基于TCSC补偿的电网暂态建模与仿真研究

吴睿 王玉荣 周亚南

摘要：可控串联补偿（TCSC）是基于晶闸管快速连续地调节输电线路电抗，减小功角差，提高电力系统的稳定性，采用MATLAB建立TCSC对系统暂态稳定性影响的仿真模拟，对含TCSC补偿和不含TCSC时的波形进行分析，以研究TCSC在电力系统暂态中对系统稳定性的影响。由此提出TCSC在现代电力系统的应用情况。

关键词：可控串联补偿;暂态稳定性;柔性交流输电系统;输电能力

1引言

近年来，电力系统规模不断扩大，网络结构日益复杂，其输送能力不足等问题日渐突出，极大地影响了系统的稳定性[1]，如何提高线路的输电稳定成为一个值得研究的重大问题。电力系统所采用的可控串联补偿技术是基于在输电线路上串联接入必要的设备，达到改变线路的特性的目的，最终改善输电线路的运行性能，使之控制在一定的范围内。通过串联补偿技术来提高输电线路的传输容量、改善系统稳定性是一种非常有效的方法[4]。目前已有许多基于串联补偿装置对系统稳定性的控制和影响方面的研究。文献[2]采用带有光触发晶闸管的可控串联补偿装置研究了其在电力系统的暂态稳定和电压稳定中的作用。文献[3]基于微分几何理论的基础设计了TCSC非线性PID控制器，并在MATLAB仿真环境下利用双机系统模型分析了TCSC在电力系统暂态稳定性与阻尼系统震荡中的作用，但PID参数将很难整定，难于在所有运行点都具有良好的鲁棒性;文献[4]通过PSCAD仿真研究了基于同步电压源的串联补偿器（SSSC）（ ）的补偿效果以及功角特性曲线;文献[5]通过采用动态矩阵对触发角进行控制从而控制晶闸管，最后达到控制输电线路的阻抗，并通过一定的模拟验证的该方法的可行性。

電容串联补偿有固定串联电容补偿和可控串联补偿（TCSC）（两种补偿方式[6]，由于固定串联电容的容抗是固定值，所以固定串联补偿只存在补偿和不补偿两种工作模式[2]，其调节能力实际是无法满足时刻变化的输电线路的。可控串联补偿（（TCSC）通过实现对线路阻抗的连续平滑调节改善输出负载变化对电力线路的影响，和固定补偿相比，可控串联补偿（（TCSC）应用范围更广泛，大大提高了电力系统装置的实用性[6]。所以本文通过对可控串联补偿（TCSC）在输电线路系统发生故障进行仿真和研究，证实了TCSC是可以有效提高电力系统暂态稳定性的。

2基于TCSC补偿的电网暂态及仿真

2.1TCSC的数学模型

可控串联电容器（TCSC）补偿是一种新型电力装置，它是在传统串联补偿技术上进一步发展而来的，也是柔性交流输电装置的典型代表。可控串联电容器（TCSC）的工作原理类似于可变电抗的LC并联电路。晶闸管控制的串联电容器（TCSC）大致可分为三个模块：串联电容、电抗、晶闸管开关;因为可以连续改变电抗，补偿容量可以连续变化，具有响应速度快的优点。晶闸管可以根据线路的要求，适当灵活地改变触发角α的大小，最终的结果是改变了该支路的电抗值，来达到电力系统的要求，所以在很大的范围内，由于晶闸管的控制可以将线路的输送功率维持在一定的水平，晶闸管的触发角可以从（晶闸管全导通）到（晶闸管全关断）之间变化。因此，合适的控制方案可以使TCSC输电线路电抗进行快速、连续地调节，并且减小输电引起的电压下降和功角差，有效的提高了线路输送电能的能力和电力系统的稳定性。TCSC模块的等效阻抗为（LC回路）：

从公式中可以看出，通过改变L的值，可使使并联回路呈现感性电抗或容性电抗，计算TCSC的基波电抗的公式如下：

公式中：

由上述公式，改变晶闸管的触发角α进而可以改变TCSC的电抗值，从而使线路的等值阻抗成为可以控制的参数，采用合适的控制方法，可以调节线路的其它电气量。

2.2仿真模型的参数设置

本文采用简单电力系统模型进行仿真，以研究TCSC对电力系统暂态稳定性的影响，简单电力系统模型如图1所示：

如图1所示，简单电力系统模型主要包含：三相电源、升压变压器、三相输电线路、降压变压器、负载五个模块。主要利用Matlab中的Simulink进行仿真，三相电源采用可编程电压源，线电压设为为10.5kV、频率设为50Hz、初始相位是零相位的电源;升压变压器是三角形星型联结方式，电压比：10.5/121;降压变压器则与之相反，电压比：110/6.3（电压单位均为Kv），变压器采用这种联结方式主要为了有效限制了三次谐波;输电线路采用三相分布式导线模块，与实际的电网输电线路相一致;负载是利用三相负载模块来模拟真实的输电线路负载，所以选取RLC串联负载模型，其中功率因数：0.85、有功功率：12.75MW、无功功率：7.95Mvar;TCSC模块是采用MATLAB本身所携带的例程中的模型，并没有单独的去构造。此外，还要对系统进行单相接地短路和三相接地短路仿真，因为居民用电都是单相供电方式，平时使用的电气线路220伏的电源方式较多，所以出现单相接地的概率高，单相接地短路发生的概率大概为85%;另外虽然三相短路发生的概率很小，但它一旦发生对电力系统的影响是非常严重的，所以我们要进行这两个仿真，其中故障时间设置为0.2-0.29s，其他参数默认。在短路故障仿真之后，依次在高压输电线上串联接入TCSC模块及其相关模块，组成含有TCSC的三相电力系统模型，用以和未加该模块的故障仿真进行对比。

2.3短路故障仿真

2.3.1三相短路故障仿真

系统的仿真时间设置为1s，其它参数默认，接下来对正常运行的电力系统模型进行突然的三相短路故障的仿真，此时可以得到有功功率波形，如图2所示;其次把TCSC及其模块串联接入刚才的模型再次进行仿真，可以得到如图3所示的含有TCSC 补偿的有功功率波形。比较图2和图3，我们可以看到：在模拟实际运行输电线路仿真系统中，突然发生三相短路故障并通过继电保护装置切除故障后，系统的功率会发生比较大的震动，极大可能会使电力系统发生较大的故障;当安装有TCSC装置时，系统的有功功率很快趋于稳定。

2.3.2单相接地短路故障仿真

假设为A相发生单相接地故障，其他参数不变，分别按照2.3.1的操作步骤再次对三相电力系统模型进行仿真，可以得到负载有功功率波形分别如图4和图5所示。对比图4与图5可以看出：模拟目前运行的电力系统的系统在故障切除后，有功功率出现了一定幅度的震荡，系统不能够及时地稳定下来;由图5可以了解到：安装有TCSC装置的电力系统在故障切除后，系统功率很快趋于稳定的状态，这与电力系统运行的要求相合。

3结论

本文使用Matlab中的Simulink板块建立了含有TCSC和不含TCSC的简单电力系统模型，其输电能力较未安装TCSC装置的简单电力系统有显著提高。对两种故障仿真结果分析可知，在未装有TCSC装置的电力系统出现三相短路故障，并通过继电保护装置切除故障后，系统的功率发生较大震动发生了功率振荡，不复合电力系统的要求;而在安装TCSC装置的电力系统中，故障切除后系统的有功功率很快稳定下来。

再通过对单相接地故障的仿真结果分析可以了解到，在切除故障后，结果与三相短路故障切除后的结果相似，安装了TCSC装置的电力系统有功功率很快恢复稳定，而未安装TCSC装置的电力系统在故障切除后有功功率则出现了较大震荡，不符合电力系统的运行要求。由此可知TCSC装置不仅能提高系统的输电能力而且能很好地改善系统的暂态稳定性。

随着TCSC理论技术的逐步发展和在工程领域中的广泛应用，TCSC装置在提高输电线路的传输水平以及提高电力系统稳定性等方面的能力逐步反映出来，在我国电力工业发展中具有十分瞩目的应用前景，这也是本课题研究的意义及目的所在。

4参考文献

[1]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，2011.

[2]周孝信，赵贺，武守远.可控串联补偿输电技术[J].北京：中国电力科学研究院，2003，4（02）：1-7.

[3]时勇.可控串补（TCSC）的控制研究[J].山东：科技展望，2015，25（31）：116.

[4]吴英俊.TCSC对电力系统次同步震荡阻尼特性的影响[D]. 南京：東南大学2009.

[5]王文静.可控串补TCSC的建模与控制[D]. 沈阳：东北大学.

[6]高飞翎，周子旺，常鹏，宋福根.可控串联补偿调压特性的分析和研究[J]. 2019（6）：24-28.

基金：安徽工程大学本科生科学研究项目（2020DZ27）

吴睿，1999年9月，女，汉，安徽省淮南市，学生，本科

安徽工程大学电气工程学院 安徽芜湖 241000