nf l e x i b l e a n dr a p i d ，i p ci sr e f o r m e dt ot h y r i s t o rc o n t r o l l e di n t e r p h a s ep o w e rc o n t r o l l e r , w h o s e p a r a m e t e r s ，i n d u c t o ra n dc a p a c i t o r , a r ec o n t r o l l e db yt h y r i s t o r b a s e do nt h es i m p l es t r u c t u r e ，t h ep r i n c i p l eo ft h ep o w e rc o n t r o la n dt h ef a u l t i n s u l a t i o no fi p ci si n t r o d u c e d a n dt h e n , t h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o nb e t w e e n t r i g g e r - d e l a y e da n g l eo ft h y r i s t o ra n dt h ee q u i v a l e n ts u s e e p l a n c eo ni n d u c t i v eb r a n c h i sd e d u c e db a s e do nt h es i m p l es t r u c t u r eo f t c i p c t h ep r i n c i p i eo f t r i g g e rc i r c u i to f t h et h y r i s t o ri si l l u m i n a t e db ym a t l a bs i m u l a t i o ns y s t e m f u r t h e r l y , c o n s i d e r i n gt h e i n f l u e n c eo fe q u i v a l e n tp a r a m e t e r so fp o w e r n e t w o r k s ，t h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o nb e t w e e nt r i g g e r - d e l a y e da n g l eo f t h y r i s t o ra n d p a r a m e t e r s o ft c i p ca sw e l la st h e t h e v e n i n - e q u i v a l e n tp a r a m e t e r s o f i n t e r c o n n e c t e dn e t w o r k si sd e d u c e d ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e np o w e rc o n t r o la n d p a r a m e t e r so f t c i p ci sa n a l y z e d f i n a l l y , t h eq u e s t i o no ft h er e l a t i v ep h a s es l i p p a g eo nt h eb o t hs i d e so f i n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e mc o n n e c t e db yt i e - l i n e 、析t hi p ci s p r e s e n t e d i n n s u c c e s s i o n ，t h ea d j u s t m e n tc h a r a c t e r i s t i co ft c i p ci ss t u d i e db a s e do nh a r m o n i o u s p a r a m e t e r sw i t ht h ep - qc u r v eo ft c i p c t h ee x a m p l es h o w st h a tt h ea c t i v ep o w e r f l u c t u a t i o nc a nb ea v o i d e da n dt h ev o l t a g eq u a l i t yc a nb ea s s u r e dd u r i n gt h ea n g l e s l i p p a g eb e t w e e ns e n d i n ga n dr e c e i v i n gn e t w o r kb yc o o r d i n a t i n gi n d u c t i v ea n d c a p a c i t i v ev a l u e s k e yw o r d st h y r i s t o rc o n t r o l l e di n t e r p h a s ep o w e rc o n t r o l l e r t r i g g e r - d e l a y e d a n g l e p o w e ra d j u s t m e n t p - q c u r v eo v e r v o l t a g e - i i i - 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书： 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 基生篮e t 期：吐年王一月丑日 论文作者签名： 丞生! 经期：丛瞳f 年l 月j l 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：毳熟 导师签名： 毒薄卜_ 日期：尘早年土月旦日 魄壹孕年土月强日 第1 审绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着科学技术和国民经济的迅速发展，现代社会对电能的需求日益增长， 促使电力系统的规模不断扩大。这不仅要求系统装机容量的增加，而且要求各 局部电网之间互联，形成大型的互联电力系统，以确保更经济、更安全、更有 效地向用户供电。电网互联有许多优点：诸如可以在水火电之间进行调节，以 及在某些情况下跨流域调节，更合理地利用能源以提高经济效益；可以采用大 机组以降低造价和燃料消耗，加快建设速度；在正常及事故情况下可以互相调 剂，互相支援，减少事故和检修备用容量，提高安全水平；还可以利用地区时 差，取得错峰效益等i l j 。正是由于互联电网存在诸多优势，世界各国的电网朝着 互联的方向发展已成为共同趋势。例如，西欧各国的4 0 0 k v 系统己紧密联系在 一起，近年又通过2 x ( 2 7 0 k v ) 、2 0 0 m w 的直流输电跨海与英国4 0 0 k v 系统 相连，形成西欧十一国联合电力系统；西欧与东欧又在奥地利的杜埃诺尔 ( d u e r n r o r h r ) 变电站相联；北欧四国早已互联成为北欧系统；美国全国有2 0 0 0 多个电力公司构成东部、西部和德克萨斯洲三个联合电网；北美联合电力系统 覆盖了加拿大、美国和墨西哥的加利福尼亚半岛形成了个统一的电力系统。 我国是一个的资源配置极不平衡的国家，各地区的负荷水平也存在着差异， 电网互联已经成为提高系统可靠性和进行资源优化配置的重要途径。目盼，我 国已有东北、华北、华东、华中、南方、西北、川渝等7 个跨省区电网和山东、 福建2 个大的独立省网。9 0 年代以来我国计划实行的联网工程有：三峡输变电 工程，东北与华北联网工程，福建与华东联网工程以及华中与西北联网工程等。 这些联网工程实施后，尤其是三峡电站工程建成后，带来了全国联网的可观前 景，将形成北、中、南3 个跨区大互联电网，到“十五”末期，我国将形成除 海南、西藏、台湾以外的全国互联电网【2 】。 然而，电网互联使输电系统的复杂程度增加，运行中不可避免地存在一些 东北电力大学硕十学位论文 诸如联络线功率波动、连锁反应的事故波及、环流等问题，给系统的运行操作 带来了困难。美国东西部大联网中长期存在着几百兆瓦的大环流，并伴随着功 率振荡的威胁。更为严重的是局部电网的某些个别问题，特别是发生短路故障 等情况，其影响将波及邻近的广大区域，如果诱发恶性连锁反应，最终将酿成 大面积停电的重大系统事故。世界著名的几次大停电事故，比如：1 9 6 5 年1 1 月 9 日的美国东北部大停电，造成2 1 0 0 0 m w 用电负荷停电，影响范围包括美国纽 约市和东北部6 个州及加拿大安大略省，影响居民3 0 0 0 万人，经济损失达1 亿 美元；1 9 7 8 年1 2 月9 日法国大停电，事故停电2 9 0 0 0 m w ，全部少送电量1 0 亿k w h ，是法国电力系统战后最大的一次停电事故；1 9 9 6 年8 月l o 日美国西 部大停电使大约4 0 0 万用户受到停电影响【“”j 。这些事故说明电网规模越大， 一旦发生事故，影响的范围也越大，因此，电网交流互联应把如何避免事故波 及作为首要解决的问题。 电网之间为了实现互相支援，必须提高联络线的输送能力，而架设新线路 又受到经济、环境等各方面因素的制约，因此研发新技术、新产品应用于已有 线路以提高原有电力系统的输电能力才是最根本的解决方法。f a c t s ( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 技术为此供了新的手段，它有效地实现了大电网运行 中灵活性、可控性和稳定性的统一。利用它可以增加网络的输送能力，使其中 电网主干线或联络线不受常规稳定的约束而接近它的热极限状态运行：可以避 免并联线路的过负荷；甚至能够提高系统的静态和暂态稳定性 6 1 。灵活交流输电 系统( f a c t s ) 的概念是由美国电力科学研究院h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年首先 提出的i ”。它的定义为：基于现有输电系统，利用电力电子技术或其他静态控制 器来提高系统可控性和功率传输能力的一种技术。f a c t s 家族有很多成员，相 间功率控制器( i p c i n t e r p h a s ep o w e rc o n t r o l l e r ) 作为f a c t s 家族的新成员是近 几年提出来的。它与其它f a c t s 控制器样是输电系统中潮流控制的有力设备， 但它与f a c t s 其它控制器比较有一个独特的运行性能，即：相间功率控制器连 接的两侧电网的事故隔离作用。另外相问功率控制器可以通过原有的移相器 进行改造形成，节省费用。目前国内外对i p c 的研究较少，对它的认识还不成 熟，但其所具有的潮流控制、限制短路电流和电压解耦的优良特性决定了它广 阔的应用前景。由常规元件构成的i p c 参数调节速度比较迟缓，无法对潮流进 第1 章绪论 行动态地调节，为提高i p c 的参数调节速度完善其运行特性，本文将致力于可 控相问功率控制器( t c l p c t h y r i s t o rc o n t r o l l e di p c ) 的研究具有一定的理论意 义和现实意义。 1 2f a c t s 技术 f a c t s 技术是日新月异的电力电子技术与电力系统传统的阻抗控制元件， 功角控制元件以及电压控制元件相结合的产物。它的主要内涵是用大功率可控 硅元件代替这些传统元件上的机械开关，从而使电力系统中影响潮流分布的三 个主要电气参数：电压、线路阻抗及功率角可按照系统的需要迅速调整。在不 改变网络结构的情况下，使电网的功率输送能力以及潮流和电压的可控性大为 提高。 f a c t s 技术一经提出立即受到各国电力工作者的高度重视，涌现出大量的 科研论文和报告。论文的内容主要集中在潮流控制、提高系统稳定性、增强系 统阻尼等方面的研究。f a c t s 技术( 包括系统应用及其控制器技术) 已被国内 外一些较权威性的输电技术研究者和工作组预测确定为“未来输电系统新时代 的三项支撑技术( 柔性输电技术，先进的e m s 技术和综合自动化技术) 之一”。 国外开发研制的势头不小，新型控制器相继出现。国内依行之有效的产、学、 研的结合方式，多年来相继积极开展了多项控制器的研究和研制工作，已初步 形成可喜局面。以下对f a c t s 几种主要的控制器进行简要介绍。 1 2 1 静止无功补偿器s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) s v c 往往专指使用晶闸管的静止无功补偿器，包括晶闸管控制电抗器 ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r - t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y f i s t o rs w i t c h e d c a p a c i t o r - t s c ) 以及两者的混合装置( t c r + t s c ) ，s v c 在电力系统中主要作 为并联补偿设备使用。t c r 中的电感在晶闸管的控制下形成可变电感，根据系 统运行要求吸收无功功率，抑制过电压的产生。t s c 利用晶闸管投切电容器， 根据系统运行状态迅速改变运行中的电容器组数，维持系统电压的稳定性。两 者之间的混合装置对系统电压的补偿范围扩大，即可发出无功也可吸收无功， 东北电力大学硕f 一学位论文 更有利于维持安装处电压的稳定性。但由于其无功输出与补偿点节点电压的平 方成正比，因而当电压降低时其补偿作用会减弱。目前，s v c 的技术已经比较 成熟，国外从6 0 年代就已经开始应用s v c i s ，七十年代末开始用于输电系统的 电压控制1 9 1 ，经过几十年的发展，不仅将静止无功补偿器，用于输电系统的电压 控制【1 0 】，也用于配电系统的补偿和控制】。 1 2 2 静止无功发生器s v g ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) s v g 是将电压源逆变( v o l t a g es o u r c ei n v e r s i o n ) 技术应用于无功补偿领域。 其基本工作原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当 地调节桥式电路交流侧输出电压的相角和幅值，或者直接控制其交流侧电流， 就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，以实现动态无功补偿的目的。 为了维持桥式变流电路的正常工作，其交流侧仍需要一定大小的电感和电容作 为储能元件，但所需储能元件的容量远比s v g 所能提供的无功容量要小，而传 统的s v c 装置，其所需储能元件的容量至少要等于其所提供的无功功率的容量， 因此s v g 中储能元件的体积和成本比同容量s v c 要大大减小。当电网电压下降 时，s v g 可以通过调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，使其所能提供的最 大无功电流，。一和，。维持不变，而传统s v c 由于其所能提供的最大电流分 别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。 s v g 的运行范围呈上下等宽的近似矩形区域，而s v c 的运行范围星向下收缩的 三角形区域，这是s v g 优越于传统s v c 的显著特点1 1 2 j 。日本从1 9 8 0 年研制出 第一台2 0 m v a r 的强迫自换相的桥式s v g 之后，经过十多年的发展，s v g 的容 量不断扩大，1 9 9 1 年又投入了一台8 0 m v a r 的s v g 成功地运行在1 5 4 k v 的输 电线路上。而美国于1 9 9 5 年投入了一台l o o m v a r 的s v g 1 3 1 。我国清华大学和 河南电力局共同研制成功了一台2 0 m v a r 的静止无功补偿器，并于1 9 9 9 年在河 南洛阳朝阳变电所投入运行b 4 。 1 2 3 可控串补t c s c ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o r s ) t c s c 主要由串联的电容和含有分路电抗、晶闸管开关的并联回路组成。基 i i 本工作原理是通过对晶闸管触发延迟角的控制，使并联回路呈现感性或容性， 以达到调整线路阻抗的目的。目前t c s c 在电力系统中主要应用于以下几个方 面：动态潮流控制、阻尼功率振荡、抑制次同步振荡( s s r ) 、提高暂态稳定水 平和输送能力、优化潮流分布和降低网损等”1 。在美国有三处已经安装了t c s c ， 并且运行良好。除美国外，瑞典、巴西等国家也相继将t c s c 投入实际运行1 6 i 。 1 2 4 统一潮流控制器u p f c ( u n i f e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 统一潮流控制器作为f a c t s 家族中最有代表性、功能最强大和技术最复杂 的成员能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相器等几种不同的功能。u p f c 由一个并联的换流器和一个串联的换流器通过公共侧的电容耦合而成，通过控 制量的变化可以实现不同的功能。通过不同控制策略的设计，u p f c 不但可以用 于控制母线电压、线路潮流、提高系统动态和暂态稳定性、抑制系统振荡，还 可以快速地转换工作状态以适应系统的紧急状态的需要 1 7 - 1 s l 。 以上介绍的f a c t s 装置都是基于电力电子设备的元件，它们有如下显著优 点： 1 由于采用电子式的开关操作，理论上可以无限次操作而没有机械磨损， 这就大大提高了系统控制的灵活性。 2 可以达到非常快速的控制，这一点对暂态稳定性的提高是至关重要的。 3 被控系统的参数可以实现连续调节。 4 通过对f a c t s 设备的快速、平滑的调节，可以方便迅速地改变系统潮 流的分布。+ 相问功率控制器是由电感和电容元件分别受控于不同的移相电压之后并联 形成的，通过调节感抗和容抗值，可以对i p c 所连接线路上的有功和无功功率 进行控制。i p c 作为f a c t s 家庭的新成员与以上介绍的灵活输电系统控制器相 比较有两大显著特点：i p c 本身不含有动态控制元件，控制策略简单，而且是被 动控制方式，故不产生谐波；可以实现互联两电网之间的短路故障隔离，避免 造成连锁反应和事故的扩大。 复杂电力系统稳定破坏的主要特点是连锁反应。为了保证互联大电网既能 发挥很好的经济效益，又能安全稳定运行，必须解决这种事故波及情况，而i p c 东北电力大学硕 学位论文 的独特优点对减轻交流互联电网事故范围的扩大有一定的作用。国外对i p c 的 研究已经十多年，而我国才刚刚起步，由于我国将在2 1 世纪展开全国大联网， 因此为了跟上国外先进技术的发展步伐，为我国电网的互联提供先进的装备， 在我国开展对相问功率控制器的研究具有十分重要的现实意义。 1 3i p c 国内外研究现状 相间功率控制器最早是由加拿大魁北克输电技术革新中心的科技小组提出 来的，由于其具有独特的运行特性，日益受到各国专家的高度重视。文献 1 9 1 详细介绍了i p c 的工作原理，并以i p c 1 2 0 为例，将其接入无穷大母线之间，研 究变压器漏抗、终端电压、电感电容参数及系统短路阻抗对i p c 功率特性的影 响，指出对外表现为电流源的i p c 具有如下特性：两端网络的夹角在较小范围 内变化时，无需调节电容和电感参数值，联络线有功功率可保持在额定水平； 一侧网络发生短路故障对另一侧影响很小，另一侧网络不会提供很大的短路电 流；i p c 由常规元件( 电感、电容和移相变压器) 构成，不会产生谐波。最后指 出，对i p c 技术的研究绝不仅限于其被动的控制，表明了i p c 技术广阔的发展 空间。 文献【2 0 价绍了安装在美国n y p a ( n e wy o r kp o w e ra u t h o r i t y ) 和v e l c o ( v e r m e n te l e c t r i cc o m p a n y ) 之间的l l s k v 线路上，用于提高原有移相器输送 能力的相间功率控制器，它是世界上第台实际安装并投入运行的相间功率控 制器，是通过在原有的一台1 7 5 m v a 的移相变压器的基础上并联高压电感器形 成的。 文献 2 t n 用魁北克研究院的一台仿真器研究i p c 的稳态和暂态特性。除证 实了i p c 的基本特性外，还进一步证明了i p c 的如下运行特性：对系统的频率 变化不敏感；负序不平衡电压穿越i p c 时，会被削弱；外部产生的谐波通过i p c 后不会被加强；i p c 最大过电压将出现在开路情况下。 文献【2 2 】介绍了一种通过移相器改造形成的i p c 。这种i p c 的特点是既能控 制联络线潮流又能有效地维持两侧电网的同步运行。它是在移相器支路上并联 电容器形成的，与原有移相器相比，它具有提高联络线传输能力、降低损耗和 电压支持的作用。因易于在原有移相器基础上进行改造，所以降低了投资成本。 第1 章绪论 5 0 0 k v 的m e a d p h o e n i e 的实例证实了i p c 解决问题的有效性：系统的传输能力 由1 3 0 0 m w 提高到1 9 1 0 m w 。文献【2 3 】阐述了一台2 0 0 m w 的相问功率控制器原 型的设计原理。 文献 2 4 1 提出了一种电压注入式i p c ，它利用注入电压产生电感电容支路的 移相电压。与i p c 1 2 0 相比，它所需要的移相器、电感和电容的容量小、损耗小， 因而可以应用于更高的电压等级。电压注入式i p c 的工作点可以通过改变电感 和电容的导纳值或内部移相角进行调节，控制方式更加灵活。 文献 2 5 1 提出了一种更适合网络实际运行的i p c ，这种相阳j 功率控制器只在 电感支路注入电压产生移相，电容直接连于两母线之间，它的最主要的优点是 可以根据网络运行参数调节电感支路的移相角，使i p c 自身的工作区随着网络 传输水平的变化而变化，有利于i p c 与两侧电网参数之间的协调运行。 迄今为止，国外对相间功率控制器的研究已经发展到研制出相间功率控制 器的实际装置并应用于实际电网，而国内的研究主要还处于理论阶段。 文献 2 6 - 2 8 1 展示了相间功率控制器的运行状态与其电抗器、电容器以及送 端电网和受端电网基本参数的内在联系，并借助网络解析方法分析相间功率控 制器的优良特性，指出控方主导和高阻效应是实现i p c 潮流控制鲁棒 性及电压解耦特性的先决条件，但这种高阻效应将与多种制约因素相矛盾。 文献【2 9 】借助仿真工具s i m u l i k 分析了基于实际电网的i p c 的运行特性。我国 电力科学研究院的研究人员也基于i p c 的通用结构模型对相间功率控制器的稳 态特性以及电磁暂态特性迸行了相关研究| 3 0 - 3 2 j 。文献 3 3 ，3 4 】研究了基于交流互 联电网之间的i p c 的参数选取以及参数调整时刻的问题。文献 3 5 ，3 6 1 针对i p c 弱同步能力的特点，探究了带i p c 的联络线两侧电网是否会轻易地在负荷变化 时落入异步运行的问题，指出带i p c 的联络线的两侧电网不会轻易地在负荷常 规变化中，由较明显的相位相对滑移，而转入异步运行状态。运行工作点处于 p 一艿曲线的适应区段时，带i p c 联络线的功率变动能适应两侧负荷需求上的变 化，同时，两侧电网能以较小的频差平稳运行。 文献【3 7 】介绍了一种动态可控的相间功率控制器，但文中只是从控制策略角 度进行论证，未具体说明如何对晶闸管进行控制以取得确定的参数值。文献 3 8 1 对调谐型相间功率控制器的稳态运行电压的可行域进行研究，为准确评估、优 东北电力大学硕卜学位论文 化调控和合理安排t i p c 的运行方式提供了理论基础。 1 4 本文的主要研究内容 综观国内外对相间功率控制器的研究工作都肯定了相问功率控制器具有潮 流控制和隔离短路故障的特性。这些研究工作大部分是基于由常规元件构成的 i p c 的通用结构模型。仅由常规元件构成的i p c 由于其高阻效应一方面有利于缓 解电网之间的事故波及，面另一方面又大大地削弱了互联电网之间的同步力矩， 使两侧电网在受到扰动的情况下容易产生相位的相对滑移，同时仅由常规元件 构成的i p c 参数调节速度比较缓慢，无法对变化的系统运行条件作出迅速的反 应，致使联络线的潮流波动以及i p c 与两侧电网连接点的电压越5 9 t 3 6 。为改善 常规i p c 的参数调节速度，本文将常规i p c 进行电子式改造，用电力电子开关 器件- 晶闸管分别控制i p c 的电容、电感支路构成可控相间功率控制器 ( t c i p c t h y r i s t o rc o n t r o l l e di p c ) ，提高潮流控制的速度实现动态调节，并对其 基本工作原理和潮流调节特性进行研究，本文主要完成如下工作： 1 基于i p c 简化模型分析潮流控制和限制短路故障的机理，通过晶闸管控 制i p c 并联支路构成可控相间功率控制器( t c i p c ) ，推导出电感支路等效电纳 和触发延迟角的关系式，并对晶闸管触发电路的工作原理进行仿真说明。 2 以带可控相间功率控制器的联络线交流弱联系为背景，在计及电网非线 性的影响下，将t c i p c 自身的电抗器、电容器以及两侧电网的等值参数综合考 虑，分析t c i p c 的运行特性。 3 论述了两侧电网相位相对滑移时联络线功率波动问题，利用相间功率控 制器的有功一无功功率运行曲线说明参数协调下t c i p c 的功率控制机理。 4 以两实际电网通过t c i p c 一2 4 0 进行交流弱联系为例，仿真分析两侧电网 相位相对滑移时参数协调下的t c i p c 对联络线潮流的控制作用，得出有意义的 结论。 第2 _ 带相问功串拧制器f i p c ) 特件及机理解析 第2 章相间功率控制器( i p c ) 特性及机理解析 2 1 引言 发展电力系统，实现不同区域电网之间的互联是世界各国电力工业发展的 共同趋势。目前我国已进入高电压、大电网、大机组时代，三峡电站的建立为 我国实现全国范围内的联网提供了物质保证。电网互联的诸多优势历来已得到 了充分的论证，但电网互联依然存在着一定的问题，这更应引起电力工作者的 高度重视。电网互联后一侧电网发生事故，如果采取的措施不当，很可能波及 到另一侧，电网愈大，造成的损失就愈严重。 目前，实现电网之间的互联可以采用交流和直流两种方法。用直流输电作 为系统间的联络线有如下特点：直流联络线的潮流，可完全按调度事先安排的 命令所控制，因而既能发挥联络线应有的作用，又能限制不良的连锁反应：用 直流联络线互联不存在系统稳定问题，而且利用直流联络线的调制可以改善交 流系统的稳定与频率控制；两个庞大的系统联网，例如东欧和西欧，由于两个 系统运行条件不同，使运行频率有差别，用交流联网不可能，因而只能用直流 联网。同样的情况，分别为5 0 h z 与6 0 h z 的两个系统也只能用直流联网；跨海 的电缆( 包括英国金斯诺尔斯为城市供电的8 2 k r n 电缆) 超出一定距离，电容 电流过大，也只能用直流输电；在交流侧故障时，直流输电系统不会供给短路 电流，不会带来短路电流过大的问题，但换流站的交流母线必须有足够的短路 容量( 短路比大于3 ) ，才能保证电压的稳定性与避免出现过高的工频动态过电 压。直流输电一般造价较高，两且技术较复杂，特别是控制部分的技术更加复 杂，所以一般不采用直流联网，除非作为特别远的距离( 如1 0 0 0 k i n ) 输电。 因此，目前系统闯的互联仍多采用交流联网，交流同步互联比直流互联虽然经 济性较好，但事故波及的问题是一个很大的隐患，如何实行互联，采取何种装 置互联以限制事故的波及范围，这是电网互联的一个重要的实际问题。目前， 人们正在进行这方面的研究探索，近几年提出的相间功率控制器比较适合解决 东北电力大学硕十学位论文 这类问题。本章将利用i p c 的通用结构模型分析i p c 的潮流控制原理，并对事 故时i p c 实现互联两侧电网电压解耦的特性进行机理解释。 2 1i p c 的结构模型 相间功率控制器的通用结构模型如图2 1 所示，它是由两条支路并联构成 的，一条是电感支路，一条是电容支路，分别受控于不同的移相电压，根据受 控的移相电压不同，可以构成不同类型的相间功率控制器例如i p c 2 4 0 ，i p c i 2 0 等，特定类型的相间功率控制器移相控制角是确定的。 相阃功率控制器最初是由魁北克能量技术革新中心的专家提出来的，他们 不但对相间功率控制器进行了基本定义，并且基于图2 1 的通用结构对i p c 的基 本工作原理、样机设计、特性仿真分析等问题进行了较系统的研究。 图2 - 1i p c 的通用型 一p ， 图2 一l 中，岛和岛分别为相间功率控制器电感元件支路和电容元件支路的 移相角，工和c 分别表示相间功率控制器的电感元件和电容元件，圪、”和j 分 别为s 侧和r 侧的电压有效值和相角差。，、9 和p ，分别为联络线电流以及通 过i p c 向r 端传输的有功功率和无功功率。 2 2i p c 的基本工作原理 2 2 1i p c 的潮流控制 利用图2 1 所示的通用结构模型可以推导出经由i p c 向受端( r 侧) 传输的 有功功率和无功功率的表达式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 。为了叙述上的方便，忽略移相 第2 审相问功率j 卒制器( i p c ) 特忡及机理解析 变压器的漏抗，并假设x 。= 一j ，c ，j ，上和鼍为相间功率控制器的感抗和容抗。 q ：差2 v y , 基：茅一老2 z ， 一万郴一半) s i n ( 孚) 一 从式( 2 1 ) 一( 2 2 ) 可以看出，电感和电容支路传输的有功功率和无功功 率均分别与各自支路的等效电纳成正比： p c 可以通过调节电感和电容的参数值 来改变联络线潮流。当x ，= 一x c 时，i p c 向r 端输送的有功功率为i p c 连接的 两侧端点相角差的余弦函数，传输的无功功率为两侧端点相角差的正弦函数， 当艿；鱼妄丝时，经由i p c 向r 端输送的总有功功率取最大值，其值为： z 只：2 v 。 v ss i n ( 堡) ( 2 - 3 ) 输送的总无功功率为零。 图2 之、图2 - 3 对应x l = 一j ，c ，一b = 0 2 = 2 0 。时，i p c 有功功率和无功功率 的功角特性曲线。 p p t h 、 衬衫7 曼骂5 9 一5 秽一 图2 - 2 有功功率功角曲线 并嗡毕 一 一 净等 耻 ： 东北电力大学硕 学位论文 夕7 力 一7 7 5 0 二一2 5 。、魄2 5 。1 0 0 1 5 。 、一 图2 - 3 无功功率功角曲线 由图2 - 2 可以直观的看出i p c 传输的有功功率随着i p c 连接的两侧端点的相 角差成余弦规律变化。而图2 3 所示的无功功率随着两侧端点的相角差成正弦规 律变化，当相角差较小时，无功功率基本上随着相角差成线性规律变化，有助 于对无功功率进行灵活控制。 2 2 2限制短路电流和电压解耦特性 相间功率控制器不但能够实现对联络线潮流的控制，而且能够有效的缓解 电网之间的事故波及，下面仍以x 。= 一如为例对事故时i p c 限制短路电流和实 现互联两侧电网之间的电压解耦迸行分析。由图2 1 可以列出联络线电流的表达 式( 2 - 4 ) 1 = i l + i c = 竺坐：! 二匕 j xl 华：专【e l ( 8 - e ，) _ e a 6 - o d ( 2 - 4 ) x cj xl 1 由式( 2 - 4 ) 可知，联络线电流是s 端电压有效值、i p c 电感电容参数值、s 与r 端电压相角差以及电感和电容支路移相角的函数，与r 端电压大小无关。这 说明在系统正常运行( = 1 ) 和r 端发生短路故障( 屹= 0 ) 的两种情况下， 联络线电流将保持不变。由于故障前后通过i p c 联络线的电流基本不变，所以s 侧的电压也将保持不变，这表明i p c 具有事故时限制短路电流和电压解耦的特性。 第2 辛相问功串拧制嚣( 1 p c ) 特件及机理钎析 i i 图2 4 为，一巧的关系曲线。从图2 _ 4 的，一关系曲线可以明显地看出， 联络线电流不随着r 端电压的变化而变化，其曲线相对于以呈条直线。 2 , 3 本章小结 图2 - 4 电流随受端电压变化曲线 啪u 本章利用i p c 的通用结构模型对相间功率控制器控制潮流和隔离故障的基 本特性进行机理解释，指出i p c 的电感和电容支路所传输的有功和无功功率均 分别与电感和电容支路的等效电纳眈和睇成正比，可以通过调节电感和电容的 参数值改变i p c 的有功和无功输出；i p c 能够实现电压解耦的本质在于电感和电 容相反的伏安特性。 东北电力大学硕十学位论文 第3 章可控相间功率控制器( t c i p c ) 模型 3 1引言 和触发电路 相问功率控制器对潮流的控制能力很强，且具有故障隔离的特性，因而将 其用于交流互联具有一定的优势。互联电网中含i p c 联络线的电流不仅是i p c 自身参数的函数，还受到互联两侧电网参数的影响，文献【2 6 】借助网络解析方法 分析了互联电网中相间功率控制器的优良特性，指出控方主导和高阻效 应是实现i p c 潮流控制鲁棒性和电压解耦特性的先决条件。但i p c 的高阻效 应具有双重性，一方面有利于缓解电网之间的事故波及，而另一方面又大大地 削弱了互联电网之间的同步力矩，使两侧电网在负荷变化不一致或系统受到扰 动的情况下容易产生相位的相对滑移 3 6 1 ，致使联络线的潮流波动以及i p c 与两 侧电网连接点的电压越限，此时应根据系统运行状态迅速地调整i p c 的电感和 电容参数才能保证联络线潮流的稳定性和电能质量以及防止电感和电容过电压 的发生。 常规i p c 对参数的调整是通过机械开关投切不同组数的电容器和电感器， 由于机械开关的延迟性，这种i p c 不能迅速有效地对两侧电网的相对滑移作出 反应，因此本章将电力电子开关器件晶闸管应用于i p c 的电容和电感支路构成 可控帽间功率控制器( t c i p c t h y d s t o rc o n t r o l l e di n t e r p h a s ep o w e rc o n t r o l l e r ) ， 研究如何通过晶闸管的触发控制等效地调节电感参数和电容参数，从而实现 t c i p c 对潮流的动态调节。此外，本章还将根据t c i p c 触发电路的工作原理， 建立仿真模型分析触发脉冲的形成过程。 3 2 t c i p c 的结构模型 可控相间功率控制器( t c i p c ) 是由两条支路构成的，一条是电感支路，一 条是电容支路，分别受控于不同的移相电压，其中电感支路与两个反并联的晶 闸管相串联，晶闸管的作用是通过改变触发延迟角等效地控制电感支路的电抗 参数。电容器的投切组数同样也是由晶闸管控制的。图3 1 为基于晶闸管触发控 制的t c i p c 的结构模型。 图3 - 1t c i p c 的结构模型图 - 0 图3 - l 中，鼠和岛分别为可控相间功率控制器电感元件支路和电容元件支路 的移相角，工和c 分别表示可控相闻功率控制器的电感元件和电容元件，略、 和艿分别为s 侧和r 侧的电压有效值和相角差。j 、g 和只分别为联络线电流 以及通过t c i p c 向r 端传输的有功功率和无功功率。v l 和v 2 分别表示正向导 通晶闸管和反向导通晶闸管，其门极的触发时刻是由系统的运行条件决定的。 3 3 t c i p c 白, 3 数学模型 3 3 1 电感支路的数学模型 带晶闸管的电感支路的结构模型及触发脉冲控制原理如图3 2 中的( a ) 和 ( b ) 所示。通过控制晶闸管的触发延迟角口，可以连续调节流过电抗器的电流 在零( 晶闸管阻断) 到最大值( 晶闸管全导通) 之间变化，相当于改变电抗器 的等效电抗值。 东北电力大学硕l 二学位论文 c a ) 电感支路的等值电路 u “，臣z 三芝三二羽 i 啦 i ( t ) 卜一、z 、：，l 、，- 一( b ) 触发控制电压、电流、脉冲波形图 图3 - 2 电感支路晶闸管触发控制原理图 设电感支路两端电压为 ( f ) = u 。c o s ( c o t )( 3 1 ) 将晶闸管视为理想开关，则在正半波时，电抗支路上的电流为： 妁= 圭胁胪瓦v m ( s i n 咖s i l l 口) c t _ c a t t r - 口 ( 3 - 2 ) 其中基波电抗x 。= 础，l 为电抗器的电感值。当c a t = 万一口时，由于支路电 流下降到零，晶闸管自动关断。在负半波，当f = 万+ c t 时，晶闸管反向导通， 类似可得到支路上的电流为 笙：茎，：竺竺鍪丝坠垩些些型鳖些一 j ( f ) = 了w m s i n a j t s i n ( 万+ 口) 】 万十口珊f s 2 x 一口 ( 3 3 ) 通过分析可知，通过变化触发延迟角口，支路上流过的电流可以连续变化， 并在口= o 时，取得最大值，在口= 时，取得最小值。 对支路的电流进行傅罩叶分解，可以得到其基波分量的幅值为 ，f = ( t 一等专m 口) s ( s 一4 ) 则电感支路的等效电纳为 蹦口) = 瓦i f = 瓦i ( 1 一等一；is i n 2 口) 。口必 ( 3 5 ) 因此，电感支路的基波电纳连续可控，最小值为b f m i 。 ) = o ( 对应口= ) ， 最大值为彤。 )