SVC 预防电压失稳的快速控制方法

任旭超，万秋兰

(东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096)

电压稳定问题是电力系统安全运行的关键问题，一直以来受到研究人员的关注。柔性交流输电系统（FACTS）以其快速灵活的控制特性，有效提高了系统的安全稳定性[1]，其中静止无功补偿器（SVC）可以快速补偿系统的无功功率，对系统电压稳定性起到了良好的改善作用[2，3]。电压稳定性和系统中的无功储备容量有很大关系，SVC的无功储备正起到越来越重要的作用。然而，部分电压失稳的情况下，即便SVC的无功容量是足够的，但由于其响应系统无功需求的速度不够快，可能无法将电压失稳的趋势拉回，最终仍然出现电压失稳的情况。

1 SVC 控制系统模型

SVC 通常用于控制系统节点电压，在这种工作模式下，其控制系统框图[4]如图1 所示。其中，Vref为人为设定的节点参考电压，Vrms为测量得到的节点电压有效值，PI 控制器中主要参数为比例系数KP和积分系数KI。

图1 SVC 控制系统结构框图

控制系统通过Vref和Vrms的对比得到电压偏差值ΔV，ΔV 通过PI 控制器和限幅环节得到可用于补偿电压偏差量的电纳参考值Bref，再经过TCR/TSC 电纳分配器计算TCR 和TSC 应有的电纳值BTCR，BTCS，从而可以算出与BTCR对应的TCR 触发角和与BTCS对应的TSC 投入数量，将这一结果通过触发环节即可作用于SVC 装置，以控制SVC 输入系统的无功功率，进而控制SVC 所安装节点的电压[2-4]。

2 SVC 预防电压失稳的快速控制方法

2.1 无功投入速度对电压稳定的影响

在电压濒临失稳时，系统中无功储备的响应速度对电压稳定性的发展趋势有一定的影响。下面以一组仿真算例进行说明。

仿真在图2 所示的3 机10 节点系统中进行，B10的负荷由50%的感应电动机负荷和50%的恒阻抗负荷组成，电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC为仿真所用的平台。

图2 3 机10 节点系统

仿真时序如下：

0—30 s时，系统处于稳态；

30—31.5 s时，节点B10的电动机负荷线性增加至稳态时的1.48 倍；

31.5—31.6 s时，节点B10的电动机负荷维持在稳态值的1.48 倍，维持重载的状况；

31.6s时，切除部分电动机负荷，使节点B10的电动机负荷减少至稳态值的1.19 倍；

60s时，仿真结束。

仿真结果表明，在这种运行条件下，系统最终会电压失稳。为阻止电压失稳的发生，在负荷增长后某一时刻，在节点B6 和节点B9 同时投入80 Mvar的固定电容器，通过改变电容器的投入时间来观察无功投入速度对电压稳定性的影响。多组仿真实验结果表明，固定电容器投入速度越快，越利于改善电压稳定性。由于各节点电压轨迹类似，下面以系统侧节点B6 和负荷侧节点B9的电压曲线进行说明，仿真曲线如图3 所示。

图3 不同工况下节点电压曲线

由图3 可见，虽然在30.78 s 和30.79 s 投入的固定电容相同，且2 种情况无功投入时间仅相差0.01 s，但结果却相差很大，前者阻止了电压失稳，而后者虽然在一定程度上延缓了电压下降的速度，但还是出现了电压失稳的情况。总之，在濒临电压失稳时，无功储备的投入速度在一定程度上决定了系统的电压稳定性，无功投入速度越快，越有利于阻止电压失稳。

2.2 SVC 预防电压失稳的快速控制方法

若系统中安装SVC，由上一节的结论可知，在系统濒临电压失稳时，SVC 无功输出的响应速度越快，越有利于防止失稳。在SVC的控制系统中，决定其响应速度的主要是图1 中的PI 控制器，而PI 控制器的特性决定于比例系数KP和积分系数KI。理论上只要在检测出电压有失稳趋势时调整KP和KI的值即可使SVC的响应速度变快，其中KP的值更是直接决定了调节速度。然而，在实际的工程应用中，SVC的控制系统通常是封装的，KP和KI是经过多次试验后整定的一组参数，已经有较好的响应特性和适应性，在实际运行过程中并不常调整。虽然KP越大，调节速度越快，但过大的比例会使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定，在动态过程中整定得到响应特性满足要求的PI 参数是有一定难度的。因此，在检测出电压失稳趋势时，通过调整SVC 内部PI 控制器预防失稳在实际系统中并不适用。

通过观察图1 中SVC的控制系统，可见SVC 输出的无功主要决定于电纳参考值Bref，其通过PI 控制器求得，与PI 控制参数有很大关系，这与前文的理论一致。另外可以发现，Bref还受PI 控制器输入ΔV的影响，在PI 控制器参数不变的情况下，ΔV 越大，为快速补偿无功缺额，实现电压的无差调节，经过PI 控制器得到的Bref也会越大，相当于加快了SVC的响应速度。因此，在检测出电压失稳趋势时，若能按照一定的规则改变ΔV，即可以改变SVC 投入无功的速度，从而避免电压失稳的发生，这就是本文所提方法的基本思路。

ΔV的数值可以在SVC 控制系统外部，通过改变Vref进行调整，这在实际系统中是很容易实现的。使用的方法是在检测出电压濒临失稳时，调整Vref使ΔV 达到正常数值的2 倍，即：

式（1）中：Vref0为稳态时的电压参考值。

为监测电压稳定性，可采用电压失稳预测指标VIP[5]，其数值可表示为IVIP，计算公式为：

式（2）中：Zth为所观测节点戴维南等值阻抗；ZL为节点负荷等值阻抗。

VIP 指标反映所观测节点的电压稳定性，在电压稳定的情况下，IVIP的范围为0～1，数值越接近1，电压稳定性越差，当IVIP为1时，则表示电压处于临界稳定状态。因此，通过实时监测VIP 指标启动SVC 快速控制的条件可以规定为，VIP 指标大于某一阈值，且本时刻VIP 指标比上一时刻大，即：

式（3）中：下标i为当前时刻，i-1为上一时刻，IVIPth为VIP 指标阈值，多次实验结果表明，该阈值定位0.85 比较合理。

提出的SVC 预防电压失稳的快速控制方法基于以上思想，其基本控制过程是通过实时跟踪各节点戴维南等值参数，计算与其对应的VIP 指标，当任意一个节点的VIP 指标满足快速控制的启动条件时，即认为系统有电压失稳趋势，此时选择需进行控制的SVC，并按照式（1）中Vref数值的调整规则对此SVC 加以控制，以达到预防电压失稳的目的。选定被控SVC的原则为，SVC 与报警节点的电气距离最小，从而可以为报警节点提供足够的无功支撑。SVC 预防电压失稳的快速控制方法流程图如图4 所示。

此处跟踪戴维南参数的方法为基于偏差校正的在线跟踪算法[6，7]，此方法跟踪速度快、准确度高，且仅使用本地量测数据计算戴维南参数，很适用于对VIP 指标的实时监测。

图4 SVC 预防电压失稳的快速控制方法流程图

3 仿真结果及分析

利用了PSCAD/EMTDC 和MATLAB的联合仿真[8，9]对SVC 预防电压失稳快速控制方法进行研究，充分利用了MATLAB 编程方便的优点和PSCAD/EMTDC 在电力系统电磁暂态仿真中的权威性，以确保仿真结果的可信性和有效性。

算例仿真在图2 所示的3 机10 节点系统中进行，在系统中安装2 台SVC，分别为节点B6的SVC1 和节点B9的SVC2，2 台SVC 容量均为80Mvar。系统施加的扰动与2.1 中的相同，当2 台SVC 不采用预防电压失稳快速控制方法时，会出现电压失稳的状况。当采用快速控制方法时，2 台SVC的快速控制动作时序如表1所示。考虑控制延时，在节点报警后0.005 s 启动SVC 快速控制。将SVC 采用常规控制和采用快速控制的情况进行对比，如图5 和图6 所示。其中考虑到各节点电压变化情况类似，仅观察较有代表性的系统侧节点B6 和负荷侧节点B9。

表1 2 台SVC 快速控制启动时序

图5 SVC 进行快速控制和采用常规控制电压曲线对比

图6 SVC 进行快速控制和采用常规控制无功输出对比

由图5 可见，提出的SVC 预防电压失稳的快速控制方法在电压濒临失稳时有效阻止了电压失稳的发生，提高了系统的电压稳定性。由图6 可见，采用快速控制方法时，在检测出电压失稳趋势时SVC 输出无功的速度会明显加快，为系统提供了快速的无功支持，从而有效预防了电压失稳的发生。

4 结束语

考虑到在系统电压濒临失稳时无功储备投入速度对电压稳定性有较大影响，提出了SVC 预防电压失稳的快速控制方法。该方法以VIP 指标数值越限为启动条件，按照一定规则提升SVC 控制系统电压参考值Vref来加快SVC的无功输出速度，从而预防电压失稳。本文用PSCAD/EMTDC 和MATLAB 联合仿真的算例，验证了该方法在提升系统电压稳定性上的有效性。所提方法原理简单，易于实现，有良好的控制效果，在实际电力系统中，可使用PMU 数据实时跟踪节点VIP指标，从而实现SVC 快速控制，实用性强。更重要的是，该方法仅仅针对SVC 控制系统外部数据进行控制，不需要改变SVC 原有的系统结构和参数，非常适合在实际系统中应用，有较好的发展前景。

[1]孙元章，刘前进.FACTS 控制技术综述——模型、目标与策略[J].电力系统自动化，1999，23(6)：1-7.

[2]王云洁，胡 弢.SVC 电压稳定控制和抑制低频振荡交互影响研究[J].江苏电机工程，2013，32(1)：23-25.

[3]王玉荣，万秋兰，陈 昊.基于模糊聚类和学习自动机的多目标无功优化[J].电网技术，2012，36(7)：224-230.

[4]盘宏斌，罗 安，涂春鸣，等.蚁群优化PI 控制器在静止无功补偿器电压控制中的应用[J].电网技术，2008，32(18)：41-46.

[5]赵金利，余贻鑫，ZHANG P.基于本地相量测量的电压失稳指标工作条件分析[J].电力系统自动化，2006，30(24)：1-4.

[6]CORSI S,TARANTO G N.A Real-time Voltage Instability Identification Algorithm Based on Local Phasor Measurements[J].Power Systems,IEEE Transactions on，2008，23(3)：1271-1279.

[7]牟善科，丁 涛，顾 伟，等.基于偏差校正的戴维南等值参数在线跟踪改进算法[J].电力系统保护与控制，2011，39(2)：23-28.

[8]杨健维，麦瑞坤，何正友.PSCAD/EMTDC 与Matlab 接口研究[J].电力自动化设备，2007，27(11)：83-87.

[9]邹 宁，方存洋，刘育鑫，等.PSCAD/EMTDC-MATLAB 联合仿真技术在SVC 控制系统仿真建模中的应用[J].江苏电机工程，2012，31(5)：40-44.