高压ＴＳＣ控制策略触发控制仿真研究
陈佳永　马　涛　支正轩　蔡安永　安万洙
（辽宁荣信兴业智能电气有限公司）
摘　要：晶闸管投切电容器（ＴＳＣ）是电力系统静止无功补偿（ＳＶＣ）的重要组成部分。由于电容器具有可储存电荷的特性，使之在需要快速投切的ＳＶＣ中应用出现了较大的困难。本文重点研究ＴＳＣ快速投切的触发控制策略。
关键词：ＴＣＲ＋ＴＳＣ；控制策略；ＳＶＣ；触发角
０　引言
能源成本在不断上升，新建输电线路对环境的影响倍受关注，在这种形势下，寻新的控制装置使现有的输电线路损耗最小、稳定输送容量最大势在必行［１］。柔性交流输电系统（ＦｌｅｘｉｂｌｅＡＣＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ，ＦＡＣＴＳ）技术是各种新型电力电子控制装置应用的集成。晶闸管投切电容器（ＴｈｙｒｉｓｔｏｒＳｗｉｔｃｈｅｄＣａｐａｃｉｔｏｒ，ＴＳＣ）是电力系统静止无功补偿（ＳｔａｔｉｃＶａｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＶＣ）的重要组成部分。由于电容器可储存电荷的特性，使之在需要快速投切的ＳＶＣ中应用出现了较大的困难［２］。本文首先阐述了在电力系统
中ＴＳＣ主要的控制策略及控制目标，重点研究ＴＳＣ快速投切的触发控制策略，验证ＴＳＣ的控制逻辑及ＴＳＣ实现快速投切的算法；然后仿真ＴＳＣ可控硅触发时序对系统谐波的影响，验证电压波动情况下对ＴＳＣ实现快速投切的控制算法；最后给出高压ＴＳＣ触发应遵循的策略。
１　主电路
一个典型的ＴＣＲ＋ＴＳＣ型ＳＶＣ由一个晶闸管控制电抗器（ＴｈｙｒｉｓｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＲｅａｃｔｏｒ，ＴＣＲ）分支、一个ＴＳＣ分支和３个电容滤波器分支组成（如图１所示）。电压等级为３０ｋＶ，通过耦合变压器连接至２３０ｋＶ母线，无功输出容量值为 ３０Ｍｖａｒ～１２０Ｍｖａｒ，接入点系统条件设定最高电压为２４５ｋＶ，系统的额定频率为６０Ｈｚ，最小频率为５７ ５Ｈｚ，最大频率为６３Ｈｚ。主变压器选择三相双绕组无载调压变压器，额定容量为１５０／１５０ＭＶＡ，电压比为（２３０±２×２ ５％）ｋＶ／３０ｋＶ，接线型式为ＹＮｄ１，阻抗电压Ｕ
ｋ１－２
＝１２％额定电压。安装点（２３０ｋＶ）系统短路水平为４０ｋＡ（有效值），全波雷电冲击电压（１ ２／５０μｓ）ＢＩＬ峰值为９５０ｋＶ，工频１ｍｉｎ耐受电压峰值为３２５ｋＶ，采用直接接地方式
。
图１　ＴＳＣ型ＳＶＣ示意图
２　高压ＴＳＣ的控制策略
２ １　自动控制模式
ＳＶＣ的正常运行模式是自动电压控制，电压控制系统包括一个带有控制的闭环系统，ＴＳＣ型ＳＶＣ自动控制策略的简化模块如图２所示。电压调节器需要足够快地抵消电压变化和干扰，但也要保持足够的稳定性。将电压响应与参考灵敏度相乘，产生的信号相当于ＳＶＣ电流，将该信号乘以电压调节器输入端的增加斜率，可获得斜率在ＳＶＣ特性中的重要程度。功率振荡阻尼控制调节器输出可以被视为添加ＳＶＣ参考电压，与斜率的补偿电压响应一同输入到ＰＩ调节器。
由于电压控制模式在闭环中运行，因此，如果电压响应信号丢失，则不可能运行。如果失去电压响应，将看到ＳＶＣ的自动控制被强制切换到手动模式。在自动控制模式下，灵敏度跟随电压调节器的输出变化；当处于手动控制模式时，参考电压修正了斜率的实际应力。这将导致电压ＰＩ调节器的输出不会改变，确保自
动和手动模式之间的过渡不间断。所需的参考电压由操作员工作站（ＯｐｅｒａｔｏｒＷｏｒｋＳｔａ
ｔｉｏｎ，ＯＷＳ）调节，并限
制在规定的范围内，
ＳＶＣ的运行范围如图３所示
。图２
　ＴＳＣ型ＳＶＣ
自动控制策略图３
　ＴＳＣ型ＳＶＣ运行范围  为了避免不稳定，在ＴＳＣ切换滞回区，存在２种配置，因此，无功功率输出是平滑的。在ＴＳＣ运行中，ＴＣＲ实际上用于完全驱动和补偿ＴＳＣ的无功功率。另一种状态是只有两个ＴＳＣ在运行，并且ＴＣＲ控制几乎为零电流。对于磁滞调整，考虑了变压器的ＳＶＣ和电抗及其制造公差。当Ｔ
ＣＲ的绝对磁化率值比ＴＳＣ的磁化率高５％且持续１ｓ时，在动态条件下磁滞面积仅由控制系统决定。２ ２　手动控制模式
在手动控制模式下，ＳＶＣ以开环控制运行，所需无功功率通过手动改变Ｓ
ＶＣ的主基准电纳来获得。这个手动Ｂｒｅｆ值将通过ＯＷＳ可调整的斜坡速率获取。ＳＶＣ启动时，在解锁控制功能之前，手动参考将被设置
为零，
这样，ＳＶＣ将始终以０开始，然后，操作员将输出调整到所需水平。Ｔ
ＳＣ投切原理如图４所示
。（ａ）　ＴＳＣ关闭
（ｂ）　ＴＳＣ开启图４
　ＴＳＣ投切原理  在手动控制模式下，电压参考遵循实际线路电压，包括斜率校正，在ＳＶＣ启动和自动控制模式下，手动Ｂｒｅｆ遵循由电压调节器计算得到的电纳。因此，ＳＶＣ的输出在从一种控制模式转换到其他控制模式时，都是平滑的。
reactor电抗器２ ３　功率振荡阻尼控制（ＰＯＤ）
ＳＶＣ电压调节器在功率振荡期间不受旁路的影响，ＰＯＤ功能可以从操作员工作站加入或取消。当ＰＯＤ功能未被激活时，所有ＰＯＤ函数中包含的积分将等于零；当启动过压或欠压策略时，将禁用调节器；当释放过压或欠压策略时，调节器可以从零输出开始。
图５所示为ＳＶＣ的ＰＯＤ调节器控制原理图，包括
两个可调时间常数ＴＷ１和ＴＷ２
，三个可调超前 延迟类型模块（参数ＴＭ１、ＴＭ２、ＴＭ３、ＴＭ４、ＴＭ５和ＴＭ６），调节器增益ＫＰＯＤ和可调输出限制器ＶＰＯＤｍａｘ和ＶＰＯＤｍｉｎ
。除了这些功能外，还将实现一个禁用自动调节器，它取决于响应对电压（ＶＷＳ）和输入信号（ＰＷＳ
）的导数，调节器可能会在干扰期间自动被禁用。该功能可以通过Ｏ
ＷＳ进行激活控制。在干扰期间，如果禁用信号（ＤＩＳ＿ＰＯＤ）为“１”，则调节器被禁用，并保持２
０ｓ。为了避免在激活时因滤波器复位而产生瞬态功率振荡，斜率将缓慢增加，直至达到调节器的稳态输出
。
图５
　ＰＯＤ控制原理３　高压ＴＳＣ快速投切控制仿真
从以上分析可知，高压Ｔ
ＳＣ型ＳＶＣ对于ＴＳＣ的快速投切响应有着基本要求。因此，本文还将给出快速／
可靠投切Ｔ
ＳＣ的方法及控制策略。下文将研究在不同的触发脉冲延迟时间及不同的阀组电压下，ＴＳＣ支路电流、晶闸管冲击、ＴＳＣ支路谐波等参数的变化，来确
定最合适的Ｔ
ＳＣ投切控制策略。
３ １　仿真模型搭建
本文的仿真模型采用Ｐ
ＳＣＡＤ软件进行搭建。ＰＳＣＡＤ是世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件，ＥＭＴＤＣ是其仿真计算核心，ＰＳＣＡＤ为ＥＭＴＤＣ提供图形操作界面。最早版本的ＥＭＴＤＣ由加拿大ＤｅｎｎｉｓＷｏｏｄｆｏｒｄ博士于１
９７６年在曼尼托巴水电局开发完成。本文的研究基于如下系统参数配置：
１０ｋＶ５０ＭＶＡ，７次滤波电感电容，电容Ｃ＝５３０ Ｆ，电抗Ｌ＝０ ０００４０２Ｈ。测量相电压ＵＡ、ＵＢ、ＵＣ及晶闸管电压Ｕ’Ａ、Ｕ’Ｂ、Ｕ’Ｃ，晶闸管电压ＵＴ＝ＵＡ Ｕ’Ａ，仿真示意图如图６所示
。
图６
　ＴＳＣ仿真示意图３ ２　仿真数据
考虑到ＴＣＲ＋ＴＳＣ的控制方式，分别研究在不同
触发控制策略下，ＴＳＣ支路的电流、电压波形及响应速度。
仿真使用的ＴＳＣ控制矩阵如图７所示。当ＳＶＣ的输出小于６０Ｍｖａｒ时，
ＴＣＲ和ＦＣ输出，ＴＳＣ退出运行，这样做的最大好处是可以达到最低的功率损耗；当
无功需求大于６０Ｍｖａｒ时，ＴＳＣ迅速投入，提供大约６０Ｍｖａｒ的容性无功，同时ＴＣＲ将自动调节其输出，使无功从０～６０Ｍｖａｒ变化。通过这个控制方法，
ＳＶＣ不仅可以快速、平滑地输出无功功率，同时也可以将ＳＶＣ损耗控制在最低
。
图７
　ＴＳＣ型ＳＶＣ仿真控制矩阵  ＴＳＣ触发不同于ＴＣＲ触发，ＴＳＣ触发要求在每个周期过零点都发出触发脉冲。实际上，每周期过零点
触发晶闸管导通，
但是由于晶闸管本身的导通时序要求，必须在晶闸管承受一定大小的正向电压时，才能被
触发导通，因此，每周期快速触发和晶闸管可靠触发成
为了一对矛盾体。本文将试图寻一种既能快速触发晶闸管，
又可以使晶闸管可靠触发的方法。图８和９所示为系统电压波形及Ｔ
ＳＣ的控制信号。
图８
系统电压波形图９
　投入信号与电流曲线  （１）晶闸管电压大于６
０Ｖ时的触发波形选取不同的触发时间，会造成晶闸管在开通时两
端承受的电压不同，
这会导致ＴＳＣ支路的投入暂态过程变长、
冲击电流变大等问题。可控硅电压大于６０Ｖ时的触发电流波形如图１
０所示
。图１
０　可控硅电压大于６０Ｖ时的触发电流波形  （２）晶闸管电压大于８
００Ｖ时的触发波形晶闸管电压大于８
００Ｖ时的触发电流波形如图１１所示
。
图１
１　可控硅电压大于８００Ｖ时的触发电流波形（３）ＴＳＣ触发实时性验证及仿真图１２和１３分别所示为ＴＳＣ的投入／退出指令电压波形及Ｔ
ＳＣ电压波形放大情况。由图可知，ＴＳＣ能跟踪指令信号快速投入或退出。

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