張強(qiáng)

（三峽電力職業(yè)學(xué)院動(dòng)力工程系，湖北 宜昌 443000）

1 引言

為解決輸配電網(wǎng)輸電功率瓶頸問(wèn)題，促進(jìn)跨流域的水火互濟(jì)和更大范圍的資源優(yōu)化配置，克服西電東送和區(qū)域電網(wǎng)異步互聯(lián)等工程技術(shù)難題［1］，研究與開(kāi)發(fā)靈活交流輸電技術(shù)及其工程應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展具有重大的意義。

依靠電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，柔性交流輸電技術(shù)（FACTS）對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了越來(lái)越重要的作用。柔性交流輸電系統(tǒng)的控制技術(shù)以其響應(yīng)速度快、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件以及較好地提取系統(tǒng)廣泛的信息等優(yōu)點(diǎn)而明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)潮流和穩(wěn)定控制措施?？煽卮?lián)補(bǔ)償（TCSC）作為FACTS技術(shù)應(yīng)用的典型裝置之一，在超高壓線路輸送能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著巨大作用［2－4］。本文主要討論TCSC的運(yùn)行原理及其在現(xiàn)代電網(wǎng)中的工程應(yīng)用。

2 可控串聯(lián)補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展概述

可控串聯(lián)補(bǔ)償［5，6］本質(zhì)上是晶閘管控制串聯(lián)電容器，它是20世紀(jì)70年代提出來(lái)的第一代FACTS裝置，第一代FACTS裝置的典型特征是:由半控型器件即傳統(tǒng)晶閘管組成的調(diào)節(jié)裝置。晶閘管控制型的FACTS裝置是利用了傳統(tǒng)的并聯(lián)或串聯(lián)電路排列中的具有快速固態(tài)開(kāi)關(guān)的電容器或電抗器陣列。晶閘管開(kāi)關(guān)控制著固定電容器和電抗器陣列的開(kāi)和關(guān)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)可變的無(wú)功阻抗。

采用串聯(lián)電容器補(bǔ)償線路感抗的補(bǔ)償方式可以縮短輸電線路的等效電氣距離，減小功率輸送引起的電壓降和功角差，從而提高線路輸送能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。常規(guī)串聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償電抗固定，它不能靈活地調(diào)整線路電抗以適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行條件的變化。晶閘管控制串聯(lián)電容器應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過(guò)對(duì)晶閘管閥的觸發(fā)控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償電容器容抗值的平滑調(diào)節(jié)，使輸電線路的阻抗參數(shù)成為動(dòng)態(tài)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)線路補(bǔ)償度的靈活調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到改善［4］。

隨著常規(guī)固定串聯(lián)電容器應(yīng)用的增加，帶來(lái)了一些新的挑戰(zhàn)［7，8］。當(dāng)輸電線路采用固定串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，會(huì)引入一個(gè)次同步頻率的電氣振蕩，特別在補(bǔ)償度較高時(shí)，電氣諧振與機(jī)組諧振之間相互作用導(dǎo)致出現(xiàn)電氣振蕩與機(jī)械振蕩相互促進(jìn)增強(qiáng)的現(xiàn)象即次同步諧振（SSR），還有固定串聯(lián)電容器補(bǔ)償線路時(shí)對(duì)故障響應(yīng)靈敏度增加，可能使其在已增加的輸電能力上出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。而可控串聯(lián)補(bǔ)償?shù)某霈F(xiàn)正好彌補(bǔ)了這些不足，而且可控串聯(lián)補(bǔ)償可以方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無(wú)功潮流，有效地控制電力系統(tǒng)的電壓水平和功率平衡，從而具有多種良好的性能［1］:快速連續(xù)地調(diào)節(jié)輸電線路串聯(lián)補(bǔ)償度；動(dòng)態(tài)控制輸電線路潮流，優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布和減少網(wǎng)損；通過(guò)控制線路潮流，阻尼功率振蕩；能提高線路串聯(lián)補(bǔ)償度并抑制SSR；提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性；有助于調(diào)節(jié)母線電壓，緩解電壓不穩(wěn)定問(wèn)題；可以轉(zhuǎn)入可控感性模式，降低線路短路電流。另外，從經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)的角度考慮，當(dāng)線路輸送的功率相同時(shí)，即使串聯(lián)電容器每千乏的成本由于其較高的運(yùn)行電壓是并聯(lián)電容器的兩倍，串聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)目傮w成本要比并聯(lián)補(bǔ)償要低一些，綜合來(lái)看可控串聯(lián)補(bǔ)償?shù)某霈F(xiàn)是電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3 可控串聯(lián)補(bǔ)償運(yùn)行原理

晶閘管控制串聯(lián)電容器的單相電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電容器與晶閘管控制的電抗器并聯(lián)構(gòu)成，實(shí)際應(yīng)用中需要將多個(gè)TCSC單元串聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)特定容量的裝置［5］。晶閘管控制電抗器的基波電抗值是觸發(fā)延遲角的連續(xù)函數(shù)，TCSC的穩(wěn)態(tài)基波阻抗可看作由一個(gè)不變的容性阻抗XC與一個(gè)可變的感性阻抗XL（α）并聯(lián)組成即TCSC的基波阻抗為:

圖1 TCSC的單相電路結(jié)構(gòu)

式中，UTCSC為T(mén)CSC承受電壓的基波分量有效值；I為線路電流的有效值；XFC=1/ωC為固定電容的阻抗值；XL（0）=XL=ωL為電感的阻抗值。

圖2 TCSC的等效阻抗與觸發(fā)延遲角的關(guān)系

4 TCSC在現(xiàn)代電網(wǎng)中的工程應(yīng)用

4.1 TCSC在現(xiàn)代電網(wǎng)中的應(yīng)用概況

TCSC作為一項(xiàng)高可靠性和經(jīng)濟(jì)性的電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)技術(shù)，在現(xiàn)代電網(wǎng)中的應(yīng)用正在逐漸推廣，目前全世界有多個(gè)TCSC工程在投入運(yùn)行［1］。由于技術(shù)相對(duì)比較成熟，國(guó)外的應(yīng)用情況相對(duì)較早。1991年，由ABB公司制造的首個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)控制的串聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置在美國(guó)AEP電網(wǎng)的KanawhaRiver變電站投入運(yùn)行。1992年，由西門(mén)子公司和美國(guó)西部電力局聯(lián)合開(kāi)發(fā)的TCSC裝置在Kayenta變電站投入運(yùn)行，該項(xiàng)目是世界首個(gè)可以連續(xù)控制的TCSC裝置。1997年，為有效解決抑制低頻振蕩的問(wèn)題，巴西在南北電網(wǎng)互聯(lián)工程中的500kV高壓輸電線路上投入TCSC裝置。

國(guó)內(nèi)正在追趕國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，在TCSC工程方面也取得了一定的成績(jī)［9］。2003年，中國(guó)第一套TCSC裝置在南方電網(wǎng)某變電站投入運(yùn)行，承受電壓等級(jí)為500kV，可控部分補(bǔ)償度為5%。2004年，由中國(guó)電力科學(xué)研究院自主研制的TCSC裝置在西北電網(wǎng)220kV某變電站建成投入運(yùn)行，可控部分補(bǔ)償度為50%，是目前世界上可控部分補(bǔ)償度最大的工程。2007年，由國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的TCSC裝置在東北電網(wǎng)500kV某變電站投入運(yùn)行，補(bǔ)償容量為652Mvar。

4.2 現(xiàn)代電網(wǎng)的TCSC工程施工步驟［1］

（1）TCSC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程建設(shè):設(shè)計(jì)使用壽命一般要求為30年以上，同時(shí)要考慮未來(lái)電網(wǎng)的規(guī)劃及系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變情況。一般TCSC的施工建設(shè)分兩期完成，第一期為土建施工和一次設(shè)備安裝，第二期為電氣二次設(shè)備的安裝。

（2）TCSC裝置實(shí)驗(yàn)技術(shù):現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要項(xiàng)目有火花間隙現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)、旁路斷路器功能測(cè)試和二次系統(tǒng)功能測(cè)試等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分系統(tǒng)測(cè)試，以保證各電氣設(shè)備是可靠無(wú)故障的。

（3）TCSC工程調(diào)試:包括系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試兩部分，分系統(tǒng)測(cè)試主要測(cè)試可控串補(bǔ)的保護(hù)功能是否正常，系統(tǒng)測(cè)試是保證TCSC投入系統(tǒng)后能正常運(yùn)行，要求系統(tǒng)帶電調(diào)試。

（4）TCSC運(yùn)行與維護(hù):為保證TCSC的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，依據(jù)電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制訂編寫(xiě)可控串聯(lián)補(bǔ)償?shù)囊淮卧O(shè)備、二次設(shè)備的試驗(yàn)和檢驗(yàn)大綱，按照檢驗(yàn)大綱定期對(duì)TCSC裝置進(jìn)行巡視與檢查。

5 結(jié)論

在保證電網(wǎng)可靠安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，最大地提高現(xiàn)有電網(wǎng)資源的利用效率是目前電網(wǎng)急待解決的關(guān)鍵技術(shù)，而大功率靈活交流輸電技術(shù)為此提供了有效途徑。鑒于此，本文詳細(xì)分析可控串聯(lián)補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟砑霸陔娋W(wǎng)中的工程應(yīng)用，為從事TCSC的工程人員提供參考。

［1］國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)運(yùn)行部，中國(guó)電力科學(xué)研究院.靈活交流輸電技術(shù)在國(guó)家骨干電網(wǎng)中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

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