Abstract ：

灵活交流输电系统（FACTS）能够对交流输电网的运行参数和变量（如电压、相角、阻抗、潮流等）进行快速、连续和频繁的调节，因此广泛应用于现代电力系统中。含FACTS装置的电力系统可以采用机电-电磁暂态混合仿真的方法来分析其暂态特性，即对外部交流系统采用准稳态模型进行机电暂态仿真，对FACTS装置采用详细模型进行电磁暂态仿真。针对混合仿真中FACTS装置的电磁暂态仿真，本文提出采用解析法来求解FACTS装置的微分方程组，直接得到其暂态响应的解析解和基波分量的表达式。和传统的数值积分方法相比，解析法直接计算避免了小步长积分，提高了仿真效率，同时没有截断误差和数值稳定性问题，在含电力电子装置的电力系统仿真中具有广阔的应用前景。本文的主要工作包含以下几个方面： （1）根据可控串补（TCSC）和静止无功补偿器（SVC）的电路结构，求解出它们稳态下的时域解，作为暂态响应的初值；推导出TCSC基波电抗和SVC基波电纳的表达式，并对TCSC和SVC的运行特性进行了介绍和分析。 （2）介绍了解析法求解一般线性微分方程的方法，建立了TCSC和SVC状态空间模型。根据电路拓扑，列写出TCSC和SVC的分段线性的非齐次微分方程组，并通过引入辅助变量的方法，将非齐次微分方程转化为齐次方程，使计算更为简单。 （3）采用解析法求解TCSC和SVC的暂态响应，并将解析法结果和PSCAD仿真结果对比。确定TCSC和SVC中晶闸管导通时刻、关断时刻后，得到了其暂态响应及基波电抗、基波电纳的表达式，并将解析法的计算结果和PSCAD数值解的仿真结果进行对比，验证了解析法的正确性。在混合仿真时，解析法可以直接计算出TCSC的基波电抗和SVC的基波电纳，返回到机电暂态程序中，因此比数值积分法具有更高的仿真效率。 （4）介绍了机电-电磁暂态混合仿真时，数据的交换形式和交替迭代的实现方法，并将TCSC和SVC的解析法求解模型接上控制系统后，接入3机9节点系统进行机电-电磁暂态混合仿真。TCSC和SVC的控制系统含有较多的非线性环节，仍采用数值积分法计算。通过实际系统的混合仿真，进一步验证了解析法求解的可行性。

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FACTS 混合仿真 解析法 暂态响应

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近年来风力发电技术获得了长足的进步，随着节能减排要求的不断提高，国家也加大了对新能源发电的政策支持，我国的风电事业获得了前所未有的发展机遇。甘肃河西的酒泉地区已建成千万千瓦级风电基地，但由于该地区经济发展水平落后，电力负荷较轻，本地已无法消纳如此大规模的风电，西北电网的总体调峰能力也不能满足要求，急需在更大范围的电网才能解决调峰和风电消纳的问题。具有远距离、超大容量等优势的特高压直流输电技术，为风电的外送问题提供了新的解决方案。 直流输电接入交流系统后，将带来功率快速支援、电网错峰、风火电打捆外送等显著的经济效益，也产生了包括电网运行特性复杂、稳定性问题突出等在内的众多技术难题。所以有必要从系统安全稳定运行的角度分析研究交直流系统互联后带来的技术问题。本文基于酒泉风电基地外送通道：±800kV 酒泉-湖南直流的建设，比较全面的研究了特高压直流接入甘肃电网后交直流互联系统的协调运行控制策略。首先从直流控制方式、换相失败、直流闭锁、输送容量等方面分析了特高压直流接入甘肃电网后对系统影响的机理，其次完成了交直流互联系统风电和火电协调控制、可控串补控制、无功电压控制的策略研究，并进行了交直流互联系统协调运行控制策略的仿真计算和分析，最后针对交直流互联稳定性问题，从交流系统故障、直流系统故障两个方面进行了仿真分析，并提出了甘肃电网应采取的控制策略。 根据仿真计算分析结果，特高压直流接入甘肃电网后，在采取相应控制策略的基础上，甘肃交直流互联系统可以抵御多种系统扰动安全运行。本文对±800kV酒泉-湖南直流工程建设和系统运行有重要参考作用。

Keyword ：

仿真 甘肃电网 高压直流输电 控制策略 协调控制

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超/特高压长距离输电线路中采用串联补偿电容器，可提高电力系统的稳定性和传输容量，同时可减少网损，避免建设新的输电线路，经济效益显著。固定串补FSC（Fixed Series Compensation）由于技术成熟，价格经济在超高压线路得到广泛应用，随着FACTS（Flexible AC Transmission Systme）的发展，可控串补TCSC（Thyristor Controlled Series Capacitor）也逐渐得到应用。带串补线路一般输电距离较长，受沿途地形和气候影响，故障概率较高，快速准确地找到故障点，对故障恢复和提高供电可靠性具有重要作用。然而，串补装置破坏输电线参数的均匀分布，故障时其本体保护系统动作，使得输电线路出现变结构变参数的现象，这使得一般线路的故障测距算法不能直接用于串补线路。 本文首先分析了FSC和TCSC的原理及特点，利用PSCAD分别建立了带FSC和TCSC的输电系统模型，研究其故障特征。结果表明串补电容的保护回路（金属氧化物可变电阻MOV）导通与否及导通时刻和故障条件有关，同时，由于TCSC的电抗支路在故障暂态过程中受控制策略的影响数值不确定，使得准确计算串补两端电压以实现故障测距变得困难。 本文提出了一种基于分布参数模型的带FSC或TCSC输电线路时域故障测距算法。当故障发生在串补前时，首先利用线路本端电压电流算得故障点的电压和故障点一侧的电流，然后利用对端电压电流计算串补处电流，通过推导故障点电压和串补处电流计算故障点另一侧电流的公式，由故障边界条件构造测距方程。当故障发生在串补后，可以利用同样方法实现测距。算法中只需计算串补处电流，由于电流的穿越性，串补两端电流大小相等，避免计算串补两端电压引起的原理性误差。PSCAD仿真结果表明本算法不受串补内部元件动作的影响，能够适用于带FSC或TCSC的输电线路。 在验证了算法正确性的基础上，本文分析了采样频率、数据不同步、线路参数和串补平台对地电容对测距精度的影响。研究发现，在低采样频率下可以通过滤波和插值得到良好的测距精度；通过对时间搜索匹配同步的数据窗可以解决数据不同步问题；线路参数中，电阻对测距精度的影响较小，而电感和电容对测距精度影响较大；由于串补平台对地电容较小，对测距精度影响可以忽略。

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固定串补可控串补故障测距分布参数模型双端电气量

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电力系统低频振荡已成为影响电网输送功率和安全稳定运行的重要因素，可控串补在抑制低频振荡和次同步谐振的作用日益受到重视。本文针对可控串补抑制低频振荡的机理从频域法和能量法的角度进行了理论分析；研究提出了一种采用滑动模态自适应控制的可控串补控制策略，分析了在可控串补控制中引入远方信号是否可以同时抑制区域间和区域内的低频振荡，并进行了仿真分析；在文中最后提出可控串补采用的控制策略。本文主要工作和成果如下： 首先，研究了可控串补的控制策略，结合分析可控串补的工作原理和工作区域对应给出相应的控制框图，对个控制环节的作用进行了研究。 其次，本文采用频域方法分析发电机在运行点线性化后的电磁转矩，并得出可控串补等值电抗变化所引起的发电机线性化附加力矩，通过向量图分析说明如果可控串补的控制器具有合适的相位补偿特性，附加力矩对负阻尼产生的抑制作用。同时采用暂态能量法对可控串补抑制低频振荡的机理进行了详细的过程分析，分析了系统振荡过程中可控串补参与调节和不参与调节时，系统暂态能量的变化，结果表明通过可控串补的调制作用，使发电机的动能部分转化为电能送入系统，使系统暂态能量减小，加速系统振荡衰减。 最后，提出基于滑模控制器的可控串补非线性自适应控制。采用基于滑动模态观测器的非线性自适应控制方法设计了一种可以引入远方变量的可控串补控制器。通过在施加小扰动后观测线路摇摆角和功率的变化，对安装在区域间联络线的可控串补同时抑制区域间低频振荡和地区振荡的问题进行了研究。仿真表明，对于安装在区域间联络线的可控串补,采用常规控制策略或者考虑了非线性因素的基于滑动模态观测器的非线性控制器均可有效抑制区域间低频振荡，其控制性能相差不大，同时两种控制策略均无法对地区振荡模式提供良好的阻尼作用。通过特征值灵敏度和机理分析，可控串补只能对振荡功率穿越本线路的低频振荡模式起到较好的抑制作用。 本文通过对可控串补参与系统能量振荡的过程分析，说明了可控串补抑制低频振荡的机理；同时研究可控串补的非线性控制方法，结果表明了可控串补的常规控制和非线性控制对抑制区域间低频振荡的有效性。本文所采用的控制策略适合电力系统中可控串补的控制。

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可控串补低频振荡频域法非线性控制滑动模态控制器控制策略

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Abstract ：

我国能源分布和经济发展等诸多条件决定了需要发展超/特高压(EHV/UHV, Extra / Ultra High Voltage)远距离输电。为了提高高压线路的输送能力、改善稳定性等，需要采用串联补偿等装置。为了补偿电容电流、降低工频过电压和操作过电压等，亦需要采用并联电抗器。近几年来，我国的新能源特别是风电得到了突飞猛进的发展，不仅对大容量、远距离输电提出了迫切要求，而且风电的随机性、波动性和不可控性对所并入的电力系统及其继电保护提出了挑战。迎接挑战的重要智能电网技术之一是灵活交流输电(FACTS, Flexible AC Transmission System)。可控串补(TCSC, Thyristor Controlled Series Capacitor)和可调高抗(CSR, Controllable Shunt Reactor)是有效的FACTS装置。TCSC就是在输电线路中串联可控的电容器，利用其容抗补偿线路的感抗且实现线路的总阻抗可控，可调节线路潮流，阻尼功率振荡和抑制次同步谐振(SSR, Sub-Synchronous Resonance)等，从而提高输电线路的输送能力和电力系统的稳定性，但是同时也给电力系统带来了一些不利影响。CSR是在输电线路上并联的可调电抗器，随着线路电压或无功的变化进行自动调节，使得线路并联电抗也随时变化。这些都给继电保护带来了新的问题。线路纵联保护是目前高压输电线路广泛采用的一种全线速动的主保护，积累了丰富的现场运行经验。特别是由于光纤通信技术的进步及广泛应用，基于光纤通信的纵联电流差动保护应用最为广泛，在取得良好效果的同时，也显露出一些不足。因此研究带TCSC和CSR的输电线路继电保护新原理具有实际意义。本文开展了以下几个方面的工作。1） 结合高压输电线路串联补偿及并联补偿的发展及应用，分析了TCSC及CSR的原理及特点，据此建立了带TCSC和CSR的EHV输电系统模型，采用多时段多工具结合的方法分析了其故障特征及对已有继电保护的影响，得出了有益的结论。 2） 提出了基于故障分量纵向阻抗的适用于带TCSC和CSR输电线路的纵联保护原理，分析了其应用特点，考虑了TCSC补偿度变化、CSR的补偿度分级调节等因素。该原理不受TCSC引起的电压电流反向等影响，耐受电容电流和过渡电阻的能力强。具有选相能力，灵敏度高，可以抵抗低频分量、非周期分量影响。3） 故障分量是从故障后的电气量中减去负荷分量而得到的量，仅在故障暂态存在，所以故障分量纵向阻抗只能在故障后短时有效。而带TCSC的高压线路在故障后由于TCSC的快速动作，故障分量不能在故障全程中有效应用，为此提出了基于全量纵向阻抗的带TCSC和CSR输电线路纵联线路新原理。该原理与常规电流纵联差动保护相比，性能优异。4） 鉴于上述保护和纵联电流差动保护是利用线路两端的电气相量进行比较或计算，因此线路两端的保护装置的采样必须要同步。数据不同步会导致误差，不但降低保护的灵敏度，甚至会导致保护误动或拒动。因此利用线路两端阻抗和在内外部故障时的幅值和相位特点构成横向阻抗差动保护新原理，分析了其在带TCSC和CSR输电线路上的应用特点。该原理受TCSC补偿度变化的影响小，使用CSR后，可靠性更高，特别是由于阻抗没有同步问题，不受线路两端数据不同步的影响。5） 提出了一种基于故障位置判别的带TCSC线路距离保护方案。利用最小二乘矩阵束，准确得到故障电压电流信号的频率含量，然后基于输电线路的分布参数模型通过利用所得频率含量进行工频故障定位和全频带模型误差计算，识别故障点相对于TCSC的位置，若故障位于TCSC前，则直接驱动断路器跳闸；若故障位于TCSC后，则根据传统的电平检测逻辑动作。有效解决了TCSC线路阻抗不均匀的难题，显著提高了带TCSC线路单端量保护的性能。6） 带TCSC的输电线路，由于与串联电容并联的保护元件MOV的非线性，使得一般线路的故障测距方法不能直接用于该线路的故障测距。为此首先在Bergeron线路模型下推导了利用本端电压和对端电流计算本端电流的公式，并将推导公式运用于故障测距，进而利用故障边界条件构造测距方程，提出一种带TCSC线路故障测距算法。该算法理论上不依赖TCSC的模型，不受TCSC非线性的影响。同时该算法利用分布参数时域模型，无需滤波，所用数据窗短。

Keyword ：

可控串补可调电抗器高压输电线路继电保护故障测距

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近年来建设特高压骨干网架已被国家电网公司列为主要规划和发展方向，并已先后建成投运了西北750kV官亭至兰州东输变电示范工程和1000kV晋东南—南阳—荆门交流示范工程。为了进一步提高输送容量，作为特高压关键技术的串补及可控串补及其在电网中的应用已成为研究的热点。因此，研究适用于串补线路的新型继电保护原理及解决方案已迫在眉睫。受线路串补电容的影响，传统的距离保护用于含串补电容的特高压远距离输电线路时，末端故障容易造成保护超越。近端故障具有快速性，但以牺牲保护范围为代价。在高过渡电阻情况下，近端故障的快速性也无法保证。基于此，本文提出了一种判断单相接地故障相对于串联补偿电容位置的模型识别方法。该方法通过比较不同模型计算出线路电感值的离散度来识别故障位置。通过对串补线路MOV导通特性的分析，判别过程利用故障后MOV尚未导通这段故障数据获取补偿电容电压，进而判别故障点相对于串补的位置。该方法不受MOV非线性特性的影响，避开了MOV导通后串补电容上准确电压值难以获取的问题。故障点位置识别和传统距离保护相配合形成新的接地距离保护方案，提高了距离I段的灵敏度，改善了串补线路距离保护的性能。通过ATP-EMTP仿真分析验证了该方案的可行性。与无串补电容器的输电线路相比，串补线路发生故障时故障信号中含有大量的低频分量。由于低频分量不易被滤除，基于工频分量的方向元件计算所得相位存在偏差，动作的灵敏度降低，严重时方向元件甚至可能发生误判。本文提出了一种基于模型识别的串补线路方向元件。该算法利用时域信号进行计算，从原理上克服了低频分量对方向判别的影响，提高了方向元件动作的灵敏度。通过EMTP建立1000kV输电线路模型进行仿真分析，验证了方向判据的准确性。本文结合许继电气公司在高压线路继电保护装置上可靠、成熟的软硬件平台和高压线路完整的保护逻辑体系，将两种新原理的保护元件合理应用，研制出适用于超/特高压串补线路的继电保护装置。依据特高压示范工程的串补线路模型建立仿真系统，对保护装置的整体性能进行了验证。通过实际动模系统验证，结果表明采用模型识别方法判别故障点在串补电容前后的新技术，可以使距离I段的保护范围达到80%；采用基于故障类型和参数识别原理的方向元件，具有较高的灵敏度。使用新原理的保护装置能够满足串补线路实际工程需求。

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串补线路模型识别参数识别方向元件距离保护

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提出了一种适用于带可控串补和可调电抗器输电线路的故障分量综合阻抗纵联线路保护新原理.利用故障时线路两端故障分量电压相量和与故障分量电流相量和的比值,来判断线路上是否发生了故障.在外部故障时,该比值反映输电线路上的容抗,其模值较大,内部故障时,该比值反映系统电源阻抗和线路阻抗,其模值相对较小,据此可以区分线路上的内部和外部故障.新原理易整定,本身具有选相能力,不受电容电流的影响,不受可控串补电容以及可调电抗器的影响,耐受过渡电阻能力强.利用中国电力科学研究院西北750 kV系统动模系统参数验证了原理的有效性.

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故障分量 可调电抗器 可控串补 输电线路 综合阻抗 纵联保护

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在超高压远距离交流输电线路中，采用串联电容器组补偿（简称串补）是提高输电线路输送能力的有效措施。同时，串联电容补偿技术对于提高电力系统暂态稳定性、改善电压质量也是很有效果。串补技术在国外经过几十年的发展已经基本成熟，然而，在国内虽然说应用的历史也可以追溯到上世纪五、六十年代，但国内工程技术人员和学者真正开始关注和研究串补技术也就是近20年的时间，尚有许多问题有待解决。串补技术现在主要分为两大类：其一，是传统串补（即固定串补，FSC），补偿容量固定；其二，是晶闸管可控串补(TCSC)，补偿的容量可以连续调节，两类串补在现有的电力工程项目中都得到了广泛的应用。但串补装置的投入破坏了输电线路阻抗的均匀性，给输电线路的继电保护带来了很大的困难。本文主要是针对传统的距离保护应用于串联电容（FSC）补偿线路所存在的超越动作问题，提出了故障点位置的模型识别方法，配合传统距离保护原理可以很好地解决这个问题。主要内容如下：1． 从理论上分析了传统距离保护应用于串联电容补偿线路可能存在的问题。分析了现今国内外通用的串补线路距离保护方案，指出了其存在的不足。并在此基础上提出了基于模型识别的故障点位置识别方法，利用故障后短时间内暂态量数据判断故障点相对于串联补偿电容的位置，和传统距离保护原理相配合解决距离保护在串补输电线路中的超越问题。2． 研究了串补装置的高压保护和MOV的特性与工作原理。通过理论分析和数字仿真实验研究了故障后MOV导通所需要的时间，提出了利用故障后MOV尚未导通这段短暂时间之内的暂态量数据研究串补线路故障的思想。解决了串补线路故障后补偿电容上面电压难以获得的问题，提出了一种简单易行的获取补偿电容电压的方案。3． 故障点位置识别方法的研究。由于超高压输电线路故障大多为单相接地故障，本文作者针对单相接地故障研究了串补线路故障点位置的识别方法。利用在补偿电容前后故障保护安装处的不同的电流、电压关系分别建立起标准的故障模型。提出了利用比较两个模型计算所得线路参数的离散度来判别故障点位置的方法。故障点位置识别和传统距离保护相配合形成新的接地距离保护方案，提高了距离I段的灵敏度，改善了串补线路距离保护的性能。

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超高压输电线路串联电容器补偿单相接地故障模型识别MOV导通时间暂态量

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提高高压架空输电线路的输送能力有利于节约输电走廊，提高线路投资效益，对电网建设具有重要意义。目前国内外提高输电线路输送容量的方法有加装串补和可控串补、采用紧凑型输电技术、使用大截面耐热导线、安装动态无功补偿装置及提高导线发热允许温度等。本文结合渭河电厂送出330kV渭沣线具体工程，分析采用提高导线发热允许温度方法来增加线路的正常输送容量。本文首先分析了330kV渭沣线输送能力现状，发现受到系统安全“ ”准则要求和现行规范导线发热允许温度70℃限制，引起渭沣线正常输送容量偏低。其次，本文研究影响导线载流量的主要因素，得出对一条已建成的线路来说，导线型号及导线结构已经确定，当地的自然条件风速、日照、环境气温也均已基本确定，此时导线允许运行温度的取值成为制约导线载流量大小的唯一主要因素，其发热允许温度越高，载流量越大。计算得出提高330kV渭沣线发热允许温度到80℃可以增加线路的正常输送容量。第三，通过分析计算，提高330kV渭沣线发热允许温度到80℃后，导线的强度损失仍在许可范围内，导线连接点的发热及配套金具的握力强度满足现行国标的要求，引起的导线弧垂增大量是不需补偿的。因此，提高330kV渭沣线发热允许温度到80℃来增加正常输送容量是可行的。第四，进行了经济性分析，认为提高330kV渭沣线发热允许温度到80℃解决了渭河电厂夏季满发送不出的问题，显著提高了330kV渭沣线的正常输送容量，而引起的投资很小，有助于快速缓解目前迎峰度夏的用电压力。最后，针对西北电网其它许多330kV线路正常输送容量受“ ”事故工况下线路热稳定水平限制的实际情况，本文进一步分析了采用提高导线发热允许温度方法来解决的可行性。将导线发热允许温度从70℃提高到80℃后，现有线路的输送容量可有效提高，这不仅可以节省投资，还可缓解日益紧张的用电矛盾，有利于充分发挥现有线路的输送能力，其产生的经济和社会效益巨大。

Keyword ：

导线 弧垂 金具 输送容量 允许温度

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利用小信号分析法,对可控串补的频率响应特性进行了研究.对可控串补输入小信号电流,求取可控串补中各电压电流,并利用傅里叶分析方法求得各信号的相应频率分量,进而求得可控串补的频率响应特性.该研究对可控串补系统的次同步谐振以及其他相关的谐波研究有重要意义,分析方法对其他FACTS元件的研究有借鉴作用.EMTP仿真验证了本文方法的有效性.

Keyword ：

次同步谐振 可控串补 频率响应

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