TCSC对系统暂态稳定性影响的仿真研究

王晓明，许琛，杨钊

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州　730050）

TCSC对系统暂态稳定性影响的仿真研究

王晓明，许琛，杨钊

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州730050）

在输电系统中发生单相、三相故障时对电力系统稳定性影响较大。为了改善由故障引起的系统电压和功率振荡，提出一种基于Matlab/Simulink的安装有TCSC的三相电力系统模型的设计方案，并以120kV配电网系统为例，进行不同故障类型的仿真来证明该模型的有效性，并通过仿真结果对比分析了含有TCSC和不含TCSC的配电网电力系统，验证了TCSC可以提高电力系统暂态稳定性等特点。

TCSC；电力系统；Matlab/Simulink；接地故障；建模仿真

随着电网的不断发展以及能源分布的不平衡，高电压、远距离和大规模互联电网将会是未来电网的发展趋势，但由于低压配电线路无功补偿的经济效益要好于高/中压配电系统无功补偿的经济效益，所以配电网的无功补偿技术的研究一直受到世界的广泛关注［1］。目前，并联无功补偿技术被广泛使用在我国配电网系统中，它具有改善配电网电能质量等优点，但其也存在一些局限性，如对线路潮流控制能力较弱，使得其产生的补偿效果通常只在节点附近区域。因此，不能单纯地依靠并联补偿技术解决配电网的电能质量问题。基于晶闸管的可控串联补偿装置可以通过对补偿阻抗的快速、连续、平滑的调节，从而改善电网的潮流分布、提高输配电线路的输送容量，还可以抑制低频功率振荡和次同步谐振，以达到改善系统稳定性的目的。

可见，可控串补技术在配电网系统中的应用具有一定的研究意义。文中提出并设计了一种基于Matlab/Simulink的安装有TCSC的三相电力系统模型，通过在不同故障下的仿真对比分析，研究TCSC在电力系统暂态稳定性中的所起的作用，为进一步研究配电网系统中的TCSC提供了理论基础。

1　TCSC的基本原理

TCSC模块主要由电容C、电抗器L和两个反向并联晶闸管组成。在实际装置中需加入金属氧化物可变电阻器MOV和旁路断路器CB作为保护设备，其目的是要防止该模块电压过大以及控制电容器的接入［2］，TCSC模块结构图如图1所示。

图1　TCSC模块结构Fig．1　Modular structure of TCSC

TCSC的工作原理是在其电感L支路中加入两个反向并联的晶闸管开关，该支路中的晶闸管电流可以通过精确地控制触发角α来改变，从而可连续快速地改变该支路的电抗值，其变化范围从ωL（对应于α=90°，晶闸管全导通）到无穷大（对应于α=180°，晶闸管全关断），从而改变了TCSC的等效基波阻抗［3］。

2　TCSC的数学模型

根据拉普拉斯变换，可推导出暂态和稳态下TCSC所在回路中电抗器及电容器的电压和电流数学表达式，并通过傅立叶变换，得出TCSC基波阻抗和晶闸管触发角α之间数学关系，从而可以通过控制TCSC晶闸管触发角α的大小来控制其阻抗。其精确的数学关系如下［4］：

当激励为电压源时：

当激励为电流源时：

由上述公式可知，如需改变TCSC基波阻抗XTCSC，可以通过改变其晶闸管的触发角α来实现，进而来控制线路的等值阻抗，使其变为一个可控的参数。通过对其数学模型的仿真，可得当励磁源为电流源时TCSC基波阻抗 （Ω）和触发角α （rad）的关系，如图2所示。

图2　TCSC基波阻抗与触发角　的关系曲线图Fig．2　Relationsbetween　simulation　graph　TCSC　fundamental impedance and firing angle α

从图2可看出，当αcrt≤α≤180°时，TCSC装置处于容性微调运行模式，其容抗和触发角成反比关系；当90°≤α≤αcrt时，TCSC装置处于感性微调运行模式，其感抗和触发角成正比关系。触发角为TCSC的谐振点，在谐振点附近设置晶闸管的最小容性触发角αCmin和最大感性触发角αLmax，使TCSC远离谐振区［5］。

3　仿真计算与分析

利用Matlab/Simulink中的电力系统模块，建立其仿真模型。如图3所示，将TCSC模块及其控制和触发模块接入三相电力系统中，与高压输电线串联，形成安装有TCSC的三相电力系统模型。

图3　算例仿真示意图Fig．3　Examples schematic simulation calculation

图中各模块参数如下，三相电源模型采用了Simulink中的可编程电压源，线电压为10．5 kV，频率为50 Hz，初始相位为0°。系统中有两个变压器（T1和T2），容量为31．5 MVA，T1T2分别为升压电压器（低压侧和高压侧联结方式分别为三角形和星形中性点接地）和降压变压器（高压侧和低压侧联结方式分别为星形中性点接地和三角形），它们的电压比分别为10．3/120和110/6．4。变压器采用Yn，d11型联结，使变压器不容易产生三次谐波［6］。三相输电线路采用三相分布导线模型，设置其长度为80 km，输电线路的正序和零序电阻分别为0．16 和0．35，正序和零序电感分别为1．24 mH/km和4．11 mH/km，正序和零序电容分别为8．74 nF/km和7．63 nF/km。三相额定负载采用的是功率因数为0．85的RLC串联负载模型，考虑到变压器T2的容量，选择负载的有功功率和无功功率分别为P=12．75 MW，Q=7．95 Mvar，负载额定线电压是6．5 kV。TCSC模块的电感为0．013H，电容为120．977 μF。利用三相故障模块对系统中的各短路故障进行仿真，并设置故障时间为0．2～0．29 s。

通过在如图3所示的模型中设置不同的故障类型，来研究不同故障下负载的暂态电压和功率波形，并通过将TCSC从输电系统中切除来和安装TCSC时的仿真波形进行比较，从而可以进一步研究TCSC在电力系统暂态中的作用，下面分别对不同的短路故障情形进行仿真分析。

情形1：三相短路故障仿真

将故障类型设置为三相短路故障，故障时间为0．2～0．29s，系统仿真时间为 0～1．0s，仿真算法采用可变步长ode23t，分别对含有和不含TCSC的配电网电力系统模型进行仿真，得到三相短路故障时的负载电压、功率波形如图4、5所示。

观察图4、5中负载电压和功率波形，可以明显的看到当0．2 s发生三相短路故障时，没有安装TCSC的系统中负载电压和功率急剧减少，故障切除后，可以看到系统的功率存在一定幅度的振动，并且负载电压也存在着严重的谐波分量，此时系统中存在功率振荡以及电压谐波分量，系统的运行状态不稳定。若在输电线路中安装TCSC，当系统在0．2 s发生故障时，电压和功率急剧减少，在0．29 s故障切除后，系统有功功率和无功功率很快稳定下来，没有发生功率振荡，负载电压也不包含谐波分量。

情形2：单相接地故障仿真

将故障设置为A相单向接地故障，系统仿真时间为0～1．0 s，仿真得负载电压，功率波形分别如图6所示。

图4　不安装TCSC时系统三相短路时负载功率、电压波形图Fig.4　The system without TCSC three-phase short circuit load power and voltage waveforms

图5　安装TCSC时系统三相短路时负载功率、电压波形图Fig.5　The system with TCSC three-phase short circuit load power and voltage waveforms

图6　不安装TCSC时系统单相接地时负载功率、电压波形图Fig.6　The system without TCSC single-phase groundload power and voltage waveforms

图7　安装TCSC时系统单相接地时负载功率、电压波形图Fig.7　The system with TCSC single-phase groundload power and voltage waveforms

从负载电压和功率波形中可以看出，系统没有安装TCSC时，当0.29 s故障切除后，可以明显看出没有安装TCSC的系统中有功功率、无功功率一直存在轻微振荡，系统中负载电压在故障切除后也存在着谐波分量，此时系统处于不稳定状态，不能满足电力系统的运行要求。若系统中安装有TCSC，在0.29 s故障切除后，有功功率、无功功率和电压很快恢复到了稳定状态。

4　结　论

文中通过研究TCSC的基本原理和数学模型，利用Matlab/Simulink软件搭建含有TCSC的120 kV配电网电力系统模型，针对三相短路故障和单相接地故障进行仿真分析，证明了该模型的有效性。并通过将TCSC装置从系统中切除，仿真对比系统安装有TCSC的情形，仿真结果表明TCSC可以很好的改善系统的暂态稳定性。在安装有TCSC系统的输电线路中发生比较严重的故障时，它可以提高电力系统暂态稳定性、阻尼线路功率振荡、抑制次同步谐振等多种功能。

［1］张利生．电力网电能损耗管理及降损技术［M］．北京:中国电力出版社，2008．

［2］徐宏，房俊龙．配电网TCSC建模及接地故障仿真研究［J］．电气技术，2012（4）:12-13．

［3］张强．TCSC运行原理及其在电网中的工程应用［J］．电气开关，2011（2）:74-76．

［4］柏晓路，刘涤尘，党杰，等．数学模型和控制技术研究综述［J］．电力科学与工程，2008（2）:29-33．

［5］魏宏芬，邱晓燕，等．通过SVC和TCSC联合改善异步机风电场暂态电压稳定性研究［J］．可再生能源，2011，29（4）:21-22．

［6］于群，曹娜．MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真［M］．北京:机械工业出版社，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稿件编号：201505154

甘肃省科技支撑计划（1011GKCA031）

王晓明（1954—），男，甘肃民勤人，教授。研究方向：计算机控制技术。