基于Matlab的TCSC建模与仿真研究

1、基于matlab的tcsc建模与仿真研究第17卷第5期2006年1o月巾原t学院journalofzhongyuaninstititeoftechnologyvo1.17no.5oct.,2006文章编号:16716906(2006)o5001604基于matlab的tcsc建模与仿真研究董燕,朱永胜(1.中原工学院,郑州450007;2.郑州大学电气工程学院,郑州450002)摘要:采用matlab/simulink软件对基于晶闸管的可控串联补偿装置(tcsc)进行二次开发,建立了详细的tcsc模块以及单机无穷大系统模型,进行动态仿真.结果表明tcsc在提高电力系统稳态传输功率,抑制阻尼,提

2、高系统暂态稳定性方面有很好的作用.关键词:matlab;tcsc;可控串补;仿真;中图分类号:tm743文献标识码:a基于晶闸管的可控串联补偿装置(thyristorcontrolledseriescompensator,tcsc)是近年来串联补偿新技术的代表,是灵活交流输电系统(flexibleactransmissionsystems,facts)的主要组成部分.由于采用晶闸管代替传统串联补偿装置的机械开关,使tcsc具有了几乎无限次,无磨损以及快速连续调节的能力,在潮流控制,提高系统稳定性方面发挥着重要作用.matlab提供的simulink工具箱是一个用来对动态系统进行建模,仿真和分析

3、的软件包.从matlab5.2开始又加入了专门的电力系统模块,并最终定名为sps(simpowersystems).与其它电力系统分析软件相比,matlab以其友好的图形界面,丰富的工具箱和强大的用户开发功能成为重要的电力系统分析仿真软件.目前国内常用的电力系统仿真工具有emtp,psasp等.在tcsc的建模方面,这几种软件大都把tcsc处理成随控制参数变化的可变阻抗,没有体现tcsc控制,触发以及晶闸管模块在具体仿真实例中的作用,也就不能系统研究tcsc在电力系统中的应用,有一定的局限性.本文根据tcsc的基本原理与数学模型,利用matlab/simulink软件,并对其进行二次开发,建立

4、了详细的tcsc的模块,并在单机无穷大系统中进行动态仿真.收稿日期:20060509作者简介:董燕(1977一),女,甘肃秦安人,硕士生1tcsc基本原理与数学模型tcsc模块由一个串联电容器c和一个晶闸管控制的电抗器i并联组成,如图1所示.其中断路器(cb)和金属氧化物可变电阻器(m0v)是与串联电容器一起安装的保护设备,用来控制电容器是否接入线路和防止过电压.图1tcsc模块tcsc的.作原理与具有可变电抗的并联ic电路相似.在并联ic电路的电感支路中串联一对反并联的晶闸管开关,通过适当地改变触发角改变晶闸管支路电流,等效于改变了该支路的电抗值,从而改变了tcsc的等效基波阻抗.tcsc模

5、块的等效阻抗为(ic回路):第5期董燕等:基于matlab的tcsc建模与仿真研究1)ll1(1)2matlab仿真通过改变叫l的大小,即可使整个并联回路体现容性或者感性电抗.tcsc的基波电抗可通过理论计算得:xtcsck口xc(2)其中:xc一,kp一1+g一tgfia)一卢一,l上厶l87ca,cooco,可见,通过改变晶闸管的触发角a,可以改变x,从而使线路等值阻抗成为可控参数,在一定控制策略作用下,可以改变线路的潮流等电气量.其标幺值电抗(x/)随触发角变化的特性如图2所示l6.捌i,己昌图2tcsc的触发角a与rcs【=i的关系tcsc的控制系统是装置的核心之一,而阻抗控制作为系统

6、的中层控制,直接反映tcsc跟随并反映参考阻抗的能力.本文为了在matlab中建模研究tcsc在电力系统中的作用,采用定阻抗控制方法,其基本模型如图3所示.图3tcsc控制模型仿真系统选取单机无穷大(smib)系统,其接线图如图4所示.(a)系统连接图e十.o-_wwn-r_m:(b)等效电路图图4单机无穷大系统2.1发电机与无穷大系统的仿真模型发电机采用简化发电机模型,而matlab将发电机这种非线性元件近似用电流源模拟,所以发电机出口不允许与电感元件直接串联,必须带负载.其转子运动方程如下:1rjj.mt)drkdaco(t)(3)l叫(f)一aco(f)+co0其中,h为惯性时间常数,t

7、,为机械转矩,t为电磁转矩,k为阻尼系数.无穷大系统采用大短路容量的电压源模拟,相角为零.2.2变压器和传输线路matlab中提供各种型号的变压器模型,本文采用threephasetransformer(twowindings),接线方式为a/y1.软件提供的线路模型有两种,pi型和分布参数型,也可以用串联ric或并联ric代替线路.本文采用串联ric线路.2.3tcsc模型tcsc模块是整个仿真的关键,本文所搭建的tcsc模块分为晶闸管模块,控制模块和触发模块.晶闸管模块与图1所示基本一致,由保护装置和ic回路组成,考虑到三相晶闸管并非同时导通,在matlab中x-sh分别建模.控制模块采用

8、定阻抗控制,由实际的线路参数计算出线路阻抗,并与参考阻抗相比较后由pid控制器产生触发角并线性化,再经触发模块分配触发脉冲使晶闸管动作.2.4单机无穷大仿真模型在matlab/simulink环境中按系统连接图搭建如图6所示单机无穷大系统.其中powergui模块是我们进行电力系统仿真非常有用的图形用户界面,能中原_学院2006年第l7卷够进行仿真类型设置,数值初始化以及各种结果分析.本文选择其中的loadflowandmachineinitialization来对发电机进行初始化和潮流计算,初始条件是p一1500mw,vt一13.8kv,厂一60hz,bustype选择p&vgene

9、rator.仿真类型选择连续型(continuous),并采用ode23t算法.pm臣臣efiringunitcphase图5tcsc控制及触发模块匿13.8wmachideinaiizedforp=1500mwvt=13.8i13.8/735kvoomw72.5仿真过程仿真开始时,南于采用powergui模块进行了参数初始化,所以系统很快进入稳态,在此过程中,先将tcsc模块用断路器(cb)切除.在0.5s时,将tcsc模块投入,可以看到稳态有功从785mw增加到1434mw,见图7(横轴为时间轴,下同),tcsc的投入明显提高了该系统的稳态传输功率.在2s时由faultbreaker模块在

10、变压器高压侧产生相接地短路,5个周波(1/12s)以后故障切除,在图8巾可以看到系统功角的变化曲线.在tcsc的作用下系统能很快的平息振荡,有效地提高了系统的暂态稳定性.tcsc的阻抗和触发角a的变化曲线见图9,其中,阻抗的基准值是tcsc电容器的基波阻抗.测量阻抗对参考阻抗的跟踪采用pid控制器,能较好地反应阻抗变化,超调小,振荡时间短,体现了一定的鲁棒性.由触发角可以看到,tcsc工作在容性区域,保证了tcsc在阻抗范围内的容性微调功能,避免了谐振,相比于其它仿真工具,更能体现tcsc的实际工作状态.在短路故障发生后tcsc投入的初期,晶闸管的触发角为18o.,即tcsc装置全部投入系统运

11、行,由此可见tcsc的容量选择是决定其作用的一个重要因素.图6单机无穷大系统模型图7系统有功功率(10.mw)40302010010乍圜30.0o0mva735kvlirl一012345图8系统功角(deg)第5期蕈燕等:基于matlab的tcsc建模与仿真研究?l9?结语o图9tcsc主要参数(1)本文根据tcsc的基本原理与数学模型,利用matlab/simulink软件,建立了详细的tcsc模块以及单机无穷大系统模型,进行动态仿真.结果表明tcsc在提高电力系统稳态传输功率,提高系统暂态稳定性方面有很好的作用;参1234e567(a)tcsc阻抗(2)基于matlab/simulink的

12、仿真环境操作简单,功能强大,特别是5.t_-次开发功能,为用户进行电力系统仿真提供了良好的软件平台;(3)采用定阻抗控制方式的tcsc在matlab中的仿真,能在电力系统起到较好作用,但是个别参数在振荡过程中超调较大,应采用更好的上层控制策略对tcsc进行有效的控制,以便更好得发挥其作用.考文献:.陈淮金.可控串联补偿在提高电力系统稳定性中的作用研究j.电力系统自动化,1996,20(1o):l417.陆超,唐义良,谢小荣,等.仿真软件matiabpsb与psasp模型及仿真分析j.电力系统自动化,2000,24(9):2327.吴天明,彭斌,谢小竹.matlab电力系统设计与分析m.北京:国

13、防工业出版社,2004.戴先中,张凯锋,陆翔.采用本地信号的可控串联电容补偿神经网络逆系统控制方法j.中国电机工程,2004,24(7)3540.王锡凡.现代电力系统分析m.北京:科学出版,2003.rmohanmathur,raivkvarma.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置m.徐政译.北京:机械工业出版社,2005.向婉芹,盛四清.matlab电力系统工具箔在发电机进相运行仿真中的应用j.继电器,2005,33(20):5356.modelingandsimulationoftcscbasedonmatlabsoftwaredongyan,zhuyongsheng(1.zhongyuaninstituteofteehnology,zhengzhou450007;2.schoolofelectricengineering,zhengzhouuniversity,zhengzhou450002,china)abstract:thispaperusesmatlab/simuli