可控串聯(lián)補償動模裝置控制功能及監(jiān)控保護系統(tǒng)的研究

近年來，已經(jīng)取得了許多關(guān)于互聯(lián)補償（tcc）的研究成果。這些成果主要集中在數(shù)字模擬的基礎(chǔ)上。然而，數(shù)字模擬結(jié)果的準確性和準確性與數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建和模擬方法的選擇密切相關(guān)，而且整個時域的數(shù)字模擬研究仍然存在許多困難。TCSC的動模實驗裝置不僅可以方便地進行TCSC的運行、控制和保護策略的研究,還可以研究一些數(shù)學(xué)模型很難甚至無法描述的特殊現(xiàn)象,如氧化鋅(MOV)的擊穿等。本文在分析TCSC動模裝置的控制功能和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,簡要介紹了TCSC動模裝置的總體結(jié)構(gòu),并在相應(yīng)的動模實驗條件下,進行了TCSC裝置的阻抗調(diào)節(jié)實驗,同時在主控制采用定功率控制時進行了TCSC裝置的過電壓保護實驗。實驗結(jié)果表明,TCSC動模裝置能夠快速準確地調(diào)節(jié)阻抗,且過電壓保護系統(tǒng)可靠。1底層控制tsc典型的TCSC控制功能包括定電抗控制、定功率(電流)控制、次同步諧振(SSR)抑制、阻尼系統(tǒng)功率振蕩、電壓控制和開環(huán)控制。為了實現(xiàn)上述控制功能,宜采用分層控制策略,為此可以將TCSC裝置的控制分為面向裝置的底層控制和面向電力系統(tǒng)的上層控制。圖1給出了TCSC裝置控制的基本功能和結(jié)構(gòu)。底層控制包括底層觸發(fā)控制和觸發(fā)脈沖生成2個功能單元,前者將上層控制器產(chǎn)生的基頻等值電抗指令轉(zhuǎn)換成觸發(fā)控制角指令,后者則根據(jù)所選定的同步信號將觸發(fā)控制角指令轉(zhuǎn)換成晶閘管觸發(fā)脈沖并啟動晶閘管功率觸發(fā)元件(脈沖變壓器)。底層控制實現(xiàn)TCSC3種基本運行模式(BLOCK、BY-PASS以及微調(diào)運行)的相互切換,基本要求是運行模式之間的轉(zhuǎn)換快速平穩(wěn)。上層控制系統(tǒng)用于根據(jù)系統(tǒng)的運行狀況生成TCSC的基頻等值阻抗指令,以滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的要求。這里,按照TCSC裝置應(yīng)用場合的不同,將上層控制分為穩(wěn)態(tài)運行調(diào)節(jié)的主控制模式和用于動態(tài)控制的附加控制模式2種。主控制模式包括阻抗控制、電流或者功率控制以及手動控制。附加控制模式包括阻尼功率振蕩(PSDC)、暫態(tài)穩(wěn)定控制(TSC)2種運行方式,還可以包括SSR控制和暫態(tài)電壓控制。TCSC的運行也可以采用開環(huán)阻抗控制模式。此外,手動阻抗控制也是必須具備的功能,主要用于裝置的調(diào)試。2實驗平臺整體設(shè)計所研制TCSC裝置的控制保護系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。從功能實現(xiàn)上裝置分為霍爾傳感器、信號接口模塊、控制保護單元、錄波單元、通信及遠程監(jiān)控單元等5個部分。霍爾傳感器部分主要是完成對需要測量的電流、電壓信號的獲取;信號接口模塊主要完成信號調(diào)理及觸發(fā)脈沖的隔離驅(qū)動等功能;控制保護工控機的CPU插件是TCSC的主控制器,它與控制采集卡、數(shù)字觸發(fā)卡、保護卡和保護擴展卡一起通過工控機的底板ISA插槽相連接,構(gòu)成整個動模裝置的控制核心,采用雙口RAM共享存儲器的方式進行數(shù)據(jù)交換,主要實現(xiàn)各種控制算法和保護算法以及對晶閘管的脈沖觸發(fā);錄波系統(tǒng)主要由一體化的工控機和2塊錄波插件及1塊開關(guān)量插件通過工控機的ISA總線組成,也采用雙口RAM共享存儲區(qū)的方式進行數(shù)據(jù)交換,主要功能是記錄和顯示TCSC本身及線路的運行狀態(tài);RS-232串口通信主要負責(zé)將整個實驗平臺各個部分有機地連接在一起,并負責(zé)上傳錄波數(shù)據(jù)和下傳控制指令;遠程監(jiān)控機處于整個系統(tǒng)的最上層,為用戶提供了良好的人機接口,用戶可通過遠程監(jiān)控計算機獲取TCSC裝置本地運行狀態(tài)及其參數(shù),以及由遠方向TCSC系統(tǒng)下發(fā)控制指令以實現(xiàn)對裝置的遠程監(jiān)控。3動模實驗裝置所研制的TCSC動模實驗裝置由4個控制屏組成,分別為:主控制屏、A相主電路屏、B相主電路屏和C相主電路屏。將ABC三相主電路屏和主控制屏分開設(shè)計是為了減少一次系統(tǒng)主電路對二次系統(tǒng)潛在的電磁干擾。為了驗證所研制的TCSC動模裝置的有效性,筆者在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)上進行了相關(guān)實驗,動模實驗連接圖如圖3所示,為一臺15kV·A的發(fā)電機通過升壓變壓器后由雙回340km的輸電線路與無窮大系統(tǒng)相連。其中,TCSC裝置裝在第2回線距離升壓變壓器端260km處,動模實驗中TCSC裝置采用補償300km線路的接線方式,TCSC的電容器和電抗器的參數(shù)分別為680μF和2.5mH。TCSC裝置電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗參數(shù)為:模擬系統(tǒng)母線電壓800V,模擬發(fā)電機組G02銘牌額定數(shù)據(jù)線路的k1、k2、k3和k4點裝有接地開關(guān),用來模擬接地短路故障。實驗中采用2種錄波方式,分別為采用TCSC裝置自身的錄波系統(tǒng)錄波(稱為錄波方式1)和采用中元華電公司的便攜式錄波儀錄波(稱為錄波方式2)。3.1開環(huán)阻抗測試TCSC的命令阻抗指令響應(yīng)時間是TCSC裝置一個非常重要的參數(shù),對于數(shù)學(xué)模型的建立和控制器的設(shè)計都具有重要意義。通過靜模實驗測試本套TCSC實驗裝置的阻抗指令響應(yīng)時間,該實驗系統(tǒng)通過2個無窮大電源對含TCSC的雙回線供電。給定TCSC的方波命令阻抗在5.5Ω和12.5Ω變化,頻率為0.25Hz,即每隔2s切換一次。開環(huán)阻抗的實驗結(jié)果如圖4所示,圖4(a)中波形從上到下依次為:A相線路電流、A相電容電壓、B相電容電壓、C相電容電壓、A相電感電流、B相電感電流、C相電感電流、A相線路電流、B相線路電流、C相線路電流;圖4(b)為基頻阻抗階躍變化放大波形,其中,TCSC的指令響應(yīng)時間為60～140ms(3～7個工頻周期),由高補償區(qū)跳變到低補償區(qū)約需60ms,由低補償區(qū)跳變到高補償區(qū)約需140ms。3.2tsc的過錯保護當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,將會有很大的電流流過TCSC裝置,在其電容器上產(chǎn)生很高的過電壓。為了減輕MOV能量吸收負擔(dān),當(dāng)MOV負載達到一定的水平時,則啟動旁路模式。TCSC過電壓保護的核心問題是:在內(nèi)、外部故障情況下如何對TCSC實行晶閘管硬旁路(保護動作)。本套TCSC裝置的保護方式是:內(nèi)部故障啟動旁路,外部故障當(dāng)過電壓或過電流超過保護設(shè)定值才啟動旁路保護。為了測試系統(tǒng)三相短路故障對TCSC裝置的影響,同時驗證裝置過電壓保護功能的有效性,在以線路電流為同步信號的方式下,當(dāng)TCSC裝置的上層采用定功率控制,中層采用開環(huán)阻抗控制時,選取了如圖3所示的4個短路點進行TCSC的過電壓保護實驗。其中,k1、k22點為TCSC區(qū)外故障點:k1點在母線D14上,k2點為340km模擬線路距離D14母線54%長度處。k3、k42點為TCSC區(qū)內(nèi)故障點:k3點為260km模擬線路距離D14母線50%的長度處,k4點為260km模擬線路距離D14母線80%的長度處。實驗中短路方式采用電力系統(tǒng)中最嚴重的三相接地短路,短路故障發(fā)生后,若過電壓保護動作,三相接觸器將同時閉合,此時TCSC相當(dāng)于一個小電感串接在線路中,起到抑制短路電流的作用。需要說明的是,經(jīng)實驗證明:定電流控制方式下系統(tǒng)三相接地短路故障對TCSC的影響與定功率控制方式下的情況基本相同。3.2.1定功率控制情況下的擾動TCSC運行工況:定A相有功功率參考指令為2.2kW,定功率PID控制器參數(shù)為Kp=3.5,Ki=2.0,Kd=0.1,τs=0.04s。圖5為TCSC區(qū)外k1點三相接地短路時的響應(yīng)曲線,其中圖5(a)(c)為k1點發(fā)生大約30ms的三相短路時保護沒有動作的情況下TCSC的響應(yīng)情況,故障切除后大約經(jīng)過400ms的調(diào)節(jié),系統(tǒng)又恢復(fù)到故障前的狀態(tài),這說明在定功率控制情況下發(fā)生較小的擾動,TCSC能夠通過定功率控制器的調(diào)節(jié)恢復(fù)到擾動前的初始狀態(tài)。圖5(b)(d)為k1點發(fā)生550ms的三相接地短路的響應(yīng)情況。TCSC在故障發(fā)生50ms后保護動作,保護信息顯示為A相電容電流越限,這時TCSC切換到晶閘管硬旁路的保護運行模式,在故障切除之后大約2.5s系統(tǒng)經(jīng)過振蕩穩(wěn)定下來。圖中,錄波方式2對應(yīng)波形從上到下依次為AB相輸入線電壓、A相線路電流、A相電容電壓、B相電容電壓、C相電容電壓、A相電感電流、B相電感電流、C相電感電流、A相線路電流、B相線路電流、C相線路電流,后同。圖6(a)(c)為k2點發(fā)生大約180ms的三相短路時保護沒有動作的情況下TCSC的響應(yīng)情況,故障切除后大約經(jīng)過1.5s的調(diào)節(jié),系統(tǒng)又恢復(fù)到故障前的狀態(tài),這說明在定功率控制情況下發(fā)生較小的擾動,TCSC能夠通過定功率控制器的調(diào)節(jié)恢復(fù)到擾動前的初始狀態(tài)。圖6(b)(d)為k2點發(fā)生480ms的三相短路的響應(yīng)情況。TCSC在故障發(fā)生220ms后保護動作,保護信息顯示為B相電容電流越限,這時TCSC切換到晶閘管硬旁路的保護運行模式,在故障切除之后大約2.5s系統(tǒng)經(jīng)過振蕩穩(wěn)定下來。實驗條件與k1點短路時的實驗條件相同。3.2.2含油點短路情況下晶閘管硬旁路保護動作TCSC運行工況:定A相有功功率參考指令為2.5kW,定功率PID控制器參數(shù)為Kp=3.5,Ki=2.5,Kd=0.1,τs=0.04s。圖7為k3點發(fā)生約200ms的三相短路,且在故障發(fā)生之后的150ms時TCSC保護動作(A相電容電流越限),切換到晶閘管硬旁路的保護運行模式。在保護動作之后大約2.5s系統(tǒng)經(jīng)過振蕩穩(wěn)定下來。圖8為k4點發(fā)生120ms的三相短路,且在故障發(fā)生之后的60ms時TCSC保護動作(B相電容電流越限),切換到晶閘管硬旁路的保護運行模式。在保護動作之后大約2.5s系統(tǒng)經(jīng)過振蕩穩(wěn)定下來。實驗條件與k3點短路時的實驗條件相同。觀察圖5～8可得到下面的結(jié)論:a.在同一短路點,三相接地短路故障對TCSC的影響和短路時間有關(guān),短路時間越長,對TCSC的影響越大,當(dāng)短路時間較長時,將引起TCSC各電氣量的衰減振蕩,同時保護動作;b.三相接地短路故障的短路點離TCSC越近,對TCSC影響越大,易引起TCSC各電氣量的衰減振蕩,故障后需要更長的時間才能恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài);c.對于區(qū)內(nèi)或區(qū)外短路故障,當(dāng)某一相有保護狀態(tài)量越限時,三相旁路接觸器迅速閉合,使TCSC進入晶閘管硬旁路保護運行模式,抑制短路電流,驗證了TCSC裝置過電壓保護功能的有效性;d.對于區(qū)外短路故障,當(dāng)沒有任何一相有保護狀態(tài)量越限時,定功率控制器在故障切除后能夠?qū)⑾到y(tǒng)調(diào)整到故障前的狀態(tài)。4系統(tǒng)的具體實現(xiàn)a.根據(jù)典型的TCSC控制功能,得出所研制TCSC裝置的控制功能和結(jié)構(gòu),裝置的控制功能分為面向裝置的底層控制和面向電力系統(tǒng)的上層控制。介紹了TCSC裝置的監(jiān)控和