上海电力 2O14年第3期 应用SVC抑制线路低频振荡的可行性研究 李 洋,陆 云,彭建平 (国网上海市电力公司检修公司,上海 201204) 摘要:目前抑制电力系统低频振荡的主要措施是PSS,但PSS对于联络线上的低频振荡抑制效果不是很理 想,然而有大量文献都提出了采用SVC来抑制联络线上的低频振荡。本文根据SVC抑制低频振荡的原理, 在电力系统仿真软件PSASP中搭建了SVC附加控制模型,在真实电网运行方式中仿真调试,来评估SVC对 低频振荡的抑制效果,为大规模应用提出建议。 关键词:电力系统低频振荡;阻尼特性;静止无功补偿器SVC;附加控制 中图分类号:TM77 文献标志码:B 0 引言 为了实现“西电东送、南北互供、全国联网”的 电网新格局,一大批超高压、大容量、远距离输电 行可行性研究。 1 SVC提高系统阻尼特性的原理 文献 指出,在远距离输电系统的中心并 工程相继开工建设,随之而来也产生了一些新的 问题,比如电力系统低频振荡的问题,当发生低频 振荡时,互联系统的一部分对另一部分摆动,造成 联络线和其他相连电网的大幅度功率波动,所以 互联系统发生大规模低频振荡对系统稳定和安全 运行造成严重的危害。 电力系统稳定器PSS是目前应用最广泛、最 联SVC可以提高系统的阻尼,通过调节SVC的 可变输出B来改变系统的转移电抗,达到提高系 统阻尼的目的。 成熟、最经济的措施来抑制系统的低频振荡[_1 。 对于区域问的低频振荡,做好机组群PSS协调工 作,合理整定参数,会对提高阻尼有很好的效果。 但是电力系统稳定器PSS常装设于发电机励磁 部分,而联络线上的低频振荡很难找到与之相对 应的发电机组。与此同时,随着电力系统的不断 图1单机系统接线图 发展,传统的电力系统稳定器PSS不能针对电力 系统机组振荡模式提供附加阻尼控制,不能实时 提供控制参数,导致PSS的控制效果不是很理 想。 大量的文献 都提出SVC可以提高电力系 统的阻尼特性,改善系统电压稳定性和暂态稳定 图2单机系统接线图的等效电路 文献FIB]详细推理了SVC提高系统阻尼特 性的原理。如图1所示,在单机系统中并联一个 性。但是,绝大多数结论都基于对单机无穷大系 统或4机组两区域的电力系统进行特征值分析, 没有在实际的电网运行方式中验证SVC是否能 SVC,其输出的导纳为jx ,利用电路的y一△变 换,可将并联SVC的单机系统变化为图2的等效 电路。由图可知,未并联SVC时发电机到无穷大 系统的电抗为X +X:,并联SVC后发电机到无 够有效地抑制线路的低频振荡。本文在实际电网 运行方式下,根据SVC阻尼控制理论搭建SVC 附加控制模型,调整控制参数,评估SVC附加阻 尼控制的效果,对应用SVC抑制线路低频振荡进 穷大系统的电抗变为X 根据y一△变换公式可 得其值: 84— 2014年第3期 X1 2一X1+X2 4-XI X2/xB 上海电力 (1) 一此时线路的传输功率为: ‘堕星壁堑 塑) 订妄 sin (2) / _/ 在不考虑调节励磁的情况下,式中的P是功 角 和容抗X 的函数,即式(2)改写为: P一_厂(XB)g( ) (3) 假设给功角和容抗一个变化量,产生一个小 扰动,即 一 。+△ 和X 一X 。4-AX,则传输功 率的偏差量为: AP=f(xB。)g (80)+g( )厂 (XBo)AXB =埘 +nAXB (4) 式中: m一厂(XB。)g ( 。) E U X】+X2+X1 X2/xB。 (5) 一g( )f (XBo) 一 [(X + zX鬻X) X。+ ] X s …… in ㈦ SVC的可变导纳AX 的变化假设由频率的 变化量控制,即: △XB—k△叫一kp△ (7) 引用发电机经典二阶模型,将其改写为小扰 动的形式为: T,P △ +Dp△ + 。△P=0 (8) 式中:P为微分算子d/dt;D为系统的自然阻尼功率 系数; 为待定常数,k>O。 将式(4)和式(7)代入式(8)中得到: T』 △ +(D+ 。nk)pA8+ om△ 一0 (9) 由式(9)可以看出,系统的自然阻尼系数由 D变为了(D+ 。nk),阻尼系数因此增大了,这就 是SVC提高系统阻尼特性的基本原理,其中可变 导纳AX 的变化可引入不同的信号进行控制。 2 SVC附加控制模型搭建 下面采用向量图的方式来阐述附加控制的原 理。 从图3中可以看出,如果SVC仅仅采用基本 的电压控制,SVC的输出导纳AB vc和控制母线 电压△ 基本同相位,SVC只对系统的同步力矩 发生作用,对系统的阻尼力矩几乎不发生作用(从 图中可以看出,只采用电压控制的SVC会产生一 定的负阻尼作用,但作用非常微小,可忽略不计)。 (\ 裴 些!壑 整 AP ,/-AV AO ABs“△y (S监! 些),svc导纳输出引起被 控母线电压的变化 图3 SVC基本电压控制对阻尼力矩的影响 L ,,(里屋挂堑友 ) \篡 ≥ / 酾 B .1 逛型 、 、 嚣 ABs… /— / 母纳输出/ 图4 SVC附加阻尼控制的作用 图4描述了SVC附加阻尼控制的向量图, SVC加入了一个附加阻尼控制,使得SVC的输 出合成向量在△臼一△ 平面0。~9O。之间,这样 SVC不仅发挥了增加同步转矩的作用,也发挥了 增加系统阻尼转矩的作用。 图5是在PSASP程序中搭建的带有附加控 制的SVC UD仿真模型,它由电压调节器和附加 控制部分组成。电压调节是SVC的基本控制模 式,主要是改善电压稳定性和提高系统暂态稳定 性,通过一个测量环节测得线路电压,通过电压调 节模块获取正序电压幅值,然后与参考电压相比 较,电压调节模块通过PID控制将电压比较的差 值转化为等效的电纳值,根据导纳的变化判断 TCR的投切,调制TCR中的感性无功电流达到 控制电压的目的。 附加控制部分主要是为了提高系统阻尼,它 主要由一系列隔直环节和一系列超前滞后环节组 成。隔直环节目的是为消除直流分量或降低测量 85— 上海电力 2014年第3期 Ⅵ(B 啪100 Yrain V B 2). 一 一 图5带有附加控制的SVC UD仿真模型 信号中接近于直流的分量且具有较大的时间常 数。超前滞后环节以满足系统的幅角特性。附加 控制环节通过测量所选择的附加控制信号,通过 ~ 增益环节、隔直环节、超前滞后环节以及高频滤波 环节等产生一个附加控制电压信号V。电压控制 环节在输入电压信号叠加后通过比例环节、积分 环节、微分环节和非线性环节等一系列的控制后 产生一个控制角来控制SVC晶闸管的导通。 3真实电网运行方式中仿真研究 利用电科院PSASP综合程序,基于 2013年夏大运行方式数据包,在基础潮流的条件 图6 2013年皇林断面极限运行情况下的潮流分布 鐾林断 非故障线路功率 下,逐步提高线路的输送容量,反复计算潮流和暂 态稳定,在给定小扰动的情况下直到其失稳,失稳 前线路传输的最大功率则为其静态稳定极限约为 f /、 —— }/ ’ / / 570 MW。图6是2013年皇林断面极限运行情 V 况下的潮流分布情况,此潮流下伊犁地区负荷较 轻,水电大发,导致皇林双线外送较大,在断面极 限运行。 U l 当220 kV皇林线双回线路的一回线路发生 三永故障,0.12 S后切除故障线路,得到皇林断面 图7(a) 未加装SVC附加控制时呈林断面非故障线路功率 非故障线路功率、吉林台侧母线电压和皇宫侧母 线电压的仿真曲线如下图7所示: 期长,投资大而且经济性差。所以用PSASP仿 真时,在皇宫220 kV变电站主变35 kV侧调用 带有附加控制的SVC UD仿真模型(图5),以非 基于我国SVC的生产技术,目前应用的最高 电压等级的SVC是35 kV的。理论研究发现,当 带有附加控制的SVC装设在线路的电气中心时, 附加控制的效果最佳,但是在皇林线中心装设带 有附加控制的SVC必须建35 kV的变电站,才能 故障线路的传输功率作为附加控制的输入信号, 当220 kv皇林双回线路的一回线路发生三永故 障,0.12 S后切除故障线路,得到皇林断面非故障 线路功率、吉林台侧母线电压和皇宫侧母线电压 的仿真曲线如下图8(a)(b)所示。 使用目前最高电压等级的SVC,这样不仅建设周 86一 2014年第3期 上海电力 未加装SVC附加控制的母线电压 十数捌阵xjdw2012・2-洲流作业 2新坚锄p.u) 。 | 广 — ,一 、 /l 图7(b) 未加装SVC附加控制时的母线电压 垒林断面非故障线路功率 r} 一 \/ 、/ ., —/。 厂\ / - 一 V L ——- 一 图8(a) 加装SVC附加控制时皇林断面非故障线路功率 加装SVC附加控制的母线电压 :嚣亲蒜 : 搓 茹 ;: 喜 (口uj 厂 \ b ~ // \ — r k~ V / 图8(b) 加装SVC附加控制时的母线电压 在2013年夏大方式下,通过对皇林双回220 kV线路的一回产生一个三永故障,时域仿真了 不装设SVC附加控制和装设SVC附加控制情况 下的皇宫侧母线电压、吉林台侧的母线电压、全网 最大功角差和非故障线路的功率,SVC的附加控 制效果对比如图9所示。 从图9和图10中看出,三永故障发生后,电 压发生剧烈波动,虽然最后母线电压都能趋于稳 定,但是加装SVC附加控制的系统,母线电压波 动的程度稍弱于不加附加控制的系统,而且趋于 稳定的时间略微有所缩短。 从图l1中可以看出,三永故障发生后,引起 电力系统各机组之间功角相对增大,由于缺乏系 统正阻尼而造成了功角差值增幅振荡性失稳,虽 ~一 — u /\ h、 -1 .!!== 一 , 一 n- 图9三永故障后加装SVC与不加SVC时 皇宫侧母线电压的比较 吉林台侧母线电压 _ [;.— ; = ■ 抛瑚啪 m 图1O三永故障后加装SVC与不加SVC时 吉林台侧母线电压的比较 全网最大功角差 { } ^ { J 厂jk l f … 一一…………j…~ 一…~ r¨ } j 。一、 r’』 : \『 一…一…÷… …一… 图11三永故障后加装SVC与不加SVC时 全网最大功角差的比较 然能够恢复到同步衰减而逐渐稳定,但是装有 SVC附加控制的功角差值衰减的幅度以及到达 稳定的时间比没有装设SVC附加控制的效果略 微有所减小,但是效果不是很明显。 从图12中看出,三永故障发生后,故障线路 的功率全部加载到了非故障线路上,虽然不加 SVC附加控制的系统也能承受三永故障导致的 线路功率波动,但是加装SVC附加控制后,系统 的阻尼比有所提高,线路功率波动的幅度和趋于 87一 啪m 上海电力 2O14年第3期 叶-数据厍xjdw20 2-2・弼流作业:2禾删SVCI ̄'5训  ̄tJPi (p U 数据库xjdw20 2.2-潮流作业j加装SVC附加控制P{ .(Ptl ;一 {r¨ 乒 j 。。。‘ 一 一 V U 12 三水故障后加装SVC与不加SVC时呈林 断面非故障线路功率的比较 稳定的时间没有明显改变。 安装SVC附加控制模型后,再次利用 PSASP综合程序,在基础潮流的条件下,逐步提 高线路的输送容量,反复计算潮流和暂态稳定,在 给定小扰动的情况下直至其失稳,失稳前线路传 输的最大功率则为其静态稳定极限约为580 MW,图13是装设SVC附加控制后皇林断面极 限运行情况下的潮流分布。 13 安装SVC附加控制后皇林断面极限运行 情况下的潮流分布 以上对比表明SVC的附加控制对系统的稳 定性略微有所改善,系统的阻尼比有所提高,但是 效果不是很理想,很小的程度上抑制了皇林线的 低频振荡,仅仅将皇林线的静态稳定极限由570 Mw提高到了580 Mw。 4 结语 在皇宫220 kV变电站主变35 kV侧调用带 有附加控制的SVC UD仿真模型,以非故障线路 的传输功率作为附加控制的输入信号,当220 kV 皇林双回线路的一回线路发生三永故障,0.12 S 88一 后切除故障线路。电压发生剧烈波动,最后母线 电压都能趋于稳定,虽然加装sVc附加控制的系 统,但是母线电压波动的程度稍微弱于不加附加 控制的系统,而且趋于稳定的时间略微所缩短。 电力系统各机组之间功角相对增大,全网最大功 角差虽然能够恢复到同步衰减而逐渐稳定,但是 装有SVC附加控制的功角差值衰减的幅度以及 到达稳定的时间只是微小的得到改善。故障线路 的功率全部加载到了非故障线路上,虽然不加 SVC附加控制的系统也能承受三永故障导致的 线路功率波动,但是加装SVC附加控制后,线路 功率波动的幅度减小,并且缩短了达到稳定的时 间。SVC的附加控制能够提高系统的阻尼特性, 但是效果没有预期的好,仅仅将皇林线的静态稳 定极限提高了1O MW。 造成效果不是特别理想,没有极大地提高抑 制线路低频振荡效果的原因可能如下: 1)本文只考虑了怎么利用SVC的附加控制 来提高系统的阻尼特性,没有考虑SVC的电压控 制作用与附加阻尼控制作用之间的相互关系, SVC的附加控制是否会影响到SVC的基本作 用,导致母线电压的稳定不是很理想。 2)对SVC附加阻尼控制器的参数还没有一 个较好的确定方法,只能通过仿真,不断调试才能 得到近似的数据,在控制参数的优化方面没有一 套合理的标准,还需要解决。 3)对于SVC的安装位置,文献[1 都提出 在系统的电气中心效果最佳,但是结合实际生产 运行情况,SVC没有能力安装在线路,SVC 只能接在主变35 kV侧,这对附加控制的效果有 多大影响,需要进一步研究。 4)在控制信号方面选择断面的输送功率作 为最佳控制信号,但是在系统受到低频振荡时,断 面的功率波动不是很大,导致采集的输入信号不 是很明显。对附加控制的效果也有一定的影响。 所以考虑如何优化附加控制信号或者选择两路控 制信号,这也有待研究。 参考文献: [1]王惠中,邓科,郑伟等.抑制电力系统低频振荡综述_J].工 业仪表与自动化装置,2009,12(1):15-21. [2] 王建平,加玛力汗库马什.SVC附加控制抑制电网低频振荡的 研究[J].山东电力高等专科学校学报,2008,(3):41—43,53. (下转第93页) 2O14年第3期 上海电力 optimization of substation maintenance using deision varing 5环境条件影响 通常情况下,输电线路受气象影响较大。此 外,可能由于恶劣天气,在短时间内导致多种故障 同时产生。 Markov model[J].IEEE Transactions on Power System. Hokstad.The failure intensity process and the ormula— [3] Pertion of reliability and maintenance models.Reliability Engi— neering and System Safety,1997,58(1):69—82. E4] 郭永基.可靠性工程原理[M].北京:清华大学出版社, 2002:5-6. 目前,较多学者采用马尔科夫过程分析恶劣 天气下的元件可靠性。文献_3J一书中就单个元 件,在天气影响时的可靠性估计做了推算。 (22) [5] 黄建,胡晓光,巩玉楠.基于经验模态分解的高压断路器机 械故障诊断方法[J].中国电机工程学报,2011,31(12): 1O8—113. [6] 何剑,程林,孙元章,王鹏.条件相依的输变电设备短期可靠 性模型[J].中国电机工程学报,2009,29(7):39—45. 式中: 为良好天气时元件的故障率, 为恶劣天气下 [7] 国家电网公司.国家电网公司输变电设备风险评价导则 元件的故障率,G 和B 表示良好天气、恶劣天气的持续 [z],2008. [8] 孙羽,,王建学,等.电力系统短期可靠性评估综述 [J].电力系统保护与控制,2O11,39(8):143—153. 时间,上述数学表达且均服从指数分布。当G 一。。,B 一0时, ,即可认为是正常天气时的故障率。 [9] 国家电网公司.电网检修工程预算定额[z],20io. 6 总结 变电站状态检修模型可视为决策的目标函 数,其可视为在设备风险、检修成本和气候影响等 三大约束条件下,取得的一个函数。本文仅建立 关于状态检修的模型,并讨论了三个主要影响状 态检修建模的边界问题,作者将在后续的研究中 对其函数及其约束条件进行仿真计算。 参考文献: [1] 李明,韩学山,杨明,等.电网状态检修概念与理论基础研究 [J].中国电机工程学报,201I,3I(34):43—52. r2] Yang f,Kwan C M,Chang C S.Multi—objective evolutionary ento H G.Algorithm to evaluate substations [10] Vega M,Sarmireliability With cut and path setsIt]//IEEE 2004 industry applications conference,39 IAS annual meeting.Seattle: IEEE,2004:2168-2175. [11] 袁志坚,孙才新,李剑,等.基于模糊多属性群决策的变压器状 态维修策略研究_J].电力系统自动化,2004,28(11):66—69. 作者简介: 姜圣菲(1983),男,工程师,硕士,从事变电运行工作; 楼铁城(1984一),男,大专,助理工程师,从事电力电缆 运维技术管理工作; 张圣甫(1983一),男,硕士,助理工程师,从事电力电缆 运维技术工作。 (上接第88页) [3]刘隽,李兴源,汤广福等.SVC电压控制与阻尼调节间的相 the effectiveness of PSS and SVC in damping of power sys— tem oscillations[C].Electric Power Engineering,1 999. PowerTech Budapest 99.International Conference on, 1 999:103. 互作用机理[J].中国电机工程学报,2008,28(1):12-1 7. [4] 常勇,徐政.SVC广域辅助控制阻尼区域间低频振荡厂J].电 工技术学报,2006,21(12):40—46. [1O]Lak,A.Nazarpour,D.Ghahramani,H.Novel methods with Fuzzy Logic and ANFIS controller based SVC for damping Sub—-Synchronous Resonance and low——frequency [5] 赵辉.电力系统低频振荡阻尼机理及控制策略研究[D].天 津大学,2006. [6]苏健.SVC在电网中的应用及其对电压稳定影响的研究 power oscillation[C].Electrical Engineering(ICEE),2012 20th Iranian Conference on,2010:450—455. [D].贵州大学,2009. r7] N.Kimura,M.Sonoda,K.Nakatani,eta1.Maximum Power Tracking of Wind Power Generation System with In— [11]马幼捷,陈寿孙,张宝霖.SVC非线性控制对改善电力系统 稳定的研究[J].清华大学学报(自然科学版).1994(4). [12]周二专,王宗淦,陈寿孙.静止无功补偿器改善互联电力系 统阻尼研究r-J].电力系统自动化.I987(6). verter Excited Induction Machine[C].Proceedings of 13th European Conference on Power Electronics and Applica tions,2009(10):1—10. 作者简介: [8] A.Petersson,S.I undberg,T.Thiringer.Comparison be— tween Stator—Flux and Grid—F1ux—Oriented Rotor Current 李 洋(1987一),男,硕士,助理工程师,从事变电检修 工作; Control of Doubly—Fed Induction GeneratorsIt].Proceed— ings of 35th Annual IEEE on Power Electronics Specialists Conference,Aachen,Germany,2004:482—486. 陆 云(1983一),男,本科,技师,从事35 kV及以上变 电一次设备检修工作; [9] Chen,J.Milanovic,J.V.Hughes,F.M.Comparison of 彭建平(1968一),男,大专,技师,从事变电检修工作。 93—