基于SVC和PSS的电力系统电压稳定性研究

陈 鑫，李 昂，杨 帆，郭双权

（陕西理工大学 电气工程学院，陕西 汉中723000）

基于SVC和PSS的电力系统电压稳定性研究

陈 鑫，李 昂，杨 帆，郭双权

（陕西理工大学 电气工程学院，陕西 汉中723000）

本文介绍了静止无功补偿器（SVC）和电力系统稳定器（PSS）的基本功能，通过建立典型单机-无穷大系统（SMIB）的仿真模型，研究电力系统在大扰动下静止无功补偿器（SVC）和电力系统稳定器（PSS）对电力系统电压稳定性的影响。仿真结果表明通过PSS和SVC的协调控制能有效地提高电力系统的电压稳定性，为电力系统的运行与暂态稳定研究提供了理论参考。

单机-无穷大系统；电压稳定性；静止无功补偿器；电力系统稳定器；MATLAB仿真

随着电力系统的发展，电压稳定问题变得越来越重要。电压稳定是指在给定的初始运行状态下，电力系统受到扰动后，系统中所有母线维持稳定电压的能力[1]。目前提高电力系统电压稳定性最有效的方法之一是采用柔性交流输电装置。静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）可以从电力网吸收和输送可连续调节的无功功率，以维持电压恒定[2]。利用静止无功补偿装置来改善系统电压质量，提高电力系统的稳定性，已获得较为广泛的应用[3]。

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，其主要任务是进行电压控制、合理分配无功，提高发电机并列运行的稳定性[4]。同步发电机励磁系统是通过调节发电机励磁绕组两端的励磁电压，从而影响发电机的电动势，达到稳定端电压的目的[5]。但励磁的引入使系统出现弱阻尼和负阻尼，导致联络线低频功率振荡，严重威胁着电力系统的安全、稳定运行[6]。目前，电力系统普遍采用在励磁调节器上附加电力系统稳定器（PSS）的附加励磁控制方案，它能有效地增强发电机励磁系统的阻尼，抑制低频振荡的发生，是提高电力系统动态稳定性最经济和最有效的措施[7]。

文中基于MATLAB软件建立了典型单机—无穷大系统模型，通过三相短路故障的仿真分析研究PSS和SVC对提高电力系统稳定性的重要意义。

1 基于SVC和PSS的电力系统建模

电力系统稳定器（PSS）可以有效地阻尼电力系统振荡和提高电网的动态稳定性[8]。PSS的投入使用可以有效地提高发电机和整个电力系统的阻尼能力，抑制低频振荡的发生，减小系统中由负荷波动等引起的联络线的功率波动，加速功率振荡的衰减[9]。

静止无功补偿装置是依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能，可频繁的调节和投切，且其调节器的响应速度已在毫秒以内，甚至达到微毫秒[10]。静止无功补偿（SVC）是一种快速调节的无功电源，可以调整系统电压，提高线路的输送功率[11]。它可以从电网吸收和输送可连续调节的无功功率，有利于系统的无功功率平衡及电压稳定性[12]。在远距离输电系统中，若输电线路的中点装设静止无功补偿器，通过连续的调节，可以维持该点的电压恒定，相当于将该输电线路的输电距离缩短了一半，这样就使得远距离输电系统在小干扰和大干扰下的稳定性均得以改善，同时电压质量也得以提高[13]。

如图1所示的包含SVC的单机—无穷大电力系统模型，同步发电机采用暂态模型（以暂态电压E和暂态电抗X’d表示），静止无功补偿器采用FC+TCR型SVC[14]。

图1 包含SVC的单机-无穷大系统

为简化分析，SVC的动态模型由一阶微分方程来表示。基于励磁控制同步发电机的动态模型和SVC调节器的单机—无穷大系统（SMIB）建模如下[15]：

式中：δ是发电机的功角，棕s是发电机的同步角速度 （棕s=2πf），棕是发电机的相对角速度；H是惯性常数的标幺值，M=2H/棕s，阻尼常数D≥0；Pm是发电机的机械功率 （假设为常量），PE是由发电机输送到无穷大系统母线的功率，X′dΣ=X′d+XT+XL，XdΣ=Xd+XT+ XL，二者的区别在于发电机直轴电抗的不同；T′0是d轴暂态短路时间常量，X1=X′d+XT，X2=XL，uf是励磁电压。BL和BC分别是SVC的电抗器及等值电容的电纳值，BL0是电抗器的初始值、ur是设定的输入电压、Tr为时间常数。

实际中，发电机的暂态电压无法测量，BL-BC也不像有功功率那样便于监测，因此将PE分解为两个部分，即发电机的电磁功率Pe和SVC产生的实际有功功率Psvc，如下所示：

单机—无穷大系统的电压稳定机理是分析多机系统电压稳定性的基础，其结论可以推广到多机系统。

2 电力系统电压稳定性仿真

图2为基于MATLAB所建立的包含SVC的单机—无穷大系统仿真模型。水发电机组由水轮发电机、励磁系统和电力系统稳定器（PSS）组成。负荷采用5 000 MW电阻性负载模型。为了维持故障发生后系统电压稳定，在输电线路中间并联一个400 Mvar静止无功补偿器（SVC）进行补偿。通过Fault Breaker模块设置在t=0.1 s时刻线路首端发生三相短路故障（大扰动），t=0.2 s时刻切除故障。

设发电机的输入机械功率保持恒定。当发电机M1输出功率为1.0（pu.）时，其端电压Vref为0.989 7（pu.），无穷大系统母线电压为1.0（pu.）。

2.1 PSS投入而SVC未投入

t=0.1 s时刻线路首端发生三相短路故障，t=0.2 s时刻切除故障。通过仿真波形（图3）可以观察到，短路发生后发电机转子加速、电压陡降；故障切除后发电机仍然快速失去同步。

2.2 PSS及SVC均投入

系统正常运行时SVC断开，而当其端电压低于参考电压（1.009pu.）时 SVC投入，向系统输入（补偿）无功功率以保持系统电压水平。

图2 包含SVC的单机-无穷大系统仿真模型

图3 SVC未投入时三相短路故障的影响（故障在t=0.1 s开始，在t=0.2 s切除）

仍设置t=0.1 s时刻线路首端发生三相短路故障，t=0.2 s时刻发生切除故障。通过仿真波形（图4）可以观察到，短路发生后发电机转子加速、电压陡降；故障切除后发电机仍然保持同步运行。

图4 SVC投入时三相短路故障的影响（故障在t=0.1 s开始，在t=0.2 s切除）

3 结 论

文中在建立典型单机—无穷大系统模型的基础上，通过三相短路故障的仿真分析研究了PSS和SVC对电力系统电压稳定性的影响。静止无功补偿器（SVC）能够显著降低电网的有功损耗、提高电压稳定极限，通过本设计的仿真分析表明SVC与PSS协调控制可以有效地提高大干扰下电力系统的电压稳定性，为电力系统的运行与安全稳定分析提供了理论参考。

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Research of power systems voltage stability based on PSS and SVC

CHEN Xin，LI Ang，YANG Fan，GUO Shuang-quan
（School of Electrical Engineering，Shaanxi SCI-TECH University，Hanzhong 723000，China）

This paper introduces the basic function of Static Var Compensator （SVC）and Power System Stabilizer（PSS）.Through established a typical single machine infinite bus（SMIB）power system model to study the influences of SVC and PSS on voltage stability with large disturbance.From simulation results，we have shown that coordinated control of SVC and additional excitation control （PSS）can be effectively used to enhance the voltage stability after the occurrence of a large disturbance.The obtained results of the proposed method offer a reference for the research of power system operation and transient stability analysis.

single machine infinite bus power system；voltage stability；static Var compensator；power system stabilizer；MATLAB simulation

TN349

A

1674-6236（2017）09-0018-04

2016-06-13稿件编号：201606099

电力设备电气绝缘国家重点实验室开放课题项目（EIPE16211）；陕西省教育厅专项科研计划项目（15JK1125）；陕西理工学院研究生创新基金资助项目（SLGYCX1638）

陈 鑫（1992—），男，河南栾川人，硕士研究生。研究方向：电力系统及其自动化。