基于动态补偿器的电力系统电压稳定和暂态稳定分析

方 琼，盛义发

(南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421001)

1 引言

随着我国电网"西电东送，南北互供，全国联网"战略的实施和电力市场化改革的进行，电力系统面向大机组、大电网、高电压和远距离输电发展，呈现出了更为复杂的动态行为，其稳定性遭到破坏对社会和国民经济所产生的负面影响也将更为巨大。因此，如何维持电力系统稳定性，提高电能质量受到更广泛的关注。随着电力电子技术的发展，在长距离输电线中选择合适的地点安装柔性交流输电装置 (FACTS)可以满足增大输送能力，保持输电系统稳定和优化系统运行［1－4］。本文将SVC、STATCOM接入电力系统中，作为实时动态补偿器向系统提供无功补偿，利用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，验证了动态补偿器对改善系统电压稳定和暂态稳定的作用，并对两者进行比较，指出STATCOM是未来FACTS装置的主要发展方向。

2 动态补偿器的原理与数学模型

2.1 静止无功补偿器 (SVC)的原理与数学模型

静止无功补偿器 (SVC)是20世纪70年代初期发展起来的新型无功补偿技术，是通过控制晶闸管的导通角来快速调节电抗器 (TCR)的大小或投切电容器 (TSC)以及二者的混合装置，对调节负荷功率因数、稳定和平衡系统电压、消除流向系统的高次谐波电流、平衡三相负荷等有显著的作用［5－6］。SVC最基本的两种类型结构为晶闸管相控电抗器型 (TCR)和晶闸管投切电容器型 (TSC)，而本文主要针对是对TCR+TSC两者混合的研究。

TCR+TSC混合型 SVC装置一般使用n组电容器及一组晶闸管相控电抗器，其基本运行原理是:当系统电压低于设定的运行电压时，则需根据需要补偿的容性无功量，投入适当组数的电容器组，并略有一点正偏差 (即过补偿)。此时，再用晶闸管相控电抗器的感性无功功率来抵消这部分过补偿的容性无功功率;而当系统电压高于设定的运行电压时，则切除所有的电容器组，仅有TCR运行，其典型结构图如图1所示。

图1 TCR+TSC型SVC典型结构图

SVC中TCR的调节是由其触发角α实现的，从系统中吸收的无功功率如下:

其中，XTCR为TCR中的等效阻抗，XR为TCR中电抗器阻抗，V为系统电压。

SVC中TSC对系统注入的无功补偿是固定的，其值如下:

其中，XTSC为TSC中的等效阻抗。

最终SVC向系统补偿的无功功率为:

2.2 静止同步补偿器 (STATCOM)的原理与模型

静止同步补偿器 (STATCOM)是20世纪80年代发展起来的新性的无功补偿技术。其基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或变压器并联在电网上，适当地调节桥式电路输出电压的相位和幅值，或者直接控制其输出电流，从而来控制电路中的无功电流，实现动态无功补偿的目的。STATCOM不仅可以校正稳定电压，还可以在故障后恢复期间高速稳定电压，对改善电力系统稳定性具有重大意义［7－8］。STATCOM 可以分为电压型或电流型，而本文主要针对是电压型进行研究。

电压型STATCOM主要由整流桥和逆变器构成，其基本原理是由整流桥从交流系统中吸收少量的有功功率，对直流电容充电，保持STATCOM直流侧电压稳定，而逆变器的主要功能是将直流电转换为交流电，STATCOM通过控制器对系统无功情况进行监测，从而有效可控的由逆变器向系统输入无功功率，其典型结构图如图2所示。

图2 电压型STATCOM典型结构图

STATCOM向系统补偿的无功功率是由STATCOM输出电压V的幅值和它与系统电压的相位差δ 调节的［9］，其值为:

其中，Iq为系统输出电流的无功分量，R为STATCOM所有损耗等值串联电阻。

3 动态补偿系统建模与仿真结果分析

3.1 动态补偿系统建模

根据以上的分析，利用MATLAB/SIMULINK平台对某个电力系统进行建模仿真。该系统由两个500kV的等效电压源通过长度均为500km的两条输电线路连接构成。其中，电压源的短路功率分别为3000MVA和2500MVA，另带有两个100MW负荷、一个10MW负荷和额定容量为100MW的FACTS装置并联在母线B2一侧，如图3所示。具有SVC和STATCOM补偿器的系统仿真模型如图4和图5所示。通过仿真来分析动态补偿器对电力系统电压稳定与暂态稳定的有效性，以及比较SVC和STATCOM的性能差异。

3.2 系统稳态分析仿真结果

对具有SVC和STATCOM补偿的电力系统稳态和动态特性进行仿真。当电网电压t=0时为1pu，t=0.1s时降低为0.97pu，t=0.4s时升高到1.03pu，t=0.7s时恢复到1pu。具有SVC和STATCOM补偿的电力系统电压如图6和7所示。

图3 某系统单相电路图

图4 SVC仿真电路图

图5 STATCOM仿真电路图

从图6可以看出，t=0.1s时，SVC逐渐向电网提供无功功率提高系统电压，使得系统最低电压为0.972pu后开始回升，当t=0.4s时系统电压突然升高到1.03pu。由于SVC还在向系统提供无功功率，此时系统电压最高升到1.048pu，SVC改为向系统吸收无功，经0.1s后系统电压稳定在1.01pu;当t=0.7s时，电网电压恢复到1pu。此时，SVC还在吸收无功功率，引得系统电压又降到0.982pu后经0.08s后恢复到1pu。从图7可以看出，t=0.1s时，STATCOM迅速向电网提供无功功率，经0.05s后使系统电压稳定在0.982 pu。当t=0.4s时，系统电压升高到1.03pu，STATCOM改为向系统吸收无功，经0.05s后系统电压稳定在1.018pu。当t=0.7s时，电网电压恢复到1pu，STATCOM电路的系统电压也经0.04 s后恢复到1pu。从两图可以看出，STATCOM维持系统电压比SVC更平滑且响应和补偿速度更快。

图6 SVC电路系统电压

图7 STATCOM电路系统电压

3.3 系统暂态分析仿真结果

对具有SVC和STATCOM补偿的电力系统暂态特性进行仿真分析，在0.2s时刻，仿真电路发生模拟故障，0.1s后切除。测得的具有 SVC和STATCOM补偿的系统电压，发出的无功功率如图8和9所示。

图8 SVC和STATCOM电路的系统电压

图9 SVC和STATCOM发出的无功功率

从图8和图9中可以看出，故障发生时SVC和STATCOM都能向系统提供无功功率，缓解故障给系统造成的不稳定性，且故障切除后能快速恢复系统稳定。而且，从图7可以看出，当仿真电路发生故障时，SVC维持系统电压在原来的70%左右，而STATCOM维持系统电压在原来的71%左右，且在故障切断后，STATCOM比SVC更早恢复回原来电压。从图8可以看出，当仿真电路0.2s－0.3s发生故障期间，SVC向系统提供的最大无功功率在0.49pu左右，而STATCOM向系统提供的最大无功功率在0.71pu左右。所以，由仿真结果可以看出，在相同电路和相同故障条件下，相同容量的FACTS装置，其STATCOM比SVC能够更快速的提供更多的无功功率来维持系统电压，故障切除后也能更快的恢复系统电压。

4 结论

本文将将两种动态补偿装置－－静止无功补偿器 (SVC)和静止同步补偿器 (STATCOM)应用于电力系统中，以实时动态向系统提供无功补偿。通过理论分析和仿真实验表明动态补偿装置改善了电力系统电压稳定和暂态稳定，但两者存在以下区别:

(1)在稳态状态下，STATCOM维持系统电压比SVC更平滑且响应和补偿速度更快。

(2)在故障情况下，STATCOM比SVC有更好的暂态稳定性、响应速度更快，STATCOM所恢复的系统电压接近于原来值。

(3)显然，随着电力系统结构不断发展，STATCOM这种高速有效地调节方式更能适应市场的发展，具有更广阔的应用前景。

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