可控串补TCSC的特性分析与应用建模仿真共29页

精选优质文档-倾情为你奉上. . 可控串补（TCSC）的特性分析与应用建模仿真 装订线. . . 目 录71279Contents1249References专心-专注-专业可控串补（TCSC）的特性分析与应用建模仿真 摘要：可控串联补偿技术是通过对晶闸管的触发角实行迅速而准确地控制来实现其控制潮流、降低网损、改善次同步振荡的功能，且可控串补具有造价低，结构简单的特点，十分迎合现代电力系统的发展需求，在很多国家的实际电网中得到很好的应用,是各国FACTS实践中首选的实用化装置。在带来各种好处的同时,由于TCSC的引入改变了系统结构,因此就可能对现有的电力系统产生某些影响。为了保证电力系统的安全稳定运行,有必要对TCSC的特性进行分析,包括对TCSC的应用进行建模仿真,以便于进一步地考察TCSC对现有继电保护系统的影响等。关键词：FACTS TCSC 特性分析 应用模型 仿真 Characteristics Analysis of Thyristor Controlled Series Compensation（TCSC）and Application Modeling Simulation Abstract Thyristor Controlled Series Compensation(TCSC) has many functions,such as controlling the distribution of tidal current,lowering the loss of network , improving transient state and suppressing sub-synchronous resonance by precisely and fast controlling the thyristor operating angle.And it has many characteristics ,such as ordinary structure and being cheap.it caters to the development of the modern electric power system because of this. In present,it has been used in many countries,and played an important role.It is primarily in the application of FACTS.At the same time,the use of the TCSC brings the change of the network,so it is possible to bring an influence to the existing power system.Therefore,in order to promise the steady operation of the power system,it is necessary to study the characteristics of TCSC and found an applied model,for the study of the adaptation of TCSC on the existing relay protection.Keywords: FACTS;TCSC;features;application model;simulation 1 绪论1.1 引言 为了适应国民经济的发展需求,我国现代电力系统经过电网互联，迅速发展形成逐渐增大的巨型电力系统,且电力系统的装机容量也在不断增长。超大规模的电力网络互联收获诸多益处的同时，也迎来了不断的挑战,进行长距离超大容量的输电不可避免,资源分配的优化与系统规划,互联电网的协调运作,电力系统稳固运行的问题也变得愈加尖锐。电网的输电可控性较差，无法与发电、配电相比,负荷改变，网络中的功率潮流分布也会改变,可能导致系统的安全运行受到干扰,电能损失过大,采取降低输送功率的消极措施成为必然,原来电网输电线路所承担的输电要求加重,面临输电能力不足的考验，同时输电线路的输电能力接受多种不稳定性因素制约,所以,保持电力系统优化稳定运行对电网的输电能力的提升很关键。采用串并联电容,采用同步调相机等前人设计研制的设备对提升系统的安全稳定性、提高输电线路的输电能力等方面发挥了重要作用,但是这些大部分不外乎机械式调控的方式,一些不可忽略的局限性也暴露出来，例如受控的速度太慢，短时间内不可以反复多次操作，机械控制方法中机械装置容易老化，寿命短暂等各种缺陷。要达到控制电力系统稳定性的目的，速度决定一切。所以，机械控制被电子化控制手段替代已经是一种电力系统不可阻挡的趋势。 从电能的生产到传输至用户的过程曲折，提升输电线路的输送能力很有必要。输电过程中因为增加功率的输送变化次数导致系统的控制问题变复杂，在现代互联电网中继续运用传统的调控方法来达到理想中的大幅度调节的目的无比艰巨。 电力电子元件得到迅猛发展,为迎合现代电力系统的需要，系统的可控性就可采用电力电子器件实现，灵活性交流输电技术（FACTS）特别是可控串补技术（TCSC）能够提升输电线路电能的传输能力。电网互联逐渐形成全国联合电网，为保证资源充分利用,电网经济灵敏运转，必须要进行大功率、远距离输电,如何提高电网最大输送功率，加强电力网络的安全、可靠和经济等性能，是现代电网面对的刻不容缓的难题,此时展开可控串联补偿装置（TCSC）的特性分析，研究它在电网中发挥的作用,具有重要意义。1.2 FACTS发展概况在FACTS技术这一概念问世之前,电力业界被广泛应用的控制器基本只有静止无功补偿（SVC），之后，FACTS迅猛发展并且得到广泛推广，成为电力界新兴技术领域的重要发展代表。目前，接近20种的FACTS控制器已经被发明,其中部分控制器，例如SVC、TCSC、UPFC、STATCOM等，已取得较好的成效。放眼未来，FACTS产生的影响会更深远,正如FACTS分委会的FACTS工作组在其报告中所指出的:“FACTS与先进控制中心和整体自动化等技术所带来的非常深远的优越性已经被世人广泛认可,它们预示着电力传输系统一个新时代的到来。”1.2.1 FACTS概念的提出Flexible AC Transmission System的概念1988年由美国N.G.Hingorani博士提出。它是综合电力电子技术、微处理的微电子技术、通讯技术和控制技术而形成的用于控制交流输电的新技术。最早FACTS的定义为:FACTS,是基于晶闸管的控制器的集合,包括移相器、先进的静止无功补偿器、动态制动器、可控串联电容调节器、带载调压器、故障电流限制器以及其他有待发明的控制器；后来大量的学者不断地加入该领域的研究，FACTS概念有了不断的发展。有了FACTS概念的指引领导，创新的FACTS新设备，例如TCSC，统一潮流控制器（UPFC）等地相继出现又再一次促进了FACTS概念的发展与完善。伴随着Cuspow的发展进步，IEEE又提出了一个比较有权威性但是有些宽松含糊的FACTS定义，这一点为FACTS的概念创新留出了充分余地。即:装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统，FACTS控制器是可提供一个或多个控制交流输电系统参数的电力电子型系统或其它静止设备。1.2.2 FACTS技术的应用现状及作用意义上世纪六七十年代，国外就开始在直流输电（HVDC）系统方面应用晶闸管,意味着FACTS在本质上丧失了对高压直流输电技术的延伸。ABB（原BBC和ASEA）、SIEMENS等举世著名的电气公司在这一技术领域内比较先进，当年BBC为我国提供了第一条50OkV高压直流输电线路(葛一上线),西门子公司承建了我国的第二条5OOKV高压直流输电线路(天一广线)。六十年代初期，美国西屋公司就已经在电力传输技术的科研方面投入精力，开始应用电力电子技术，虽然当时的GTO还在初期应用阶段，但是在八十年代中期GTO便已投入运行。其中，1996年，美国加州圣豪西市附近的TV投入运行了西屋公司当年第一个超大规模100Mvar STATCOM，需要连接在额定电压为161kV的输电线路上,并且通过此来达到对500KV侧的补偿。在1991年，美国东部已有三个地方将静止同步串联补偿装置(SSSC)应用于765kV的交流输电系统中。如今，美国的西屋公司与EPRI已经合作组建了一个新的公司用于进行发展研究FACTS技术和其它另外的先进电力电子控制技术。门极可关断晶闸管GTO是灵活交流输电技术中很关键的技术，现今在国外水平下，GTO的额定电压为45KV,额定电流参数为5kA。若是通过采用多个GTO串联应用于FACTS中,因为非同步性的触发脉冲,使得每一个GTO的电压产生变化,最终导致击穿现象,因此必须采取均压手段，普通的情况就是两三个GTO串联，组成串联段。我国对FACTS技术的研究着手较晚，FACTS的技术基础方面十分薄弱,但是国家对于此技术的研究和应用相当重视，多方面的工作也在各方的有力支持下开展进行。尽管已经在实际应用方面取得不小的成功，但是与国外相比差距还很大。尤其我国现阶段GTO的制造水平无法与国外相比，是制约我国FACTS技术进步发展的一个瓶颈问题。控制技术如对应用电光和磁光互感器做高压控制信号传感元件，美国等国家都已应用，而中国只是处于研究阶段。FACTS技术作用意义重大，它的问世意味着从前的只用一种控制营造部分作用的局面被颠覆,可以使交流输电系统的无功电流降到最低的水平，提升了原来输电线路的电能传输能力和电能利用率，降低了线路上的阻抗，合理地调控网络中的潮流分布，另外可以抑制电网谐波，开创了增强交流输电网整体运行控制能力的技术途径。FACTS以其具有的超快的控制响应速度，可以快速补偿电网的各种扰动从而可以保证电力系统具有良好的动态稳定性，FACTS使交流输电系统高效能，低耗损运转，是一个重要的技术革命。1.3 可控串补（TCSC）的发展现状1.3.1 可控串补（TCSC）的应用现状TCSC以其庞大的经济和功能效益成为FACTS技术的一个重要元件，在其他国家灵活性输电的运用实践中都是实用化装置的第一选择。1991年第一套可控串联补偿（TCSC）设备投入使用,迄今，世界上投入商业运行的已有十一套可控串补（TCSC）设备,总建成容量已达到2000Mvar,目前仍然有一些可控串联补偿的计划在有条不紊地建设布局中。美国的著名电气公司如西门子，ABB等与相关电力系统合作成功研制出多套TCSC装置投入了运行。如1991年ABB公司改建的Kanawha River变电站345kV单相串补投切工程,用来提高线路传输能力,增强暂态稳定性，改善阻尼功率的振荡;1992年Siemens公司建造的WAPA电力系统Kayenta变电站的22OkV新型串联补偿ASC工程,用于提高线路传输能力;1993年GE公司承担的BPA电力系统Slatt变电站的5OOkvTCSC试验工程,用于限制阻尼功率振荡且次同步谐振。2004年8月,印度又启动了在Kanpur一Ballabhgarh400kV线路的Ballabhgarh处安装FSC和TCSC的工程。工程分2个阶段:第1个阶段设计建立35%的固定补偿,线路输电容量增加了大约12OMW,第2阶段设计安装8%一20%的TCSC。我国着手研讨可控串补较晚。2003年6月,在500kV的天生桥一平果双回线平果变电站南方电网投运了由西门子公司制造的包括TCSC的串联补偿装置,这是我国所投入的第一个TCSC工程,经天广线TCSC工程的投产，输电线路能力增强,此替“西电东送”大约增加了300MW的容量,系统暂态稳定性水平和阻尼功率振荡都得到了改善。2005年,中国电力科学研究院研制了第一套国产化的TCSC装置，此装置投入运行于甘肃省壁口一成县的22OkV电网,该装置额定容量为86.6MVar,基本容抗21.7，此工程标志着中国成为在继美、德和瑞典之后第四个可以制造出可控串联补偿装置的国家。1.3.2 采用可控串补（TCSC）的优越性可控串补（TCSC）是一项传拥有着传统串联补偿技术无法相比优势的新技术，可控串联补偿技术拥有下面几个优越性：(1)控制潮流分布。可以动态地控制网络系统中所选定的线路潮流进而达到潮流分布最优条件，并且通过潮流控制以免产生功率环流。 (2)提高电网输电能力。由于可控串补能够等效地减小系统等值电抗，这也就意味着缩短了线路原长度,降低了电能传输成本，提高系统运行的经济性。 (3)增强系统暂态稳定性。因为晶闸管可以快速、连续控制作用,如果系统突然受到了较大的扰动，那么快速准确地对晶闸管的触发控制角进行调控,改变阻抗的补偿度，电力系统暂态稳定性得到提高。另外TCSC还可阻止由本地与区间之间震荡模式引起的功率波动。 (4)抑制次同步振荡。在串联电容补偿的时候有可能会发生次同步振荡现象，但是可控串补（TCSC）能抑制次同步振荡现象，若在次同步频率情况下，则TCSC呈现出一个固有的电阻-电感性质的电抗 ，那么此时次同步振荡就无法再维持下去而只能逐渐衰减。 (5)提高串联电容的保护水平。当故障扰动发生，电容器上可能会出现过电压,通过控制晶闸管触发角,达到旁路串联闸管的快速动作从而使得电容器立即投入来帮助稳定系统。 (6)减小短路电流。如果系统中短路电流比较高，可控串补能够从容性微调模式转向感性微调模式，从而能够限制短路电流。1.4 本文的主要工作 本文首先简要阐述了FACTS技术，从其应用现状及重要意义入手,引出了可控串补的概念，具体介绍了TCSC的电路基本结构、工作原理及其所特有的四种工作模式，分析了TCSC的等效阻抗、稳暂态和谐波特性。最后根据TCSC的应用建立模型,在MATLAB的Simulink中进行仿真，对波形进行了初步的研究分析。具体章节安排如下: 第一章 基于国内外相关文献的基础上介绍了FACTS技术和FACTS发展及其应用现状以及使用FACTS的作用意义，后又引出TCSC的运用现状及优越性。第二章 主要是介绍了TCSC的基本电路结构、基本工作原理及等效阻抗特性、稳暂态、谐波等特性进行分析。第四章 主要进行TCSC应用建模过程，在MATLAB的中建立可控串补的应用模型,对仿真波形研究探讨。第五章 对本文研究小结,并对未来问题进行了展望。2 TCSC的运行原理与工作模式2.1 TCSC的基本电路结构 可控串补的基本的电路结构如图2-1所示。主要元件有四个：串联电容器C，与两个反向的晶闸管支路相串联的电抗L，两个反向并联的晶闸管T，限压器MOV和对装置起保护作用的旁路断路器B。 图中的MOV接在串联电容器的两端，可用来避免电容器上产生较高过电压损坏设备，在根本上还只是一个非线性的电阻，而且它不仅能够限制串联电容器上的过高电压，还有一个不可忽视的功能：无论正常运行还是出现大小故障，它都能让电容器始终保持着接入的状态，这对系统暂态稳定性的提高十分有益。对于旁路断路器B，它也跨接于串联电容器的两端，作用是监测控制电容器是不是接进了电路中去，如果发生了重大故障或者是系统的设备不能稳定工作时，旁路断路器B就会将电容器旁路。 图2-1 TCSC电路基本结构 实际应用TCSC装置一般是通过很多图2-1所示的基本TCSC模块级联组成的，为了使成本降至最低，TCSC系统中都串联有一个很固定的电容。2.2 TCSC的基本工作原理 TCSC的基本工作原理：由图2-1所示TCSC的电路基本结构中可以简单地了解到，可控串联补偿装置是在并联的LC电路中的L支路上串联着一对反并联的晶闸管，通过控制晶闸管的触发脉冲，改变电感电流的大小，增大系统中串联固定电容基频电压。等值电抗能连续地被改变，从=90，此刻晶闸管为全导通，电抗为感性电抗，而为180时的晶闸管就是全部截止的状态，电抗变成了无限大，那么线路的补偿程度就可以连续地变化,对线路的功率就可实现了大范围连续地控制。所以，对晶闸管的触发控制角准确无误的控制，就能达到为线路系统提供可控制的串联补偿的目的。原理向量图如图2-2所示： 图2-2(1) ICIL的相量图 图2-2(2) ICIL的相量图 向量图分析：如图2-2（1）所示，时，电容电流大于电感电流，I在相位上超前90，容性阻抗，电容电流由和电感的电流组成;如图2-2（2）所示，时，电容电流小于电感电流，在相位上落后于电容电压90，感性阻抗，电感电流由和电容电流组成。2.3 TCSC的基本工作模式 通过对触发脉冲进行控制，改变晶闸管的触发角而改变与晶闸管在同一支路上的电感电流,连续地改变系统的等效阻抗。对于TCSC的工作模式有四种：晶闸管截止模式、晶闸管旁路模式、容性微调模式和感性微调模式。 (1)晶闸管截止模式。晶闸管完全截止的模式即晶闸管与电感串联的那条支路开路，相当于电感支路不存在，装置就成为普通的串联补偿，串联电容器上流过电路中的全部电流，电路阻抗即是电容容抗。 (2)晶闸管旁路模式。晶闸管旁路即晶闸管T1,T2都处于持续导通状态，而此时晶闸管支路相当于一个小电感，那么对于电路中的电流，大部分经过晶闸管支路流过，TCSC便是工作在晶闸管旁路模式。 (3)容性微调模式。晶闸管的导通角较小，情况如图2-2(1)所示，线路的电流与电容的电流方向相同，电容电流的大小因为两个晶闸管中有了环流而增加，甚至包括电容器上的电压也有了提高，TCSC装置系统的阻抗呈现容抗特性，而且大于电容器的容抗，事实上TCSC通常运行的就是这种模式下。 (4)感性微调模式。晶闸管的导通角较大，具体的情形是如图2-2(2)所示，线路电流与流经晶闸管支路的电流方向相同，TCSC的阻抗呈现感性特性即为感性微调模式。3 TCSC的特性分析3.1 TCSC的等效阻抗特性分析 这里分析的TCSC的等效阻抗特性是指对TCSC的基频等效阻抗进行分析，所谓基频即频率为50hz,等效阻抗，即由线路中串联的电容与晶闸管控制的电抗这部分电路在电力系统中工作时的阻抗。 电感电流的瞬时值与触发角的关系如下式所示： （3.1）其中U一一电源电压峰值;一一晶闸管的触发角; 一一晶闸管的导通角。对上式进行傅里叶展开，得出： （3.2）其中=L为电抗器基频电抗。从上式可以看出，如果触发角为0，电抗值为；如果=90，等效于开路。 图3-1 TCR电路结构图图3-1为TCR的结构示意图，则TCR支路的等效电抗为： （3.3） 对于电容支路的电容基本不变，TCSC的基频等效阻抗为与TCR支路并联求得，有： （3.4） 其中公式中的为电容电压达到最大值后开始计及的触发角。 图3-2 TCSC的阻抗特性与的关系图 从图3-2可以看出，在为145180时，TCSC工作于容性阻抗调节模式；在为90140时，TCSC工作于感性阻抗调节模式；触发角为90时,TCSC处于晶闸管旁路状态,等效阻抗等效于电容支路电抗和电感支路电抗的并联，此时标么值比1pu要小得多。触发角为180时，TCSC处于晶闸管截止状态，等效阻抗即是串联固定电容的容抗，标幺值相当于1pu;可以看出触发角为143附近时，TCSC处于谐振区，能看到阻抗曲线的斜率很大，触发角的一点变化都能引起阻抗的巨大变化，TCSC工作运行时要避免，以免发生谐振危及设备及人身。等效电容： （3.6）等效电感： （3.7）容性阻抗区域，TCSC可等效看作与线路的等效电感L线、线路的等效电阻R线串联的电路系统，阻尼参数即为： （3.8） 触发角减小，对应公式（3.8）中增加，实际线路的等效电阻R线特别小，使得阻尼参数较大，大于电感电阻，TCSC振荡时间延长；若触发角增大，减小，TCSC振荡时间变短。当TCSC工作于感性阻抗的调节区域，电路可看成感抗和纯电阻串联的电路，时间常数=L/R,TCSC达到稳态的时间长度会受影响。 如果单个的TCSC装置，则对于其阻抗具有一定的调节范围。晶闸管全关断模式的电容器标称容抗为最小容抗，最小感抗为晶闸管旁路模式的等效电抗。在数值上，等效阻抗不可能为小于的容抗以及不可能小于的感抗。另外来讲,想办法将触发角控制在一定的角度内是必须的，那是因为越在接近近谐振发生点运行，越容易产生过大的U及工作I。在感性阻抗调节区域,触发角不允许超过最大触发延迟角,对应最大等效感抗为;在容性阻抗调节区域,最大导通角不能超过,对应最大等效容抗为。3.2 TCSC的稳暂态特性分析 TCSC正常稳态运行工作于容性微调模式，对TCSC的稳态特性进行分析有利于在正常情况下掌握对晶闸管触发角的调控，使装置发挥需要的最佳水平，为现代电力系统的发展更好的服务。一旦TCSC装置发生故障，系统短时间内不会到达稳态正常水平，这中间需要经过一段比较复杂的暂态过程，不希望系统一直处于暂态故障过程中，对于暂态过程的特性进行分析，使能够尽快地掌握故障所在，故障特征，及时做出准备，有利于提高电力系统的稳定性。3.2.1 TCSC的稳态特性分析 目前研究可控串联补偿的研究重点就是连续地调节晶闸管的触发角来连续改变系统阻抗，研究时可以借助静止补偿器（SVC）中的固定电容器和TCR的技术特性。不过可控串连补偿装置在电源方面处于电流源的环境，且正常稳态下的可控串补工作在容性模式。 图3-3（a） TCSC稳态分析电路图 图3-3(b) 容性微调模式下波形图 按图3-3（b）所示定义，触发角即为电容电压达到峰值与后面电流出现时刻的角度为，导通角为电流出现时间宽度的一半，通过电抗器的电流，其波形是正弦波的一部分，再导通范围内，电流 波形表达式为： （3.9） 当TCSC稳态运行时，电容电压和线路电流的波形都不是正常的正弦波，除去固定的基波外，还蕴含着其余次数的谐波，因为TCSC的谐波特点为呈现为一个几乎可以忽略内阻抗的串联于电路中的电压源,所以其所产生谐波性质的电流还取决于线路具有的谐波阻抗与两端系统谐波阻抗大小。而且，因为在长距离输电线路中安装TCSC装置,那么在线路所具备的谐波阻抗和两端系统的谐波阻抗作用下,可控串联补偿引起的谐波电流相对来说就很小很小了,所以，此时在分析稳态特性，可不计谐波。取电容电压过零变正时为时间的零点，可控串补运行在容性微调模式下，线路的电流在相位上近似超前电容电压九十度，忽略线路谐波，电流为： （3.10）晶闸管导通时，电感电压与电容电压相等，满足下列方程： （3.11）不计及谐波，TCSC稳态时的阻抗为，每周期电容电压变化规律满足以下： ( 3.12)其中： ，体现的是某周期内电容电压的峰值，是在晶闸管导通角为2而且经若干个周期后电容电压的峰值。n趋向于无穷大，电容电压数列是收敛的，收敛于，稳态下的阻抗近似为，感性微调模式稳态下的阻抗仅仅与容性模式下相差一个负号。如果触发控制角改变的情况下，装置需要若干周期达到稳定，一般8到10周期，甚至可能更长。3.2.2 TCSC的暂态特性分析 已经知道TCSC的设计运行范围是：对于：145180，系统的等效电抗呈容性；对于：90140，等效电抗呈现感性，由于TCSC的这种性质使装置在电力系统发生故障时能够限制短路电流的大小。触发角在发生了变化之后，TCSC系统在进入稳态的的稳定时刻之前，还会有必须经过的暂态过程。在上文稳态运行情况分析下,忽略谐波，TCSC装置上通过的电压及电流均近似地体现为普通的正弦波,基频阻抗即为。如果系统发生故障，那么在此暂态过程中,线路电流I及通过TCSC上的电压除去原来含有的基频分量之外,还包括衰减的直流分量及各次谐波分量。对于TCSC的暂态特性分析就变复杂，同时也变得重要。TCSC可以说是有两种可能的形式:晶闸管关断和晶闸管导通，若晶闸管关断，电力装置只有普通串联电容C，若晶闸管不是关断而处于导通，这种情形可以说就相当于电容与电感的并联，暂态过程就运行在两种形式不断变换中。设线电流恒定，忽略电抗器和晶闸管动态电阻，不考虑电阻MOV的非线性影响，建立模型： (1)晶闸管截止 （3.13）其中，为电容的电压；为晶闸管关断时刻；为关断时刻的电容电压。 (2)晶闸管导通 （3.14）其中；为晶闸管导通时刻；为此次导通起始时刻电容电压。晶闸管导通模型由两部分组成，第一项为工频w分量，和触发角无关，由电流激励产生，后面三项为自然振荡频率分量分量，与触发角有关，暂态过程中，工频分量与稳态一样，但是分量相对稳态平衡点发生偏移，随着时间推移，逐渐回到稳态水平。触发控制角越大,TCSC装置暂态过程越短，达到稳态的时间也就短些。一是因为如果触发角越大,TCSC系统的等效容抗就会越接近原来输电线路电容电抗,系统状态与稳态运行状态越接近；二是TCSC中串联电容上的电压为晶闸管提供了换相电压,然而电感的电流也会使电容的电压产生突变,又影响换相。触发角改变,TCSC在达到稳态运行之前要经历暂态过程且需要一定的才能恢复稳定运行。3.3 TCSC的谐波特性分析 已经知道TCSC有着巨大的潜在的经济和性能效益，在其他国家灵活性交流输电技术的运用实践中都是实用化装置的第一选择。实际情况下，若TCSC的晶闸管的导通角加大，TCSC工作在感性微调模式,线路电流中的谐波成分不降低反而所占的比重有所升高，那么电容电压无论是波形还是其幅值都可能会受到谐波的影响产生或多或少地改变,等效阻抗值受此牵连改变，电力系统的稳定运行受波及，因此有必要对TCSC的谐波特性进行分析。 因为晶闸管的相控特性，致使TCSC的TCR支路电流中包括电容电压中含有大量谐波，稳态时，电容电压谐波分量取决于（设线路电流为正弦波），容性微调模式下主要谐波分量为3,5,7次，图3-4是电压谐波分量波形与线路中的电流关系图。 图3-4 电压谐波分量与线路电流关系图 谐波电压的幅值随着增加而减小，7次以上的谐波所占的比例很少了，可忽略。低次谐波虽然占的分量比较高，但是因为在长距离输电线路中安装TCSC装置,那么在线路阻抗和两端交流系统等值阻抗的作用下,TCSC引起的低次谐波电流频率与外部交流系统相比很小很小了，对外部的交流电网影响也就很小。在暂态过程里，TCSC产生的谐波源电动势是一个随时间变化的量；暂态过程中TCSC的基频阻抗存在一个超调的过程，进入稳态时间较长，从而导致了同一个测量点对谐波原电动势测量到的转移阻抗的大小随时间的变化而变化；晶闸管导通情况不同，产生谐波源电动势也不同。这些可能的原因都造成了TCSC的谐波特性很复杂。 图3-5 仿真系统示意图按照图3-5所示系统图进行仿真，固定电容的补偿度20%，可控串联补偿为46%，工作状况调整后的具体情况如表3-1所示： 表3-1 线路参数畸变率与触发角的关系 从表3-1中可以看出，投入与关闭TCSC的触发控制角接近谐振角时，暂态调整过程中电压电流的畸变率最大，另外，比较投入与关闭过程，可以看到，因为在TCSC投入的时刻除了系统自身的过渡过程，还包括可控串补自己的启动过程，至于TCSC关闭就直接退出运行了，只存在系统的过渡过程，这样相对来说刚投入时电压畸变率大，退出时电流瞬间减小，电流畸变率就大些。那么就有：正常稳态运行情况下，假如线路电压电流的谐波均在系统所许可的范围以内，可以忽略不计；暂态故障情况下，谐波含量较高，畸变率增大，那么对电力系统的电压质量以及稳定运行都会带来重大不利的影响。4 TCSC的应用建模仿真在TCSC基本工作原理及各种工作模式的研究基础上,可以针对TCSC的应用建立仿真模型，应用仿真能够在TCSC运用之前实现简易分析测试。计算机技术的进步特别是仿真软件的发展完善对研究和分析电力系统具有重要意义。迄今，我国常用的对电力系统进行分析仿真的软件主要是PSCAD（Power System Computer Aided Design）、EMTP（Electro-Magnetic Transient Program)等，本文中的应用仿真建模主要是在MATLAB软件的Simulink仿真模块进行。Simulink的SimPowersystems是电力系统建模的工具，对于这个工具下有一个Block Library是电力系统元件库，含有电气中常用的各种元件模块，如电源元件，线路元件，电力电子元件，连接器元件，电路测量仪器，附加元件等，实现对电力系统的生动直观描述。电力系统的仿真模型的正常运行需要电力系统仿真（SimPowersystems）与Simulink的其他模块密切配合，共同实现系统的仿真分析。TCSC的仿真模型可以分为应用功能模型仿真和内部详细模型仿真两种。应用功能模型仿真是将现成的TCSC装置模型作为理想的可变电抗支路,通过调节触发脉冲，观察线路系统的其他性能变化，内部详细模型仿真则模拟TCSC的实际结构,包括电容器、并联电抗器、反并联晶闸管等器件,仿真过程中通过晶闸管的导通和关断,改变TCSC的等效阻抗。由于TCSC装置主要是应用于系统中来提高线路输电能力而提高电能的输送功率，本论文中涉及到的仿真属于前者应用功能模型仿真。4.1 TCSC的应用仿真4.1.1 仿真电路方案 包含TCSC装置的仿真电路原理简单接线方案如图4-1所示: 图4-1 TCSC的应用仿真模型原理接线图 该应用系统是采用两端供电的双电源网络，设线路的电阻电抗集中于图4-1所示的电阻电感元件中，在线路应用TCSC装置，V1，V2是三相交流电压源。 （1）电压源V1参数设置如图4-2所示： 图4-2 电压源V1参数设置图 （2）电压源V2的相关参数设置如图4-3所示： 图4-3 电压源V2参数设置图 （3）RL参数相关设置如图4-4所示： 图4-4 RL相关参数设置图 （4）可控串补的参数设置如图4-5所示： 图4-5 可控串补参数设置图 4.1.2 TCSC应用建模仿真 图4-6给出的是按照图4-1电路接线搭建高压输电线路上TCSC的应用模型。图4-6 TCSC的仿真应用模型搭建图 在图4-6 所示TCSC的应用模型中，Zref为Timer模块，指定两次触发Timer事件之间的时间间隔，时间参数设置=“0 2.5 5”，即每隔2.5S触发一次窗口的Timer事件。此外，TCSC的控制系统是TCSC装置的核心之一,Zref阻抗控制直接反映TCSC跟踪并反映参考阻抗的能力。论文模型中按实际线路参数计算出实际参考阻抗为：在容性微调模式下，120Zref 126；在感性微调模式下，19Zref60。将其输入到查表环节得到触发角预测值。把触发角输入到触发单元,经过触发模块产生两个触发信号TCR触发脉冲，CB旁路断路器触发信号，控制晶闸管动作。 控制系统参数与触发单元参数设置如图4-7与图4-8所示: 图4-7控制系统参数设置图 图4-8 触发单元参数设置图 4.2 TCSC应用的仿真结果研究在MATLAB中采用图4-6所示仿真模型，按图中的控制触发方法进行仿真，得出工作于容性与感性模式下的电流波形。 图4-9（a）容性模式下的TCSC电流波形图 图4-9（b）感性模式下的TCSC电流波形图由图4-9（a）和图4-9（b）可以看出，容性微调模式切换到感性微调模式下时,系统会出现很高的振荡,这可能对设备安全运行造成威胁。对于TCSC在容性微调模式下的波形正常，接近正弦波规律稳定地运行，而TCSC切换在感性微调模式下时，波形波动不规律，略有少许的混乱。容性微调模式下，TCSC工作比较稳定。 图4-10 TCSC功率流动示意图 系统传输功率关系表达式： (4.1) 长距离输电，R可忽略，其中P：如图所示流动的有功功率；V1：母线1的电压幅值；：母线1电压相位；V2：母线2的电压幅值；：母线2电压相位； ：线路感抗：含有固定串联电容的容抗在内的装置的电抗；对于应用于长距离传输线TCSC的仿真波形如图4-11与图4-12所示： 图4-11应用TCSC装置线路的有功功率变化波形 图4-12 TCSC等效阻抗随触发角变化波形图 由图4-11和图4-12波形图看出：在高压输电线路中应用TCSC装置，改变触发角，可以改变TCSC的等效阻抗，也影响到线路的功率传输，功率P随着的改变而作相应的变化，当TCSC呈现波形中的感性补偿时，有功功率随着有效电抗的增加也有所增加，有功功率实现调节，这与公式中所传达的意义一致。即对于实际应用中，输电线路在传输电能的时候，倘若采用TCSC装置，现代长距离高压线路要达到提高传输功率的要求就可通过控制TCSC装置的晶闸管脉冲触发实现。5 全文总结 为了适应国民经济的发展需求,我国现在的电力系统通过电网互联，迅速发展形成逐渐增大的巨型电力系统,电力系统的装机容量也在不断增加。超大规模的电力网络形成与电网互联收获诸多益处的同时，也迎来了众多挑战，长距离大容量输电不可避免,资源分配的优化与系统规划，互联电网协调运作，改善系统的稳定性问题也变得更加尖锐。 可控串补（TCSC）是基于对晶闸管的触发控制角所实行的精确迅速地控制，实现其调控潮流、降低网损、改善次同步振荡进而提高电力系统暂态稳定性等多种的功能，而且其具有造价低廉，结构简单的特点，十分适应现今电网发展需求，利用电力电子器件晶闸管快速调整控制基波的等值容抗，进而实现动态调节串联线路等值阻抗的串联补偿装置，利用电力电子器件晶闸管快速调整控制基波的等值容抗，实现动态调节串联线路等值阻抗的串联补偿装置。是最近几年来串联补偿技术的新代表，在其他国家灵活性交流输电（FACTS）的运用实践中都是实用化装置的第一选择。本论文主要做的工作总结如下： （1）综合论述了可控串联补偿技术的应用现状及优越性，介绍了本文的研究背景。 （2）具体解释了TCSC的电路结构、基本工作原理及它的四种工作运行模式。 （3）对TCSC进行了各种特性的分析与介绍，总结分析了TCSC的等效阻抗特性，稳暂态特性，谐波特性。 （4）为了进一步传达TCSC的应用情况，在MATLAB中搭建了仿真应用模型，其中一部分分析了TCSC的通常工作模式，一部分对TCSC应用于长距离输电的功率情况进行建模仿真并分析。本文中主要研究了可控串补的特性，利用MATLAB构造应用模型,本文没有对各种特性尤其是暂态情况下的故障进行仿真分析，另外TCSC装置内部并联电阻器MOV对系统的影响也没有研究涉及，接下来可以进行故障仿真工作，来研究对于应用TCSC装置的输电系统的故障分析，进一步来转算成适合继电保护输入形式进而输入保护,用以详细地来观察TCSC装置的应用对现代电力系统发展中的继电保护的影响,那么这也进一步引发探求另一种线路保护机理,结合现代飞速发展的计算机技术、通信技术和控制应用技术,建造最适合TCSC装置稳定高效运行的继电保护装置，使TCSC运用更加顺畅。参看文献 1 葛俊, 童陆园. 基于电容电压同步信号的TCSC阻抗阶跃特性的研究J. 电力系统自动化, 2001, 25(4): 37-40.2 张慧. TCSC 对输电线路继电保护影响仿真分析D. 山东大学, 2009.3 Ferreira H L, LAbbate A, Fulli G, et al. Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) DevicesM/Advanced Technologies for Future Transmission Grids. Springer London, 2013: 119-156.4 黄远彦. 可控串补 TCSC 装置主动过电压保护及控制的研究D. 华北电力大学 (北京), 2007.5 黄振华, 陈建业. 可控串补 (TCSC) 技术的应用进展J. 国际电力, 2005, 9(3): 53-58.6 林东岳. 一种新型的串联补偿电路结构的研究D. 华北电力大学 (北京), 2007. 7 邱宇峰, 武守远. SVC, TCSC 技术及应用现状 CD. , 2006.8 陈达, 赵建国, 李可军. 考虑晶闸管导通特性影响的TCSC阻抗特性分析J. 中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会论文集 (上册), 2008.9 邹振宇, 马洪涛, 赵建国, 等. 包含电抗器支路电阻的可控串补 (TCSC) 特性分析J.10 李少华, 胡霄娟. 串联补偿设备对超高压输电线路距离保护的影响J. 山西电力, 2012 (3): 1-3.11 葛俊, 童陆园. 基于电容电压同步方式的 TCSC 暂态特性的数学描述J. 中国电机工程学报, 2001, 21(3): 1-5.12 余江, 段献忠. TCSC 的动态基频阻抗行性分析J. 电力系统自动化, 2009, 23(14): 21-23.13 耿俊成, 葛俊. 基于线电流同步方式的 TCSC 暂态特性分析J. 电力系统自动化, 2001, 25(16): 11-15.14 杨飞. 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