基于PSASP的SVG自定義建模及仿真對(duì)比研究

于國(guó)康，王振宇，余中平，辛超山，余 金，高玉喜

（1. 國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2. 國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司 昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100；3. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以交流柔性輸電（FACTS）為代表的新型輸電技術(shù)為電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和綜合穩(wěn)定控制提供了新的方法[1-4]。靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）是柔性交流輸電系統(tǒng)的核心裝置和核心技術(shù)之一，其集合了電力電子、智能控制以及微電子技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)無(wú)源補(bǔ)償裝置（如并聯(lián)電容器和調(diào)相機(jī)）響應(yīng)速度慢、體積大、諧波和損耗大、多臺(tái)工作易諧振等缺點(diǎn)。SVG向電網(wǎng)系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，對(duì)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性具有重要的支撐作用[5-8]。

隨著SVG在大電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，為了分析其對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響程度，研究人員對(duì)大電網(wǎng)仿真軟件中 SVG模型也提出了更高的要求[9-10]。因此，SVG在仿真軟件中的模型是否具備易調(diào)試性、易觀察性、能否準(zhǔn)確反映SVG實(shí)際動(dòng)態(tài)特性、能否根據(jù)不同工程特殊需求靈活調(diào)整等，是進(jìn)行大電網(wǎng)仿真時(shí)需要關(guān)注的問(wèn)題。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的機(jī)電暫態(tài)仿真軟件主要包括電力系統(tǒng)綜合程序（PSASP）和電力系統(tǒng)分析程序（PSD-BPA），這2個(gè)軟件中均包含了SVG的控制模型。PSASP軟件考慮到了固有模型難以適應(yīng)多變的情況，向用戶(hù)開(kāi)放了用戶(hù)自定義模型（UD-Model）功能。在此前提下，本文基于PSASP仿真軟件，利用自定義建模平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了具有易調(diào)試、易觀察、可靈活調(diào)整的SVG自定義模型，并以 PSCAD/EMTDC中基于實(shí)際工程案例的SVG模型為參考進(jìn)行了對(duì)比，研究了SVG自定義模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1 SVG基本原理及控制模型簡(jiǎn)介

1.1 SVG基本原理

SVG有以電流源型逆變器（current sourced converter，CSC）為核心的，但以電壓源型逆變器（voltage sourced converter，VSC）為核心的更常見(jiàn)，SVG基本原理如圖1所示。

圖1 SVG基本原理圖Fig. 1 Basic principle diagram of SVG

SVG輸出的電流為：

輸出的視在功率為：

理想情況下，認(rèn)為UI和US相位相同，則SVG輸出的無(wú)功功率為：

式中：X為SVG與系統(tǒng)間的連接變壓器本身的漏抗。

1.2 SVG控制模型

通過(guò)研究SVG的機(jī)理以及相關(guān)的SVG建模資料，SVG在機(jī)電暫態(tài)仿真中基本電壓控制有2種形式，其控制框圖分別如圖 2、圖 3所示。圖 2考慮了 SVG與系統(tǒng)間的等值阻抗（簡(jiǎn)稱(chēng)阻抗型SVG），圖3直接經(jīng)PI環(huán)節(jié)得到SVG注入電流（簡(jiǎn)稱(chēng)電流型SVG）。

圖2 SVG控制框圖1Fig. 2 SVG control block diagram 1

圖3 SVG控制框圖2Fig. 3 SVG control block diagram 2

控制框圖1、2均是通過(guò)比較控制點(diǎn)的采樣電壓與目標(biāo)電壓的差值，再經(jīng)過(guò)積分環(huán)節(jié) K/s和反饋環(huán)節(jié) KD對(duì)電壓差值進(jìn)行處理。兩者的區(qū)別在于，控制框圖1通過(guò)引入SVG安裝點(diǎn)電壓VT以及等效阻抗 XT，參照式（1）形成注入系統(tǒng)的電流信號(hào)I；控制框圖2將電壓差值經(jīng)積分、反饋環(huán)節(jié)后直接形成電流信號(hào) I注入系統(tǒng)，避免了等效阻抗XT的參數(shù)值選取。

2 SVG自定義建模技術(shù)路線

本文選取PSASP開(kāi)展SVG模型仿真對(duì)比工作。與PSCAD/EMTDC所用的SVG模型相比，PSASP自帶的SVG模型功能不完善，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電壓閉鎖、短時(shí)過(guò)流等功能，且自帶模型具有“黑盒子”特征，控制模塊固定，只能通過(guò)參數(shù)反復(fù)調(diào)試擬合實(shí)際情況，不利于模型對(duì)比工作的開(kāi)展。因此考慮通過(guò)PSASP的用戶(hù)自定義模塊，搭建具備電壓閉鎖、短時(shí)過(guò)流等功能且具備“白盒子”特征（可根據(jù)擬合目標(biāo)的控制模型調(diào)整模型結(jié)構(gòu)，達(dá)到貼近實(shí)際控制模型的目的）的用戶(hù)自定義SVG模型（UD-SVG）。

2.1 PSASP中SVG固有模型局限性分析

雖然PSASP軟件中的SVG模型在一定程度上可以反映實(shí)際SVG的特性，但在開(kāi)展更深層次的研究時(shí)，仍然存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為：

（1）程序中控制邏輯和控制參數(shù)難以與工程現(xiàn)場(chǎng)SVG控制邏輯、控制參數(shù)保持一致。

（2）未考慮低壓閉鎖、過(guò)載能力等邏輯。（3）不支持SVG穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)控制策略執(zhí)行及切換功能的仿真。

（4）SVG對(duì)控制點(diǎn)電壓的控制目標(biāo)值為故障前的穩(wěn)態(tài)值，與實(shí)際有區(qū)別。

（5）不支持模型控制邏輯的用戶(hù)自定義修改和中間變量的輸出，不利于SVG模型的調(diào)試對(duì)比。

2.2 SVG自定義建模技術(shù)路線

驗(yàn)證仿真軟件SVG模型準(zhǔn)確性的最直接的方法是將SVG模型仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)SVG實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比，但該方法實(shí)際可操作性低，也無(wú)法適用于 SVG的前期選址定容等工作。因此比較可行的方法是通過(guò)對(duì)比SVG模型仿真結(jié)果與RTDS動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證仿真軟件中 SVG模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)工程實(shí)踐，目前已在 PSCAD/EMTDC軟件中搭建了基于實(shí)際工程案例的SVG模型，其仿真結(jié)果與RTDS實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試曲線基本一致。因此本文對(duì)SVG模型與PSCAD/EMTDC仿真模型做比較，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

自定義建模總體技術(shù)路線：

（1）參照PSASP中SVG固有模型的控制框圖，搭建與固有模型完全一致的SVG用戶(hù)自定義模型（UD-SVG）。

（2）通過(guò)系統(tǒng)仿真，對(duì)比相同參數(shù)情況下SVG固有模型與自定義模型的響應(yīng)，驗(yàn)證PSASP的用戶(hù)自定義模型功能的適用性。

（3）參照實(shí)際的 SVG工程中基于 PSCAD/EMTDC搭建的SVG控制模型，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，在PSASP的UD建模平臺(tái)中搭建對(duì)應(yīng)的控制邏輯框圖。

（4）模型搭建過(guò)程中，確定各控制框圖的輸入輸出，便于定位響應(yīng)特性的差異，并調(diào)整相應(yīng)參數(shù)。

（5）模型搭建完成后，通過(guò)搭建簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)開(kāi)展PSASP的SVG自定義模型與PSCAD/EMTDC中SVG模型的仿真對(duì)比，對(duì)SVG自定義模型的效果進(jìn)行評(píng)估。

3 PSASP用戶(hù)自定義模型功能驗(yàn)證

為了證明UD-SVG模型與PSASP自帶SVG模型的兼容性，將UD-SVG模型與PSASP自帶SVG模型的仿真進(jìn)行對(duì)比，其中 PSASP程序中STATCOM的模型框圖如圖4所示。

圖4 PSASP程序中SVG固有的模型框圖Fig. 4 Inherent model block diagram of SVG in PSASP program

在 PSASP的用戶(hù)自定義模塊中搭建上述SVG控制框圖，在不考慮復(fù)雜的電壓閉鎖邏輯和短時(shí)過(guò)流能力情況下，兩者在同一故障情況下的響應(yīng)基本一致，如圖5所示，因此認(rèn)為UD-SVG模型兼容了PSASP自帶SVG模型的基本控制功能。

圖5 SVG無(wú)功出力曲線對(duì)比Fig. 5 Comparison between SVG reactive power output curves

4 基于SVG工程案例的UD-SVG模型搭建

4.1 PSCAD/EMTDC中SVG模型及簡(jiǎn)化

基于實(shí)際工程案例的 PSCAD/EMTDC中的SVG模型如圖6所示，其包含電壓外環(huán)控制、電流內(nèi)環(huán)控制、SVG一次接線方式以及閥組內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等環(huán)節(jié)。本文利用 SVG自定義建模的“白盒子”特征，參照 PSCAD/EMTDC中的SVG模型控制邏輯，調(diào)整SVG自定義模型的各個(gè)控制環(huán)節(jié)，與PSCAD/EMTDC中的SVG模型保持一致。

圖6 PSCAD/EMTDC中SVG模型Fig. 6 SVG model in PSCAD/EMTDC

PSCAD/EMTDC中 SVG控制回路的建模主要包括定電壓/定無(wú)功外環(huán)控制模塊、主控制模塊以及直流側(cè)電容電壓平衡控制模塊，其中：

（1）定電壓/定無(wú)功外環(huán)控制模塊是SVG電壓控制的核心環(huán)節(jié)，主要根據(jù)電壓或無(wú)功目標(biāo)值調(diào)節(jié)無(wú)功電流目標(biāo)值，為主控制模塊提供無(wú)功電流參考值。

（2）直流側(cè)電容電壓平衡控制模塊根據(jù)SVG相單元各H橋直流電容電壓當(dāng)前值，結(jié)合控制目標(biāo)值構(gòu)成閉環(huán)反饋控制，生成直流電容電壓平衡控制所需的有功電流，作為主控制的有功電流參考值。

（3）電流內(nèi)環(huán)控制模塊綜合電流參考值經(jīng)過(guò)PI調(diào)解之后形成參考電壓信號(hào)，與SVG連接點(diǎn)電壓檢測(cè)的反饋信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SVG實(shí)際輸出補(bǔ)償電流的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

考慮到本次 SVG建模是以解決電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題為目的，因此 PSASP自定義建模忽略次要因素，重點(diǎn)針對(duì)電壓外環(huán)控制邏輯進(jìn)行建模，其控制邏輯框圖與圖3相似。

4.2 SVG自定義模型各模塊功能

4.2.1 SVG低壓/欠壓閉鎖功能模塊

SVG控制邏輯中包含低壓閉鎖邏輯，當(dāng)SVG安裝點(diǎn)電壓低于Uset1時(shí)，經(jīng)延時(shí)閉鎖；電壓高于Uset2時(shí)，經(jīng)延時(shí)解鎖。上述控制邏輯在 UD建模中的實(shí)現(xiàn)方法如下：基于PSASP自定義模塊中的控制框圖，采集安裝點(diǎn)電壓，通過(guò)比較器、延時(shí)環(huán)節(jié)、結(jié)果判斷邏輯等組合，實(shí)現(xiàn)低壓閉鎖邏輯關(guān)于閉鎖、解鎖定值的區(qū)分以及延時(shí)的可控。基本控制框圖如圖7所示。

圖7 UD-SVG低壓/欠壓閉鎖控制邏輯Fig. 7 UD-SVG low voltage/under voltage lockout control logic

4.2.2 SVG過(guò)載功能模塊

SVG具備短時(shí)過(guò)載能力，且過(guò)載倍數(shù)與過(guò)載時(shí)間呈反時(shí)限特征。上述控制邏輯在 UD建模中的實(shí)現(xiàn)方法如下：基于PSASP自定義模塊中的控制框圖，針對(duì)SVG基本控制環(huán)節(jié)輸出，通過(guò)可控開(kāi)關(guān)、計(jì)數(shù)器、延時(shí)環(huán)節(jié)、比較器以及基本代數(shù)運(yùn)算框等組合，實(shí)現(xiàn) SVG短時(shí)過(guò)流能力，并具備3段過(guò)流靈活整定功能；控制邏輯中過(guò)載倍數(shù)及持續(xù)時(shí)間均可獨(dú)立設(shè)置。基本控制框圖如圖 8所示。

圖8 UD-SVG過(guò)載控制邏輯Fig. 8 UD-SVG overload control logic

4.2.3 SVG穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)控制模式切換模塊

針對(duì)實(shí)際電網(wǎng)中的穩(wěn)定問(wèn)題，SVG的典型控制模式為：穩(wěn)態(tài)情況下按恒無(wú)功模式運(yùn)行，電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)導(dǎo)致控制點(diǎn)電壓越限后，則自動(dòng)進(jìn)入恒電壓控制模式。上述控制邏輯在 UD建模中的實(shí)現(xiàn)方法如下：基于PSASP自定義模塊中的控制框圖，針對(duì)SVG控制模式切換，SVG初始固定為恒無(wú)功模式，通過(guò)延時(shí)環(huán)節(jié)、比較器等組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制點(diǎn)電壓值的判斷，條件滿(mǎn)足進(jìn)入恒電壓模式。基本控制框圖如9所示。

圖9 UD-SVG控制模式切換邏輯Fig. 9 UD-SVG control mode switching logic

通過(guò)上述SVG各功能模塊的搭建和組合，可實(shí)現(xiàn)不同功能需求的 SVG自定義模型，且 SVG自定義模型中各控制框圖的參數(shù)、輸入、輸出結(jié)果均能直觀展示，具備易調(diào)試、易觀察、可靈活調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。

5 SVG自定義模型驗(yàn)證

5.1 單機(jī)系統(tǒng)SVG自定義模型驗(yàn)證

首先基于單機(jī)系統(tǒng)，比對(duì)PSASP自定義模型與PSCAD/EMTDC實(shí)際SVG模型控制特性，其中PSASP與PSCAD選擇的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的動(dòng)態(tài)模型、參數(shù)基本一致，排除了其它元件模型的差異，重點(diǎn)比較PSASP自定義模型與PSCAD模型的響應(yīng)特性。

仿真分析基于的簡(jiǎn)單系統(tǒng)如圖10所示，一臺(tái)最大出力350 MW的發(fā)電機(jī)經(jīng)升壓變（20 kV/230 kV）、并聯(lián)運(yùn)行的雙線（一條為長(zhǎng)線路、一條為短線路）接入負(fù)荷點(diǎn)。為簡(jiǎn)化，負(fù)荷直接接入230 kV電壓。

圖10 單機(jī)系統(tǒng)潮流圖Fig. 10 Power flow diagram of the single-machine system

仿真過(guò)程中SVG經(jīng)升壓變（35 kV/230 kV）接入220 kV母線B-BUS，控制目標(biāo)為220 kV母線B-BUS電壓。SVG容量選取156 Mvar，主要控制環(huán)節(jié)參數(shù)如表1所示。

表1 SVG主要參數(shù)Tab. 1 SVG main parameters

為了從不同角度充分驗(yàn)證 UD-SVG模型與PSCAD/EMTDC中SVG模型的一致性，針對(duì)多種不同類(lèi)型、不同工況的故障，仿真分析各種情況下模型的一致性。以考慮低壓閉鎖邏輯情況下的近發(fā)電機(jī)側(cè)短線路三永N-1故障，后續(xù)穩(wěn)控切負(fù)荷為例，UD-SVG模型與PSCAD/EMTDC中SVG模型無(wú)功出力曲線對(duì)比如圖11所示，兩者的仿真曲線高度擬合。

圖11 單機(jī)系統(tǒng)，SVG無(wú)功出力曲線對(duì)比Fig. 11 Comparison between SVG reactive power output curves in the single-machine system

5.2 雙機(jī)系統(tǒng)SVG自定義模型驗(yàn)證

在原單機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再增加一臺(tái)同容量的發(fā)電機(jī)，調(diào)整后的仿真系統(tǒng)如圖12所示。

圖12 雙機(jī)系統(tǒng)潮流圖Fig. 12 Power flow diagram of the two-machine system

仿真模擬短線路三永 N-1故障，故障側(cè)為B-BUS母線，SVG經(jīng)升壓變接入B-BUS母線，控制目標(biāo)為 B-BUS母線電壓。仿真對(duì)比曲線如圖 13所示，SVG自定義模型在多機(jī)系統(tǒng)中仍然保持與PSCAD/EMTDC實(shí)際SVG模型高度擬合。

圖13 雙機(jī)系統(tǒng)，SVG無(wú)功出力曲線對(duì)比Fig. 13 Comparison between SVG reactive power output curves in the two-machine system

6 結(jié)論

考慮PSASP軟件自帶SVG模型功能不完善、不利于調(diào)試，基于PSASP軟件用戶(hù)自定義模塊，開(kāi)展了SVG自定義建模工作，搭建了易調(diào)試、易觀查、可靈活調(diào)整的 SVG模型，且與 PSCAD/EMTDC軟件中基于實(shí)際工程案例的SVG模型開(kāi)展仿真對(duì)比。結(jié)果表明，兩者的動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)基本一致，SVG自定義模型能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程的仿真需求。