基于動態補償器的電力系統電壓穩定和暫態穩定分析

方 瓊，盛義發

(南華大學電氣工程學院，湖南 衡陽 421001)

1 引言

隨著我國電網"西電東送，南北互供，全國聯網"戰略的實施和電力市場化改革的進行，電力系統面向大機組、大電網、高電壓和遠距離輸電發展，呈現出了更為復雜的動態行為，其穩定性遭到破壞對社會和國民經濟所產生的負面影響也將更為巨大。因此，如何維持電力系統穩定性，提高電能質量受到更廣泛的關注。隨著電力電子技術的發展，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，保持輸電系統穩定和優化系統運行［1－4］。本文將SVC、STATCOM接入電力系統中，作為實時動態補償器向系統提供無功補償，利用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，驗證了動態補償器對改善系統電壓穩定和暫態穩定的作用，并對兩者進行比較，指出STATCOM是未來FACTS裝置的主要發展方向。

2 動態補償器的原理與數學模型

2.1 靜止無功補償器 (SVC)的原理與數學模型

靜止無功補償器 (SVC)是20世紀70年代初期發展起來的新型無功補償技術，是通過控制晶閘管的導通角來快速調節電抗器 (TCR)的大小或投切電容器 (TSC)以及二者的混合裝置，對調節負荷功率因數、穩定和平衡系統電壓、消除流向系統的高次諧波電流、平衡三相負荷等有顯著的作用［5－6］。SVC最基本的兩種類型結構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:當系統電壓低于設定的運行電壓時，則需根據需要補償的容性無功量，投入適當組數的電容器組，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的容性無功功率;而當系統電壓高于設定的運行電壓時，則切除所有的電容器組，僅有TCR運行，其典型結構圖如圖1所示。

圖1 TCR+TSC型SVC典型結構圖

SVC中TCR的調節是由其觸發角α實現的，從系統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為系統電壓。

SVC中TSC對系統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向系統補償的無功功率為:

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80年代發展起來的新性的無功補償技術。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在電網上，適當地調節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，實現動態無功補償的目的。STATCOM不僅可以校正穩定電壓，還可以在故障后恢復期間高速穩定電壓，對改善電力系統穩定性具有重大意義［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成，其基本原理是由整流橋從交流系統中吸收少量的有功功率，對直流電容充電，保持STATCOM直流側電壓穩定，而逆變器的主要功能是將直流電轉換為交流電，STATCOM通過控制器對系統無功情況進行監測，從而有效可控的由逆變器向系統輸入無功功率，其典型結構圖如圖2所示。

圖2 電壓型STATCOM典型結構圖

STATCOM向系統補償的無功功率是由STATCOM輸出電壓V的幅值和它與系統電壓的相位差δ 調節的［9］，其值為:

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

3 動態補償系統建模與仿真結果分析

3.1 動態補償系統建模

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

3.2 系統穩態分析仿真結果

對具有SVC和STATCOM補償的電力系統穩態和動態特性進行仿真。當電網電壓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時恢復到1pu。具有SVC和STATCOM補償的電力系統電壓如圖6和7所示。

圖3 某系統單相電路圖

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

圖6 SVC電路系統電壓

圖7 STATCOM電路系統電壓

3.3 系統暫態分析仿真結果

對具有SVC和STATCOM補償的電力系統暫態特性進行仿真分析，在0.2s時刻，仿真電路發生模擬故障，0.1s后切除。測得的具有 SVC和STATCOM補償的系統電壓，發出的無功功率如圖8和9所示。

圖8 SVC和STATCOM電路的系統電壓

圖9 SVC和STATCOM發出的無功功率

從圖8和圖9中可以看出，故障發生時SVC和STATCOM都能向系統提供無功功率，緩解故障給系統造成的不穩定性，且故障切除后能快速恢復系統穩定。而且，從圖7可以看出，當仿真電路發生故障時，SVC維持系統電壓在原來的70%左右，而STATCOM維持系統電壓在原來的71%左右，且在故障切斷后，STATCOM比SVC更早恢復回原來電壓。從圖8可以看出，當仿真電路0.2s－0.3s發生故障期間，SVC向系統提供的最大無功功率在0.49pu左右，而STATCOM向系統提供的最大無功功率在0.71pu左右。所以，由仿真結果可以看出，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電壓，故障切除后也能更快的恢復系統電壓。

4 結論

本文將將兩種動態補償裝置－－靜止無功補償器 (SVC)和靜止同步補償器 (STATCOM)應用于電力系統中，以實時動態向系統提供無功補償。通過理論分析和仿真實驗表明動態補償裝置改善了電力系統電壓穩定和暫態穩定，但兩者存在以下區別:

(1)在穩態狀態下，STATCOM維持系統電壓比SVC更平滑且響應和補償速度更快。

(2)在故障情況下，STATCOM比SVC有更好的暫態穩定性、響應速度更快，STATCOM所恢復的系統電壓接近于原來值。

(3)顯然，隨著電力系統結構不斷發展，STATCOM這種高速有效地調節方式更能適應市場的發展，具有更廣闊的應用前景。

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