TSC＋TCR型SVC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓影響的研究

安裔銘，馮星淇，張明理

（1.龍?jiān)措娏煞萦邢薰荆本?100037；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

專論

TSC＋TCR型SVC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓影響的研究

安裔銘1，馮星淇1，張明理2

（1.龍?jiān)措娏煞萦邢薰荆本?100037；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

隨著風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓不穩(wěn)定問(wèn)題日益突出，對(duì)靜止無(wú)功補(bǔ)償器補(bǔ)償性能的要求也有所提高。針對(duì)以往常用類型的SVC存在不足的問(wèn)題，對(duì)TSC＋TCR型SVC的工作原理與控制方法進(jìn)行了研究。在PSCAD環(huán)境下的仿真計(jì)算表明，該類型SVC具有更快的響應(yīng)速度，更小的電壓波動(dòng)，補(bǔ)償性能更高。最后，在含有風(fēng)電場(chǎng)的IEEE3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，仿真了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處發(fā)生三相短路以及風(fēng)速變化干擾時(shí)，TSC＋TCR型SVC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓的影響。

風(fēng)電場(chǎng)；TSC＋TCR型SVC；電壓穩(wěn)定

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于SVC研究表明，SVC的類型、安裝地點(diǎn)［1－3］等是影響SVC補(bǔ)償效果主要因素。文獻(xiàn)［4－5］指出，固定電容器（Fixed Ca?pacitor，F(xiàn)C）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)大部分牽引變電所都采用此種補(bǔ)償方式，但由于牽引負(fù)荷波動(dòng)大，F(xiàn)C在輕載時(shí)會(huì)形成無(wú)功反送，負(fù)荷較大時(shí)又會(huì)補(bǔ)償不足；文獻(xiàn)［6］介紹的固定電容器＋晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）型SVC解決了此問(wèn)題，該補(bǔ)償器不僅可以向系統(tǒng)輸送容性無(wú)功，還可以向系統(tǒng)輸送感性無(wú)功，但由于TCR工作中產(chǎn)生的感性無(wú)功電流需要固定電容中的容性無(wú)功電流來(lái)平衡，因此在需要實(shí)現(xiàn)輸出額定感性無(wú)功時(shí)，TCR的容量則應(yīng)是額定容量的2倍，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件和電感容量上的浪費(fèi)。

隨著風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓不穩(wěn)定問(wèn)題的日益突出，對(duì)SVC補(bǔ)償性能的要求也有所提高［7］，為了克服以上文獻(xiàn)提到的補(bǔ)償器的缺點(diǎn)，本文主要研究了TCR和晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）組合式SVC的工作原理及控制方法，并在PSCAD環(huán)境下對(duì)其無(wú)功調(diào)節(jié)及電壓控制能力進(jìn)行分析，同時(shí)引用含風(fēng)電場(chǎng)的IEEE 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，考察在三相短路以及風(fēng)速變化干擾情況下，TSC＋TCR型SVC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓的影響。

1 TSC＋TCR型SVC

1.1 TSC＋TCR型SVC簡(jiǎn)介

TSC＋TCR型SVC是通過(guò)TSC作容性無(wú)功分級(jí)粗調(diào)與TCR作感性無(wú)功相控細(xì)調(diào)來(lái)進(jìn)行平滑連續(xù)無(wú)功調(diào)節(jié)的，該類型補(bǔ)償器諧波含量低，響應(yīng)速度快，可快速改變發(fā)出的無(wú)功，具有較強(qiáng)的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，從而提供動(dòng)態(tài)電壓支撐，加快暫態(tài)電壓恢復(fù)，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平。該種補(bǔ)償器一般含有一組TCR與多組TSC，在設(shè)計(jì)時(shí)補(bǔ)償器內(nèi)部要串聯(lián)降壓變壓器，這不僅可以避免晶閘管承受過(guò)高的電壓，也可消除由晶閘管產(chǎn)生的3次諧波。該補(bǔ)償器接線方式如圖1所示，VS為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓；VSVC為變壓器二次側(cè)電壓；ISVC為流過(guò)補(bǔ)償器的電流；Bσ為變壓器等效電納；BL為電抗器電納；BC為電容電納。

圖1 TSC＋TCR型SVC裝置接線圖

1.2 TSC＋TCR無(wú)功補(bǔ)償基本原理

本文基于改善電壓調(diào)整的基本功能，對(duì)TSC＋TCR的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)幕竟ぷ髟碜龊?jiǎn)單介紹［8］。

圖2為系統(tǒng)與TSC＋TCR的電壓－無(wú)功功率（電流）V－Q（I）特性曲線。

圖2 SVC無(wú)功補(bǔ)償原理圖

圖2中折線CABD為TSC＋TCR的V－Q特性曲線，A－B段為補(bǔ)償器正常運(yùn)行范圍，其斜率為常數(shù)，一般取值為0.02～0.05。系統(tǒng)端口的網(wǎng)絡(luò)特性等效為斜線1、2，其中斜線1代表電源與負(fù)荷間的無(wú)功功率平衡狀態(tài)，此時(shí)補(bǔ)償器輸出無(wú)功功率為0，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定在參考電壓Vref；斜線2代表電源發(fā)出無(wú)功功率大于負(fù)荷需求的狀態(tài)，電壓升高到Vr，此時(shí)補(bǔ)償器發(fā)出感性無(wú)功電流ISVC，使負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓保持穩(wěn)定，以上過(guò)程可由式（1）表示：

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由式（1）可得到電壓控制目標(biāo)ΔV：

設(shè)計(jì)電壓調(diào)整器，使ΔV無(wú)限趨近于0，令式（1）左右兩側(cè)相等，以此作為補(bǔ)償器電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

1.3 TSC＋TCR型SVC控制系統(tǒng)

1.3.1 總體結(jié)構(gòu)框圖

一個(gè)常規(guī)TSC＋TCR型SVC控制系統(tǒng)包括各類組件［9］，如測(cè)量電路、電壓調(diào)整器、邏輯控制器、觸發(fā)電路及其它輔助控制。測(cè)量電路在測(cè)出系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓VS與補(bǔ)償器電流ISVC后，根據(jù)式（2）求出控制目標(biāo)電壓ΔV，通過(guò)電壓調(diào)整器調(diào)整后輸出電納基準(zhǔn)信號(hào)Bref，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)納計(jì)算環(huán)節(jié)計(jì)算出非線性感性電納BTCR與電容器電納BTSC，兩者分別通過(guò)非線性計(jì)算與邏輯運(yùn)算獲得控制觸發(fā)角α和投入n組電容器的邏輯電平，最后再由觸發(fā)電路形成脈沖信號(hào)令補(bǔ)償器動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 常規(guī)TSC＋TCR控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3.2 TSC控制原理

TSC主要起可變電容的作用，其電容的投切是靠晶閘管控制的，計(jì)算出應(yīng)該投入電容器組數(shù)n后，在電容電壓超前電流90°時(shí)刻（見(jiàn)圖4），利用邏輯電路依次投切相連的電容器。

圖4 TSC的投切過(guò)程

1.3.3 TCR控制原理

TCR的作用是在TSC分組投入或退出之后做出細(xì)微調(diào)節(jié)，其基本單元是一個(gè)與雙向晶閘管（或可控硅）開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電抗器，改變晶閘管的控制角α，進(jìn)而改變導(dǎo)通角θ與流過(guò)TCR的電流ΙTCR。晶閘管在α為90°時(shí)獲得完全導(dǎo)通；當(dāng)α在90°～180°時(shí)為部分導(dǎo)通；0°～90°之間的觸發(fā)角是不允許的，因?yàn)閷a(chǎn)生含有一直流分量的不對(duì)稱電流。結(jié)合圖1，可求流經(jīng)TCR的電流ITCR：

將式（4）代入式（3）可得輸出等效電納BTCR與控制角α的函數(shù)關(guān)系：

控制角α調(diào)節(jié)范圍為90°～180°，由式（5）可求最大等效電納值BTCRmax＝BL（α＝90°），最小等效電納值為BTCRmin＝0（α＝180°），圖5為輸出導(dǎo)納隨控制角α變化的非線性曲線。

圖5 輸出導(dǎo)納特性

2 TSC＋TCR型SVC補(bǔ)償能力分析

基于以上TSC＋TCR型SVC無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹砑半妷嚎刂频臄?shù)學(xué)模型，本節(jié)在PSCAD環(huán)境下對(duì)TSC＋TCR型SVC進(jìn)行了建模，并對(duì)其在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)的補(bǔ)償能力進(jìn)行了仿真，同時(shí)與另2種SVC：FC、FC＋TCR做了比較。母線額定電壓為1 pu，兩個(gè)無(wú)功負(fù)荷容量分別300 Mvar和87 Mvar，在運(yùn)行1 s時(shí)，87 Mvar的負(fù)荷被切除，F(xiàn)C容量為271.3 Mvar，TCR容量為100 Mvar，TSC容量為271.3 Mvar。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖6可以看出，0～1 s時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)出的無(wú)功比負(fù)荷需求的無(wú)功少140 Mvar，母線電壓降低，t＝1 s時(shí)，部分負(fù)載被切除，負(fù)荷需求減小，使得系統(tǒng)與負(fù)荷間無(wú)功差值變?yōu)?0 Mvar，母線電壓有輕微的回升，但仍然低于額定值。

圖6 無(wú)補(bǔ)償情況下負(fù)荷變化時(shí)無(wú)功流動(dòng)與母線電壓

圖7 3種SVC補(bǔ)償效果比較

從圖7明顯可以看出，3種補(bǔ)償器補(bǔ)償效果的不同，當(dāng)負(fù)荷被切除時(shí)，F(xiàn)C不能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使得系統(tǒng)與FC輸出的無(wú)功遠(yuǎn)大于負(fù)荷需求值，進(jìn)而導(dǎo)致母線電壓達(dá)到1.06 pu，嚴(yán)重超過(guò)額定參考電壓值，出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象；FC＋TCR與TSC＋TCR都可以跟隨負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使電壓穩(wěn)定在正常工作范圍之內(nèi)，但在負(fù)荷發(fā)生變化的瞬間，F(xiàn)C＋TCR超調(diào)量達(dá)到了0.06 pu，且母線電壓持續(xù)0.16 s達(dá)到平衡，而TSC＋TCR的超調(diào)量為0.035 pu，只持續(xù)0.05 s就達(dá)到期望值。通過(guò)比較可知TSC＋TCR型SVC響應(yīng)速度更快，補(bǔ)償效果更好。

3 TSC＋TCR型SVC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓的影響

本文取IEEE3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖8），其中G3換成同容量的風(fēng)電場(chǎng)，并網(wǎng)母線3處設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置。在BUS8～BUS9線路50%處設(shè)置1個(gè)三相短路故障，其中，5 s時(shí)故障動(dòng)作，故障持續(xù)時(shí)間為0.5 s。風(fēng)電場(chǎng)額定風(fēng)速為10 m／s，不考慮陣風(fēng)和斜坡風(fēng)干擾。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 含風(fēng)電場(chǎng)的IEEE3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

圖9 3種情況下補(bǔ)償器對(duì)母線3的影響

由圖9可以看出，TSC＋TCR型SVC能夠快速為系統(tǒng)提供無(wú)功支持，且補(bǔ)償無(wú)功量合適，在故障和干擾情況下都能夠使母線電壓快速恢復(fù)額定值，并維持穩(wěn)定。并聯(lián)電容器雖然能一定程度的提供無(wú)功支持，但在大擾動(dòng)和故障時(shí)，維持母線電壓能力較SVC要稍差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)TSC＋TCR型SVC無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕窘Y(jié)構(gòu)、控制原理進(jìn)行了分析，并通過(guò)實(shí)際仿真驗(yàn)證了SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償效果的優(yōu)越性。從理論分析和仿真結(jié)果證明了在系統(tǒng)故障和干擾情況下，TSC＋TCR型SVC都能夠使風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)母線電壓快速恢復(fù)額定值，并且可以縮短風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)在短路擾動(dòng)后的暫態(tài)過(guò)程。

［1］張 靖，程時(shí)杰，文勁宇，等.通過(guò)選擇SVC安裝地點(diǎn)提高靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的新方法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（34）：7－11.

［2］Song S H，Lim J U，Moon S II.Installation and operation of FACTS devices for enhancing steady?state security［J］.Electric Power Systems Research，2004，70（1）：7－15.

［3］Jurado F，Rodriguez J A.Optimal location of SVC based on sys?tem loadability and contingency analysis［C］／／Emerging Technologies and Factory Automation，1999.Proceedings.ETFA＇99.1999 7th IEEE International Conference on.IEEE，1999：1193－1199 vol.2.

［4］Comparison of Costs and Benefits for Dc and AC Transmission. Qak Ridge National Laboratory ORNL－6204，F(xiàn)ebruary 1987.

［5］Edris A A.Enhancement of first?swing stability using a high?speed phase shifter［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1991，6（3）：1113－1118.

［6］王海東，黃 玲，紀(jì)建偉.基于分布式電源系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償［J］.東北電力技術(shù)，2010，31（5）：21－23.

［7］賈書(shū)杰，徐建源，朱 鈺，等.風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響研究［J］.東北電力技術(shù)，2013，34（2）：15－18.

［8］粟時(shí)平，劉桂英.靜止無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［9］陳紅翔.SVC電壓控制原理分析及在500 kV甌海變采用SVC進(jìn)行無(wú)功電壓控制的可行性研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2004.

Research on the Influences of the TSC＋TCR SVC for Voltage at PCC of Wind Farm

AN Yi?ming1，F(xiàn)ENG Xing?qi1，ZHANG Ming?li2
（1.China Longyuan Power Group Co.，Ltd.，Beijing 100037，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

As the problem about voltage instability of wind farm node becomes increasingly prominent，the requirement for compensa?tion performance of the Static Var Compensator（SVC）also needs to be improved.In this paper，the operating principle and controlling method of TSC＋TCR SVC are studied.Simulation results in the PSCAD platform show that this kind of SVC has a faster response speed and a smaller voltage fluctuation.The simulation about TSC＋TCR SVC effecting wind farm node voltage is done when occurring three phase short circuit and wind speed change interference through IEEE three?generators 9?nodes power system.

Wind farm；TSC＋TCR type SVC；Voltage stability

TM614

A

1004－7913（2016）05－0001－04

安裔銘（1978—），男，學(xué)士，工程師，從事電力系統(tǒng)、新能源并網(wǎng)技術(shù)研究。

2016－01－20）