电子论文-STATCOM自定义建模及动稳态调压分析
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收稿日期:2007 03 28
作者简介:叶华(1981
),男,湖北随州人,博士研究生,研究方向为电力系统运行与控制.E mail
:yehua@mail.sdu.edu.cn文章编号:1672 3961(2007)05 0073 05
STATCOM自定义建模及动稳态调压分析
叶华1,张宁1,刘玉田1,牛新生2
(1.
山东大学电气工程学院,山东
济南
250061;2.
山东电力研究院,山东济南
250002
)摘要:建立了STATCOM基于功率注入法的稳态模型和基于受控电流源的动态模型,并利用电力系统分析软件提供的用户自定义功能实现了这些模型,用以分析STATCOM在给定条件和控制目标下的动稳态特性.基于建立的模型,对山东电网各STATCOM装设方案进行了仿真分析.结果表明所建立的模型简单有效,STATCOM可以起到较好的动态电压支撑、强补无功和抑制电压跌落的综合效果.关键词:FACTS;STATCOM;建模;用户自定义;动稳态调压中图分类号:TM743;TM761
文献标志码:A
UserdefinedmodelingofSTATCOMandvoltageregulationanalysis
YEHua1,ZHANGNing1,LIUYu tian1,NIUXin sheng
2
(1.SchoolofElectricalEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China
;2.ShandongElectricPowerResearchInstitute,Jinan250002,China
)Abstract:Basedontheinjectedpowermethodandthecontrolledcurrentsourcemodel,steadystateanddy namicmodelsforSTATCOMarebuilt.Bothmodelsareimplementedusingtheuserdefined(UD)functionofpowersystemanalysissoftware,andareusedtostudythesteadystateanddynamicperformancesofSTATCOMundergivenconditionsandcontrolobjectives.Basedonthesemodels,simulationsareconductedandanalyzedforeachinstallationschemeofSTATCOMinthepracticalShandongpowersystemofChina.SimulationresultsshowthattheproposedmodelsofSTATCOMaresimpleandeffective.Theyproducegoodcomprehensiveper formancesonsupportingdynamicvoltages,compensatingreactivepowersanddepressingvoltagedrops.Keywords:FACTS;STATCOM;modeling;userdefined;steadystateanddynamicvoltageregulation
0引言
静止同步补偿器(STATCOM)是一种重要的并联型FACTS装置,
能够起到提高系统传输极限、阻尼系统功率振荡、增大系统输电能力等作用.在系统规划和运行中,需要建立其动稳态数学模型,并进行必要的动稳态分析.STATCOM仅影响系统的节点边界条件,而不引入支路边界条件.因此,稳态分析中其对系统的影响可通过附加节点注入功率来体
现【1,2
】.STATCOM的动态模型应该根据分析的需要
来选取.当研究STATCOM与系统的动态相互作用【3】
及其控制策略【4】时,一般不必详细地描述STATCOM在整个过程中功率开关器件及装置每一相的动态行
为,其内部的细节可以忽略,并表示为一个受控电流
源【5,6】.
在本文中根据分析需要选择适当的STATCOM动稳态模型,并以电力系统分析综合程序(PSASP)为例,利用其提供的用户自定义功能(UD)实现了这些模型.基于建立的模型,对山东电网各STATCOM
第37卷第5期Vol.37No.5山东大学学报(工学版)
JOURNALOFSHANDONGUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCE)2007年10
月Oct.2007
装设方案进行了仿真,以考察它们对系统动稳态电压的调节作用.1STATCOM动稳态模型
1.1稳态模型
稳态分析中,STATCOM对系统的影响可通过母线注入无功功率来体现.考虑到输出最大和最小电流约束,其对系统潮流的调节作用可表示为
It+1=It
+K(Vref-Vt
),(1)Qt+1
S=VSImax,It+1
>Imax
;V
SIt+1
,Imin It+1
Imax;VSImin,It+1
<Imin{
.
(2
)式中,Vt和Vref分别为被控母线实际电压幅值和参考值,K为放大倍数,VS为STATCOM联接母线电压幅值,I为输出电流幅值,Imax和Imin分别为输出最大和最小电流,QS表示其发出的无功功率,t为潮流计算的迭代次数.
潮流计算中,STATCOM联接的母线处理成PQ
节点.在每次迭代完成后,根据式和修正该节点的功率不平衡量,然后进行交替求解直至收敛.1.2动态模型
通常情况下,STATCOM的动态模型采用比例环节进行有差调节而不加入积分环节,以防止经常处于满容量运行状态而失去对系统电压的动态调节能
力【7
】.因此,STATCOM的动态特性可以用一阶惯性
环节表示,如图1所示.其中,Tm为测量环节时间常数,Verr为电压偏差,KR和TR分别为调节器增益和时间常数.Tm和TR一般取值很小.
图1STATCOM的动态模型
Fig.1DynamicmodelofSTATCOM
STATCOM只向系统注入或从系统吸收无功功
率,因此其输出电流 I总与输出电压 VS正交.设 VS
的相角为θ,I(1)x和I(1
)y分别表示STATCOM注入网络正序电流的实部和虚部.如图1所示,当Verr>
0时,I>0, I超前 VS90°,STATCOM发出无功功率,有 I=I(1)x+jI(1)y=I
cos(θ+90)+jIsin(θ+90)=-Isinθ+jIcosθ.
(3)当Verr<0时,I<0, I滞后 VS90°,STATCOM吸收无功功率,有
I=I(1)x+jI(1)y=
(-I)cos(θ-90)+(-jI)sin(θ-90)=-Isinθ+jIcosθ.(4)由式(3)和(4)可知,无论STATCOM向系统注入无功还是从系统吸收无功,其注入联接母线的电流和无功功率均可表示为
I=I(1)x+jI(1)y=-I
sinθ+jIcosθ,(5
)QS=VS
I.2STATCOM动稳态自定义模型
许多商用电力系统仿真软件,如西门子公司开
发的PSSTM
NETOMAC【8】和中国电力科学研究院开发
的PSASP等,均提供了方便的用户自定义建模(Userdefinedmodeling
)功能【9】
,使用户能够在电力系统计算中模拟各种新型元件和装置,满足规划和运行中对系统分析的需要.本节以PSASP为例,利用其提供的UD功能实现了STATCOM的动稳态模型.2.1稳态自定义模型
如图2所示,由式和可建立STATCOM稳态自定义模型.其中,模块1的输入VT(B1
)为被控母线的电压幅值,其系数为-1,模块2中包含参数K,Imin和Imax,所有模块中的其余参数均取默认值.模块2和4的输出TM1(B2),Q(B2)分别为STATCOM注入
联接母线电流I和无功功率QS.
图2STATCOM稳态自定义模型
Fig.2Userdefinedsteady statemodelofSTATCOM
2.2动态自定义模型根据图1,式(5)和式(6
),可建立如图3所示的STATCOM动态自定义模型.
其中,模块1包含参数Tm,模块2包含参数Vref,模块3包含参数KR和TR,模块5包含参数Imax和Imin.模块2的第一个输入(模块1的输出)的系数和模块6的系数均为-1,所有模块中的其余参数均取默认值.模块6,7和11的输出ITR(B2),ITI(B2),TM4(B2)分别为STATCOM注入联接母线电流的实、虚部和无功功率QS.
图3STATCOM动态自定义模型
Fig.3UserdefineddynamicmodelofSTATCOM
2山东大学学报(工学版)第37
卷
3实例分析
2006年冬季典型运行方式下,山东电网500kV主网架(地理)结构如图4所示.正常方式为西电东送和南电北送.
图4山东电网500kV结构
Fig.4500kVstructureofShandongpowersystem
STATCOM对系统动态和稳态性能的改善作用主要表现在两个方面,一是在一定范围内发挥对电压变化的快速控制能力,提供动态电压支撑,提高系统的暂态电压,以增强系统的稳定性;二是通过控制注入系统(或从系统吸收)的无功功率,来提高(或降低)系统电压,进而增加(或减少)负荷吸收的有功功率,从而实现对功率振荡的抑制.因此,应优先考虑装设在电压支撑能力较弱的输电通道的中间和受端地区.按照这一原则,初步的装设地点定在益都站、潍坊站、崂山站和莱阳站主变第三绕组35kV母线上.按照主变最多1?3容量留给低压无功补偿使用,不考虑主变过载,上述4个站点STATCOM的容量均设计为±200Mvar.
基于建立的STATCOM动稳态自定义模型,采用PSASP对山东电网各STATCOM装设方案进行了仿真,以考察它们对系统动稳态电压的调节作用.分析
中,T
m和T
R
分别取为0.02s和0.01s,K
R
取为100.
系统基准容量为100MVA.发电机采用E
d
″,Eq′和Eq″电势变化模型,考虑了发电机励磁系统、原动机调速系统和PSS的作用;负荷采用35%恒阻抗+65%感应电动机综合模型.
3.1潮流计算
表1给出了潍坊地区(即益都和潍坊500kV变电站供电范围)所属负荷(27.15+j11.44p.u.)变化时,益都站STATCOM的稳态特性,其中K取值为250.不同运行方式下,负荷有功和无功功率均同比例变化.采用牛顿法计算潮流,收敛误差取为10-4p.u..
由表1可见,当潍坊地区负荷在5%以内变化时,STATCOM能够维持益都站500kV母线电压为给定值;负荷变化量大于10%时,STATCOM输出已达到限值,不能维持益都站500kV母线电压不变.
表1STATCOM的稳态特性
Table1Steady statecharacteristicofSTATCOM
运行方式注入功率(p.u.)被控母线电压(p.u.)
①基本负荷—1.0297
②负荷增加5%1.30471.0297
③负荷增加10%2.25901.0281
④负荷减少5%-1.19451.0297
⑤负荷减少10%-2.02061.0307
由式和可知,除I
max
和I
min
取决于自身容量外,放大倍数K的大小直接影响潮流计算进程.无STATCOM时,潮流迭代次数为4.当K取不同值时,不同运行方式下,潮流迭代的次数如图5所示.当K从较小值增加时,迭代次数明显减少;当K在200~350之间变化时,迭代次数变化不大,可以获得较为理想的收敛特性;当K继续增加时,方式④的迭代次数明显增加.
图5迭代次数的比较
Fig.5Comparisonofiterationnumber
3.2动态调压仿真
3.2.1短路故障
1.0s时淄川—益都500kV一回线路淄川侧发生三相短路,0.08s后线路两侧开关跳开,不装设和装设STATCOM两种情况下,益都站220kV和500kV母线电压分别如图6(a)和(b)所示.STATCOM对短路故障的动态响应如图7所示.
图6短路故障对母线电压的影响
Fig.6Influenceofshort circuitfaultonbusvoltages
第5期叶华,等:STATCOM自定义建模及动稳态调压分析3
图7STATCOM对短路故障的动态响应
Fig.7STATCOMdynamicresponsetoshort circuitfault
从图6和图7中可以看出,在故障后母线电压跌落期间,STATCOM根据益都站500kV母线电压测量值和给定值之间的偏差迅速地向系统注入无功功率来提高母线电压.故障后约20ms,装置输出的无功电流到达额定值.故障清除后,母线电压迅速开始恢复.恢复过程中,由于STATCOM可以吸收无功功率,母线电压的超调较小.
类似地,当淄博—潍坊500kV线路淄博侧、潍坊—崂山500kV线路潍坊侧、潍坊—莱阳500kV线路潍坊侧分别发生三相短路故障,与不装设STAT COM相比,在潍坊、崂山和莱阳站分别装设STAT COM后,故障期间各变电站220kV和500kV母线的最低电压(提高)以及故障清除后的最高电压(降低)、稳态电压(提高)的变化量如表2所示.变化量幅值越大,表明效果越明显.
表2各装设方案短路故障引起的母线电压变化量
Table2Variationofbusvoltagesduetoshort circuitfaultfor
eachinstallationscheme
站名最低电压(p.u.)
220kV500kV
最高电压(p.u.)
220kV500kV
稳态电压(p.u.)
220kV500kV
益都0.01860.00480.03040.01560.00650.0028潍坊0.02240.00550.03400.01400.00670.0021崂山0.01650.00750.03020.02010.00570.0034莱阳0.02490.01080.03420.02340.01180.0072
由表2可知,4个装设地点相比较,莱阳站的装设效果较好,这是由于该变电站在电气距离上更加靠近受端负荷地区.
3.2.2负荷突变
1.0s时,与益都站220kV母线相连的青州、弥南、宝都、贾庄等7个变电站负荷(12.15+j5.11p.u.)突增10%,20s时负荷恢复到初始值,在不装设和装设STATCOM两种情况下,益都站220kV和500kV母线电压分别如图8(a)和(b)所示.STATCOM对负荷突变的动态响应如图9所示.
图8负荷突变对母线电压的影响
Fig.8Influenceofimpactloadonbusvoltages
图9STATCO对负荷突变的动态响应
Fig.9STATCOMdynamicresponsetoimpactload
从图8和图9中可以看出,STATCOM不仅可以迅速强补无功,抑制电压跌落,而且能够在后续暂态过程中提供无功支持,促进电压恢复.
t=20s时,负荷恢复到初始值,此时益都站220kV和500kV母线电压低于它们各自的初始值,由于负荷低压释放现象,负荷吸收的无功功率均低于它们的初始值,这使得益都站母线电压在t=20.15s左右大于各自的初始值.此后,负荷吸收的无功功率大于它们的初始值,于是益都站220kV和500kV母线电压在达到峰值以后开始降低.在经过多次波动之后,益都站220kV和500kV母线电压恢复到初始值.在负荷恢复过程中,由于STATCOM可以吸收无功,可显著地减小电压超调.
为了考察不同装设方案下STATCOM的效果,将与潍坊站220kV母线相连的昌邑、唐田和寒亭变电站负荷(4.6+j1.98p.u.)、与崂山站220kV母线相连的平度、即墨、旺屯等7个变电站负荷(13.70+j4.85p.u.)、与莱阳站220kV母线相连的海发、桃村和古柳变电站负荷(2.75+j1.31p.u.)分别突增25%,10%和40%,以获得大致相等的负荷突变量.其中,为了尽量减小青岛电厂机组无功出力对崂山
4山东大学学报(工学版)第37卷
站STATCOM的影响,与崂山站220kV母线和青岛电厂220kV母线均相连的水清沟和李山两个变电站负荷没有突增.通过仿真,得到与不装设STAT COM相比,负荷突增后变电站220kV和500kV母线最低电压和稳态电压(提高)以及负荷恢复后最高电压(降低)的变化量如表3所示.变化量幅值越大,表明STATCOM作用越明显.
表3各装设方案负荷突变引起的母线电压变化量
Table3Variationofbusvoltagesduetoimpactloadfor
eachinstallationscheme
站名最低电压(p.u.)
220kV500kV
稳态电压(p.u.)
220kV500kV
最高电压(p.u.)
220kV500kV
益都0.00630.00290.00270.00090.00330.0018潍坊0.00690.00280.00300.00100.00350.0015崂山0.00790.00470.00350.00180.00430.0027莱阳0.00850.00460.00520.00270.00320.0021
由表3中可知,莱阳站STATCOM的无功强补、抑制电压跌落以及促进电压恢复的效果最好,负荷突增后莱阳站220kV和500kV母线最低电压和稳态电压均较高,崂山站STATCOM对减小负荷恢复后母线电压超调效果最好.
4结论
建立了STATCOM基于功率注入法的稳态模型和基于受控电流源的动态模型,并利用电力系统分析软件提供的用户自定义功能实现了这些模型.基于建立的模型,对山东电网各可能的STATCOM装设方案进行了动稳态调压研究.仿真结果表明,所建立的模型简单有效,STATCOM可以起到较好的动态电压支撑、强补无功和抑制电压跌落的综合效果.
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(编辑:许力琴)
第5期叶华,等:STATCOM自定义建模及动稳态调压分析5。