曹 路，李海峰，陈 珩，曹 然
东南大学电气工程系，江苏省南京市210096
1 引言
可控串联补偿装置（TCSC）是一种重要的灵活交流输电系统（FACTS）设备，可以起到调节潮流、抑制振荡、减小短路电流、提高系统稳定性等作用，尤其适用于远距离高压输电系统。由于TCSC中加入了电力电子器件，在进行仿真研究时需要作特殊处理。
TCSC的研究模型可分为功能模型和器件模型。功能模型把TCSC作为理想的可变电抗支路，通常用一阶惯性环节模拟TCSC对命令电抗的响应过程。器件模型则模拟TCSC的实际结构，包括电容器、并联电感、反并联晶闸管等器件。在仿真过程中，通过晶闸管的导通和关断实现TCSC的阻抗改变。由于器件模型能最大程度地保持TCSC的真实结构，因此器件级仿真可以反映出TCSC的实际动作以及系统对TCSC实际动作的响应。
本文以东北电网伊敏－大庆可控串补输电工程为例［1］，采用西门子公司提供的NETOMAC软件对TCSC器件模型进行了数字仿真研究。
2 TCSC器件模型
2．1 模型及参数
TCSC的器件模型如图1所示。其中：
·电容器C的电容值为119．2μF，基波容抗为26．7Ω；
·并联电感L的基波感抗为4．5Ω，计及晶闸管管压降，并联电感回路的总品质因数Q为50；
·金属氧化物可变电阻MOV作为非线性电阻，用V－A特性表示，见表1，保护水平为2．2倍。TCSC等效电抗的可调范围在－5．6Ω（感性）至80．1Ω（容性）之间。
考虑到三相晶闸管并非同时导通，需要对三相分别建模，分别触发。
图1 TCSC器件模型
2．2 触发过程
在晶闸管关断状态下，TCSC相当于普通串补。当晶闸管承受正向电压，且门极有触发信号时，晶闸管导通，并联电感支路有电流流过，TCSC等效阻抗将改变。触发信号出现的时刻（或称触发角α）与TCSC等效基波阻抗Xc之间有如下对应关系［2］：
根据式（1）和上列参数，可用曲线表示出Xc与α角的关系，如图2所示。图中，Xc数值为正表示TCSC呈容性，反之为感性。触发角在90°处为旁路状态，180°处为闭锁状态，在143°附近为谐振区，运行时应避开，以免产生谐振，危及设备。
实际研究中，可事先将Xc与α的对应关系以表格形式表示，由Xc快速查出触发角α，用于触发控制。
2．3 触发控制
TCSC触发控制是指控制TCSC中晶闸管触发信号出现的时刻，使TCSC的等效阻抗能平滑快速地跟踪命令阻抗，以发挥TCSC的控制作用。
研究表明，在容性区域内，晶闸管导通时间越长，并联电感支路电流越大，电容电压uc中的谐波分量也越大。为此采用了快速富里叶（FFT）算法，滤出线路电流il和uc的基波分量，进而根据阻抗的定义，得到TCSC的等效基波阻抗。
如果采用简单的开环控制，则调节时间和超调量受命令电抗Xord的影响较大，调节效果不理想。所谓命令电抗就是由控制策略要求的电抗。为了能使TCSC对不同的命令电抗都有较好的响应，在触发控制中采用了具有在线参数调整的不完全比例积分微分（PID）控制器，如图3所示。
图3 具有在线参数调整的不完全微分
PID控制器原理框图
对不同的命令电抗，分别用开环控制器和具有在线参数调整的不完全微分PID控制器进行TCSC触发控制，得到的响应曲线见图4。命令电抗为53．4Ω时，TCSC的电压和电流响应波形见图5。
由图4可见，具有在线参数调整的不完全微分PID控制器对不同命令电抗都有较好的控制效果。而图5显示，在晶闸管导通前，电容电压uc、线路电流il、电容电流ic均保持正弦；触发后，电感支路在晶闸管导通期间出现电流iTCR，使电容电流、电容电压中出现谐波分量，而线路电流的变化不明显。这些现象是用功能模型仿真时无法获得的。
2．4 仿真步长的选择
在进行TCSC器件级仿真时，需要选择较小的步长。这是因为，TCSC中的每个反并联晶闸管在一个基波电压周期内正负向各导通一次，三相反并联晶闸管在一个周期内需要触发6次。对于50 Hz系统，相当于3．33 ms触发一次，所以仿真步长必须小于3．33 ms方可确保晶闸管能正确触发。
但是，为得到正确的TCSC等效阻抗，步长还应减小，因为等效阻抗与晶闸管的触发角度直接相关。根据图2，在谐振区两侧，等效阻抗的变化比较剧烈，触发角改变很小便使等效阻抗变化很大。为保证等效阻抗的跟踪效果，仿真步长需要足够小。但另一方面，小的仿真步长会引起计算耗时的延长，也将带来累积误差，影响计算精度。所以在进行TCSC器件级仿真时，选择合适的步长是非常重要的。
图6显示用不同的仿真步长得到的TCSC等效阻抗的阶跃和斜坡响应。可见，不同的仿真步长会产生不同的结果。步长取1ms时，等效阻抗的响应很差，不能有效地跟踪命令电抗的改变；随着步长的减小，阻抗响应逐渐好转，至0．05ms和0．1ms步长时，等效阻抗与命令电抗很接近，跟踪速度也较快，表明这样的仿真步长较为理想。考虑到0．05ms和0．1ms步长的阻抗响应相当接近，为减少计算耗时，可取仿真步长为0．1ms。
图4 TCSC对
图5 TCSC的电压和电流在触发过程中的波形（A相）
图6 仿真步长对等效阻抗响应的影响
3 工程实例
伊敏电厂位于内蒙古东部，为坑口电厂，一期工程装机2×500MW，二期工程装机2×600MW，所发电力通过500kV线路经冯屯、大庆变电站送往东北电网，主要供给辽宁地区负荷。由于出线困难，伊敏至大庆只允许架设双回线路。而该线路又长达487km，为提高系统的暂态稳定性，决定在冯屯变电站装设TCSC。研究中所用的等值系统如图7所示，由17台发电机（包括等值机）组成，含140个节点、120条支路、69台变压器、42个负荷以及主要机组的调节系统。
研究中采用模糊逻辑控制方法作为TCSC的暂态稳定控制器，TCSC的模型分别采用图1所示器件模型和以一阶惯性环节表示的功能模型，惯性时间常数取为0．03s。仿真中采用的故障型式包括三相短路和单相接地短路。三相短路过程为：TCSC线路侧在0．1s发生三相短路，经0．1s断路器将故障线路切除。单相接地短路过程为：TCSC线路侧在0．1 sA相接地短路，经0．1s故障相被切除，经0．8sA相重合，故障仍然存在，又经0．1s故障线路三相切除。
在故障期间，为防止MOV的能耗过高，将TC－SC转入旁路状态，即由电容转为小电感。故障清除后的2s内，TCSC又变回容性，且将在工作能力的允许范围内把串补度调节至最大，以充分发挥其作用。在由感性转换到容性的过程中，插入了持续时间为一个周期的晶闸管闭锁状态，使TCSC进入容性区后能正确触发。
根据以上条件，用NETOMAC软件进行数字仿真计算，可得暂态稳定过程中伊敏厂的发电机功角摇摆曲线，如图8所示。可见，采用器件模型和功能模型的仿真结果基本一致，说明二者在系统中的功能相同，也说明所采用的器件模型是正确的。
图8 伊敏厂的发电机功角摇摆曲线
TCSC的工作能力取决于线路电流［3］。线路电流大，则TCSC的等效电抗限制值Xlimit小，反之Xlimit大。图9给出了暂态稳定过程中电抗限制值Xlimit、命令电抗Xord和实际等效电抗Xact的变化曲线。可见模糊逻辑控制器输出的Xord均小于Xlimit，TCSC的触发控制也有较好的跟踪性能,保证了TCSC暂态稳定控制功能的实现。
图10显示了暂态过程中MOV的动作情况。在uc峰值超过128,228kV时,MOV电流imov将逐渐大，且符合表1中的V－A关系。
4 结束语
以上的研究表明，本文采用的TCSC器件模型可以适用于实际多机电力系统的数字仿真研究，选用的仿真步长和触发控制能够较好地体现TCSC的阻抗变化功能，并且能正确反映TCSC的电压、电流在触发过程中的实际波形，从而为进一步研究TC－SC设备的控制打下了良好的基础。
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