基于TCSC補償的電網暫態建模與仿真研究

吳睿 王玉榮 周亞南

摘要：可控串聯補償（TCSC）是基于晶閘管快速連續地調節輸電線路電抗，減小功角差，提高電力系統的穩定性，采用MATLAB建立TCSC對系統暫態穩定性影響的仿真模擬，對含TCSC補償和不含TCSC時的波形進行分析，以研究TCSC在電力系統暫態中對系統穩定性的影響。由此提出TCSC在現代電力系統的應用情況。

關鍵詞：可控串聯補償;暫態穩定性;柔性交流輸電系統;輸電能力

1引言

近年來，電力系統規模不斷擴大，網絡結構日益復雜，其輸送能力不足等問題日漸突出，極大地影響了系統的穩定性[1]，如何提高線路的輸電穩定成為一個值得研究的重大問題。電力系統所采用的可控串聯補償技術是基于在輸電線路上串聯接入必要的設備，達到改變線路的特性的目的，最終改善輸電線路的運行性能，使之控制在一定的范圍內。通過串聯補償技術來提高輸電線路的傳輸容量、改善系統穩定性是一種非常有效的方法[4]。目前已有許多基于串聯補償裝置對系統穩定性的控制和影響方面的研究。文獻[2]采用帶有光觸發晶閘管的可控串聯補償裝置研究了其在電力系統的暫態穩定和電壓穩定中的作用。文獻[3]基于微分幾何理論的基礎設計了TCSC非線性PID控制器，并在MATLAB仿真環境下利用雙機系統模型分析了TCSC在電力系統暫態穩定性與阻尼系統震蕩中的作用，但PID參數將很難整定，難于在所有運行點都具有良好的魯棒性;文獻[4]通過PSCAD仿真研究了基于同步電壓源的串聯補償器（SSSC）（ ）的補償效果以及功角特性曲線;文獻[5]通過采用動態矩陣對觸發角進行控制從而控制晶閘管，最后達到控制輸電線路的阻抗，并通過一定的模擬驗證的該方法的可行性。

電容串聯補償有固定串聯電容補償和可控串聯補償（TCSC）（兩種補償方式[6]，由于固定串聯電容的容抗是固定值，所以固定串聯補償只存在補償和不補償兩種工作模式[2]，其調節能力實際是無法滿足時刻變化的輸電線路的。可控串聯補償（（TCSC）通過實現對線路阻抗的連續平滑調節改善輸出負載變化對電力線路的影響，和固定補償相比，可控串聯補償（（TCSC）應用范圍更廣泛，大大提高了電力系統裝置的實用性[6]。所以本文通過對可控串聯補償（TCSC）在輸電線路系統發生故障進行仿真和研究，證實了TCSC是可以有效提高電力系統暫態穩定性的。

2基于TCSC補償的電網暫態及仿真

2.1TCSC的數學模型

可控串聯電容器（TCSC）補償是一種新型電力裝置，它是在傳統串聯補償技術上進一步發展而來的，也是柔性交流輸電裝置的典型代表。可控串聯電容器（TCSC）的工作原理類似于可變電抗的LC并聯電路。晶閘管控制的串聯電容器（TCSC）大致可分為三個模塊：串聯電容、電抗、晶閘管開關;因為可以連續改變電抗，補償容量可以連續變化，具有響應速度快的優點。晶閘管可以根據線路的要求，適當靈活地改變觸發角α的大小，最終的結果是改變了該支路的電抗值，來達到電力系統的要求，所以在很大的范圍內，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，晶閘管的觸發角可以從（晶閘管全導通）到（晶閘管全關斷）之間變化。因此，合適的控制方案可以使TCSC輸電線路電抗進行快速、連續地調節，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的穩定性。TCSC模塊的等效阻抗為（LC回路）：

從公式中可以看出，通過改變L的值，可使使并聯回路呈現感性電抗或容性電抗，計算TCSC的基波電抗的公式如下：

公式中：

由上述公式，改變晶閘管的觸發角α進而可以改變TCSC的電抗值，從而使線路的等值阻抗成為可以控制的參數，采用合適的控制方法，可以調節線路的其它電氣量。

2.2仿真模型的參數設置

本文采用簡單電力系統模型進行仿真，以研究TCSC對電力系統暫態穩定性的影響，簡單電力系統模型如圖1所示：

如圖1所示，簡單電力系統模型主要包含：三相電源、升壓變壓器、三相輸電線路、降壓變壓器、負載五個模塊。主要利用Matlab中的Simulink進行仿真，三相電源采用可編程電壓源，線電壓設為為10.5kV、頻率設為50Hz、初始相位是零相位的電源;升壓變壓器是三角形星型聯結方式，電壓比：10.5/121;降壓變壓器則與之相反，電壓比：110/6.3（電壓單位均為Kv），變壓器采用這種聯結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線模塊，與實際的電網輸電線路相一致;負載是利用三相負載模塊來模擬真實的輸電線路負載，所以選取RLC串聯負載模型，其中功率因數：0.85、有功功率：12.75MW、無功功率：7.95Mvar;TCSC模塊是采用MATLAB本身所攜帶的例程中的模型，并沒有單獨的去構造。此外，還要對系統進行單相接地短路和三相接地短路仿真，因為居民用電都是單相供電方式，平時使用的電氣線路220伏的電源方式較多，所以出現單相接地的概率高，單相接地短路發生的概率大概為85%;另外雖然三相短路發生的概率很小，但它一旦發生對電力系統的影響是非常嚴重的，所以我們要進行這兩個仿真，其中故障時間設置為0.2-0.29s，其他參數默認。在短路故障仿真之后，依次在高壓輸電線上串聯接入TCSC模塊及其相關模塊，組成含有TCSC的三相電力系統模型，用以和未加該模塊的故障仿真進行對比。

2.3短路故障仿真

2.3.1三相短路故障仿真

系統的仿真時間設置為1s，其它參數默認，接下來對正常運行的電力系統模型進行突然的三相短路故障的仿真，此時可以得到有功功率波形，如圖2所示;其次把TCSC及其模塊串聯接入剛才的模型再次進行仿真，可以得到如圖3所示的含有TCSC 補償的有功功率波形。比較圖2和圖3，我們可以看到：在模擬實際運行輸電線路仿真系統中，突然發生三相短路故障并通過繼電保護裝置切除故障后，系統的功率會發生比較大的震動，極大可能會使電力系統發生較大的故障;當安裝有TCSC裝置時，系統的有功功率很快趨于穩定。

2.3.2單相接地短路故障仿真

假設為A相發生單相接地故障，其他參數不變，分別按照2.3.1的操作步驟再次對三相電力系統模型進行仿真，可以得到負載有功功率波形分別如圖4和圖5所示。對比圖4與圖5可以看出：模擬目前運行的電力系統的系統在故障切除后，有功功率出現了一定幅度的震蕩，系統不能夠及時地穩定下來;由圖5可以了解到：安裝有TCSC裝置的電力系統在故障切除后，系統功率很快趨于穩定的狀態，這與電力系統運行的要求相合。

3結論

本文使用Matlab中的Simulink板塊建立了含有TCSC和不含TCSC的簡單電力系統模型，其輸電能力較未安裝TCSC裝置的簡單電力系統有顯著提高。對兩種故障仿真結果分析可知，在未裝有TCSC裝置的電力系統出現三相短路故障，并通過繼電保護裝置切除故障后，系統的功率發生較大震動發生了功率振蕩，不復合電力系統的要求;而在安裝TCSC裝置的電力系統中，故障切除后系統的有功功率很快穩定下來。

再通過對單相接地故障的仿真結果分析可以了解到，在切除故障后，結果與三相短路故障切除后的結果相似，安裝了TCSC裝置的電力系統有功功率很快恢復穩定，而未安裝TCSC裝置的電力系統在故障切除后有功功率則出現了較大震蕩，不符合電力系統的運行要求。由此可知TCSC裝置不僅能提高系統的輸電能力而且能很好地改善系統的暫態穩定性。

隨著TCSC理論技術的逐步發展和在工程領域中的廣泛應用，TCSC裝置在提高輸電線路的傳輸水平以及提高電力系統穩定性等方面的能力逐步反映出來，在我國電力工業發展中具有十分矚目的應用前景，這也是本課題研究的意義及目的所在。

4參考文獻

[1]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，2011.

[2]周孝信，趙賀，武守遠.可控串聯補償輸電技術[J].北京：中國電力科學研究院，2003，4（02）：1-7.

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

[4]吳英俊.TCSC對電力系統次同步震蕩阻尼特性的影響[D]. 南京：東南大學2009.

[5]王文靜.可控串補TCSC的建模與控制[D]. 沈陽：東北大學.

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

基金：安徽工程大學本科生科學研究項目（2020DZ27）

吳睿，1999年9月，女，漢，安徽省淮南市，學生，本科

安徽工程大學電氣工程學院 安徽蕪湖 241000