王曉明，許琛，楊釗

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730050）

TCSC對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響的仿真研究

王曉明，許琛，楊釗

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

在輸電系統(tǒng)中發(fā)生單相、三相故障時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大。為了改善由故障引起的系統(tǒng)電壓和功率振蕩，提出一種基于Matlab/Simulink的安裝有TCSC的三相電力系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)方案，并以120kV配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，進(jìn)行不同故障類型的仿真來(lái)證明該模型的有效性，并通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)比分析了含有TCSC和不含TCSC的配電網(wǎng)電力系統(tǒng)，驗(yàn)證了TCSC可以提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

TCSC；電力系統(tǒng)；Matlab/Simulink；接地故障；建模仿真

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展以及能源分布的不平衡，高電壓、遠(yuǎn)距離和大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)將會(huì)是未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，但由于低壓配電線路無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益要好于高/中壓配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益，所以配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的研究一直受到世界的廣泛關(guān)注［1］。目前，并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)被廣泛使用在我國(guó)配電網(wǎng)系統(tǒng)中，它具有改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，但其也存在一些局限性，如對(duì)線路潮流控制能力較弱，使得其產(chǎn)生的補(bǔ)償效果通常只在節(jié)點(diǎn)附近區(qū)域。因此，不能單純地依靠并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)解決配電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題?；诰чl管的可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置可以通過(guò)對(duì)補(bǔ)償阻抗的快速、連續(xù)、平滑的調(diào)節(jié)，從而改善電網(wǎng)的潮流分布、提高輸配電線路的輸送容量，還可以抑制低頻功率振蕩和次同步諧振，以達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

可見，可控串補(bǔ)技術(shù)在配電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有一定的研究意義。文中提出并設(shè)計(jì)了一種基于Matlab/Simulink的安裝有TCSC的三相電力系統(tǒng)模型，通過(guò)在不同故障下的仿真對(duì)比分析，研究TCSC在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性中的所起的作用，為進(jìn)一步研究配電網(wǎng)系統(tǒng)中的TCSC提供了理論基礎(chǔ)。

1　TCSC的基本原理

TCSC模塊主要由電容C、電抗器L和兩個(gè)反向并聯(lián)晶閘管組成。在實(shí)際裝置中需加入金屬氧化物可變電阻器MOV和旁路斷路器CB作為保護(hù)設(shè)備，其目的是要防止該模塊電壓過(guò)大以及控制電容器的接入［2］，TCSC模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　TCSC模塊結(jié)構(gòu)Fig．1　Modular structure of TCSC

TCSC的工作原理是在其電感L支路中加入兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管開關(guān)，該支路中的晶閘管電流可以通過(guò)精確地控制觸發(fā)角α來(lái)改變，從而可連續(xù)快速地改變?cè)撝返碾娍怪担渥兓秶鷱摩豅（對(duì)應(yīng)于α=90°，晶閘管全導(dǎo)通）到無(wú)窮大（對(duì)應(yīng)于α=180°，晶閘管全關(guān)斷），從而改變了TCSC的等效基波阻抗［3］。

2　TCSC的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)拉普拉斯變換，可推導(dǎo)出暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)下TCSC所在回路中電抗器及電容器的電壓和電流數(shù)學(xué)表達(dá)式，并通過(guò)傅立葉變換，得出TCSC基波阻抗和晶閘管觸發(fā)角α之間數(shù)學(xué)關(guān)系，從而可以通過(guò)控制TCSC晶閘管觸發(fā)角α的大小來(lái)控制其阻抗。其精確的數(shù)學(xué)關(guān)系如下［4］：

當(dāng)激勵(lì)為電壓源時(shí)：

當(dāng)激勵(lì)為電流源時(shí)：

由上述公式可知，如需改變TCSC基波阻抗XTCSC，可以通過(guò)改變其晶閘管的觸發(fā)角α來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而來(lái)控制線路的等值阻抗，使其變?yōu)橐粋€(gè)可控的參數(shù)。通過(guò)對(duì)其數(shù)學(xué)模型的仿真，可得當(dāng)勵(lì)磁源為電流源時(shí)TCSC基波阻抗 （Ω）和觸發(fā)角α （rad）的關(guān)系，如圖2所示。

圖2　TCSC基波阻抗與觸發(fā)角　的關(guān)系曲線圖Fig．2　Relationsbetween　simulation　graph　TCSC　fundamental impedance and firing angle α

從圖2可看出，當(dāng)αcrt≤α≤180°時(shí)，TCSC裝置處于容性微調(diào)運(yùn)行模式，其容抗和觸發(fā)角成反比關(guān)系；當(dāng)90°≤α≤αcrt時(shí)，TCSC裝置處于感性微調(diào)運(yùn)行模式，其感抗和觸發(fā)角成正比關(guān)系。觸發(fā)角為TCSC的諧振點(diǎn)，在諧振點(diǎn)附近設(shè)置晶閘管的最小容性觸發(fā)角αCmin和最大感性觸發(fā)角αLmax，使TCSC遠(yuǎn)離諧振區(qū)［5］。

3　仿真計(jì)算與分析

利用Matlab/Simulink中的電力系統(tǒng)模塊，建立其仿真模型。如圖3所示，將TCSC模塊及其控制和觸發(fā)模塊接入三相電力系統(tǒng)中，與高壓輸電線串聯(lián)，形成安裝有TCSC的三相電力系統(tǒng)模型。

圖3　算例仿真示意圖Fig．3　Examples schematic simulation calculation

圖中各模塊參數(shù)如下，三相電源模型采用了Simulink中的可編程電壓源，線電壓為10．5 kV，頻率為50 Hz，初始相位為0°。系統(tǒng)中有兩個(gè)變壓器（T1和T2），容量為31．5 MVA，T1T2分別為升壓電壓器（低壓側(cè)和高壓側(cè)聯(lián)結(jié)方式分別為三角形和星形中性點(diǎn)接地）和降壓變壓器（高壓側(cè)和低壓側(cè)聯(lián)結(jié)方式分別為星形中性點(diǎn)接地和三角形），它們的電壓比分別為10．3/120和110/6．4。變壓器采用Yn，d11型聯(lián)結(jié)，使變壓器不容易產(chǎn)生三次諧波［6］。三相輸電線路采用三相分布導(dǎo)線模型，設(shè)置其長(zhǎng)度為80 km，輸電線路的正序和零序電阻分別為0．16 和0．35，正序和零序電感分別為1．24 mH/km和4．11 mH/km，正序和零序電容分別為8．74 nF/km和7．63 nF/km。三相額定負(fù)載采用的是功率因數(shù)為0．85的RLC串聯(lián)負(fù)載模型，考慮到變壓器T2的容量，選擇負(fù)載的有功功率和無(wú)功功率分別為P=12．75 MW，Q=7．95 Mvar，負(fù)載額定線電壓是6．5 kV。TCSC模塊的電感為0．013H，電容為120．977 μF。利用三相故障模塊對(duì)系統(tǒng)中的各短路故障進(jìn)行仿真，并設(shè)置故障時(shí)間為0．2～0．29 s。

通過(guò)在如圖3所示的模型中設(shè)置不同的故障類型，來(lái)研究不同故障下負(fù)載的暫態(tài)電壓和功率波形，并通過(guò)將TCSC從輸電系統(tǒng)中切除來(lái)和安裝TCSC時(shí)的仿真波形進(jìn)行比較，從而可以進(jìn)一步研究TCSC在電力系統(tǒng)暫態(tài)中的作用，下面分別對(duì)不同的短路故障情形進(jìn)行仿真分析。

情形1：三相短路故障仿真

將故障類型設(shè)置為三相短路故障，故障時(shí)間為0．2～0．29s，系統(tǒng)仿真時(shí)間為 0～1．0s，仿真算法采用可變步長(zhǎng)ode23t，分別對(duì)含有和不含TCSC的配電網(wǎng)電力系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，得到三相短路故障時(shí)的負(fù)載電壓、功率波形如圖4、5所示。

觀察圖4、5中負(fù)載電壓和功率波形，可以明顯的看到當(dāng)0．2 s發(fā)生三相短路故障時(shí)，沒(méi)有安裝TCSC的系統(tǒng)中負(fù)載電壓和功率急劇減少，故障切除后，可以看到系統(tǒng)的功率存在一定幅度的振動(dòng)，并且負(fù)載電壓也存在著嚴(yán)重的諧波分量，此時(shí)系統(tǒng)中存在功率振蕩以及電壓諧波分量，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定。若在輸電線路中安裝TCSC，當(dāng)系統(tǒng)在0．2 s發(fā)生故障時(shí)，電壓和功率急劇減少，在0．29 s故障切除后，系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率很快穩(wěn)定下來(lái)，沒(méi)有發(fā)生功率振蕩，負(fù)載電壓也不包含諧波分量。

情形2：?jiǎn)蜗嘟拥毓收戏抡?/p>

將故障設(shè)置為A相單向接地故障，系統(tǒng)仿真時(shí)間為0～1．0 s，仿真得負(fù)載電壓，功率波形分別如圖6所示。

圖4　不安裝TCSC時(shí)系統(tǒng)三相短路時(shí)負(fù)載功率、電壓波形圖Fig.4　The system without TCSC three-phase short circuit load power and voltage waveforms

圖5　安裝TCSC時(shí)系統(tǒng)三相短路時(shí)負(fù)載功率、電壓波形圖Fig.5　The system with TCSC three-phase short circuit load power and voltage waveforms

圖6　不安裝TCSC時(shí)系統(tǒng)單相接地時(shí)負(fù)載功率、電壓波形圖Fig.6　The system without TCSC single-phase groundload power and voltage waveforms

圖7　安裝TCSC時(shí)系統(tǒng)單相接地時(shí)負(fù)載功率、電壓波形圖Fig.7　The system with TCSC single-phase groundload power and voltage waveforms

從負(fù)載電壓和功率波形中可以看出，系統(tǒng)沒(méi)有安裝TCSC時(shí)，當(dāng)0.29 s故障切除后，可以明顯看出沒(méi)有安裝TCSC的系統(tǒng)中有功功率、無(wú)功功率一直存在輕微振蕩，系統(tǒng)中負(fù)載電壓在故障切除后也存在著諧波分量，此時(shí)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不能滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求。若系統(tǒng)中安裝有TCSC，在0.29 s故障切除后，有功功率、無(wú)功功率和電壓很快恢復(fù)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

4　結(jié)　論

文中通過(guò)研究TCSC的基本原理和數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/Simulink軟件搭建含有TCSC的120 kV配電網(wǎng)電力系統(tǒng)模型，針對(duì)三相短路故障和單相接地故障進(jìn)行仿真分析，證明了該模型的有效性。并通過(guò)將TCSC裝置從系統(tǒng)中切除，仿真對(duì)比系統(tǒng)安裝有TCSC的情形，仿真結(jié)果表明TCSC可以很好的改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。在安裝有TCSC系統(tǒng)的輸電線路中發(fā)生比較嚴(yán)重的故障時(shí)，它可以提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、阻尼線路功率振蕩、抑制次同步諧振等多種功能。

［1］張利生．電力網(wǎng)電能損耗管理及降損技術(shù)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2008．

［2］徐宏，房俊龍．配電網(wǎng)TCSC建模及接地故障仿真研究［J］．電氣技術(shù)，2012（4）:12-13．

［3］張強(qiáng)．TCSC運(yùn)行原理及其在電網(wǎng)中的工程應(yīng)用［J］．電氣開關(guān)，2011（2）:74-76．

［4］柏曉路，劉滌塵，黨杰，等．?dāng)?shù)學(xué)模型和控制技術(shù)研究綜述［J］．電力科學(xué)與工程，2008（2）:29-33．

［5］魏宏芬，邱曉燕，等．通過(guò)SVC和TCSC聯(lián)合改善異步機(jī)風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性研究［J］．可再生能源，2011，29（4）:21-22．

［6］于群，曹娜．MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

TCSC simulation study on the effects of transient stability

WANG Xiao-ming，XU Chen，YANG Zhao
（Electrical Engineering Information Engineering Institute，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

A greater impact on power system stability in the transmission system when the single-phase，three-phase fault occurs．In order to improve the system voltage and power oscillation caused by the fault，designsa model of three-phase power system with TCSC based on Matlab/Simulink，using different types of fault simulationwith 120 kV power distribution system as an example to prove the validity of the model．By comparing the simulation results and analysisof the distribution network of power systems with and without TCSC，the model verify the TCSC can improve power system transient stability．

TCSC；power systems；Matlab/Simulink；ground fault；modeling simulation

TM712

A

1674－6236（2016）02-0096-03

2015-05-18稿件編號(hào)：201505154

甘肅省科技支撐計(jì)劃（1011GKCA031）

王曉明（1954—），男，甘肅民勤人，教授。研究方向：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。