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1、可控硅控串联电容补偿器 tcsc 结构 原理及应用研究报告 1 1应用背景 在实际的电网运行中 应尽可能增大电网输送能力的同时还必须保持系统的安全稳定运行 目前常用的一些措施主要包括串联电容 并联电容 并联电抗以及同步调相机等设备 这些设备在改善系统运行条件 提高电力系统的稳定性 增强电网输电能力等方面起到了一定的作用 但这些设备都是采用机械式控制方式 在实际应用中有很大的局限性 控制速度慢 不能在短时间内频繁操作 装置老化快 寿命短等问题都制约了潮流控制的灵活性和系统稳定性的提高 难以充分利用电力设备的输电能力 1 2应用背景 为了解决电力系统存在的以上问题 提出了可控串联补偿电容器TCSC
2、 ThyristorControlledSeriesCompensation 可控串联补偿电容器是柔性交流输电系统 FACTS 的重要组成部分 在交流输电系统中利用串联电容器的容性阻抗补偿输电线的部分感性阻抗 可以缩短输电线路的等效电气距离 减小功率输送引起的电压降和功角差 从而提高线路输送能力和系统稳定性 同时增加线路输送容量 提升电网输电能力 在不改变原有输电网络结构的前提下 利用TCSC装置提高系统输电能力无疑是一种经济 有效的方法 2 1基本结构 组成元件 固定的串补电容C 并联一个由晶闸管控制的电抗器L 金属氧化物压敏电阻 M0V 晶闸管阀及旁路开关等元件组成 2 2基本结构 TCS
3、C通过对触发脉冲的控制改变晶闸管的触发角 继而改变由其控制的电感支路中电流的大小 连续改变总的等效电抗 3 1工作原理 TCSC有四种工作模式 晶闸管截止 此时 TCSC等同于固定串联补偿 晶闸管旁路 此时 VT1 VT2全导通 线路电流大部分通过L 整个TCSC呈现小电抗特性 容性微调模式 此时 VT1 VT2的导通角较小 整个TCSC的阻抗呈现大于C本身容抗的容性电抗特性 TCSC通常都是运行在容性微调模式 感性微调模式 此时 VT1 VT2的导通角较大 整个TCSC的阻抗呈现感性电抗特性 3 2工作原理 TCSC的电抗与有功功率的关系 等效电路图 传输功率可表示为 3 2工作原理 TCS
4、C的电抗与有功功率的关系 P是母线l流向母线2的有功功率 V1 V2分别是母线l和母线2的电压幅值 XL是线路感抗 XTCSC是包括固定串联容抗在内的TCSC电抗 1 2是母线1和母线2的电压相角 从上式可以明显地看出 通过改变TCSC的电抗值可以实现有功功率的调节 即 当TCSC呈容性补偿时 有功功率随着线路有效电抗的减小而增加 感性补偿时 则有功功率随着线路有效电抗的增加而减小 3 3工作原理 触发角 调节TCSC的阻抗 晶闸管控制串联电容器的单相电路结构如图1所示 由电容器与晶闸管控制的电抗器并联构成 实际应用中需要将多个TCSC单元串联起来组成一个特定容量的装置 3 3工作原理 触发角
5、 调节TCSC的阻抗 TCSC的稳态基波阻抗 3 3工作原理 触发角 调节TCSC的阻抗 3 3工作原理 触发角 调节TCSC的阻抗 3 3工作原理 为防止TCSC产生谐振 在容性控制区要求 不得小于某一值 X 随着触发延迟角 的变化过程如下图所示 表明TCSC通过适当控制TCR支路的触发延迟角可以获得一个连续可变的等效阻抗 触发角 调节TCSC的阻抗 3 3工作原理 触发角 调节TCSC的阻抗 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 由于存在谐振区 从感性区到容性区的平滑过渡是不可能的 不管在容性区域还是在感性区域 运行
6、点通常都被限制在最小电抗极限和最大电抗极限之间 3 4工作原理 串补度S 取串补度S XC XL则推导可得 传输功率是串补度的函数 即 TCSC的功角特性如下图所示 3 4工作原理 串补度S 可以看出 在0 90 之间 随着s的增加 传输功率也不断增加 但随着 值的减小 传输功率的提高是逐渐减小的 另外 TCSC的补偿是容性补偿 只能增加线路的传输功率 4 1工程应用 国际研究与应用状况345kV1991年美国345kVKanawhariver输电工程 1991年 美国500kVSlatt输电工程 1993年 2002年西门子公司得到了中国南方电网公司的天生桥 广东500kV交流输变电天广平果
7、站可控串补 TCSC 工程 4 2工程应用 国内研究与应用状况2003年7月 国内第一套500kV可控串补在天广线平果站投入运行 完全由Siemens公司供货 承受电压等级为500kV 可控部分补偿度为5 2004年 由中国电力科学研究院自主研制的TCSC装置在西北电网220kV某变电站建成投入运行 可控部分补偿度50 是目前世界上可控部分补偿度最大的工程 2007年 由国内自主开发的TCSC装置在东北电网500kV某变电站投入运行 补偿容量为652Mvar 5 1发展前景 具有以下优点 快速连续地调节输电线路串联补偿度 动态控制输电线路潮流 优化电网潮流分布和减少网损 通过控制线路潮流 阻尼功率振荡 能提高线路串联补偿度并抑制SSR 提高电力系统的静态和暂态稳定性 有助于调节母线电压 缓解电压不稳定问题 可以转人可控感性模式 降低线路短路电流 当线路输送的功率相同时 即使串联电容器每千乏 kVar 的成本由于其较高的运行电压是并联电容器的两倍 串联电容器补偿的总体成本要比并联补偿要低一些 综合来看可控串联补偿的出现是电力工业发展的必然趋势 TCSC在现代电网中的应用正在逐渐推广 目前全世界有多个TCSC工程在投入运行
