基于ADPSS仿真平台的220 kV变电站静止无功补偿装置的建模及动态特性研究

(国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福建 福州 350007)

静止无功补偿装置(Static Var Compensator,SVC)是并联连接的静止无功功率发生器或吸收器,其输出是随电力系统电压变化而变化的[1]。它既可以向电网发出无功功率,也可以从电网吸收无功功率,是一种电网动态无功调节装置。SVC被广泛应用于电压控制、无功补偿、谐波抑制、暂态稳定和电压稳定等。文献[2-3]系统地阐述了SVC在柔性交流输电中的应用。文献[4]从不同角度全面地介绍了SVC对电力系统性能的改善。文献[5]提出了一种新颖的SVC潮流模型,在考虑了SVC的运行极限以及发电机无功出力极限的情况下,利用最小奇异值及条件数指标研究 SVC对静态电压稳定性的影响。文献[6]通过改变测试系统的某些关键参数和SVC控制器的参数,深入研究了与SVC相连接的发电机组的次同步振荡特性。

随着SVC 在电力系统中的应用越来越多,其控制器的设计也成为了研究热点[7-8]。文献[7]在研究SVC应用于多个电能质量目标控制的基础上,提出了一种由功率因数闭环—负序电流补偿前馈控制支路和SVC安装点电压闭环—负序电流补偿前馈控制支路组成的多目标统一控制器。文献[8]针对反馈线性化非线性SVC控制由于数学模型的误差而影响控制器性能的问题,提出了一种非线性状态PI型SVC控制器,能同时改善系统的动态稳定性和安装点电压的动态特性。

目前从工程应用角度进行SVC建模及其动态特性对电力系统电压无功影响的研究较少,大多进行的是理论及控制策略研究。本文基于全数字实时仿真平台,进行了220 kV变电站静止无功补偿装置的建模及动态特性研究。

1 静止无功补偿器的作用

静止无功补偿器主要划分为两种类型,即晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capactor,TSC)和晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor,TCR)。TSC电容的投切是靠两个晶闸管正反并联的开关完成的。其中,晶闸管只有两个状态——导通和断开。晶闸管代替普通有接点的开关的优点是:投切的过程没有冲击电流及过电压,电容器的接入是在晶闸管两端电压过零瞬间完成的,而电容器的切断是在晶闸管电流过零时完成的,这样电容器可以频繁投切;在电容器回路中还串有一电抗,既可限制放电电流,又能防止容量器产生某些次谐波谐振。TCR是由一个可控的电抗器与电容器并联组成的,晶闸管控制电抗器的电流,当系统电压降低,需要发出无功时,TCR使电抗电流减小;系统电压升高,需要吸收无功时,TCR使电抗电流增大,而TCR本身会产生谐波,所以往往用滤波器代替部分并联电容,也可用TSC。SVC向系统注入的无功功率为

(1)

式中:QC——电容器发出无功;

QL——电抗器吸收无功;

ω——角频率;

C——电容器电容;

L——电抗器电感;

U——SVC的电压;

α——电压与电流的角度差。

由式(1)可知,当α∈[π/2,π]时,SVC向系统注入的无功功率可以连续平滑的调节。为了扩大SVC的调节范围,根据补偿容量的需要,一个SVC中可以采用多个TSC支路。以贵峰变电站为例,该变电站的SVC有3组TSC,当3组电容器都投入时,式(1)中的C即为C1+C2+C3。由式(1)可以看出,SVC的等值电抗为

(2)

2 典型220 kV变电站SVC运行方式及控制策略

贵峰变电站为一典型的220 kV变电站,安装有2台同容量的主变压器,单台主变压器的容量为180 MW。各电压等级母线的运行方式:220 kV母线为双母线并列运行;110 kV母线为双母线并列运行;10 kV母线正常情况下为单母分段分列运行。贵峰变电站系统模型如图1所示。

图1 贵峰变电站系统模型

SVC装置由1组容量为30 MW相控电抗器,1组容量为20 MW晶闸管投切电容器,1组容量为5 MW的5次滤波支路构成。SVC接于220 kV变电站贵峰主变压器的10 kV母线上,TCR和TSC及5次滤波支路共用一个断路器,TCR和TSC均采用三角形接线方式,滤波器采用星形接线方式。滤波电容器提供固定的容性无功QC,TSC支路电容器提供容性无功QTSC,TCR支路补偿电抗器通过的电流大小决定了补偿电抗器输出感性无功QTCR的大小,感性无功和容性无功相抵消,只要做到系统无功QN=QV(系统所需)-QC-QTSC+QTCR=常数,则能实现电网功率因数=常数。要使得电压波动很小,关键在于准确控制晶闸管的触发角,从而控制补偿电抗器的电流,并且根据系统无功的需求控制TSC支路的投切。为了实现这一功能,需将晶闸管变流装置和控制系统采集母线的无功电流值和电压值合成无功值,与所设定的恒无功值进行比较,选择是否投切TSC支路,计算触发角大小,通过晶闸管触发装置以控制晶闸管的电流。

贵峰变电站SVC的系统运行方式有以下5种:TCR+TSC+FC;TCR+TSC;FC;FC+TCR;FC+TSC。具体如表1所示。

表1 贵峰变电站SVC运行方式

SVC的正常运行方式如下:TCR支路及所有支路都投入运行,SVC监控系统根据220 kV母线电压及无功的变化情况自动进行控制调节,以保证220 kV侧电压稳定运行。SVC输出的动态无功容量为+25 MW(容性)～-30 MW(感性)。SVC的正常投入顺序如下:首先,SVC监控系统自动投入2组3次滤波支路,再投入TCR支路,自动解闭锁;然后,依次投入2组5次、2组7次滤波支路。SVC的正常退出顺序如下:SVC监控系统顺序退出2组7次滤波支路、2组5次滤波支路、2组3次滤波支路,闭锁TCR并退出。

SVC控制策略如下。

(1) 在系统稳态运行时,由变电站内电压无功控制装置(Voltage Quality Control,VQC)控制SVC输出无功,由远方命令(或手动)投切相关支路,实现无功调节范围为0～30 MW。

(2) 在系统暂态情况下,取贵峰变电站220 kV母线电压作为控制量,实现SVC对冲击负荷、电网故障的快速反应和扰动后的振荡抑制作用。TSC支路实现SVC在暂态条件下的强补功能,20 MW的TSC容量全部投入补偿。

3 基于ADPSS仿真平台的典型220 kV变电站SVC建模

3.1 ADPSS仿真平台简介

全数字实时仿真系统(Advanced Digital Power System Simulator,ADPSS)是中国电力科学研究院开发的全数字实时仿真装置。该仿真装置基于高性能机群服务器,采用网络并行计算技术,可实现大规模交直流电力系统的机电暂态实时仿真和机电与电磁暂态混合实时仿真,也可外接物理装置试验。该平台由软件和硬件两部分组成。软件部分由机电暂态仿真模块、电磁暂态仿真模块、机电—电磁暂态混合仿真模块组成。硬件部分主要由终端工作站、仿真机群、通信系统、功率放大器及物理接口组成。

3.2 典型220 kV的贵峰变电站及SVC电磁暂态建模过程

贵峰变电站模型由三相三绕组普通变压器、母线、三相串联RLC、三相时控开关、三相接地点元件5种元件模型组合而成,其中,三相串联RLC元件与三相接地点元件组合用来模拟负荷模型。

贵峰变电站的建模过程如下。

(1) 建立变压器元件模型。在ADPSS的图形编辑环境下(下同),从“电力系统元件”库(下同)中的“交流线路和变压器”子库中选择“三相三绕组普通变压器”,拖入编辑窗口,双击该变压器元件,进入参数编辑状态,点击“输入参数页”,设置变压器“额定运行频率”“基准容量”等参数;点击“绕组1,2参数”,输入变压器绕组1和绕组2的“额定容量”“额定线电压”等参数,分别点击“绕组3参数”“抽头信息”“输出参数页”,并分别输入相应的参数,完成变压器建模。

(2) 建立母线模型。从 “节点”子库中选择“母线”,拖入编辑窗口,点击该“母线”元件,进入母线参数编辑状态,点击“输入参数页”,输入母线基准电压和基准频率等参数,点击“输出参数页”选择需要的输出量,如A,B,C三相电压值等,完成母线建模。

(3) 建立三相串联RLC模型。从“RLC元件”子库中选择“三相串联RLC”,拖入编辑窗口,点击该元件,进入元件参数的编辑状态,分别选择“输入参数页”“潮流参数”“输出参数页”,并输入相应的参数,完成三相串联RLC元件建模。

(4) 建立三相时控开关模型。从“开关及故障元件”子库中选择“三相时控开关”,拖入编辑窗口,点击该元件,进入元件参数的编辑状态,分别选择“输入参数页”“开关动作”“输出参数页”,并输入相应的参数,完成三相时控开关元件建模。

(5) 建立三相接地点元件模型。从“节点”子库中选择“三相接地点”,拖入编辑窗口,点击该元件,进入元件参数的编辑状态,输入相应参数,完成三相时控开关建模。三相串联RLC元件与三相接地点元件相结合构成负荷模型。

(6) 连接前面步骤所建立的各元件模型。

(7) 建立“仿真参数元件”和“潮流输入”。从“仿真设置和接口”子库中选择仿真参数元件拖入编辑窗口,输入相应的参数,即仿真步长、输出步长、仿真总时间、积分方法等,完成仿真参数元件的建立;从仿真设置和接口子库中选择潮流输入拖入编辑窗口,输入相应的参数,即节点名称、基准电压等,完成潮流输入的建立。

基于上述步骤,构建了如图2所示的贵峰变电站仿真模型。

图2 贵峰变电站的电磁暂态仿真模型

SVC的电磁暂态模型主要包括两部分,一是SVC主电路模型,二是SVC控制器模型。SVC主电路模型主要由晶闸管、一转三节点(用于三相转成单相)、三相串联RLC元件、三相时控开关、母线、三相接地节点、单相串联RLC元件、单相电阻元件、单相时控开关、单相接地点、单相电气节点(单相母线)等组成。建立SVC控制器模型需要选用控制器类型,本模型选择1型。

SVC建模过程如下。

(1) SVC主电路的建模。一是建立晶闸管元件模型,从“电力系统元件”库中的“电力电子元件和直流线”子库中选择“晶闸管”,拖入编辑窗口,双击该元件,进入参数编辑状态,点击“输入参数页”,设置晶闸管元件的“基准容量”“基准电压”“导通电阻”“正向击穿电压”“反向击穿电压”等参数,完成晶闸管元件建模。二是建立“一转三节点”元件模型,从“电力系统元件”库中的“节点”子库中选择“一转三”,拖入编辑窗口,双击该元件,进入参数编辑状态,点击“输入参数页”,设置“母线名称”“基准电压”“基准频率”等参数。点击“输出参数页”,设置输出量,如A相、B相、C相电压等,完成一转三节点元件建模。三是采用与贵峰变电站建模过程中类似的方法完成三相串联RLC元件、三相时控开关、母线和三相接地节点的模型构建。四是采用与三相串联RLC元件、三相时控开关、三相接地点、母线的建模方法类似的方法完成单相串联RLC元件和单相电阻、单相时控开关、单相接地点、单相电气节点的模型构建。五是完成各元件模型建立后,再将各元件分别进行连接。

(2) SVC控制器的建模。从“电力系统元件”库中的“电力电子元件和直流线”子库中选择“1型SVC控制器”,拖入编辑窗口,双击该元件,进入参数编辑状态,依次点击 “输入参数页”“SVC装设地点”“测量单元”“电压调节单元”“分配单元”“触发单元参数”“输出参数页”,进行相关参数的设置,完成SVC控制器的建模。

现对所构建的如图2所示的贵峰变电站及SVC模型进行进一步的说明。如图2所示,贵峰变电站高压侧和中压侧母线各有一个负荷,该负荷是用三相串联RLC元件和三相接地点元件来模拟。2台变压器低压侧各有两段母线。1台变压器低压侧2条母线各带有2个负荷,每个负荷均通过三相时控开关、母线、三相串联RLC元件及三相接地点元件来模拟,SVC装设在该主变压器低压侧的其中一条母线上,通过设置公共节点与SVC模型关联。另一台变压器低压侧2条母线各带有3个负荷,每个负荷也通过三相时控开关、母线、三相串联RLC元件及三相接地点元件来模拟。贵峰变电站高压侧通过2条220 kV线路与电网的泉州变电站和玉叶变电站相联。这两条线路用“三相π型集中参数线路”元件来模拟。

4 算例分析

4.1 暂态电压计算分析

SVC控制调节策略的主要功能是:对电力系统故障以及负荷扰动的暂态稳定控制进行仿真分析,研究SVC对暂态电压的调控作用。针对电网典型运行方式,采用2种扰动方式。扰动方式1为:在典型运行方式下设置贵峰变电站220 kV出线贵峰—泉州线路贵峰侧发生三相短路故障,在2 s时发生三相短路故障,0.12 s时切除短路故障,故障持续时间为0.12 s。扰动方式2为:2 s时在贵峰变电站投入50 MW的感性无功负荷。扰动方式1和扰动方式2的节点电压变化曲线分别如图3和图4所示。

从图3可见,2 s时贵峰变电站220 kV出线贵峰—泉州线路贵峰侧发生三相故障,系统电压迅速降低,经0.12 s故障切除后,电压恢复。比对投SVC与不投SVC两种情况,可以明显看出,投SVC比不投SVC电压恢复得更好,能够提高3%～6%的暂态电压。电压控制效果依次是贵峰10 kV母线>贵峰110 kV母线>贵峰220 kV母线。由此表明,离SVC安装点越近的节点,其电压支撑效果越好;离安装点越远的节点,其电压支撑效果越差。

从图4可见,2 s时在贵峰变电站突然投入50 MW的感性无功负荷,引起贵峰变电站3侧母线电压不同程度地下降。比对投SVC与不投SVC两种情况,可以明显看出,投入SVC可以有效地支撑贵峰变电站的3侧母线电压,抑制电压波动,稳定母线电压,投SVC比不投SVC能够提高2%～5%的暂态电压。电压支撑效果依次是贵峰10 kV母线>贵峰110 kV母线>贵峰220 kV母线。由于投入的感性无功负荷是在10 kV母线上,SVC也安装在10 kV母线上,因此10 kV母线电压波动较大,平息电压波动的效果也较好。220 kV母线与电网间电气阻抗小,其电压被电网牵住,因此贵峰变电站220 kV母线的电压波动较小。图4(b)是在实际运行中贵峰变电站突然投入负荷,SVC投与不投两种情况下,贵峰变电站220 kV母线电压波形与仿真结果电压波形相比具有相似性,表明所建立的SVC模型具有实用性。

综上所述,两种扰动方式下,SVC对贵峰变电站及其附近变电站的电压支撑效果明显,从而验证了SVC对提高系统暂态电压稳定水平和改善电能质量的作用。需要指出的是,由于电网网架结构较紧密,若三相短路故障得到及时切除,则电压均能恢复正常,SVC起到改善电压水平的作用;而且SVC所起的作用与其容量有关,容量越大,作用也越大,反之亦然。

图4 发生扰动方式2时贵峰变电站3侧母线电压曲线

4.2 SVC响应特性计算分析

对上述两种扰动方式进行SVC的响应特性研究。SVC的相关监视变量响应情况见图5和图6。

从图5可知,当电网发生短路故障,导致电网电压急剧下降时,SVC检测到控制母线电压下降后,立即通过调整SVC的触发角来退出TCR支路,投运TSC支路,即退出可控电抗器,投入可投切电容器,SVC由从电网吸收无功功率变成向电网发出无功功率,为电网故障时电压下降提供动态无功电压支撑,以支撑控制母线电压,由此提高电网的稳定性。

从图6可知,当电网突然投入50 MW的感性无功负荷时,由于无功功率不足造成电网电压下降,SVC检测到控制母线电压下降后,通过调整TCR的触发角和投运TSC支路来支撑控制母线电压;由于感性负荷的增加,导致控制点电压有所下降,因此TSC支路在感性负荷增加后一直处于投运状态。

综合上述两种情况可知,本文所建立的贵峰变电站SVC电磁暂态模型正确,能够准确反应SVC的动作响应特性。

图5 扰动方式1时SVC的相关监视变量响应曲线

图6 扰动方式2时SVC的相关监视变量响应曲线

5 结 语

本文基于ADPSS仿真平台,提出了220 kV变电站静止无功补偿装置SVC建模及动态特性的研究方法。结果表明,SVC在电网发生短路故障或电网突然投入50 MW的感性无功负荷造成电压降低时,能够快速调整SVC的触发角来退出TCR支路,投运TSC支路,为电网提供无功功率来提高电压,可提高2%～6%的暂态电压。由此验证了SVC的动态响应特性以及对电力系统无功电压的支撑作用。

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