晶閘管型互聯裝置多時間尺度轉換等效模型

清華大學電機系電力系統及發電設備控制和模擬國家重點實驗室的研究人員張春朋、姜齊榮、趙爭鳴， 在2017年第14期《電工技術學報》上撰文指出， 電網的柔性互聯受到越來越多的關注。 基於晶閘管控制曲折變壓器的新型柔性互聯裝置可用於同步電網的互聯、配電網合環運行、電磁環網的柔性解環等等。

首先針對系統大時間尺度的動態過程建立了該裝置主電路的大衛南等效模型， 結合自校正插值演算法， 在大步長的模擬計算時可以保證良好的準確性。 進一步針對小時間尺度暫態過程， 分別建立基於元件的和基於等效模型的模擬模型，

證明了柔性互聯裝置的有效性和等效模型的正確性。 對兩種模型進行模擬， 可知等效模型在兩種步長下均具有良好的準確性， 且其模擬時長分別僅為基於元件模型模擬時長的約14.5%和10.3%， 計算開銷顯著減小。

近年來， 輸配電系統的規模越來越龐大， 可再生能源發電的滲透率日益增加， 含電動汽車、儲能等新型負荷的主動配電網以及需求回應技術也在快速發展， 因此電網的柔性互聯與運行受到特別的關注[1-4]。 目前， 柔性高壓直流（Voltage SourceConverter HVDC, VSC-HVDC）是最新型的柔性互聯裝置， 最近幾年已經取得了引人矚目的研究成果和工程經驗[5,6]。 但是， VSC-HVDC也顯現出造價較高、占地較大、效率偏低等不足[7-9]。

本文以一種基於晶閘管控制曲折變壓器（Thyristor Controlled Zigzag Transformer,TCZT）的新型柔性互聯裝置[10]為研究物件，

它可用於同步電網的分區互聯、配電線路的合環控制、電磁環網的柔性解環等。 這種裝置沒有直流環節， 因此在造價、體積、效率等方面比VSC- HVDC更具優勢。

高壓大容量的柔性互聯裝置中電力電子元件數量龐大、電路複雜， 其建模和模擬一直是備受關注的技術難點。 對於VSC-HVDC， 文獻[11]給出了模組化多電平換流器（ModularMultilevel Converter, MMC）的大衛南等效模型， 並將換流器與電力系統在長線路處分網， 以降低導納矩陣的規模；在MMC內部， 各部分電氣聯繫緊密， 沒有合適的分網點。

文獻[12]則根據MMC子模組的狀態方程和換流器的運行特點， 建立了等效模型和快速求解方法。 文獻[13]則根據MMC子模組在不同工況下的等效電路，

建立了適用於硬體在環即時模擬的等效模型。 對於晶閘管控制的柔性交流輸電裝置， 文獻[14]根據分級調節移相器的伏安關係， 建立了正序數學模型， 這種模型僅限於對裝備的穩態控制運行特性和諧波含量的分析研究。

文獻[15]建立了雙輸出移相器的三序分量模型， 比文獻[14]更為完備， 適用於電力系統短路電流水準以及穩定性分析。 文獻[16]則在EMTP中建立了靜止移相器基於元件的模擬模型， 適用於電磁暫態研究與移相器內部元件的分析；該模型的優點在於較為精確， 不足之處在于模擬耗時比前者顯著增加。

TCZT作為一種晶閘管型柔性互聯裝置， 需要嵌入電網並進行電磁暫態分析。 雖然TCZT中的電力電子元件比VSC-HVDC少得多，

但是在進行模擬分析時， 依然面臨計算開銷過大的難題。 如果採用基於元件的小時間尺度模擬模型， 不僅無法在現有的即時模擬平臺上實現， 而且離線模擬的速率也難以令人滿意。

為了提高模擬速率， 本文研究TCZT的電磁暫態多時間尺度轉換等效模型。 首先， 剖析了TCZT的電路拓撲和工作原理；然後， 基於其電壓方程推導了一種大衛南等效模型；最後， 通過與元件模型的對比模擬分析， 證明了柔性互聯裝置對聯絡線潮流的控制能力， 以及電磁暫態多時間尺度轉換等效模型的準確性和快速性。

圖1 柔性互聯裝置的主電路

結論

基於晶閘管控制曲折變壓器（TCZT）的柔性互聯裝置是電網互聯的一種新型技術手段， 它能夠快速、靈活並雙向調節聯絡線功率， 且有功和無功潮流能夠獨立控制。 根據TCZT的電路特點， 本文所建立的大衛南等效模型具有可變內阻。

採用該模型能夠在保證準確性的前提下， 大大減少計算量、加快模擬速率， 適用於含柔性互聯裝置的電力網絡的建模， 實現基於多時間尺度轉換等效模型的電磁暫態模擬分析。

實現基於多時間尺度轉換等效模型的電磁暫態模擬分析。