王 輝，李宇豪，楊 振

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002)

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仿真技術(shù)在柔性交流輸電系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

王 輝1，2，李宇豪1，楊 振1

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002)

作為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的重要應(yīng)用之一，柔性交流輸電系統(tǒng)通常都會(huì)作為專業(yè)選修課開設(shè)。但由于FACTS元件種類眾多，且涉及到多種變換，該課程學(xué)生學(xué)習(xí)有一定難度。本文應(yīng)用Matlab中的Simulink仿真工具建立了一種含F(xiàn)ACTS元件的仿真模型，晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)，對(duì)其工作特點(diǎn)進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，仿真波形與理論分析得到的結(jié)果相同，證實(shí)了應(yīng)用Matlab等仿真軟件可提高柔性交流輸電系統(tǒng)課程教學(xué)效果。

柔性交流輸電系統(tǒng)；仿真；晶閘管控制串聯(lián)電容器；Matlab/Simulink

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模日益增大、電網(wǎng)電壓等級(jí)不斷提高、非線性負(fù)荷的大量使用以及對(duì)電能質(zhì)量的要求提升，電網(wǎng)發(fā)展面臨很多問題，如我國(guó)的電網(wǎng)互聯(lián)格局尚未形成，難于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度；電網(wǎng)建設(shè)滯后，電能質(zhì)量得不到保證；受土地資源的影響，線路走廊和變電站站址選擇日益困難等，這些問題依靠傳統(tǒng)的電力技術(shù)是無法完成的[2]。

近年來由于電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，柔性交流輸電技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些問題創(chuàng)造了有利條件。柔性交流輸電(Flexible AC transmission system FACTS)，這一概念是上世紀(jì)80年代由美國(guó)電力科學(xué)院的N.G.Hingorani博士提出，并于1988年和1999年的CIGRE(International Council on Large Electric systems，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議)上對(duì)FACTS概念及其包含的FACTS裝置概念進(jìn)行了重新定義。1997年，IEEE PES(IEEE Power Engineering Society，IEEE電力工程學(xué)會(huì))正式發(fā)布的FACTS定義是：裝有電力電子型和其他靜止型控制裝置以加強(qiáng)可控性和增大電力傳輸能力的交流輸電系統(tǒng)。

作為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的重要應(yīng)用之一[3]，柔性交流輸電系統(tǒng)通常都會(huì)作為電氣工程專業(yè)本科生的選修課開設(shè)。但由于FACTS元件種類眾多，且涉及到多種變換，該課程學(xué)生學(xué)習(xí)有較大難度。

本文結(jié)合作者多年講授本課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以一種含F(xiàn)ACTS元件的典型電路，即串聯(lián)補(bǔ)償——晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)為例進(jìn)行討論，借助于Matlab中的Simulink仿真工具對(duì)其建模及仿真，從仿真波形上分析其特點(diǎn)，以解決課程教學(xué)中的難點(diǎn)。

1 晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)仿真模型的建立[4]

1.1 晶閘管控制串聯(lián)電容器的工作原理和應(yīng)用

圖1為單相TCSC電路原理圖，通過對(duì)SCR(Silicon Controlled Rectifier 晶閘管)觸發(fā)脈沖的控制改變晶閘管的觸發(fā)角，實(shí)際上是改變由晶閘管控制的電感支路中電流的大小，從而連續(xù)改變?cè)撝房偟牡刃Щ娍埂?/p>

圖1 單相TCSC電路

TCSC有四種工作模式：

1) 晶閘管截止：此時(shí)，晶閘管控制串聯(lián)電容器等同于固定串聯(lián)電容補(bǔ)償；

2) 晶閘管旁路：此時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，線路電流大部分通過電感L，整個(gè)晶閘管控制串聯(lián)電容器的阻抗呈現(xiàn)小電抗特性；

3) 容性微調(diào)模式：此時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角較小，整個(gè)晶閘管控制串聯(lián)電容器的阻抗呈現(xiàn)出容性電抗特性，通常該裝置都是運(yùn)行在容性微調(diào)模式；

4) 感性微調(diào)模式：此時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角較大，整個(gè)晶閘管控制串聯(lián)電容器的阻抗呈現(xiàn)感性電抗特性。

在電力系統(tǒng)中，在輸電線路中串聯(lián)電容進(jìn)行補(bǔ)償，利用電容的容抗抵消部分輸電線路感抗，可以減少電能損失，增加線路的輸送能力，改善系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，在電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重干擾的過程中，還可以減少負(fù)荷區(qū)的電壓降落。TCSC是近年來串聯(lián)補(bǔ)償新技術(shù)的代表，是靈活交流輸電系統(tǒng)的主要組成部分。由于采用電力電子開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)串聯(lián)補(bǔ)償裝置中的斷路器，使TCSC具有了長(zhǎng)壽命、無磨損以及快速連續(xù)調(diào)節(jié)的能力，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

1.2 TCSC仿真模型的建立

利用MATLAB的Simulink建立TCSC模塊，如圖2所示。該TCSC模塊與Powergui模塊結(jié)合，可以分析電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

圖2 TCSC模塊示意圖

TCSC模塊的端子功能如下：

◆ A1、B1、C1、A、B、C為TCSC連接系統(tǒng)的電氣端子；

◆ P為TCSC內(nèi)部電感支路中晶閘管觸發(fā)脈沖的輸入端子；

◆ cb為TCSC內(nèi)部旁路斷路器的控制信號(hào)端子。

TCSC模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括A、B、C三相如圖2所示的TCSC模塊。雙擊TCSC模塊，打開其參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，如圖3所示，在TCSC模塊中要對(duì)三相參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置。

圖3 TCSC參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖4 TCSC控制模塊

1.3 TCSC控制系統(tǒng)模塊的建立[5]

TCSC的控制系統(tǒng)是建模核心內(nèi)容之一，控制模塊采用定阻抗控制方式。首先計(jì)算出系統(tǒng)輸電線路的等效阻抗，以這個(gè)阻抗為目標(biāo)去控制TCSC中晶閘管的導(dǎo)通角度，控制模塊如圖4所示。該模型里，各個(gè)模塊的作用分別是：

Impedance Caculation：計(jì)算線路上的等效阻抗；

Controller capacitive：通過比較阻抗的設(shè)定值和阻抗的給定值來求得晶閘管的觸發(fā)角度；

Firing Unit：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成晶閘管觸發(fā)信號(hào)去控制晶閘管。

2 含TCSC的單機(jī)無窮大系統(tǒng)仿真分析

為分析TCSC對(duì)電力系統(tǒng)性能的影響，可搭建一個(gè)500 kV單機(jī)無窮大系統(tǒng)，在MATLAB中使用Three-Phase Programmable Voltage Source(三相可編程電壓源)模擬，輸電線路用一阻抗模型等效，波形觀察模塊主要顯示傳輸功率、測(cè)量阻抗和阻抗設(shè)定值、晶閘管觸發(fā)角等參數(shù)。

2.1 對(duì)線路輸電能力的影響

為了清楚地體現(xiàn)出TCSC投入前后波形的變化，在TCSC觸發(fā)模塊Firing Unit中設(shè)置TCSC具體的投入時(shí)間，可以通過控制TCSC中旁路斷路器的通斷時(shí)刻來實(shí)現(xiàn)的。

通過設(shè)置觸發(fā)模塊參數(shù)，使TCSC在仿真開始后2 s投入運(yùn)行。設(shè)置仿真時(shí)間為0～5 s，阻抗設(shè)定為128 Ω，可得如圖5的波形(從上到下三個(gè)波形依次為線路傳輸功率，單位MW；TCSC阻抗，單位Ω；TCSC模塊中觸發(fā)角α，單位(°))。

由圖5可以看出，2 s之前TCSC未投入，處于旁路模式α=90°，此時(shí)線路傳輸功率約為112 MW。2 s時(shí)刻投入TCSC后，經(jīng)過大約1 s的動(dòng)態(tài)過程，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)α=75°，傳輸?shù)墓β始s為600 MW?？梢姡琓CSC的投入明顯提高了該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)傳輸功率。

圖5 TCSC對(duì)線路的輸電能力影響的仿真結(jié)果

2.2 對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)可以通過故障模塊進(jìn)行設(shè)置，在MATLAB中由三相短路故障發(fā)生模塊模擬故障[6]，該模塊可以模擬任意單相接地、兩相接地短路、兩相相間短路以及三相短路故障。由于電力系統(tǒng)從故障狀態(tài)到穩(wěn)定運(yùn)行的過渡時(shí)間很短，此處以短路故障發(fā)生的時(shí)刻0.2 s～0.228 s為例，為簡(jiǎn)化分析，僅以系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)TCSC接入前后的輸送功率及線路阻抗的變化進(jìn)行對(duì)比分析，可得如圖6的波形(坐標(biāo)參數(shù)與圖5標(biāo)注相同，從上到下三個(gè)波形依次為線路傳輸功率；TCSC阻抗；TCSC模塊中觸發(fā)角α)。

(a)未投入TCSC的仿真波形 (b)投入TCSC的仿真波形

圖6 系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)TCSC接入前后功率及阻抗對(duì)比波形

從圖6(a)中可以看出未投入TCSC的電力系統(tǒng)在0.2 s時(shí)發(fā)生單相接地短路，0.228 s時(shí)故障消除，到1 s時(shí)系統(tǒng)接近穩(wěn)定，暫態(tài)時(shí)間約為0.7 s。而投入TCSC后到0.5 s時(shí)系統(tǒng)接近穩(wěn)定，暫態(tài)時(shí)間約為0.2 s，如圖6(b)所示。從圖6可以看出，在電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，TCSC可以顯著地加快電力系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，并且能在一定程度上提高電力系統(tǒng)的傳輸功率，從而提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

3 結(jié)論

通過對(duì)含TCSC的單機(jī)無窮大系統(tǒng)建模及仿真分析，可以得到如下結(jié)論：

1) 基于晶閘管的可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置(TCSC)是近年來串聯(lián)補(bǔ)償新技術(shù)的代表，是靈活交流輸電系統(tǒng)的重要組成部分。TCSC裝置利用晶閘管控制觸發(fā)角α的不同對(duì)電容器進(jìn)行旁路、投入或部分調(diào)制，具有長(zhǎng)壽命、無磨損以及快速連續(xù)調(diào)節(jié)的能力，在潮流控制以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。

2) 利用Matlab/Simulink對(duì)TCSC進(jìn)行建模與仿真，在輸電線路中隨著TCSC的投入，可以顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)傳輸功率；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，TCSC可以顯著地加快電力系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

3) 應(yīng)用Matlab/Simulink 對(duì)典型FACTS元件進(jìn)行建模仿真，通過在仿真過程中靈活改變晶閘管觸發(fā)角、TCSC投切時(shí)間、短路故障發(fā)生時(shí)刻等參數(shù)，實(shí)時(shí)得到仿真波形和結(jié)果，比單純進(jìn)行理論分析效果要好，為提高柔性交流輸電系統(tǒng)教學(xué)效果提供了有力的幫助。

[1] 陳堅(jiān).柔性電力系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 王華昕，楊秀.柔性輸電技術(shù)概論[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[3] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4] 阿查.柔性交流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)中的建模與仿真[M].程新功，張勇，王中華，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5] 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)：12-16.

[6] 張鴻鳴，鄧志良.基于新型仿真工具的 TCSC 建模及仿真研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(6)：238-240.

The Application of Simulation Technology in the Teaching Course of Flexible AC Transmission Systems

Wang Hui1,2,Li Yuhao1,Yang Zhen1

(1.CollegeofElectricalEngineeringandNewEnergy,ChinaThreeGorgesUniversity,YichangHubei443002,China； 2.HubeiMicro-gridEngineeringTechnologyResearchCenter(ChinaThreeGorgesUniversity) 443002,China)

As one of the important application of power electronic technology in power system,the flexible AC transmission system is usually used as a professional elective course.However,there are many kinds FACTS components,it includes much complex converter circuits and difficult for students to study.A kind of simulation model with FACTS component is constructed based on Matlab/Simulink that is thyristor controlled series capacitor (TCSC).Its working characteristics are simulated and analyzed.The results show that the waveform both based on simulation and conventional circuit analysis are identical which proves that the Matlab software can improve the teaching effect of flexible AC transmission systems course.

flexible AC transmission system; simulation; thyristor controlled series capacitor(TCSC); Matlab/Simulink

2016-07-18

王 輝(1969-)，男，河南鄧州人，副教授，工學(xué)碩士，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)教學(xué)、科研工作。

1674-4578(2016)05-0033-03

TP391.9；N41

A