TCSC對系統暫態穩定性影響的仿真研究

王曉明，許琛，楊釗

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州　730050）

TCSC對系統暫態穩定性影響的仿真研究

王曉明，許琛，楊釗

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050）

在輸電系統中發生單相、三相故障時對電力系統穩定性影響較大。為了改善由故障引起的系統電壓和功率振蕩，提出一種基于Matlab/Simulink的安裝有TCSC的三相電力系統模型的設計方案，并以120kV配電網系統為例，進行不同故障類型的仿真來證明該模型的有效性，并通過仿真結果對比分析了含有TCSC和不含TCSC的配電網電力系統，驗證了TCSC可以提高電力系統暫態穩定性等特點。

TCSC；電力系統；Matlab/Simulink；接地故障；建模仿真

隨著電網的不斷發展以及能源分布的不平衡，高電壓、遠距離和大規模互聯電網將會是未來電網的發展趨勢，但由于低壓配電線路無功補償的經濟效益要好于高/中壓配電系統無功補償的經濟效益，所以配電網的無功補償技術的研究一直受到世界的廣泛關注［1］。目前，并聯無功補償技術被廣泛使用在我國配電網系統中，它具有改善配電網電能質量等優點，但其也存在一些局限性，如對線路潮流控制能力較弱，使得其產生的補償效果通常只在節點附近區域。因此，不能單純地依靠并聯補償技術解決配電網的電能質量問題。基于晶閘管的可控串聯補償裝置可以通過對補償阻抗的快速、連續、平滑的調節，從而改善電網的潮流分布、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，以達到改善系統穩定性的目的。

可見，可控串補技術在配電網系統中的應用具有一定的研究意義。文中提出并設計了一種基于Matlab/Simulink的安裝有TCSC的三相電力系統模型，通過在不同故障下的仿真對比分析，研究TCSC在電力系統暫態穩定性中的所起的作用，為進一步研究配電網系統中的TCSC提供了理論基礎。

1　TCSC的基本原理

TCSC模塊主要由電容C、電抗器L和兩個反向并聯晶閘管組成。在實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作為保護設備，其目的是要防止該模塊電壓過大以及控制電容器的接入［2］，TCSC模塊結構圖如圖1所示。

圖1　TCSC模塊結構Fig．1　Modular structure of TCSC

TCSC的工作原理是在其電感L支路中加入兩個反向并聯的晶閘管開關，該支路中的晶閘管電流可以通過精確地控制觸發角α來改變，從而可連續快速地改變該支路的電抗值，其變化范圍從ωL（對應于α=90°，晶閘管全導通）到無窮大（對應于α=180°，晶閘管全關斷），從而改變了TCSC的等效基波阻抗［3］。

2　TCSC的數學模型

根據拉普拉斯變換，可推導出暫態和穩態下TCSC所在回路中電抗器及電容器的電壓和電流數學表達式，并通過傅立葉變換，得出TCSC基波阻抗和晶閘管觸發角α之間數學關系，從而可以通過控制TCSC晶閘管觸發角α的大小來控制其阻抗。其精確的數學關系如下［4］：

當激勵為電壓源時：

當激勵為電流源時：

由上述公式可知，如需改變TCSC基波阻抗XTCSC，可以通過改變其晶閘管的觸發角α來實現，進而來控制線路的等值阻抗，使其變為一個可控的參數。通過對其數學模型的仿真，可得當勵磁源為電流源時TCSC基波阻抗 （Ω）和觸發角α （rad）的關系，如圖2所示。

圖2　TCSC基波阻抗與觸發角　的關系曲線圖Fig．2　Relationsbetween　simulation　graph　TCSC　fundamental impedance and firing angle α

從圖2可看出，當αcrt≤α≤180°時，TCSC裝置處于容性微調運行模式，其容抗和觸發角成反比關系；當90°≤α≤αcrt時，TCSC裝置處于感性微調運行模式，其感抗和觸發角成正比關系。觸發角為TCSC的諧振點，在諧振點附近設置晶閘管的最小容性觸發角αCmin和最大感性觸發角αLmax，使TCSC遠離諧振區［5］。

3　仿真計算與分析

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

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

圖中各模塊參數如下，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°。系統中有兩個變壓器（T1和T2），容量為31．5 MVA，T1T2分別為升壓電壓器（低壓側和高壓側聯結方式分別為三角形和星形中性點接地）和降壓變壓器（高壓側和低壓側聯結方式分別為星形中性點接地和三角形），它們的電壓比分別為10．3/120和110/6．4。變壓器采用Yn，d11型聯結，使變壓器不容易產生三次諧波［6］。三相輸電線路采用三相分布導線模型，設置其長度為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。三相額定負載采用的是功率因數為0．85的RLC串聯負載模型，考慮到變壓器T2的容量，選擇負載的有功功率和無功功率分別為P=12．75 MW，Q=7．95 Mvar，負載額定線電壓是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系統中的各短路故障進行仿真，并設置故障時間為0．2～0．29 s。

通過在如圖3所示的模型中設置不同的故障類型，來研究不同故障下負載的暫態電壓和功率波形，并通過將TCSC從輸電系統中切除來和安裝TCSC時的仿真波形進行比較，從而可以進一步研究TCSC在電力系統暫態中的作用，下面分別對不同的短路故障情形進行仿真分析。

情形1：三相短路故障仿真

將故障類型設置為三相短路故障，故障時間為0．2～0．29s，系統仿真時間為 0～1．0s，仿真算法采用可變步長ode23t，分別對含有和不含TCSC的配電網電力系統模型進行仿真，得到三相短路故障時的負載電壓、功率波形如圖4、5所示。

觀察圖4、5中負載電壓和功率波形，可以明顯的看到當0．2 s發生三相短路故障時，沒有安裝TCSC的系統中負載電壓和功率急劇減少，故障切除后，可以看到系統的功率存在一定幅度的振動，并且負載電壓也存在著嚴重的諧波分量，此時系統中存在功率振蕩以及電壓諧波分量，系統的運行狀態不穩定。若在輸電線路中安裝TCSC，當系統在0．2 s發生故障時，電壓和功率急劇減少，在0．29 s故障切除后，系統有功功率和無功功率很快穩定下來，沒有發生功率振蕩，負載電壓也不包含諧波分量。

情形2：單相接地故障仿真

將故障設置為A相單向接地故障，系統仿真時間為0～1．0 s，仿真得負載電壓，功率波形分別如圖6所示。

圖4　不安裝TCSC時系統三相短路時負載功率、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時系統三相短路時負載功率、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時系統單相接地時負載功率、電壓波形圖Fig.6　The system without TCSC single-phase groundload power and voltage waveforms

圖7　安裝TCSC時系統單相接地時負載功率、電壓波形圖Fig.7　The system with TCSC single-phase groundload power and voltage waveforms

從負載電壓和功率波形中可以看出，系統沒有安裝TCSC時，當0.29 s故障切除后，可以明顯看出沒有安裝TCSC的系統中有功功率、無功功率一直存在輕微振蕩，系統中負載電壓在故障切除后也存在著諧波分量，此時系統處于不穩定狀態，不能滿足電力系統的運行要求。若系統中安裝有TCSC，在0.29 s故障切除后，有功功率、無功功率和電壓很快恢復到了穩定狀態。

4　結　論

文中通過研究TCSC的基本原理和數學模型，利用Matlab/Simulink軟件搭建含有TCSC的120 kV配電網電力系統模型，針對三相短路故障和單相接地故障進行仿真分析，證明了該模型的有效性。并通過將TCSC裝置從系統中切除，仿真對比系統安裝有TCSC的情形，仿真結果表明TCSC可以很好的改善系統的暫態穩定性。在安裝有TCSC系統的輸電線路中發生比較嚴重的故障時，它可以提高電力系統暫態穩定性、阻尼線路功率振蕩、抑制次同步諧振等多種功能。

［1］張利生．電力網電能損耗管理及降損技術［M］．北京:中國電力出版社，2008．

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

［3］張強．TCSC運行原理及其在電網中的工程應用［J］．電氣開關，2011（2）:74-76．

［4］柏曉路，劉滌塵，黨杰，等．數學模型和控制技術研究綜述［J］．電力科學與工程，2008（2）:29-33．

［5］魏宏芬，邱曉燕，等．通過SVC和TCSC聯合改善異步機風電場暫態電壓穩定性研究［J］．可再生能源，2011，29（4）:21-22．

［6］于群，曹娜．MATLAB/Simulink電力系統建模與仿真［M］．北京:機械工業出版社，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：201505154

甘肅省科技支撐計劃（1011GKCA031）

王曉明（1954—），男，甘肅民勤人，教授。研究方向：計算機控制技術。