基于Matlab的TCSC建模與仿真研究

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(xué)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(xué)院,鄭州450007;2.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院,鄭州450002)摘要:采用matlab/simulink軟件對基于晶閘管的可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置(tcsc)進(jìn)行二次開發(fā),建立了詳細(xì)的tcsc模塊以及單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型,進(jìn)行動態(tài)仿真.結(jié)果表明tcsc在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)傳輸功率,抑制阻尼,提

2、高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面有很好的作用.關(guān)鍵詞:matlab;tcsc;可控串補(bǔ);仿真;中圖分類號:tm743文獻(xiàn)標(biāo)識碼:a基于晶閘管的可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置(thyristorcontrolledseriescompensator,tcsc)是近年來串聯(lián)補(bǔ)償新技術(shù)的代表,是靈活交流輸電系統(tǒng)(flexibleactransmissionsystems,facts)的主要組成部分.由于采用晶閘管代替?zhèn)鹘y(tǒng)串聯(lián)補(bǔ)償裝置的機(jī)械開關(guān),使tcsc具有了幾乎無限次,無磨損以及快速連續(xù)調(diào)節(jié)的能力,在潮流控制,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用.matlab提供的simulink工具箱是一個(gè)用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)模塊,并最終定名為sps(simpowersystems).與其它電力系統(tǒng)分析軟件相比,matlab以其友好的圖形界面,豐富的工具箱和強(qiáng)大的用戶開發(fā)功能成為重要的電力系統(tǒng)分析仿真軟件.目前國內(nèi)常用的電力系統(tǒng)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(shù)變化的可變阻抗,沒有體現(xiàn)tcsc控制,觸發(fā)以及晶閘管模塊在具體仿真實(shí)例中的作用,也就不能系統(tǒng)研究tcsc在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,有一定的局限性.本文根據(jù)tcsc的基本原理與數(shù)學(xué)模型,利用matlab/simulink軟件,并對其進(jìn)行二次開發(fā),建立

4、了詳細(xì)的tcsc的模塊,并在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中進(jìn)行動態(tài)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(shù)學(xué)模型tcsc模塊由一個(gè)串聯(lián)電容器c和一個(gè)晶閘管控制的電抗器i并聯(lián)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(lián)電容器一起安裝的保護(hù)設(shè)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(lián)ic電路相似.在并聯(lián)ic電路的電感支路中串聯(lián)一對反并聯(lián)的晶閘管開關(guān),通過適當(dāng)?shù)馗淖冇|發(fā)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(wèi)的大小,即可使整個(gè)并聯(lián)回路體現(xiàn)容性或者感性電抗.tcsc的基波電抗可通過理論計(jì)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(fā)角a,可以改變x,從而使線路等值阻抗成為可控參數(shù),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(biāo)幺值電抗(x/)隨觸發(fā)角變化的特性如圖2所示l6.捌i,己昌圖2tcsc的觸發(fā)角a與rcs【=i的關(guān)系tcsc的控制系統(tǒng)是裝置的核心之一,而阻抗控制作為系統(tǒng)

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(tǒng)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(tǒng)選取單機(jī)無窮大(smib)系統(tǒng),其接線圖如圖4所示.(a)系統(tǒng)連接圖e十.o-_wwn-r_m:(b)等效電路圖圖4單機(jī)無窮大系統(tǒng)2.1發(fā)電機(jī)與無窮大系統(tǒng)的仿真模型發(fā)電機(jī)采用簡化發(fā)電機(jī)模型,而matlab將發(fā)電機(jī)這種非線性元件近似用電流源模擬,所以發(fā)電機(jī)出口不允許與電感元件直接串聯(lián),必須帶負(fù)載.其轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程如下:1rjj.mt)drkdaco(t)(3)l叫(f)一aco(f)+co0其中,h為慣性時(shí)間常數(shù),t

7、,為機(jī)械轉(zhuǎn)矩,t為電磁轉(zhuǎn)矩,k為阻尼系數(shù).無窮大系統(tǒng)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(shù)型,也可以用串聯(lián)ric或并聯(lián)ric代替線路.本文采用串聯(lián)ric線路.2.3tcsc模型tcsc模塊是整個(gè)仿真的關(guān)鍵,本文所搭建的tcsc模塊分為晶閘管模塊,控制模塊和觸發(fā)模塊.晶閘管模塊與圖1所示基本一致,由保護(hù)裝置和ic回路組成,考慮到三相晶閘管并非同時(shí)導(dǎo)通,在matlab中x-sh分別建模.控制模塊采用

8、定阻抗控制,由實(shí)際的線路參數(shù)計(jì)算出線路阻抗,并與參考阻抗相比較后由pid控制器產(chǎn)生觸發(fā)角并線性化,再經(jīng)觸發(fā)模塊分配觸發(fā)脈沖使晶閘管動作.2.4單機(jī)無窮大仿真模型在matlab/simulink環(huán)境中按系統(tǒng)連接圖搭建如圖6所示單機(jī)無窮大系統(tǒng).其中powergui模塊是我們進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真非常有用的圖形用戶界面,能中原_學(xué)院2006年第l7卷夠進(jìn)行仿真類型設(shè)置,數(shù)值初始化以及各種結(jié)果分析.本文選擇其中的loadflowandmachineinitialization來對發(fā)電機(jī)進(jìn)行初始化和潮流計(jì)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(xù)型(continuous),并采用ode23t算法.pm臣臣efiringunitcphase圖5tcsc控制及觸發(fā)模塊匿13.8wmachideinaiizedforp=1500mwvt=13.8i13.8/735kvoomw72.5仿真過程仿真開始時(shí),南于采用powergui模塊進(jìn)行了參數(shù)初始化,所以系統(tǒng)很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài),在此過程中,先將tcsc模塊用斷路器(cb)切除.在0.5s時(shí),將tcsc模塊投入,可以看到穩(wěn)態(tài)有功從785mw增加到1434mw,見圖7(橫軸為時(shí)間軸,下同),tcsc的投入明顯提高了該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)傳輸功率.在2s時(shí)由faultbreaker模塊在

10、變壓器高壓側(cè)產(chǎn)生相接地短路,5個(gè)周波(1/12s)以后故障切除,在圖8巾可以看到系統(tǒng)功角的變化曲線.在tcsc的作用下系統(tǒng)能很快的平息振蕩,有效地提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性.tcsc的阻抗和觸發(fā)角a的變化曲線見圖9,其中,阻抗的基準(zhǔn)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(yīng)阻抗變化,超調(diào)小,振蕩時(shí)間短,體現(xiàn)了一定的魯棒性.由觸發(fā)角可以看到,tcsc工作在容性區(qū)域,保證了tcsc在阻抗范圍內(nèi)的容性微調(diào)功能,避免了諧振,相比于其它仿真工具,更能體現(xiàn)tcsc的實(shí)際工作狀態(tài).在短路故障發(fā)生后tcsc投入的初期,晶閘管的觸發(fā)角為18o.,即tcsc裝置全部投入系統(tǒng)運(yùn)

11、行,由此可見tcsc的容量選擇是決定其作用的一個(gè)重要因素.圖6單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型圖7系統(tǒng)有功功率(10.mw)40302010010乍圜30.0o0mva735kvlirl一012345圖8系統(tǒng)功角(deg)第5期蕈燕等:基于matlab的tcsc建模與仿真研究?l9?結(jié)語o圖9tcsc主要參數(shù)(1)本文根據(jù)tcsc的基本原理與數(shù)學(xué)模型,利用matlab/simulink軟件,建立了詳細(xì)的tcsc模塊以及單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型,進(jìn)行動態(tài)仿真.結(jié)果表明tcsc在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)傳輸功率,提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)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(huán)境操作簡單,功能強(qiáng)大,特別是5.t_-次開發(fā)功能,為用戶進(jìn)行電力系統(tǒng)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(tǒng)起到較好作用,但是個(gè)別參數(shù)在振蕩過程中超調(diào)較大,應(yīng)采用更好的上層控制策略對tcsc進(jìn)行有效的控制,以便更好得發(fā)揮其作用.考文獻(xiàn):.陳淮金.可控串聯(lián)補(bǔ)償在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性中的作用研究j.電力系統(tǒng)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(tǒng)自動化,2000,24(9):2327.吳天明,彭斌,謝小竹.matlab電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析m.北京:國

13、防工業(yè)出版社,2004.戴先中,張凱鋒,陸翔.采用本地信號的可控串聯(lián)電容補(bǔ)償神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)控制方法j.中國電機(jī)工程,2004,24(7)3540.王錫凡.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析m.北京:科學(xué)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(jī)械工業(yè)出版社,2005.向婉芹,盛四清.matlab電力系統(tǒng)工具箔在發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行仿真中的應(yīng)用j.繼電器,2005,33(20):5356.modelingandsimulationoftcscbasedonmatlabsoftwaredongyan,zhuyongsheng(1.zhongyuaninstituteofteehnology,zhengzhou450007;2.schoolofelectricengineering,zhengzhouuniversity,zhengzhou450002,china)abstract:thispaperusesmatlab/simuli