基于TCSC補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)暫態(tài)建模與仿真研究

吳睿 王玉榮 周亞南

摘要：可控串聯(lián)補(bǔ)償（TCSC）是基于晶閘管快速連續(xù)地調(diào)節(jié)輸電線路電抗，減小功角差，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用MATLAB建立TCSC對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響的仿真模擬，對(duì)含TCSC補(bǔ)償和不含TCSC時(shí)的波形進(jìn)行分析，以研究TCSC在電力系統(tǒng)暫態(tài)中對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。由此提出TCSC在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：可控串聯(lián)補(bǔ)償;暫態(tài)穩(wěn)定性;柔性交流輸電系統(tǒng);輸電能力

1引言

近年來(lái)，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，其輸送能力不足等問(wèn)題日漸突出，極大地影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]，如何提高線路的輸電穩(wěn)定成為一個(gè)值得研究的重大問(wèn)題。電力系統(tǒng)所采用的可控串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)是基于在輸電線路上串聯(lián)接入必要的設(shè)備，達(dá)到改變線路的特性的目的，最終改善輸電線路的運(yùn)行性能，使之控制在一定的范圍內(nèi)。通過(guò)串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)來(lái)提高輸電線路的傳輸容量、改善系統(tǒng)穩(wěn)定性是一種非常有效的方法[4]。目前已有許多基于串聯(lián)補(bǔ)償裝置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制和影響方面的研究。文獻(xiàn)[2]采用帶有光觸發(fā)晶閘管的可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置研究了其在電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定中的作用。文獻(xiàn)[3]基于微分幾何理論的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了TCSC非線性PID控制器，并在MATLAB仿真環(huán)境下利用雙機(jī)系統(tǒng)模型分析了TCSC在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性與阻尼系統(tǒng)震蕩中的作用，但PID參數(shù)將很難整定，難于在所有運(yùn)行點(diǎn)都具有良好的魯棒性;文獻(xiàn)[4]通過(guò)PSCAD仿真研究了基于同步電壓源的串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）（ ）的補(bǔ)償效果以及功角特性曲線;文獻(xiàn)[5]通過(guò)采用動(dòng)態(tài)矩陣對(duì)觸發(fā)角進(jìn)行控制從而控制晶閘管，最后達(dá)到控制輸電線路的阻抗，并通過(guò)一定的模擬驗(yàn)證的該方法的可行性。

電容串聯(lián)補(bǔ)償有固定串聯(lián)電容補(bǔ)償和可控串聯(lián)補(bǔ)償（TCSC）（兩種補(bǔ)償方式[6]，由于固定串聯(lián)電容的容抗是固定值，所以固定串聯(lián)補(bǔ)償只存在補(bǔ)償和不補(bǔ)償兩種工作模式[2]，其調(diào)節(jié)能力實(shí)際是無(wú)法滿足時(shí)刻變化的輸電線路的。可控串聯(lián)補(bǔ)償（（TCSC）通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)線路阻抗的連續(xù)平滑調(diào)節(jié)改善輸出負(fù)載變化對(duì)電力線路的影響，和固定補(bǔ)償相比，可控串聯(lián)補(bǔ)償（（TCSC）應(yīng)用范圍更廣泛，大大提高了電力系統(tǒng)裝置的實(shí)用性[6]。所以本文通過(guò)對(duì)可控串聯(lián)補(bǔ)償（TCSC）在輸電線路系統(tǒng)發(fā)生故障進(jìn)行仿真和研究，證實(shí)了TCSC是可以有效提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的。

2基于TCSC補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)暫態(tài)及仿真

2.1TCSC的數(shù)學(xué)模型

可控串聯(lián)電容器（TCSC）補(bǔ)償是一種新型電力裝置，它是在傳統(tǒng)串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)上進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)的，也是柔性交流輸電裝置的典型代表。可控串聯(lián)電容器（TCSC）的工作原理類似于可變電抗的LC并聯(lián)電路。晶閘管控制的串聯(lián)電容器（TCSC）大致可分為三個(gè)模塊：串聯(lián)電容、電抗、晶閘管開(kāi)關(guān);因?yàn)榭梢赃B續(xù)改變電抗，補(bǔ)償容量可以連續(xù)變化，具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。晶閘管可以根據(jù)線路的要求，適當(dāng)靈活地改變觸發(fā)角α的大小，最終的結(jié)果是改變了該支路的電抗值，來(lái)達(dá)到電力系統(tǒng)的要求，所以在很大的范圍內(nèi)，由于晶閘管的控制可以將線路的輸送功率維持在一定的水平，晶閘管的觸發(fā)角可以從（晶閘管全導(dǎo)通）到（晶閘管全關(guān)斷）之間變化。因此，合適的控制方案可以使TCSC輸電線路電抗進(jìn)行快速、連續(xù)地調(diào)節(jié)，并且減小輸電引起的電壓下降和功角差，有效的提高了線路輸送電能的能力和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。TCSC模塊的等效阻抗為（LC回路）：

從公式中可以看出，通過(guò)改變L的值，可使使并聯(lián)回路呈現(xiàn)感性電抗或容性電抗，計(jì)算TCSC的基波電抗的公式如下：

公式中：

由上述公式，改變晶閘管的觸發(fā)角α進(jìn)而可以改變TCSC的電抗值，從而使線路的等值阻抗成為可以控制的參數(shù)，采用合適的控制方法，可以調(diào)節(jié)線路的其它電氣量。

2.2仿真模型的參數(shù)設(shè)置

本文采用簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，以研究TCSC對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)模型如圖1所示：

如圖1所示，簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)模型主要包含：三相電源、升壓變壓器、三相輸電線路、降壓變壓器、負(fù)載五個(gè)模塊。主要利用Matlab中的Simulink進(jìn)行仿真，三相電源采用可編程電壓源，線電壓設(shè)為為10.5kV、頻率設(shè)為50Hz、初始相位是零相位的電源;升壓變壓器是三角形星型聯(lián)結(jié)方式，電壓比：10.5/121;降壓變壓器則與之相反，電壓比：110/6.3（電壓?jiǎn)挝痪鶠镵v），變壓器采用這種聯(lián)結(jié)方式主要為了有效限制了三次諧波;輸電線路采用三相分布式導(dǎo)線模塊，與實(shí)際的電網(wǎng)輸電線路相一致;負(fù)載是利用三相負(fù)載模塊來(lái)模擬真實(shí)的輸電線路負(fù)載，所以選取RLC串聯(lián)負(fù)載模型，其中功率因數(shù)：0.85、有功功率：12.75MW、無(wú)功功率：7.95Mvar;TCSC模塊是采用MATLAB本身所攜帶的例程中的模型，并沒(méi)有單獨(dú)的去構(gòu)造。此外，還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行單相接地短路和三相接地短路仿真，因?yàn)榫用裼秒姸际菃蜗喙╇姺绞剑綍r(shí)使用的電氣線路220伏的電源方式較多，所以出現(xiàn)單相接地的概率高，單相接地短路發(fā)生的概率大概為85%;另外雖然三相短路發(fā)生的概率很小，但它一旦發(fā)生對(duì)電力系統(tǒng)的影響是非常嚴(yán)重的，所以我們要進(jìn)行這兩個(gè)仿真，其中故障時(shí)間設(shè)置為0.2-0.29s，其他參數(shù)默認(rèn)。在短路故障仿真之后，依次在高壓輸電線上串聯(lián)接入TCSC模塊及其相關(guān)模塊，組成含有TCSC的三相電力系統(tǒng)模型，用以和未加該模塊的故障仿真進(jìn)行對(duì)比。

2.3短路故障仿真

2.3.1三相短路故障仿真

系統(tǒng)的仿真時(shí)間設(shè)置為1s，其它參數(shù)默認(rèn)，接下來(lái)對(duì)正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)模型進(jìn)行突然的三相短路故障的仿真，此時(shí)可以得到有功功率波形，如圖2所示;其次把TCSC及其模塊串聯(lián)接入剛才的模型再次進(jìn)行仿真，可以得到如圖3所示的含有TCSC 補(bǔ)償?shù)挠泄β什ㄐ?。比較圖2和圖3，我們可以看到：在模擬實(shí)際運(yùn)行輸電線路仿真系統(tǒng)中，突然發(fā)生三相短路故障并通過(guò)繼電保護(hù)裝置切除故障后，系統(tǒng)的功率會(huì)發(fā)生比較大的震動(dòng)，極大可能會(huì)使電力系統(tǒng)發(fā)生較大的故障;當(dāng)安裝有TCSC裝置時(shí)，系統(tǒng)的有功功率很快趨于穩(wěn)定。

2.3.2單相接地短路故障仿真

假設(shè)為A相發(fā)生單相接地故障，其他參數(shù)不變，分別按照2.3.1的操作步驟再次對(duì)三相電力系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，可以得到負(fù)載有功功率波形分別如圖4和圖5所示。對(duì)比圖4與圖5可以看出：模擬目前運(yùn)行的電力系統(tǒng)的系統(tǒng)在故障切除后，有功功率出現(xiàn)了一定幅度的震蕩，系統(tǒng)不能夠及時(shí)地穩(wěn)定下來(lái);由圖5可以了解到：安裝有TCSC裝置的電力系統(tǒng)在故障切除后，系統(tǒng)功率很快趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，這與電力系統(tǒng)運(yùn)行的要求相合。

3結(jié)論

本文使用Matlab中的Simulink板塊建立了含有TCSC和不含TCSC的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)模型，其輸電能力較未安裝TCSC裝置的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)有顯著提高。對(duì)兩種故障仿真結(jié)果分析可知，在未裝有TCSC裝置的電力系統(tǒng)出現(xiàn)三相短路故障，并通過(guò)繼電保護(hù)裝置切除故障后，系統(tǒng)的功率發(fā)生較大震動(dòng)發(fā)生了功率振蕩，不復(fù)合電力系統(tǒng)的要求;而在安裝TCSC裝置的電力系統(tǒng)中，故障切除后系統(tǒng)的有功功率很快穩(wěn)定下來(lái)。

再通過(guò)對(duì)單相接地故障的仿真結(jié)果分析可以了解到，在切除故障后，結(jié)果與三相短路故障切除后的結(jié)果相似，安裝了TCSC裝置的電力系統(tǒng)有功功率很快恢復(fù)穩(wěn)定，而未安裝TCSC裝置的電力系統(tǒng)在故障切除后有功功率則出現(xiàn)了較大震蕩，不符合電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求。由此可知TCSC裝置不僅能提高系統(tǒng)的輸電能力而且能很好地改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

隨著TCSC理論技術(shù)的逐步發(fā)展和在工程領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，TCSC裝置在提高輸電線路的傳輸水平以及提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的能力逐步反映出來(lái)，在我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展中具有十分矚目的應(yīng)用前景，這也是本課題研究的意義及目的所在。

4參考文獻(xiàn)

[1]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，2011.

[2]周孝信，趙賀，武守遠(yuǎn).可控串聯(lián)補(bǔ)償輸電技術(shù)[J].北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2003，4（02）：1-7.

[3]時(shí)勇.可控串補(bǔ)（TCSC）的控制研究[J].山東：科技展望，2015，25（31）：116.

[4]吳英俊.TCSC對(duì)電力系統(tǒng)次同步震蕩阻尼特性的影響[D]. 南京：東南大學(xué)2009.

[5]王文靜.可控串補(bǔ)TCSC的建模與控制[D]. 沈陽(yáng)：東北大學(xué).

[6]高飛翎，周子旺，常鵬，宋福根.可控串聯(lián)補(bǔ)償調(diào)壓特性的分析和研究[J]. 2019（6）：24-28.

基金：安徽工程大學(xué)本科生科學(xué)研究項(xiàng)目（2020DZ27）

吳睿，1999年9月，女，漢，安徽省淮南市，學(xué)生，本科

安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 安徽蕪湖 241000