可控串联补偿装置的仿真研究.doc
- 文档编号:8497313
- 上传时间:2023-05-13
- 格式:DOC
- 页数:33
- 大小:1.22MB
可控串联补偿装置的仿真研究.doc
《可控串联补偿装置的仿真研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《可控串联补偿装置的仿真研究.doc(33页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
学院
毕业设计(论文)
题目:
可控串联补偿装置的仿真研究
学生姓名:
学号:
学部(系):
机械与电气工程学部
专业年级:
电气工程及其自动化专业
指导教师:
职称或学位:
年5月25日
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract 1
Keywords 2
前言 3
1.TCSC的基本结构和工作原理 4
1.1TCSC的基本结构 4
1.1.1TCSC的功能模型 4
1.1.2TCSC的器件模型 4
1.2TCSC的工作方式和过程 5
1.3TCSC数学模型 8
1.4TCSC的特性 9
1.4.1TCSC装置的V-I特性曲线 9
1.4.2TCSC装置的X-I特性曲线 11
2.TCSC的控制系统研究 13
2.1系统层控制系统 13
2.2中层控制系统 13
2.2.1开环控制 14
2.2.2闭环控制 14
2.2.3PID控制原理 15
2.3基于定阻抗控制的TCSC常轨PID控制系统 16
3.用于TCSC控制系统的CMAC和PID复合控制策略 17
3.1CMAC神经网络的基本结构 17
3.2CMAC与PID复合控制算法 20
3.3仿真实例 20
4.系统仿真 22
4.1TCSC非线性控制系统仿真研究 22
4.2基于CMAC和PID复合控制的TCSC控制系统仿真研究 25
结束语 28
参考文献 30
致谢 31
可控串联补偿装置的仿真研究
摘要
可控串联补偿(TCSC)通过对晶闸管导通角进行精确快速地控制,以实现对其等值电抗灵活、连续、平滑地调节,因而其为柔性交流输电系统(FACTS)中一种比较成熟和应用较为广泛的技术。
本文综述了TCSC的发展及研究现状,分析总结了TCSC的基本结构、运行原理、工作模式的特点、基频阻抗特性及工作特性。
此外,本文在模糊理论及常规PID阻抗控制的基础上,设计了TCSC模糊PID阻抗控制器。
并且,通过加入免疫反馈环节,进一步提出了TCSC模糊免疫PID阻抗控制方式。
仿真结果证明,该控制方式在响应各种阻抗阶跃命令时,具有更小的超调、更快的响应速度,以及更好的跟踪性能,可基本实现系统的无差控制。
最后,对不含TCSC与含有TCSC的单相,以及三相电力系统进行了详细地稳态和暂态仿真,以研究其对电力系统的影响。
此外,将所研究的TCSC阻抗控制方式应用到电力系统当中,对比分析其在电力系统运行中所发挥的作用。
仿真结果表明,TCSC在增大线路的输送能力,提高电力系统暂态稳定性,以及阻尼功率振荡方面,都具有十分重要的作用。
此外还可看出,阻抗控制方式的不同对其作用的影响是显著的。
相比于常规PID与模糊PID控制方式,本文所研究的TCSC模糊免疫PID阻抗控制方式是最具有优越性的。
关键词:
可控串联补偿;模式切换;阻抗控制;电力系统;仿真
TCSCSimulation
Abstract
TCSCcalladjustitsequivalentreactanceflexibly,continuelyandsmoothlybypreciselyandfastcontrollingthethyristoroperatingangle.TCSCisonekindofmatureandwidelyusedtechnologyintheFACTS.TCSCishelpfulinimprovingthetransmissioncapacitydampingpoweroscillationsandincreasingthetransientstabilityoftenpowersystem.
InthispaperwesummarizedthedevelopmenthistoryandrecentresearchadvancesofTCSC.Thebasicstructure,operationalprinciple,fundamentalfrequencyimpedancecharacteristicsanditsoperatingcharacteristicofTCSChavebeenanalyzedandsummedup.
TheFuzzyPIDimpedancecontrollerofTCSChasbeendesignedbasedonthefuzzytheoryandPIDimpedancecontroller.Besides,theFuzzyImmunePIDimpedancecontrolmethodofTCSC,whichhasimmunefeedbackelement,Wasputforward.Thesimulationresultsshowthatthisalgorithmhasminimumovershootshortrespondtimeandgoodtrackingperformancetoallkindsofimpetancestepfunctions.Anditcanbasicallyachieveisochronouscontrol.
Weanalyzedthestaticanddynamicsimulationresultsofthesingle-phaseandthree-phasesystemwithTCSCandwithoutTCSC.FromthiswecanseehowTCSCimpactstheloadvoltageandpowerflowoftheelectricpowersystem.AndtheimpedancecontrolmodeofTCSCwasappliedintheelectricpowersystem,wecomparedtheireffectonsystemoperation.ThesimulationresultsshowthatTCSCplaysanimportantroleinincreasingthetransientstabilityoftheelectricpowersystemanddampingpoweroscillations.AndtheimpedancecontrolmodeofTCSCwillremarkablyimpactitsapplicationperformance.ComparedtothetraditionalPIDcontrolandfuzzyPIDcontrol,theTCSCfuzzyimmunePIDimpedancecontrolelaboratedinthispaperiStheoptimalcontrolmethod.
KeyWords:
TCSC;Mode-switching;impedancecontrol;Electricpowersystem;Simulation
前言
现阶段全球能源危机严重,在整个中国电源都以火电为主,这样就必须消耗大量的煤。
电煤的运输给交通、环保等方面带来巨大压力,并且其运费昂贵。
因此,必须对能源进行充分利用。
为充分利用煤资源,系统经常需要长距离大容量地输送电能。
但是由于暂态稳定的约束,在现有网架条件下,电网的安全和稳定运行常常遇到困难。
当然,架设新的、更高电压等级的输电线路可以从根本上强化电网结构,提高电网的输送能力。
但是,这显然需要巨大的建设投资,并对自然环境带来损害。
充分挖掘现有电网的潜力,才是更经济便捷的途径。
因此,在现有的网架结构下,如何提高大容量的电力输送能力、输电可靠性和暂态、动态、电压等稳定水平。
一直是我国电网急需解决的重要问题。
多年来,电力工作者已达成共识:
提高电网的输电能力和安全运行水平,除电网结构本身要合理外,还必须要先进的调节控制手段。
电网的安全、经济运行在很大程度上取决于其“可控度”。
柔性交流输电技术的出现,为提高力系统的可控性和可靠性提供了新的方法。
FACTS技术改变了传统输电系统的概念,将使未来的电力系统发生重大的变化。
FACTS设备的投入运行,系统增强了有力的控制手段。
其可用来提高系统的静态和暂态稳定极限,提高其电压稳定性和输电能力。
近年来,伴随着电力电子技术的快速发展,FACTS技术将大量应用于我国电力系统,以较小的投入解决电网所面临的问题,使我国的电力系统成为一个可实时快速控制的柔性电力系统。
因此,研究FACTS技术,将对国家电网更好地建设和运行具有重大意义。
可控串联补偿TCSC是FACTS家族中的重要成员,作为其中的典型控制装置,在世界各国电力系统中得到了广泛的应用。
1.TCSC的基本结构和工作原理
1.1TCSC的基本结构
1.1.1TCSC的功能模型
在作TCSC的一般研究时,我们常使用理想的功能模型,即将TCSC作为理想的可变电抗,不考虑TCSC装置的内部结构[12]。
通常用一阶惯性环节模拟TCSC对命令电抗的响应过程,如图1-1所示,图中T为TCSC电抗响应的时间常数。
图1-1TCSC的功能模型
1.1.2TCSC的器件模型
基本的、概念性的TCSC模块由一个串联电容器C和一个晶闸管控制的电抗器并联组成,如图1-2所示。
而实际的TCSC模块还包括通常与串联电容器一起安装的保护设备,如图1-3所示
图1-2基本模块
图1-3实际模块
一个金属氧化物可变电阻器(MOV),本质上是一个非线性电阻器,跨接在串联电容器上,用以防止电容器上发生高的过电压。
MOV不但能限制电容器上的电压,而且能使电容器保持接入状态,即使在故障情况下也是如此,从而有助于提高系统的暂态稳定性。
同样跨接在电容器上的还有断路器CB,用以控制电容器是否接入线路。
另外,在发生严重故障或者设备工作不正常时,CB就将电容器旁路。
电路中,还安装有一个限流电抗器幻,用以限制电容器旁路操作时电容器上电流的大小的频率。
如果要求TCSC的晶闸管在“全导通”模式下运行较长时间,就需要在晶闸管上跨接一个特高速接触器(UHSC),以使其上的导通损耗最小。
这个金属接触器类似于断路器,几乎是无损耗的并能进行多次投切操作。
它在晶闸管导通后不久闭合;而在晶闸管关断前的很短时间里断开。
在突然过载时或在故障情况下,金属接触器闭合以减轻晶闸管上的压力。
实际的TCSC系统通常是由很多这样的TCSC模块级联组成的,同时还包括一个固定的串联电容器,采用这个固定串联电容器的目的主要是为了使成本最小。
由基本TCSC模块组成的一个概念性的TCSC系统如图1-4所示,不同的TCSC模块中电容器可以具有不同的值,以提供较宽范围的电抗控制。
与反并联的晶闸管相串联的电抗器被分为两半,以便在电抗器发生短路时起到保护晶闸管的作用。
图1-4典型的TCSC系统
1.2TCSC的工作方式和过程
对TCSC功能的理解可以通过分析一个由固定电容器(c)和可变电抗器(L)相并联的电路的行为来获得,如图1-5所示。
图1-5有可变电抗的并联LC电路
该LC并联电路的等效阻抗z二可以表达为
(1-1)
如果wC-(1/wL)>0,则表示固定电容器(C)的电抗值比与之并联的可变电抗器(L)的电抗值小,整个并联电路呈现为可变的容性电抗。
如果wC-(1/wL)=0,会产生谐振,导致无穷大阻抗。
如果wC-(1/wL)<0,则表示Lc并联电路的等效电感值大于固定电抗器本身的值,这种情况对应于TCSC运行方式中的感性微调模式。
本质上,TCSC有三种运行方式[18],这些模式如图1-6所示。
(1)晶闸管闭锁模式
晶闸管闭锁模式(Thyristorblocked)又称等待模式。
TCSC在投入前必然先运行于此模式,所以该模式是TCSC运行的最基本模式。
此时电感支路不导通,电流全部流过电容器,TCSC的运行特性如同固定串补。
(2)晶闸管旁通模式
旁通模式(Thyristorbypassed)的触发角a=900,晶闸管全导通,串联电容器被旁路,TCSC呈现为一个小感抗。
在系统发生短路故障期间,TCSC运行于旁路模式,利用自身的小感抗特性增大线路阻抗,从而能够减小故障电流,减少MOV所吸收的能量,保护设备。
(3)晶闸管部分导通即微调模式
这种模式下。
TCSC可以呈现连续可控的容性电抗,也可以里现为连续可控的感性电抗,这可以通过在适当范围内改变晶闸管的触发角来实现。
但是,从容性模式平滑过渡到感性模式是不允许的,因为两种模式之间存在一个谐振区。
容性微调模式(Capacitivevernieroperation):
此时,在电感支路中产生一电流,它的方向和电容中的电流方向相反,电感支路中的电流和线电流都流经电容器,增大了电容器两端的电压,相当于增大了TCSC的电抗值,此时TCSC的电抗值呈容性。
TCSC的容抗值在其容性最小值和容性最大值之间可调,其最大值通常是最小值的1.7到3倍,主要取决于线路电流和串补的短时过载能力等条件,TCSC通紫运行于该模式。
在暂态过程中可以提高容抗值来增大补偿度,提高系统的暂态稳定性;在动态过程中可以调节其容抗值抑制系统振荡:
在稳态过程中,可调节容抗值使系统的潮流得以合理分布、降低网损。
感性微调模式(Inductivevernieroperation):
此时,在TCSC的电感支路和电容支路内形成一电流回路,线电流和电容器中的电流共同流经电感支路。
当一套TCSC装置是由多个模块组成时,感性调节模式和容性调节模式相配合,可以使整套TCSC装置获得较大范围的连续可调特性。
(a)晶闸管闭锁模式(b)晶闸管旁通模式
(c)晶闸管部分导通(容性微调)模式(d)晶闸管部分导通(感性微调)模式
图1-6TCSC的不同运行模式
以上三种基本运行方式下TCSC的典型稳态波形如图1-7和1-8所示。
其中为电容器电压,为流过晶闸管的电流,为线路电流,为流过电容器流。
图1-7TCSC容性运行区的稳态波形
图1-8TCSC感性运行区的稳态波形
1.3TCSC数学模型
TCSC通过调节其晶闸管触发角,可以快速连续地调节其基频等效阻抗,现给出其原理结构示意图,各物理量的参考方向如图所示,其中线路电流为正弦:
(1-2)
波形图如图1-9所示。
图1-9TCSC所在线路的电流和电容电压波形
图1-10电感电流波形
根据文献[31]的分析,我们可以得到在晶闸管导通期间的电感电流为:
(1-3)
在晶闸管导通期间的电容电压为:
(1-4)
在晶闸管关断期间的电容电压为:
(1-5)
因此,我们可以将TCSC的电容电压和电感电流进行量化的表示,分别画它们的波形图如图1-10所示。
可知,晶闸管的导通区间为
其中,k=0,1,2,….。
同样的,TCSC的基波电抗可通过理论计算得(1-6)
在以上各式中,a为晶闸管的触发角,
(1-7)
由式(1-5)可见,调整晶闸管的触发角将使串联在线路中的电抗Xtcsc发生变化,从而使得线路的等值阻抗成为一个可控参数。
由于对晶闸管的控制是由按一定的控制策略事先设计的控制器完成的。
在其动念响应特性理想的条件下,可以使输电线的输电容量达到其热稳极限。
1.4TCSC的特性
虽然TCSC是基于应用的要求而设计的,但是对运行的限制是由不同的TCSC部件的特性决定的。
其中重要的限制值有以下几个:
(1)电压限制:
运行设备(包括串联电容器)上的最大电压是由设备的绝缘水平决定的。
对电压的限制可能随所施加电压的持续时间而改变,对于短的持续时间(典型值小于2s),MOV的过电压限值比电容器的过电压限值更关键。
(2)电流限制:
对晶闸管和固定电容器FC也许需要旎加电流限值以防过热谐波也会引起过热,因此也会对TCSC的运行构成约束。
(3)晶闸管的触发角限制:
必须对此进行严格限制,以使TCSC不会冒险进入谐振区(即使是短时的)。
由于以上的各种限制,TCSC的稳定工作必须建立在允许的范围内。
而TCSC装置元件的工作电压和电流决定于线路电流水平以及触发角,而触发角的大小也就决定了TCSC运行电抗的大小。
因此,TCSC装置的工作能力与运行参数(线路电流和运行电抗)之阃存在确定的关系。
正确理解这种关系,无论是对于装置参数的设计还是运行参数的确定,以及在系统特性的计算时都是非常必要的。
通常采用TCSC装置的V-I曲线或者装置的X-I曲线来描述TCSC装置的稳态工作特性
1.4.1TCSC装置的V-I特性曲线
图1-11出了用电容电压(V)和线路电流(I)的关系表示的TCSC工作特性。
横坐标为线路电流标么值,以TCSC额定工作线路电流(记为Ir,即为TCSC连续运行的最大工作电流)为基准。
纵坐标表示电压的标么值,其基准值为额定线路电流在电容器上产生的电压降。
图1-1lTCSC的V-I运行特性
图1-11中,容性可控运行区域是一个三角形区域。
根据运行时间的不同,有不同的电压、电流极限,表示实际装置的运行约束条件。
从原点出发的每一条直线代表一个常数电抗值。
图中标有“晶闸管全关断”的那条直线代表的是TCSC晶闸管支路电流为零时的容性等值电抗,数值上等于电容器的标称Xc,。
当晶闸管导通时间增加时,电容器电压增加,结果增大了TCSC的等效容性电抗。
TCSC的可控容性电抗变化范围是电容电压和线路电流的函数,最大典型值是三倍电容器工频电抗(3.p.u.),如图中标有“最大触发越前角”的直线所示。
TCSC的电压电流限值限制了其运行区域,TCSC模块调节电抗的能力受装置所能承受相关电压能力的限制。
当长期连续运行于容性区域时,电压限值由串联电容器额定连续运行电压确定,如式(1-7)所示
(1-7)
式中,Ir是通过TCSC装置的额定(最大)连续运行线路电流的工频有效值;X是连续运行电抗,对应于额定电流Ir时允许的最大工频容性电抗;Vr是TCSC连续额定运行时的工频电压有效值。
在有些应用场合,特别是对于那些在已有的固定串联补偿装置上进行改造的TCSC工程,连续额定运行点可能会定义为BLOCK运行模式,即有Xr=Xc。
然而,实际上TCSC更多地运行于微调控制模式,这时Xr不等于Xc,如图1-11中虚线所示。
在图1-11中,标有Vr的水平线就代表串联电容器的工作电压限制条件。
TCSC应该可以连续运行在由电压Vr限制的运行区域,即图中标有“I”的运行区域,阻抗可调节范围为1p.u.至3p.u.之间。
但是尽管运行电抗可以控制在1p.u.和3p.u.之间变化,如果产生的稳态电压超过了Vr,控制器会根据装置短时和动态过载时间限制条件自动减小运行命令阻抗,直到电容电压不大于Vr为止。
图1-11中Vt代表TCSC串联电容器可以短时承受的过电压值,对应的水平直线代表相应的电压限制条件,它和命令阻抗的变化范围共同确定的运行区域(图中标有“Ⅱ”的运行区域)是TCSC短时过载运行区。
图中,It表示在额定运行电抗点时TCSC可以承受的最大短时过载电流。
TCSC短时承受过负荷的运行时典型值为30分钟。
电容器额定过电压Vt一般为Vr的1.35至1.5倍。
图1-1l中Vd表示TCSC暂态过程中TCSC承受过电压的能力,对应的水平线与命令阻抗变化范围共同确定的运行区域(图中标有“Ⅲ”的运行区域)是TCSC的动态过电压运行区。
图中Id表示在额定运行电抗点时TCSC可以承受的最大暂态过载电流。
TCSC在暂态过程中承受过载的典型持续时间为10秒钟。
以的典型值为2倍Vr。
位于由Vd确定的水平线上的虚线(标有Vpl)代表TCSC装置过电压保护水平,对应于MOV或者其他保护设备的动作电压值。
TCSC在感性区运行的情况如图1-11纵轴负方向的多边形区域所示。
感性运行受到最大触发延时角(标有“最大触发延迟角”的直线)和最大晶闸管电流(标有“最大晶闸管电流”的直线)的限制。
两者之间是与谐波热效应(标有“谐波热极限”的直线)有关的限制,图中近似为一恒定的电压限制。
这些谐波将会使晶闸管和电抗器产生热效应,同时会产生接近电容器和氧化锌避雷器的耐受电压能力的电压峰值。
出于这种考虑,其影响近似地设定为定值电压限制。
标有“晶闸管旁路”的直线代表晶闸管旁路时TCSC的等效电抗(感性),它对应于TCSC的最小运行感抗。
该直线可能向电流轴线方向延伸到很远,这是因为可能会要求电抗器承受电力系统较大的故障电流。
与容性运行区相似,感性运行区也有连续运行短时过载运行以及暂态过载运行三个区域,分别如图中标记“I、Ⅱ、Ⅲ”所指区域所示
1.4.2TCSC装置的X-I特性曲线
图1-12TCSC的X-I运行特性
图1-12是用运行电抗和线路电流之间的关系来表示的TCSC工作特性,它所表示的信息与图1-11相似,只是纵坐标用电抗代替电压。
连续容性运行区域如图中标记“I”所指区域所示。
运行区下边界即为电容器基频电抗,上限Xm典型值是不超过3p.u.的电抗指令。
曲线边界(实线所示)表示满足Vr=IX的每一个连续运行点(X.I)。
左边的边界是晶闸管能够可靠触发的最小线路电流。
从应用的角度出发,TCSC可以运行在容性连续运行区域内的任意一点,以控制系统的稳态潮流,可以是定阻抗控制模式,也可以是定功率传输控制模式。
图1-12给出了扩展的短时运行区域,如图中标记“Ⅱ”所指区域所示,曲线边界(点画线所示)表示满足以Vt=IX的每一个连续运行点(X,I)。
TCSC可以利用串联电容的短时过流和过压能力(Vt=1.35~1.5Vr),在该区域短时运行由于具有这种能力,TCSC就可以在电流高于连续额定运行电流时维持恒定电抗,或者根据系统运行情况短时地增大其电抗。
在动态过程中
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 可控 串联 补偿 装置 仿真 研究