可控串聯(lián)補(bǔ)償動(dòng)模裝置控制功能及監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的研究

可控串聯(lián)補(bǔ)償動(dòng)模裝置控制功能及監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的研究

近年來(lái)，已經(jīng)取得了許多關(guān)于互聯(lián)補(bǔ)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(zhǔn)確性和準(zhǔn)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(gè)時(shí)域的數(shù)字模擬研究仍然存在許多困難。TCSC的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以方便地進(jìn)行TCSC的運(yùn)行、控制和保護(hù)策略的研究,還可以研究一些數(shù)學(xué)模型很難甚至無(wú)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(dòng)模裝置的控制功能和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,簡(jiǎn)要介紹了TCSC動(dòng)模裝置的總體結(jié)構(gòu),并在相應(yīng)的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)條件下,進(jìn)行了TCSC裝置的阻抗調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn),同時(shí)在主控制采用定功率控制時(shí)進(jìn)行了TCSC裝置的過(guò)電壓保護(hù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,TCSC動(dòng)模裝置能夠快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)阻抗,且過(guò)電壓保護(hù)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(kāi)環(huán)控制。為了實(shí)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(gè)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(hào)將觸發(fā)控制角指令轉(zhuǎn)換成晶閘管觸發(fā)脈沖并啟動(dòng)晶閘管功率觸發(fā)元件(脈沖變壓器)。底層控制實(shí)現(xiàn)TCSC3種基本運(yùn)行模式(BLOCK、BY-PASS以及微調(diào)運(yùn)行)的相互切換,基本要求是運(yùn)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(yùn)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(yùn)行的要求。這里,按照TCSC裝置應(yīng)用場(chǎng)合的不同,將上層控制分為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行調(diào)節(jié)的主控制模式和用于動(dòng)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(dòng)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(yùn)行方式,還可以包括SSR控制和暫態(tài)電壓控制。TCSC的運(yùn)行也可以采用開(kāi)環(huán)阻抗控制模式。此外,手動(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)所研制TCSC裝置的控制保護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。從功能實(shí)現(xiàn)上裝置分為霍爾傳感器、信號(hào)接口模塊、控制保護(hù)單元、錄波單元、通信及遠(yuǎn)程監(jiān)控單元等5個(gè)部分?；魻杺鞲衅鞑糠种饕峭瓿蓪?duì)需要測(cè)量的電流、電壓信號(hào)的獲取;信號(hào)接口模塊主要完成信號(hào)調(diào)理及觸發(fā)脈沖的隔離驅(qū)動(dòng)等功能;控制保護(hù)工控機(jī)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(hù)卡和保護(hù)擴(kuò)展卡一起通過(guò)工控機(jī)的底板ISA插槽相連接,構(gòu)成整個(gè)動(dòng)模裝置的控制核心,采用雙口RAM共享存儲(chǔ)器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,主要實(shí)現(xiàn)各種控制算法和保護(hù)算法以及對(duì)晶閘管的脈沖觸發(fā);錄波系統(tǒng)主要由一體化的工控機(jī)和2塊錄波插件及1塊開(kāi)關(guān)量插件通過(guò)工控機(jī)的ISA總線組成,也采用雙口RAM共享存儲(chǔ)區(qū)的方式進(jìn)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(yùn)行狀態(tài);RS-232串口通信主要負(fù)責(zé)將整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)部分有機(jī)地連接在一起,并負(fù)責(zé)上傳錄波數(shù)據(jù)和下傳控制指令;遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)處于整個(gè)系統(tǒng)的最上層,為用戶提供了良好的人機(jī)接口,用戶可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)獲取TCSC裝置本地運(yùn)行狀態(tài)及其參數(shù),以及由遠(yuǎn)方向TCSC系統(tǒng)下發(fā)控制指令以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控。3動(dòng)模實(shí)驗(yàn)裝置所研制的TCSC動(dòng)模實(shí)驗(yàn)裝置由4個(gè)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(kāi)設(shè)計(jì)是為了減少一次系統(tǒng)主電路對(duì)二次系統(tǒng)潛在的電磁干擾。為了驗(yàn)證所研制的TCSC動(dòng)模裝置的有效性,筆者在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),動(dòng)模實(shí)驗(yàn)連接圖如圖3所示,為一臺(tái)15kV·A的發(fā)電機(jī)通過(guò)升壓變壓器后由雙回340km的輸電線路與無(wú)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(dòng)模實(shí)驗(yàn)中TCSC裝置采用補(bǔ)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(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:模擬系統(tǒng)母線電壓800V,模擬發(fā)電機(jī)組G02銘牌額定數(shù)據(jù)線路的k1、k2、k3和k4點(diǎn)裝有接地開(kāi)關(guān),用來(lái)模擬接地短路故障。實(shí)驗(yàn)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(kāi)環(huán)阻抗測(cè)試TCSC的命令阻抗指令響應(yīng)時(shí)間是TCSC裝置一個(gè)非常重要的參數(shù),對(duì)于數(shù)學(xué)模型的建立和控制器的設(shè)計(jì)都具有重要意義。通過(guò)靜模實(shí)驗(yàn)測(cè)試本套TCSC實(shí)驗(yàn)裝置的阻抗指令響應(yīng)時(shí)間,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)2個(gè)無(wú)窮大電源對(duì)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(kāi)環(huán)阻抗的實(shí)驗(yàn)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(shí)間為60～140ms(3～7個(gè)工頻周期),由高補(bǔ)償區(qū)跳變到低補(bǔ)償區(qū)約需60ms,由低補(bǔ)償區(qū)跳變到高補(bǔ)償區(qū)約需140ms。3.2tsc的過(guò)錯(cuò)保護(hù)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),將會(huì)有很大的電流流過(guò)TCSC裝置,在其電容器上產(chǎn)生很高的過(guò)電壓。為了減輕MOV能量吸收負(fù)擔(dān),當(dāng)MOV負(fù)載達(dá)到一定的水平時(shí),則啟動(dòng)旁路模式。TCSC過(guò)電壓保護(hù)的核心問(wèn)題是:在內(nèi)、外部故障情況下如何對(duì)TCSC實(shí)行晶閘管硬旁路(保護(hù)動(dòng)作)。本套TCSC裝置的保護(hù)方式是:內(nèi)部故障啟動(dòng)旁路,外部故障當(dāng)過(guò)電壓或過(guò)電流超過(guò)保護(hù)設(shè)定值才啟動(dòng)旁路保護(hù)。為了測(cè)試系統(tǒng)三相短路故障對(duì)TCSC裝置的影響,同時(shí)驗(yàn)證裝置過(guò)電壓保護(hù)功能的有效性,在以線路電流為同步信號(hào)的方式下,當(dāng)TCSC裝置的上層采用定功率控制,中層采用開(kāi)環(huán)阻抗控制時(shí),選取了如圖3所示的4個(gè)短路點(diǎn)進(jìn)行TCSC的過(guò)電壓保護(hù)實(shí)驗(yàn)。其中,k1、k22點(diǎn)為T(mén)CSC區(qū)外故障點(diǎn):k1點(diǎn)在母線D14上,k2點(diǎn)為340km模擬線路距離D14母線54%長(zhǎng)度處。k3、k42點(diǎn)為T(mén)CSC區(qū)內(nèi)故障點(diǎn):k3點(diǎn)為260km模擬線路距離D14母線50%的長(zhǎng)度處,k4點(diǎn)為260km模擬線路距離D14母線80%的長(zhǎng)度處。實(shí)驗(yàn)中短路方式采用電力系統(tǒng)中最嚴(yán)重的三相接地短路,短路故障發(fā)生后,若過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作,三相接觸器將同時(shí)閉合,此時(shí)TCSC相當(dāng)于一個(gè)小電感串接在線路中,起到抑制短路電流的作用。需要說(shuō)明的是,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明:定電流控制方式下系統(tǒng)三相接地短路故障對(duì)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(dòng)TCSC運(yùn)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T(mén)CSC區(qū)外k1點(diǎn)三相接地短路時(shí)的響應(yīng)曲線,其中圖5(a)(c)為k1點(diǎn)發(fā)生大約30ms的三相短路時(shí)保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作的情況下TCSC的響應(yīng)情況,故障切除后大約經(jīng)過(guò)400ms的調(diào)節(jié),系統(tǒng)又恢復(fù)到故障前的狀態(tài),這說(shuō)明在定功率控制情況下發(fā)生較小的擾動(dòng),TCSC能夠通過(guò)定功率控制器的調(diào)節(jié)恢復(fù)到擾動(dòng)前的初始狀態(tài)。圖5(b)(d)為k1點(diǎn)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(hù)動(dòng)作,保護(hù)信息顯示為A相電容電流越限,這時(shí)TCSC切換到晶閘管硬旁路的保護(hù)運(yùn)行模式,在故障切除之后大約2.5s系統(tǒng)經(jīng)過(guò)振蕩穩(wěn)定下來(lái)。圖中,錄波方式2對(duì)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(diǎn)發(fā)生大約180ms的三相短路時(shí)保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作的情況下TCSC的響應(yīng)情況,故障切除后大約經(jīng)過(guò)1.5s的調(diào)節(jié),系統(tǒng)又恢復(fù)到故障前的狀態(tài),這說(shuō)明在定功率控制情況下發(fā)生較小的擾動(dòng),TCSC能夠通過(guò)定功率控制器的調(diào)節(jié)恢復(fù)到擾動(dòng)前的初始狀態(tài)。圖6(b)(d)為k2點(diǎn)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(hù)動(dòng)作,保護(hù)信息顯示為B相電容電流越限,這時(shí)TCSC切換到晶閘管硬旁路的保護(hù)運(yùn)行模式,在故障切除之后大約2.5s系統(tǒng)經(jīng)過(guò)振蕩穩(wěn)定下來(lái)。實(shí)驗(yàn)條件與k1點(diǎn)短路時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件相同。3.2.2含油點(diǎn)短路情況下晶閘管硬旁路保護(hù)動(dòng)作TCSC運(yùn)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(diǎn)發(fā)生約200ms的三相短路,且在故障發(fā)生之后的150ms時(shí)TCSC保護(hù)動(dòng)作(A相電容電流越限),切換到晶閘管硬旁路的保護(hù)運(yùn)行模式。在保護(hù)動(dòng)作之后大約2.5s系統(tǒng)經(jīng)過(guò)振蕩穩(wěn)定下來(lái)。圖8為k4點(diǎn)發(fā)生120ms的三相短路,且在故障發(fā)生之后的60ms時(shí)TCSC保護(hù)動(dòng)作(B相電容電流越限),切換到晶閘管硬旁路的保護(hù)運(yùn)行模式。在保護(hù)動(dòng)作之后大約2.5s系統(tǒng)經(jīng)過(guò)振蕩穩(wěn)定下來(lái)。實(shí)驗(yàn)條件與k3點(diǎn)短路時(shí)的實(shí)驗(yàn)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(diǎn),三相接地短路故障對(duì)TCSC的影響和短路時(shí)間有關(guān),短路時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)TCSC的影響越大,當(dāng)短路時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),將引起TCSC各電氣量的衰減振蕩,同時(shí)保護(hù)動(dòng)作;b.三相接地短路故障的短路點(diǎn)離TCSC越近,對(duì)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(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài);c.對(duì)于區(qū)內(nèi)或區(qū)外短路故障,當(dāng)某一相有保護(hù)狀態(tài)量越限時(shí),三相旁路接觸器迅速閉合,使TCSC進(jìn)入晶閘管硬旁路保護(hù)運(yùn)行模式,抑制短路電流,驗(yàn)證了TCSC裝置過(guò)電壓保護(hù)功能的有效性;d.對(duì)于區(qū)外短路故障,當(dāng)沒(méi)有任何一相有保護(hù)狀態(tài)量越限時(shí),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(shí)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