王 辉，李宇豪，杨 振

(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省微电网工程技术研究中心(三峡大学)，湖北 宜昌 443002)



仿真技术在柔性交流输电系统教学中的应用

王 辉1，2，李宇豪1，杨 振1

(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省微电网工程技术研究中心(三峡大学)，湖北 宜昌 443002)

作为电力电子技术在电力系统中的重要应用之一，柔性交流输电系统通常都会作为专业选修课开设。但由于FACTS元件种类众多，且涉及到多种变换，该课程学生学习有一定难度。本文应用Matlab中的Simulink仿真工具建立了一种含FACTS元件的仿真模型，晶闸管控制串联电容器(TCSC)，对其工作特点进行仿真分析。结果表明，仿真波形与理论分析得到的结果相同，证实了应用Matlab等仿真软件可提高柔性交流输电系统课程教学效果。

柔性交流输电系统；仿真；晶闸管控制串联电容器；Matlab/Simulink

随着电力系统规模日益增大、电网电压等级不断提高、非线性负荷的大量使用以及对电能质量的要求提升，电网发展面临很多问题，如我国的电网互联格局尚未形成，难于实现优化调度；电网建设滞后，电能质量得不到保证；受土地资源的影响，线路走廊和变电站站址选择日益困难等，这些问题依靠传统的电力技术是无法完成的[2]。

近年来由于电力电子技术的迅猛发展，柔性交流输电技术的出现为解决这些问题创造了有利条件。柔性交流输电(Flexible AC transmission system FACTS)，这一概念是上世纪80年代由美国电力科学院的N.G.Hingorani博士提出，并于1988年和1999年的CIGRE(International Council on Large Electric systems，国际大电网会议)上对FACTS概念及其包含的FACTS装置概念进行了重新定义。1997年，IEEE PES(IEEE Power Engineering Society，IEEE电力工程学会)正式发布的FACTS定义是：装有电力电子型和其他静止型控制装置以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。

作为电力电子技术在电力系统中的重要应用之一[3]，柔性交流输电系统通常都会作为电气工程专业本科生的选修课开设。但由于FACTS元件种类众多，且涉及到多种变换，该课程学生学习有较大难度。

本文结合作者多年讲授本课程的教学经验，以一种含FACTS元件的典型电路，即串联补偿——晶闸管控制串联电容器(TCSC)为例进行讨论，借助于Matlab中的Simulink仿真工具对其建模及仿真，从仿真波形上分析其特点，以解决课程教学中的难点。

1 晶闸管控制串联电容器(TCSC)仿真模型的建立[4]

1.1 晶闸管控制串联电容器的工作原理和应用

图1为单相TCSC电路原理图，通过对SCR(Silicon Controlled Rectifier 晶闸管)触发脉冲的控制改变晶闸管的触发角，实际上是改变由晶闸管控制的电感支路中电流的大小，从而连续改变该支路总的等效基波电抗。

图1 单相TCSC电路

TCSC有四种工作模式：

1) 晶闸管截止：此时，晶闸管控制串联电容器等同于固定串联电容补偿；

2) 晶闸管旁路：此时，晶闸管全导通，线路电流大部分通过电感L，整个晶闸管控制串联电容器的阻抗呈现小电抗特性；

3) 容性微调模式：此时，晶闸管的导通角较小，整个晶闸管控制串联电容器的阻抗呈现出容性电抗特性，通常该装置都是运行在容性微调模式；

4) 感性微调模式：此时，晶闸管的导通角较大，整个晶闸管控制串联电容器的阻抗呈现感性电抗特性。

在电力系统中，在输电线路中串联电容进行补偿，利用电容的容抗抵消部分输电线路感抗，可以减少电能损失，增加线路的输送能力，改善系统的静态、动态稳定性，在电力系统发生严重干扰的过程中，还可以减少负荷区的电压降落。TCSC是近年来串联补偿新技术的代表，是灵活交流输电系统的主要组成部分。由于采用电力电子开关代替传统串联补偿装置中的断路器，使TCSC具有了长寿命、无磨损以及快速连续调节的能力，在电力系统中发挥着重要作用。

1.2 TCSC仿真模型的建立

利用MATLAB的Simulink建立TCSC模块，如图2所示。该TCSC模块与Powergui模块结合，可以分析电力系统的动态、暂态和稳态性能。

图2 TCSC模块示意图

TCSC模块的端子功能如下：

◆ A1、B1、C1、A、B、C为TCSC连接系统的电气端子；

◆ P为TCSC内部电感支路中晶闸管触发脉冲的输入端子；

◆ cb为TCSC内部旁路断路器的控制信号端子。

TCSC模块的内部结构包括A、B、C三相如图2所示的TCSC模块。双击TCSC模块，打开其参数设置对话框，如图3所示，在TCSC模块中要对三相参数分别进行设置。

图3 TCSC参数设置对话框

图4 TCSC控制模块

1.3 TCSC控制系统模块的建立[5]

TCSC的控制系统是建模核心内容之一，控制模块采用定阻抗控制方式。首先计算出系统输电线路的等效阻抗，以这个阻抗为目标去控制TCSC中晶闸管的导通角度，控制模块如图4所示。该模型里，各个模块的作用分别是：

Impedance Caculation：计算线路上的等效阻抗；

Controller capacitive：通过比较阻抗的设定值和阻抗的给定值来求得晶闸管的触发角度；

Firing Unit：将数字信号转化成晶闸管触发信号去控制晶闸管。

2 含TCSC的单机无穷大系统仿真分析

为分析TCSC对电力系统性能的影响，可搭建一个500 kV单机无穷大系统，在MATLAB中使用Three-Phase Programmable Voltage Source(三相可编程电压源)模拟，输电线路用一阻抗模型等效，波形观察模块主要显示传输功率、测量阻抗和阻抗设定值、晶闸管触发角等参数。

2.1 对线路输电能力的影响

为了清楚地体现出TCSC投入前后波形的变化，在TCSC触发模块Firing Unit中设置TCSC具体的投入时间，可以通过控制TCSC中旁路断路器的通断时刻来实现的。

通过设置触发模块参数，使TCSC在仿真开始后2 s投入运行。设置仿真时间为0～5 s，阻抗设定为128 Ω，可得如图5的波形(从上到下三个波形依次为线路传输功率，单位MW；TCSC阻抗，单位Ω；TCSC模块中触发角α，单位(°))。

由图5可以看出，2 s之前TCSC未投入，处于旁路模式α=90°，此时线路传输功率约为112 MW。2 s时刻投入TCSC后，经过大约1 s的动态过程，达到稳定状态，此时α=75°，传输的功率约为600 MW。可见，TCSC的投入明显提高了该系统的稳态传输功率。

图5 TCSC对线路的输电能力影响的仿真结果

2.2 对电力系统稳定性的影响

系统发生短路时可以通过故障模块进行设置，在MATLAB中由三相短路故障发生模块模拟故障[6]，该模块可以模拟任意单相接地、两相接地短路、两相相间短路以及三相短路故障。由于电力系统从故障状态到稳定运行的过渡时间很短，此处以短路故障发生的时刻0.2 s～0.228 s为例，为简化分析，仅以系统发生单相接地短路时TCSC接入前后的输送功率及线路阻抗的变化进行对比分析，可得如图6的波形(坐标参数与图5标注相同，从上到下三个波形依次为线路传输功率；TCSC阻抗；TCSC模块中触发角α)。

(a)未投入TCSC的仿真波形 (b)投入TCSC的仿真波形

图6 系统发生单相接地短路时TCSC接入前后功率及阻抗对比波形

从图6(a)中可以看出未投入TCSC的电力系统在0.2 s时发生单相接地短路，0.228 s时故障消除，到1 s时系统接近稳定，暂态时间约为0.7 s。而投入TCSC后到0.5 s时系统接近稳定，暂态时间约为0.2 s，如图6(b)所示。从图6可以看出，在电力系统发生单相接地短路故障时，TCSC可以显著地加快电力系统恢复到稳态的时间，并且能在一定程度上提高电力系统的传输功率，从而提高电力系统稳定运行的能力。

3 结论

通过对含TCSC的单机无穷大系统建模及仿真分析，可以得到如下结论：

1) 基于晶闸管的可控串联补偿装置(TCSC)是近年来串联补偿新技术的代表，是灵活交流输电系统的重要组成部分。TCSC装置利用晶闸管控制触发角α的不同对电容器进行旁路、投入或部分调制，具有长寿命、无磨损以及快速连续调节的能力，在潮流控制以及提高系统稳定性方面发挥着重要作用。

2) 利用Matlab/Simulink对TCSC进行建模与仿真，在输电线路中随着TCSC的投入，可以显著提高系统的稳态传输功率；当系统发生短路故障后，TCSC可以显著地加快电力系统恢复到稳态的时间，提高电力系统稳定运行的能力。

3) 应用Matlab/Simulink 对典型FACTS元件进行建模仿真，通过在仿真过程中灵活改变晶闸管触发角、TCSC投切时间、短路故障发生时刻等参数，实时得到仿真波形和结果，比单纯进行理论分析效果要好，为提高柔性交流输电系统教学效果提供了有力的帮助。

[1] 陈坚.柔性电力系统中的电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 王华昕，杨秀.柔性输电技术概论[M].北京：中国电力出版社，2011.

[3] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].第5版.北京：机械工业出版社，2009.

[4] 阿查.柔性交流输电系统在电网中的建模与仿真[M].程新功，张勇，王中华，等译.北京：机械工业出版社，2011.

[5] 徐宏，房俊龙.配电网TCSC建模及接地故障仿真研究[J].电气技术，2012(4)：12-16.

[6] 张鸿鸣，邓志良.基于新型仿真工具的 TCSC 建模及仿真研究[J].微计算机信息，2008，24(6)：238-240.

The Application of Simulation Technology in the Teaching Course of Flexible AC Transmission Systems

Wang Hui1,2,Li Yuhao1,Yang Zhen1

(1.CollegeofElectricalEngineeringandNewEnergy,ChinaThreeGorgesUniversity,YichangHubei443002,China； 2.HubeiMicro-gridEngineeringTechnologyResearchCenter(ChinaThreeGorgesUniversity) 443002,China)

As one of the important application of power electronic technology in power system,the flexible AC transmission system is usually used as a professional elective course.However,there are many kinds FACTS components,it includes much complex converter circuits and difficult for students to study.A kind of simulation model with FACTS component is constructed based on Matlab/Simulink that is thyristor controlled series capacitor (TCSC).Its working characteristics are simulated and analyzed.The results show that the waveform both based on simulation and conventional circuit analysis are identical which proves that the Matlab software can improve the teaching effect of flexible AC transmission systems course.

flexible AC transmission system; simulation; thyristor controlled series capacitor(TCSC); Matlab/Simulink

2016-07-18

王 辉(1969-)，男，河南邓州人，副教授，工学硕士，主要从事电力电子与电力传动教学、科研工作。

1674-4578(2016)05-0033-03

TP391.9；N41

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