輸電線路參數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響研究

盧艷，王吉峰，李培江(.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江衢州4000；.浙江巨化集團(tuán)公司熱電廠，浙江衢州4000；.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海00444)

輸電線路參數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響研究

盧艷1，王吉峰2，李培江3(1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江衢州324000；2.浙江巨化集團(tuán)公司熱電廠，浙江衢州324000；3.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200444)

電力系統(tǒng)中的短輸電線路模型中含有電阻和電抗，而在分析基于靜止無(wú)功補(bǔ)償器的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)常將電阻忽略，因此不能充分利用靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)對(duì)輸電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能進(jìn)行改善。在考慮同步電機(jī)轉(zhuǎn)子角與電力系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用二端口網(wǎng)絡(luò)原理對(duì)短輸電線路模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，給出了模型參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出在短輸電線路中同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置角和最小位置角與SVC和線路的電阻有關(guān)的結(jié)論。

靜止無(wú)功補(bǔ)償器；臨界切除時(shí)間；單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)；暫態(tài)穩(wěn)定性

隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，人們對(duì)電力的需求大大增加，現(xiàn)代電力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)復(fù)雜的交互式網(wǎng)絡(luò)，如何充分利用現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)資源變得越來(lái)越重要。綜合了電力電子技術(shù)、微處理和微電子技術(shù)、通信技術(shù)及控制技術(shù)的柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)靈活快速的控制交流輸電系統(tǒng)。

靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)是一種FACTS裝置，它由電容器、電抗器和晶閘管組成，如圖1所示，通過(guò)對(duì)電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使整個(gè)裝置平滑地從發(fā)出無(wú)功功率改變?yōu)槲諢o(wú)功功率(或反向進(jìn)行)，SVC可以提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

電力系統(tǒng)故障臨界切除時(shí)間(CCT)一直是電力系統(tǒng)的研究重點(diǎn)，因?yàn)镃CT說(shuō)明了發(fā)生故障的電力系統(tǒng)的魯棒性。電力系統(tǒng)的組成部分(如發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器)都會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，其中同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角直接決定了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 SVC的結(jié)構(gòu)

輸電線路是電力系統(tǒng)重要的組成部分，電力系統(tǒng)大部分的故障都發(fā)生在輸電線路上。按照輸電距離可以把輸電線路分為短線路(100 km以內(nèi))、中等長(zhǎng)度線路(100～300 km)和長(zhǎng)線路(300 km以上)三種類(lèi)型。對(duì)輸電線路的研究常將電阻或電容忽略后建立簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行分析，但是，為了充分利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)資源，更為精確的研究是必須的。

本文研究了SVC和輸電線路電阻對(duì)短傳輸線路的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性影響問(wèn)題，利用二端口網(wǎng)絡(luò)原理對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將模型在不同情況下進(jìn)行仿真分析。

1 短傳輸線路的等值電路模型

圖2所示為帶有SVC的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)。如圖2(a)所示，該系統(tǒng)含有一臺(tái)發(fā)電機(jī)、一臺(tái)變壓器、四條傳輸線路和一個(gè)SVC，將各個(gè)部分用電氣參數(shù)進(jìn)行抽象(如表1)，得到該系統(tǒng)的等值電路，如圖2(b)所示。

圖2 帶有SVC的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)

表1 電力系統(tǒng)各部分電氣參數(shù)

利用二端口網(wǎng)絡(luò)原理對(duì)圖2(b)中各部分進(jìn)行等效變換，得到了雙口網(wǎng)絡(luò)矩陣(A、B、C、D)，如圖2(c)，各參數(shù)取值見(jiàn)公式(1)～(8)。

從圖2(c)可以看出端口之間的串并聯(lián)關(guān)系，如端口1與端口2是串聯(lián)的，而端口3與端口4是并聯(lián)的，因此將端口1和端口2串聯(lián)組成一個(gè)新的端口，參數(shù)取值見(jiàn)公式(9)～(12)。

同理，將端口3和端口4并聯(lián)成一個(gè)新端口，參數(shù)取值見(jiàn)公式(13)～(16)。

以此類(lèi)推，最終得到如圖2(d)所示的雙口網(wǎng)絡(luò)矩陣圖，圖中的、、和是新的雙口網(wǎng)絡(luò)矩陣參數(shù)。

同步電機(jī)的輸出功率為：

電力系統(tǒng)臨界切除時(shí)間的動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：δ、w、Pm和M分別表示同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角、角速度、輸入功率和力矩；表示同步電機(jī)的輸出功率。

另外，式(7)中所提到的SVC并聯(lián)電納的值隨著電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的不同狀態(tài)改變而改變，即：

式中：為控制常數(shù)，表示并聯(lián)電納與電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)關(guān)系。

2 仿真結(jié)果

[1]的方法，對(duì)圖2所示的電力系統(tǒng)各參數(shù)，用標(biāo)幺值表示取值如下：

如果電力系統(tǒng)三相故障發(fā)生在靠近母線m的線路1上，并通過(guò)線路末端的斷路器切除故障，切除時(shí)間取191 ms，當(dāng)電力系統(tǒng)不含SVC(=0)和含SVC(=10)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子角與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3和圖4所示，兩圖中的實(shí)線表示線路電阻與電抗的比值R/X=5%時(shí)的關(guān)系曲線，虛線表示/=0時(shí)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)定除了與SVC有關(guān)，還與/有關(guān)。

圖3 /=0和/=5%時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子角變化(不含SVC)

圖4 /=0和/=5%時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子角變化(含有SVC)

3 SVC和/對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

3.1 SVC對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

當(dāng)取不同值時(shí)得到表2，從表2和圖3、圖4可以看出SVC與電機(jī)轉(zhuǎn)子角確實(shí)有關(guān)，值越大，轉(zhuǎn)子角越小，系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定。

表2 SVC取不同K值時(shí)電機(jī)最大和最小轉(zhuǎn)子角

表3 R/X取不同值時(shí)電機(jī)最大和最小轉(zhuǎn)子角(K=35)

3.2 /對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

當(dāng)=35，而/取不同值時(shí)，得到了表3，從表3可以看出，輸電線路電阻與電機(jī)轉(zhuǎn)子初始擺動(dòng)位置角(δmax)有一定關(guān)系。從圖3得到，當(dāng)/=0時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，而當(dāng)/=5%時(shí)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，從圖4和表2、表3可以看出，線路電阻對(duì)電機(jī)最小轉(zhuǎn)子角的作用是負(fù)面的，如當(dāng)=10，/取 0和5%時(shí)的最小轉(zhuǎn)子角δmin分別為－2.89°和－4.85°。

4 結(jié)論

本文利用二端口網(wǎng)絡(luò)原理構(gòu)建了短輸電線路電路系統(tǒng)模型，根據(jù)電力系統(tǒng)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子角與系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)系，詳細(xì)討論了SVC和輸電線路電阻對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子角的影響，從仿真結(jié)果可以看出，SVC對(duì)電機(jī)的初始擺動(dòng)角和最小位置角的大小起到正面影響，而輸電線路電阻僅對(duì)電機(jī)初始擺動(dòng)角起到正面影響，對(duì)最小位置角起到了負(fù)面作用。因此，電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性除了與SVC有關(guān)，還與輸電線路的電阻有關(guān)，對(duì)此問(wèn)題的研究可以為今后充分利用傳輸系統(tǒng)資源起到一定的促進(jìn)作用。

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Effect study of parameters of transmission line on transient stability of power system

LU Yan1,WANG Ji-feng2,LI Pei-jiang3

The resistance and reactance were contained in the exact short transmission line model.But the resistance of the line was usually neglected when most of previous researches studies transient stability performance of SVC in SMIB system.Thus the fully capability of the SVC on transient stability improvement of power system may not be applied.On the basis of the rotor angle of the synchronous generator determines the stability of power system,the concept of two-port network was applied to simplify the mathematical model of the power system,and model parameters were given.The conclusions were come through test and compared that the first swing and the second swing of rotor angle of the faulted system were related with SVC and the resistance.

static var compensator(SVC);critical clearing time(CCT);single machine infinite bus(SMIB);transient stability

TM 74

A

1002-087 X(2015)03-0604-02

2014-08-16

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y1110557)；浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201225730)

盧艷(1976—)，女，江蘇省人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)楣┯秒娂夹g(shù)。