基于SVC和PSS的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性研究

陳 鑫，李 昂，楊 帆，郭雙權(quán)

（陜西理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 漢中723000）

基于SVC和PSS的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性研究

陳 鑫，李 昂，楊 帆，郭雙權(quán)

（陜西理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 漢中723000）

本文介紹了靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的基本功能，通過建立典型單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)（SMIB）的仿真模型，研究電力系統(tǒng)在大擾動(dòng)下靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。仿真結(jié)果表明通過PSS和SVC的協(xié)調(diào)控制能有效地提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行與暫態(tài)穩(wěn)定研究提供了理論參考。

單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)；電壓穩(wěn)定性；靜止無(wú)功補(bǔ)償器；電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；MATLAB仿真

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電壓穩(wěn)定問題變得越來(lái)越重要。電壓穩(wěn)定是指在給定的初始運(yùn)行狀態(tài)下，電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，系統(tǒng)中所有母線維持穩(wěn)定電壓的能力[1]。目前提高電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性最有效的方法之一是采用柔性交流輸電裝置。靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVC）可以從電力網(wǎng)吸收和輸送可連續(xù)調(diào)節(jié)的無(wú)功功率，以維持電壓恒定[2]。利用靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，已獲得較為廣泛的應(yīng)用[3]。

勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，其主要任務(wù)是進(jìn)行電壓控制、合理分配無(wú)功，提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性[4]。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組兩端的勵(lì)磁電壓，從而影響發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)，達(dá)到穩(wěn)定端電壓的目的[5]。但勵(lì)磁的引入使系統(tǒng)出現(xiàn)弱阻尼和負(fù)阻尼，導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線低頻功率振蕩，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[6]。目前，電力系統(tǒng)普遍采用在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上附加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的附加勵(lì)磁控制方案，它能有效地增強(qiáng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的阻尼，抑制低頻振蕩的發(fā)生，是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最經(jīng)濟(jì)和最有效的措施[7]。

文中基于MATLAB軟件建立了典型單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)模型，通過三相短路故障的仿真分析研究PSS和SVC對(duì)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要意義。

1 基于SVC和PSS的電力系統(tǒng)建模

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）可以有效地阻尼電力系統(tǒng)振蕩和提高電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[8]。PSS的投入使用可以有效地提高發(fā)電機(jī)和整個(gè)電力系統(tǒng)的阻尼能力，抑制低頻振蕩的發(fā)生，減小系統(tǒng)中由負(fù)荷波動(dòng)等引起的聯(lián)絡(luò)線的功率波動(dòng)，加速功率振蕩的衰減[9]。

靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置是依靠晶閘管等電力電子器件完成調(diào)節(jié)或投切功能，可頻繁的調(diào)節(jié)和投切，且其調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度已在毫秒以內(nèi)，甚至達(dá)到微毫秒[10]。靜止無(wú)功補(bǔ)償（SVC）是一種快速調(diào)節(jié)的無(wú)功電源，可以調(diào)整系統(tǒng)電壓，提高線路的輸送功率[11]。它可以從電網(wǎng)吸收和輸送可連續(xù)調(diào)節(jié)的無(wú)功功率，有利于系統(tǒng)的無(wú)功功率平衡及電壓穩(wěn)定性[12]。在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中，若輸電線路的中點(diǎn)裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償器，通過連續(xù)的調(diào)節(jié)，可以維持該點(diǎn)的電壓恒定，相當(dāng)于將該輸電線路的輸電距離縮短了一半，這樣就使得遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)在小干擾和大干擾下的穩(wěn)定性均得以改善，同時(shí)電壓質(zhì)量也得以提高[13]。

如圖1所示的包含SVC的單機(jī)—無(wú)窮大電力系統(tǒng)模型，同步發(fā)電機(jī)采用暫態(tài)模型（以暫態(tài)電壓E和暫態(tài)電抗X’d表示），靜止無(wú)功補(bǔ)償器采用FC+TCR型SVC[14]。

圖1 包含SVC的單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)

為簡(jiǎn)化分析，SVC的動(dòng)態(tài)模型由一階微分方程來(lái)表示。基于勵(lì)磁控制同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型和SVC調(diào)節(jié)器的單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)（SMIB）建模如下[15]：

式中：δ是發(fā)電機(jī)的功角，棕s是發(fā)電機(jī)的同步角速度 （棕s=2πf），棕是發(fā)電機(jī)的相對(duì)角速度；H是慣性常數(shù)的標(biāo)幺值，M=2H/棕s，阻尼常數(shù)D≥0；Pm是發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率 （假設(shè)為常量），PE是由發(fā)電機(jī)輸送到無(wú)窮大系統(tǒng)母線的功率，X′dΣ=X′d+XT+XL，XdΣ=Xd+XT+ XL，二者的區(qū)別在于發(fā)電機(jī)直軸電抗的不同；T′0是d軸暫態(tài)短路時(shí)間常量，X1=X′d+XT，X2=XL，uf是勵(lì)磁電壓。BL和BC分別是SVC的電抗器及等值電容的電納值，BL0是電抗器的初始值、ur是設(shè)定的輸入電壓、Tr為時(shí)間常數(shù)。

實(shí)際中，發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電壓無(wú)法測(cè)量，BL-BC也不像有功功率那樣便于監(jiān)測(cè)，因此將PE分解為兩個(gè)部分，即發(fā)電機(jī)的電磁功率Pe和SVC產(chǎn)生的實(shí)際有功功率Psvc，如下所示：

單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定機(jī)理是分析多機(jī)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，其結(jié)論可以推廣到多機(jī)系統(tǒng)。

2 電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性仿真

圖2為基于MATLAB所建立的包含SVC的單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)仿真模型。水發(fā)電機(jī)組由水輪發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）組成。負(fù)荷采用5 000 MW電阻性負(fù)載模型。為了維持故障發(fā)生后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，在輸電線路中間并聯(lián)一個(gè)400 Mvar靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）進(jìn)行補(bǔ)償。通過Fault Breaker模塊設(shè)置在t=0.1 s時(shí)刻線路首端發(fā)生三相短路故障（大擾動(dòng)），t=0.2 s時(shí)刻切除故障。

設(shè)發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率保持恒定。當(dāng)發(fā)電機(jī)M1輸出功率為1.0（pu.）時(shí)，其端電壓Vref為0.989 7（pu.），無(wú)窮大系統(tǒng)母線電壓為1.0（pu.）。

2.1 PSS投入而SVC未投入

t=0.1 s時(shí)刻線路首端發(fā)生三相短路故障，t=0.2 s時(shí)刻切除故障。通過仿真波形（圖3）可以觀察到，短路發(fā)生后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速、電壓陡降；故障切除后發(fā)電機(jī)仍然快速失去同步。

2.2 PSS及SVC均投入

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)SVC斷開，而當(dāng)其端電壓低于參考電壓（1.009pu.）時(shí) SVC投入，向系統(tǒng)輸入（補(bǔ)償）無(wú)功功率以保持系統(tǒng)電壓水平。

圖2 包含SVC的單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)仿真模型

圖3 SVC未投入時(shí)三相短路故障的影響（故障在t=0.1 s開始，在t=0.2 s切除）

仍設(shè)置t=0.1 s時(shí)刻線路首端發(fā)生三相短路故障，t=0.2 s時(shí)刻發(fā)生切除故障。通過仿真波形（圖4）可以觀察到，短路發(fā)生后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速、電壓陡降；故障切除后發(fā)電機(jī)仍然保持同步運(yùn)行。

圖4 SVC投入時(shí)三相短路故障的影響（故障在t=0.1 s開始，在t=0.2 s切除）

3 結(jié) 論

文中在建立典型單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，通過三相短路故障的仿真分析研究了PSS和SVC對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）能夠顯著降低電網(wǎng)的有功損耗、提高電壓穩(wěn)定極限，通過本設(shè)計(jì)的仿真分析表明SVC與PSS協(xié)調(diào)控制可以有效地提高大干擾下電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行與安全穩(wěn)定分析提供了理論參考。

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Research of power systems voltage stability based on PSS and SVC

CHEN Xin，LI Ang，YANG Fan，GUO Shuang-quan
（School of Electrical Engineering，Shaanxi SCI-TECH University，Hanzhong 723000，China）

This paper introduces the basic function of Static Var Compensator （SVC）and Power System Stabilizer（PSS）.Through established a typical single machine infinite bus（SMIB）power system model to study the influences of SVC and PSS on voltage stability with large disturbance.From simulation results，we have shown that coordinated control of SVC and additional excitation control （PSS）can be effectively used to enhance the voltage stability after the occurrence of a large disturbance.The obtained results of the proposed method offer a reference for the research of power system operation and transient stability analysis.

single machine infinite bus power system；voltage stability；static Var compensator；power system stabilizer；MATLAB simulation

TN349

A

1674-6236（2017）09-0018-04

2016-06-13稿件編號(hào)：201606099

電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目（EIPE16211）；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（15JK1125）；陜西理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（SLGYCX1638）

陳 鑫（1992—），男，河南欒川人，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。