晶闸管型互联装置多时间尺度转换等效模型｜大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制专题

清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室的研究人员张春朋、姜齐荣、赵争鸣，在2017年第14期《电工技术学报》上撰文指出，电网的柔性互联受到越来越多的关注。基于晶闸管控制曲折变压器的新型柔性互联装置可用于同步电网的互联、配电网合环运行、电磁环网的柔性解环等等。

首先针对系统大时间尺度的动态过程建立了该装置主电路的戴维南等效模型，结合自校正插值算法，在大步长的仿真计算时可以保证良好的准确性。进一步针对小时间尺度暂态过程，分别建立基于元件的和基于等效模型的仿真模型，证明了柔性互联装置的有效性和等效模型的正确性。对两种模型进行仿真，可知等效模型在两种步长下均具有良好的准确性，且其仿真时长分别仅为基于元件模型仿真时长的约14.5%和10.3%，计算开销显著减小。

近年来，输配电系统的规模越来越庞大，可再生能源发电的渗透率日益增加，含电动汽车、储能等新型负荷的主动配电网以及需求响应技术也在快速发展，因此电网的柔性互联与运行受到特别的关注[1-4]。目前，柔性高压直流（Voltage SourceConverter HVDC, VSC-HVDC）是最新型的柔性互联装置，最近几年已经取得了引人瞩目的研究成果和工程经验[5,6]。但是，VSC-HVDC也显现出造价较高、占地较大、效率偏低等不足[7-9]。

本文以一种基于晶闸管控制曲折变压器（Thyristor Controlled Zigzag Transformer,TCZT）的新型柔性互联装置[10]为研究对象，它可用于同步电网的分区互联、配电线路的合环控制、电磁环网的柔性解环等。这种装置没有直流环节，因此在造价、体积、效率等方面比VSC- HVDC更具优势。

高压大容量的柔性互联装置中电力电子元件数量庞大、电路复杂，其建模和仿真一直是备受关注的技术难点。对于VSC-HVDC，文献[11]给出了模块化多电平换流器（ModularMultilevel Converter, MMC）的戴维南等效模型，并将换流器与电力系统在长线路处分网，以降低导纳矩阵的规模；在MMC内部，各部分电气联系紧密，没有合适的分网点。

文献[12]则根据MMC子模块的状态方程和换流器的运行特点，建立了等效模型和快速求解方法。文献[13]则根据MMC子模块在不同工况下的等效电路，建立了适用于硬件在环实时仿真的等效模型。对于晶闸管控制的柔性交流输电装置，文献[14]根据分级调节移相器的伏安关系，建立了正序数学模型，这种模型仅限于对装备的稳态控制运行特性和谐波含量的分析研究。

文献[15]建立了双输出移相器的三序分量模型，比文献[14]更为完备，适用于电力系统短路电流水平以及稳定性分析。文献[16]则在EMTP中建立了静止移相器基于元件的仿真模型，适用于电磁暂态研究与移相器内部元件的分析；该模型的优点在于较为精确，不足之处在于仿真耗时比前者显著增加。

TCZT作为一种晶闸管型柔性互联装置，需要嵌入电网并进行电磁暂态分析。虽然TCZT中的电力电子元件比VSC-HVDC少得多，但是在进行仿真分析时，依然面临计算开销过大的难题。如果采用基于元件的小时间尺度仿真模型，不仅无法在现有的实时仿真平台上实现，而且离线仿真的速率也难以令人满意。

为了提高仿真速率，本文研究TCZT的电磁暂态多时间尺度转换等效模型。首先，剖析了TCZT的电路拓扑和工作原理；然后，基于其电压方程推导了一种戴维南等效模型；最后，通过与元件模型的对比仿真分析，证明了柔性互联装置对联络线潮流的控制能力，以及电磁暂态多时间尺度转换等效模型的准确性和快速性。

图1  柔性互联装置的主电路

结论

基于晶闸管控制曲折变压器（TCZT）的柔性互联装置是电网互联的一种新型技术手段，它能够快速、灵活并双向调节联络线功率，且有功和无功潮流能够独立控制。根据TCZT的电路特点，本文所建立的戴维南等效模型具有可变内阻。

采用该模型能够在保证准确性的前提下，大大减少计算量、加快仿真速率，适用于含柔性互联装置的电力网络的建模，实现基于多时间尺度转换等效模型的电磁暂态仿真分析。