1、基于matlab的tcsc建模與仿真研究第17卷第5期2006年1o月巾原t學院journalofzhongyuaninstititeoftechnologyvo1.17no.5oct.,2006文章編號:16716906(2006)o5001604基于matlab的tcsc建模與仿真研究董燕,朱永勝(1.中原工學院,鄭州450007;2.鄭州大學電氣工程學院,鄭州450002)摘要:采用matlab/simulink軟件對基于晶閘管的可控串聯補償裝置(tcsc)進行二次開發,建立了詳細的tcsc模塊以及單機無窮大系統模型,進行動態仿真.結果表明tcsc在提高電力系統穩態傳輸功率,抑制阻尼,提

2、高系統暫態穩定性方面有很好的作用.關鍵詞:matlab;tcsc;可控串補;仿真;中圖分類號:tm743文獻標識碼:a基于晶閘管的可控串聯補償裝置(thyristorcontrolledseriescompensator,tcsc)是近年來串聯補償新技術的代表,是靈活交流輸電系統(flexibleactransmissionsystems,facts)的主要組成部分.由于采用晶閘管代替傳統串聯補償裝置的機械開關,使tcsc具有了幾乎無限次,無磨損以及快速連續調節的能力,在潮流控制,提高系統穩定性方面發揮著重要作用.matlab提供的simulink工具箱是一個用來對動態系統進行建模,仿真和分析

3、的軟件包.從matlab5.2開始又加入了專門的電力系統模塊,并最終定名為sps(simpowersystems).與其它電力系統分析軟件相比,matlab以其友好的圖形界面,豐富的工具箱和強大的用戶開發功能成為重要的電力系統分析仿真軟件.目前國內常用的電力系統仿真工具有emtp,psasp等.在tcsc的建模方面,這幾種軟件大都把tcsc處理成隨控制參數變化的可變阻抗,沒有體現tcsc控制,觸發以及晶閘管模塊在具體仿真實例中的作用,也就不能系統研究tcsc在電力系統中的應用,有一定的局限性.本文根據tcsc的基本原理與數學模型,利用matlab/simulink軟件,并對其進行二次開發,建立

4、了詳細的tcsc的模塊,并在單機無窮大系統中進行動態仿真.收稿日期:20060509作者簡介:董燕(1977一),女,甘肅秦安人,碩士生1tcsc基本原理與數學模型tcsc模塊由一個串聯電容器c和一個晶閘管控制的電抗器i并聯組成,如圖1所示.其中斷路器(cb)和金屬氧化物可變電阻器(m0v)是與串聯電容器一起安裝的保護設備,用來控制電容器是否接入線路和防止過電壓.圖1tcsc模塊tcsc的.作原理與具有可變電抗的并聯ic電路相似.在并聯ic電路的電感支路中串聯一對反并聯的晶閘管開關,通過適當地改變觸發角改變晶閘管支路電流,等效于改變了該支路的電抗值,從而改變了tcsc的等效基波阻抗.tcsc模

5、塊的等效阻抗為(ic回路):第5期董燕等:基于matlab的tcsc建模與仿真研究1)ll1(1)2matlab仿真通過改變叫l的大小,即可使整個并聯回路體現容性或者感性電抗.tcsc的基波電抗可通過理論計算得:xtcsck口xc(2)其中:xc一,kp一1+g一tgfia)一盧一,l上厶l87ca,cooco,可見,通過改變晶閘管的觸發角a,可以改變x,從而使線路等值阻抗成為可控參數,在一定控制策略作用下,可以改變線路的潮流等電氣量.其標幺值電抗(x/)隨觸發角變化的特性如圖2所示l6.捌i,己昌圖2tcsc的觸發角a與rcs【=i的關系tcsc的控制系統是裝置的核心之一,而阻抗控制作為系統

6、的中層控制,直接反映tcsc跟隨并反映參考阻抗的能力.本文為了在matlab中建模研究tcsc在電力系統中的作用,采用定阻抗控制方法,其基本模型如圖3所示.圖3tcsc控制模型仿真系統選取單機無窮大(smib)系統,其接線圖如圖4所示.(a)系統連接圖e十.o-_wwn-r_m:(b)等效電路圖圖4單機無窮大系統2.1發電機與無窮大系統的仿真模型發電機采用簡化發電機模型,而matlab將發電機這種非線性元件近似用電流源模擬,所以發電機出口不允許與電感元件直接串聯,必須帶負載.其轉子運動方程如下:1rjj.mt)drkdaco(t)(3)l叫(f)一aco(f)+co0其中,h為慣性時間常數,t

7、,為機械轉矩,t為電磁轉矩,k為阻尼系數.無窮大系統采用大短路容量的電壓源模擬,相角為零.2.2變壓器和傳輸線路matlab中提供各種型號的變壓器模型,本文采用threephasetransformer(twowindings),接線方式為a/y1.軟件提供的線路模型有兩種,pi型和分布參數型,也可以用串聯ric或并聯ric代替線路.本文采用串聯ric線路.2.3tcsc模型tcsc模塊是整個仿真的關鍵,本文所搭建的tcsc模塊分為晶閘管模塊,控制模塊和觸發模塊.晶閘管模塊與圖1所示基本一致,由保護裝置和ic回路組成,考慮到三相晶閘管并非同時導通,在matlab中x-sh分別建模.控制模塊采用

8、定阻抗控制,由實際的線路參數計算出線路阻抗,并與參考阻抗相比較后由pid控制器產生觸發角并線性化,再經觸發模塊分配觸發脈沖使晶閘管動作.2.4單機無窮大仿真模型在matlab/simulink環境中按系統連接圖搭建如圖6所示單機無窮大系統.其中powergui模塊是我們進行電力系統仿真非常有用的圖形用戶界面,能中原_學院2006年第l7卷夠進行仿真類型設置,數值初始化以及各種結果分析.本文選擇其中的loadflowandmachineinitialization來對發電機進行初始化和潮流計算,初始條件是p一1500mw,vt一13.8kv,廠一60hz,bustype選擇p&vgene

9、rator.仿真類型選擇連續型(continuous),并采用ode23t算法.pm臣臣efiringunitcphase圖5tcsc控制及觸發模塊匿13.8wmachideinaiizedforp=1500mwvt=13.8i13.8/735kvoomw72.5仿真過程仿真開始時,南于采用powergui模塊進行了參數初始化,所以系統很快進入穩態,在此過程中,先將tcsc模塊用斷路器(cb)切除.在0.5s時,將tcsc模塊投入,可以看到穩態有功從785mw增加到1434mw,見圖7(橫軸為時間軸,下同),tcsc的投入明顯提高了該系統的穩態傳輸功率.在2s時由faultbreaker模塊在

10、變壓器高壓側產生相接地短路,5個周波(1/12s)以后故障切除,在圖8巾可以看到系統功角的變化曲線.在tcsc的作用下系統能很快的平息振蕩,有效地提高了系統的暫態穩定性.tcsc的阻抗和觸發角a的變化曲線見圖9,其中,阻抗的基準值是tcsc電容器的基波阻抗.測量阻抗對參考阻抗的跟蹤采用pid控制器,能較好地反應阻抗變化,超調小,振蕩時間短,體現了一定的魯棒性.由觸發角可以看到,tcsc工作在容性區域,保證了tcsc在阻抗范圍內的容性微調功能,避免了諧振,相比于其它仿真工具,更能體現tcsc的實際工作狀態.在短路故障發生后tcsc投入的初期,晶閘管的觸發角為18o.,即tcsc裝置全部投入系統運

11、行,由此可見tcsc的容量選擇是決定其作用的一個重要因素.圖6單機無窮大系統模型圖7系統有功功率(10.mw)40302010010乍圜30.0o0mva735kvlirl一012345圖8系統功角(deg)第5期蕈燕等:基于matlab的tcsc建模與仿真研究?l9?結語o圖9tcsc主要參數(1)本文根據tcsc的基本原理與數學模型,利用matlab/simulink軟件,建立了詳細的tcsc模塊以及單機無窮大系統模型,進行動態仿真.結果表明tcsc在提高電力系統穩態傳輸功率,提高系統暫態穩定性方面有很好的作用;參1234e567(a)tcsc阻抗(2)基于matlab/simulink的

12、仿真環境操作簡單,功能強大,特別是5.t_-次開發功能,為用戶進行電力系統仿真提供了良好的軟件平臺;(3)采用定阻抗控制方式的tcsc在matlab中的仿真,能在電力系統起到較好作用,但是個別參數在振蕩過程中超調較大,應采用更好的上層控制策略對tcsc進行有效的控制,以便更好得發揮其作用.考文獻:.陳淮金.可控串聯補償在提高電力系統穩定性中的作用研究j.電力系統自動化,1996,20(1o):l417.陸超,唐義良,謝小榮,等.仿真軟件matiabpsb與psasp模型及仿真分析j.電力系統自動化,2000,24(9):2327.吳天明,彭斌,謝小竹.matlab電力系統設計與分析m.北京:國

13、防工業出版社,2004.戴先中,張凱鋒,陸翔.采用本地信號的可控串聯電容補償神經網絡逆系統控制方法j.中國電機工程,2004,24(7)3540.王錫凡.現代電力系統分析m.北京:科學出版,2003.rmohanmathur,raivkvarma.基于晶閘管的柔性交流輸電控制裝置m.徐政譯.北京:機械工業出版社,2005.向婉芹,盛四清.matlab電力系統工具箔在發電機進相運行仿真中的應用j.繼電器,2005,33(20):5356.modelingandsimulationoftcscbasedonmatlabsoftwaredongyan,zhuyongsheng(1.zhongyuaninstituteofteehnology,zhengzhou450007;2.schoolofelectricengineering,zhengzhouuniversity,zhengzhou450002,china)abstract:thispaperusesmatlab/simuli