0　引言

　　伊敏—冯屯500 kV输电系统是中国东北电网建设的重点工程。2000年二期工程装机容量将达到2200 MW，经双回381 km的500 kV线路东送至齐齐哈尔的冯屯变电站，再由双回路500 kV线路送往大庆及哈尔滨地区，系统示意图见图1。

图1 伊冯500KV单机无穷大母线等值输电系统
Fig.1 Simplified diagram of Yimin-Fengtun 500KV one -Machine infinite-bus transmission system

　　由于伊敏电厂的500 kV送电工程途经大兴安岭林区，走廊架设困难，成本也高，减少送电回路数所带来的环境效益和经济效益都十分明显。此线路采用TCSC的出发点是利用可控串补技术增强系统阻尼，提高暂态稳定性，提高输电线的传输功率。研究表明，利用串联补偿技术可减少电厂出线回路数(参见电力科学研究院的“超高压输电系统中灵活交流输电(可控串补)技术”中期报告)。
　　本文基于以上的工程背景和研究目的，在动模实验室建立了伊冯500 kV可控串补简化输电系统，并成功研制了“输电系统可控串联补偿电容及其综合控制柜”(TCSC & its comprehensive control cabinet)。

1　伊冯500 kV可控串补输电系统动模实现

参见东南大学“超高压输电系统中灵活交流输电(可控串补)技术”中期报告和文献［1］。
1.1　发电机组模拟
　　伊敏电厂等值发电机参数为：X_d＝1.15，X_d′＝0.141；动模实验室隐极发电机组参数为：X_d＝1.615，X_d′＝0.128。考虑到本课题主要研究暂态稳定现象，因此系统基准值以模拟的X_d′与实际发电机的X_d′相对应为原则，选S_b＝5 kVA，U_b＝658 V，Z_b＝86.64 Ω，下文参数均为标幺值。
1.2　变压器模拟
　　升降压变压器的气隙虽可调，但漏抗无法小于0.31，取X_t=0.31。
1.3　线路模拟
　　伊敏—冯屯双回路模拟：X₁＝0.972(实际值为84.19 Ω)，X₀＝2.916(实际值为252.57 Ω)。
　　冯屯—无穷大母线单回路模拟：X₁＝0.486(实际值为42.09 Ω)，X₀＝1.458(实际值为126.27 Ω)。
　　由此，在动模实验室具体实现的伊冯500 kV简化输电系统模拟如图2。由图可见，模拟系统与等值系统基本一致。

图2 伊冯500KV简化输电系统模拟
Fig.2 Physical model of Yimin-Fengtun 500kv transmission system

2　TCSC控制器的设计

　　控制器是设计TCSC装置的关键，其性能的优劣直接影响整个系统的运行。
　　由于系统对TCSC控制器响应的速度不同，以系统对控制命令的响应时间作为依据，将TCSC控制器分为底层、中层和上层控制。底层控制：取TCSC模块本身参变量作为控制输入，实施对晶闸管触发角控制；中层控制：即阻抗控制，是对TCSC实施的内环控制，潮流控制和其他上层控制的功能通过阻抗控制来实现；上层控制：即稳定控制，实现暂态稳定控制，增加功率摇摆时的阻尼，并根据具体控制策略取不同系统变量为反馈量。
　　TCSC控制器框图如图3所示。

图3 TCSC控制器框图
Fig.3 Structure of  TCSC controller

　　在分层控制中，底层控制提供抑制低频振荡和次同步谐振(SSR)的功能，而且应具有很强的鲁棒性，即不依赖于网络参数。这样，在网络结构和运行状态发生变化时，控制器仍能保证对系统振荡的抑制作用。
　　考虑到控制的方便性和灵活性，本控制器可在“STD+DSP”控制、微机控制、近地手控、远地遥控4种方式之间通过“控制方式选择”开关灵活切换。
2.1　“STD+DSP”主控制器
　　在数字信号处理(DSP)领域，人们为实现快速的数字信号处理，研制了一系列DSP单片机。但DSP器件工作频率高，抗干扰能力较弱，且I/O接口少，管理指令相对不够丰富。而工业控制机的优点是：系统稳定可靠，投资少，在现有的人力、物力条件下能获得较好的控制效果。
　　为使两者互相取长补短，试验中采用STD工控机和DSP运算器构成主从式多CPU结构作为控制器的硬件基础。STD工控机有丰富的外设接口，有A/D，D/A，DI/DO及网络通信功能，可靠性高，抗干扰能力强；DSP运算器可作为高速运算协处理器。系统框图如图4所示。

图4“STD+DSP”主控制器系统控制框图
Fig.4 Structure of "STD+DSP"controller

　　作为STD工控机的协处理器，自行开发的DSP模板能有效提高工控机的运算速度。试验表明，仅使用单块DSP模板进行32位e指数运算时的运算速度比只用HD 64180时高400倍以上(包括通信开销)。
　　初步试验结果表明，采用通用工控机加多DSP的控制手段，由工控机完成通常的任务管理、多路数据的实时采集、控制输出以及与上位机的通信等，由DSP模板完成复杂的控制运算，多块CPU同时工作，可有效地保证处理机系统在单个工频周期内完成诸多任务。
2.2　微机控制及TCSC多媒体监控系统
　　通过远方上层管理机上“TCSC多媒体监控系统”的用户程序接口，研究人员可应用各种高级语言编制上层控制策略，控制信号经A/D板上的D/A通道输出到控制柜，再经“控制方式选择”到触发板，以实现微机实时控制。系统框图如图5所示。

图5 微机控制系统框图
Fig.5 Structure of PC conrroller

　　TCSC因具有“STD+DSP”和微机两套独立的控制手段，也就对控制系统的高层管理提出了更高的要求。除正常监视功能外，还应能实现“STD+DSP”控制策略的编程和联机调试、微机控制策略的编程和调试以及系统动态信息的实时采集与显示。
　　TCSC多媒体监控系统可以实现32路数据的实时采集、记录和分析；人机界面友好，操作简单，通过人机界面可灵活方便地设置故障地点、故障类型和调整控制参数，并对故障进行实时跟踪。
　　监控系统的硬件部分主要包括工控机和A/D数据采集板。工控机采用Pentium 166工业控制微机，以保证主机速度能与A/D数据采集板的速度相协调。数据采集板采用两块PC818L A/D板，最高采样频率为40 kHz，除了具有32路A/D通道，还可完成16路开关量采集(IGBT动态开关就是经其中8路进行控制的)。另有两路D/A通道实现TCSC的微机控制。

3　伊冯500 kV输电系统TCSC动模试验

3.1　基本运行方式试验
　　应用TCSC装置进行基本运行方式试验。试验条件为发电机P＝1.0，Q＝-0.1，在TCSC容性区165°可控硅导通。试验结果如图6。

图6　TCSC 165°导通
Fig.6　TCSC operating at 165°

3.2　潮流控制试验
　　试验条件为发电机P＝1.0，Q＝-0.05，线路Ⅰ36%固定补偿，线路Ⅱ的TCSC在180°～145°间导通。结果表明，TCSC 180°导通时，两线路电流相等；TCSC 145°导通时，线路Ⅰ电流减小，线路Ⅱ电流增大。

3.3　传输功率极限提高试验
　　试验中切除一回线。此时，如无TCSC，发电机只能降出力至P＝0.6运行；而TCSC在容性区180°～145°间调节时，可逐步提高传输功率至P＝1.0。参见图7～图9。

图7　单回线运行，不加TCSC，P=0.6时可稳定运行
Fig.7　Without TCSC, the largest active
power P=0.6

图8　单回线运行，TCSC 165°导通，P=0.8时可
稳定运行
Fig.8　When TCSC operating at 165°,the largest
active power P=0.8

图9　单回线运行，TCSC 145°导通，P=1.0时可
稳定运行
Fig.9　When TCSC operating at 145°,the largest
active power P=1.0

3.4　TCSC系统的次同步谐振试验
　　众所周知，固定串补的应用可能带来一个重大隐患——次同步谐振(SSR)。当发电机轴系的扭振频率与串联谐振电路(由于串联电容)中相应的电气振荡频率互补时，将导致严重的电气—机械相互作用，甚至引起发电机大轴损坏^［2～5］。
　　TCSC是一种新型串联补偿装置，实际运行经验还很少，目前世界上工业运行的TCSC仅Kayenta,Slatt等少数几个示范工程。本次动模试验中观察到这种系统中存在SSR现象。
　　在本文TCSC动模系统中，当输电系统单回线运行，P＝1.0，TCSC运行于2.8倍固定容抗，等效容抗X_C＝1.03时，可观察到SSR现象，如图10。由图10可见，定子电流中包含40.5 Hz的次同步电气谐振频率f_e分量，这说明发电机组轴系应具有与其互补的9.5 Hz的机械扭振频率。下面的负序电流激振试验恰恰证明了这一点。

图10　次同步谐振现象
Fig.10　Subsynchronous resonance phenomenon

　　为验证所观察到的现象确属次同步谐振，通过负序电流激振试验测量了发电机组的固有频率。测量结果见图11、图12。

图11　负序电流激振试验扫频曲线一
Fig.11　Speed curve 1 against torsional angle
(150 r/min corresponding to 10 Hz)

图12　负序电流激振试验扫频曲线二
Fig.12　Speed curve 2 against torsional angle
(80 r/min corresponding to 5.33 Hz)

　　由图11、图12可见，本动模系统发电机组在50 Hz以下至少有3个固有频率，即5 Hz，10 Hz，20 Hz。其中10 Hz的固有频率与所观察到的次同步谐振频率9.5 Hz非常接近。
　　另外，按TCSC运行于2.8倍固定容抗时出现SSR的条件所作的电气计算同样证实了这一结论。应用附录中式(A1)和式(A2)，可求出X_C＝1.03时的电气谐振频率f_e：

由此可见，公式求出的电气谐振频率37.7 Hz与实测数据40.5 Hz亦非常近似。误差来源于模型的非线性和测量误差，但从工程角度已能说明问题。
3.5　微机PI暂态稳定控制试验
　　试验条件为P＝0.6，Q＝0.05，线路Ⅰ出线处发生A相永久性故障，利用发电机功角实时测量系统监测功角变化。图13为采用固定串补时的试验结果，图14为可控串补TCSC采用PI控制时的试验结果。

图13　采用固定串补时的功角曲线
Fig.13　 Power angle curve with fixed series capacitor

图14　可控串补TCSC采用PI控制时的功角曲线
Fig.14　Power angle curve of TCSC with PI control

4　结语

　　包括IGBT动态开关以及发电机实时功角测量系统的500 kV伊敏—冯屯交流输电系统及其TCSC的简化模型已在动模实验室建成。成功地开发了可在“STD+DSP”和微机控制之间灵活切换的综合控制器；系统被控量可在功角、电压、电流、有功功率、无功功率之间任意选择。TCSC的控制系统采用STD工控机和DSP运算器构成的主从式多CPU结构时，具有反应速度快、可靠性高、有丰富外设接口等优点。开发了TCSC多媒体微机监控系统，人机界面友好，操作简单。试验结果表明，所建立的TCSC及其控制系统可灵活控制正常运行时的潮流，并实现暂态过程中对TCSC的快速控制。试验过程中还观察到含TCSC的动模系统出现的SSR现象，并对此现象作了分析。关于SSR发生机理、抑制及保护措施的进一步研究将是非常有意义的。

令串联电容补偿度为容抗与全系统感抗的比值：

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