基于動態(tài)補償器的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定分析

方 瓊，盛義發(fā)

(南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

1 引言

隨著我國電網(wǎng)"西電東送，南北互供，全國聯(lián)網(wǎng)"戰(zhàn)略的實施和電力市場化改革的進行，電力系統(tǒng)面向大機組、大電網(wǎng)、高電壓和遠距離輸電發(fā)展，呈現(xiàn)出了更為復(fù)雜的動態(tài)行為，其穩(wěn)定性遭到破壞對社會和國民經(jīng)濟所產(chǎn)生的負(fù)面影響也將更為巨大。因此，如何維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高電能質(zhì)量受到更廣泛的關(guān)注。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在長距離輸電線中選擇合適的地點安裝柔性交流輸電裝置 (FACTS)可以滿足增大輸送能力，保持輸電系統(tǒng)穩(wěn)定和優(yōu)化系統(tǒng)運行［1－4］。本文將SVC、STATCOM接入電力系統(tǒng)中，作為實時動態(tài)補償器向系統(tǒng)提供無功補償，利用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，驗證了動態(tài)補償器對改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的作用，并對兩者進行比較，指出STATCOM是未來FACTS裝置的主要發(fā)展方向。

2 動態(tài)補償器的原理與數(shù)學(xué)模型

2.1 靜止無功補償器 (SVC)的原理與數(shù)學(xué)模型

靜止無功補償器 (SVC)是20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來的新型無功補償技術(shù)，是通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來快速調(diào)節(jié)電抗器 (TCR)的大小或投切電容器 (TSC)以及二者的混合裝置，對調(diào)節(jié)負(fù)荷功率因數(shù)、穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)電壓、消除流向系統(tǒng)的高次諧波電流、平衡三相負(fù)荷等有顯著的作用［5－6］。SVC最基本的兩種類型結(jié)構(gòu)為晶閘管相控電抗器型 (TCR)和晶閘管投切電容器型 (TSC)，而本文主要針對是對TCR+TSC兩者混合的研究。

TCR+TSC混合型 SVC裝置一般使用n組電容器及一組晶閘管相控電抗器，其基本運行原理是:當(dāng)系統(tǒng)電壓低于設(shè)定的運行電壓時，則需根據(jù)需要補償?shù)娜菪詿o功量，投入適當(dāng)組數(shù)的電容器組，并略有一點正偏差 (即過補償)。此時，再用晶閘管相控電抗器的感性無功功率來抵消這部分過補償?shù)娜菪詿o功功率;而當(dāng)系統(tǒng)電壓高于設(shè)定的運行電壓時，則切除所有的電容器組，僅有TCR運行，其典型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 TCR+TSC型SVC典型結(jié)構(gòu)圖

SVC中TCR的調(diào)節(jié)是由其觸發(fā)角α實現(xiàn)的，從系統(tǒng)中吸收的無功功率如下:

其中，XTCR為TCR中的等效阻抗，XR為TCR中電抗器阻抗，V為系統(tǒng)電壓。

SVC中TSC對系統(tǒng)注入的無功補償是固定的，其值如下:

其中，XTSC為TSC中的等效阻抗。

最終SVC向系統(tǒng)補償?shù)臒o功功率為:

2.2 靜止同步補償器 (STATCOM)的原理與模型

靜止同步補償器 (STATCOM)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新性的無功補償技術(shù)。其基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器或變壓器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其輸出電流，從而來控制電路中的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。STATCOM不僅可以校正穩(wěn)定電壓，還可以在故障后恢復(fù)期間高速穩(wěn)定電壓，對改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重大意義［7－8］。STATCOM 可以分為電壓型或電流型，而本文主要針對是電壓型進行研究。

電壓型STATCOM主要由整流橋和逆變器構(gòu)成，其基本原理是由整流橋從交流系統(tǒng)中吸收少量的有功功率，對直流電容充電，保持STATCOM直流側(cè)電壓穩(wěn)定，而逆變器的主要功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，STATCOM通過控制器對系統(tǒng)無功情況進行監(jiān)測，從而有效可控的由逆變器向系統(tǒng)輸入無功功率，其典型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電壓型STATCOM典型結(jié)構(gòu)圖

STATCOM向系統(tǒng)補償?shù)臒o功功率是由STATCOM輸出電壓V的幅值和它與系統(tǒng)電壓的相位差δ 調(diào)節(jié)的［9］，其值為:

其中，Iq為系統(tǒng)輸出電流的無功分量，R為STATCOM所有損耗等值串聯(lián)電阻。

3 動態(tài)補償系統(tǒng)建模與仿真結(jié)果分析

3.1 動態(tài)補償系統(tǒng)建模

根據(jù)以上的分析，利用MATLAB/SIMULINK平臺對某個電力系統(tǒng)進行建模仿真。該系統(tǒng)由兩個500kV的等效電壓源通過長度均為500km的兩條輸電線路連接構(gòu)成。其中，電壓源的短路功率分別為3000MVA和2500MVA，另帶有兩個100MW負(fù)荷、一個10MW負(fù)荷和額定容量為100MW的FACTS裝置并聯(lián)在母線B2一側(cè)，如圖3所示。具有SVC和STATCOM補償器的系統(tǒng)仿真模型如圖4和圖5所示。通過仿真來分析動態(tài)補償器對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與暫態(tài)穩(wěn)定的有效性，以及比較SVC和STATCOM的性能差異。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析仿真結(jié)果

對具有SVC和STATCOM補償?shù)碾娏ο到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性進行仿真。當(dāng)電網(wǎng)電壓t=0時為1pu，t=0.1s時降低為0.97pu，t=0.4s時升高到1.03pu，t=0.7s時恢復(fù)到1pu。具有SVC和STATCOM補償?shù)碾娏ο到y(tǒng)電壓如圖6和7所示。

圖3 某系統(tǒng)單相電路圖

圖4 SVC仿真電路圖

圖5 STATCOM仿真電路圖

從圖6可以看出，t=0.1s時，SVC逐漸向電網(wǎng)提供無功功率提高系統(tǒng)電壓，使得系統(tǒng)最低電壓為0.972pu后開始回升，當(dāng)t=0.4s時系統(tǒng)電壓突然升高到1.03pu。由于SVC還在向系統(tǒng)提供無功功率，此時系統(tǒng)電壓最高升到1.048pu，SVC改為向系統(tǒng)吸收無功，經(jīng)0.1s后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在1.01pu;當(dāng)t=0.7s時，電網(wǎng)電壓恢復(fù)到1pu。此時，SVC還在吸收無功功率，引得系統(tǒng)電壓又降到0.982pu后經(jīng)0.08s后恢復(fù)到1pu。從圖7可以看出，t=0.1s時，STATCOM迅速向電網(wǎng)提供無功功率，經(jīng)0.05s后使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在0.982 pu。當(dāng)t=0.4s時，系統(tǒng)電壓升高到1.03pu，STATCOM改為向系統(tǒng)吸收無功，經(jīng)0.05s后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在1.018pu。當(dāng)t=0.7s時，電網(wǎng)電壓恢復(fù)到1pu，STATCOM電路的系統(tǒng)電壓也經(jīng)0.04 s后恢復(fù)到1pu。從兩圖可以看出，STATCOM維持系統(tǒng)電壓比SVC更平滑且響應(yīng)和補償速度更快。

圖6 SVC電路系統(tǒng)電壓

圖7 STATCOM電路系統(tǒng)電壓

3.3 系統(tǒng)暫態(tài)分析仿真結(jié)果

對具有SVC和STATCOM補償?shù)碾娏ο到y(tǒng)暫態(tài)特性進行仿真分析，在0.2s時刻，仿真電路發(fā)生模擬故障，0.1s后切除。測得的具有 SVC和STATCOM補償?shù)南到y(tǒng)電壓，發(fā)出的無功功率如圖8和9所示。

圖8 SVC和STATCOM電路的系統(tǒng)電壓

圖9 SVC和STATCOM發(fā)出的無功功率

從圖8和圖9中可以看出，故障發(fā)生時SVC和STATCOM都能向系統(tǒng)提供無功功率，緩解故障給系統(tǒng)造成的不穩(wěn)定性，且故障切除后能快速恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定。而且，從圖7可以看出，當(dāng)仿真電路發(fā)生故障時，SVC維持系統(tǒng)電壓在原來的70%左右，而STATCOM維持系統(tǒng)電壓在原來的71%左右，且在故障切斷后，STATCOM比SVC更早恢復(fù)回原來電壓。從圖8可以看出，當(dāng)仿真電路0.2s－0.3s發(fā)生故障期間，SVC向系統(tǒng)提供的最大無功功率在0.49pu左右，而STATCOM向系統(tǒng)提供的最大無功功率在0.71pu左右。所以，由仿真結(jié)果可以看出，在相同電路和相同故障條件下，相同容量的FACTS裝置，其STATCOM比SVC能夠更快速的提供更多的無功功率來維持系統(tǒng)電壓，故障切除后也能更快的恢復(fù)系統(tǒng)電壓。

4 結(jié)論

本文將將兩種動態(tài)補償裝置－－靜止無功補償器 (SVC)和靜止同步補償器 (STATCOM)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以實時動態(tài)向系統(tǒng)提供無功補償。通過理論分析和仿真實驗表明動態(tài)補償裝置改善了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定，但兩者存在以下區(qū)別:

(1)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，STATCOM維持系統(tǒng)電壓比SVC更平滑且響應(yīng)和補償速度更快。

(2)在故障情況下，STATCOM比SVC有更好的暫態(tài)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度更快，STATCOM所恢復(fù)的系統(tǒng)電壓接近于原來值。

(3)顯然，隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，STATCOM這種高速有效地調(diào)節(jié)方式更能適應(yīng)市場的發(fā)展，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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