基于PSASP的SVG自定义建模及仿真对比研究

于国康，王振宇，余中平，辛超山，余 金，高玉喜

（1. 国网新疆电力有限公司 经济技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2. 国网新疆电力有限公司 昌吉供电公司，新疆 昌吉 831100；3. 南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

随着电力电子技术和计算机技术的发展，以交流柔性输电（FACTS）为代表的新型输电技术为电网的动态无功补偿和综合稳定控制提供了新的方法[1-4]。静止无功发生器（SVG）是柔性交流输电系统的核心装置和核心技术之一，其集合了电力电子、智能控制以及微电子技术的优点，克服了传统无源补偿装置（如并联电容器和调相机）响应速度慢、体积大、谐波和损耗大、多台工作易谐振等缺点。SVG向电网系统提供动态无功支撑，对系统的电压稳定性具有重要的支撑作用[5-8]。

随着SVG在大电网安全稳定方面应用需求的增长，为了分析其对电网安全稳定的影响程度，研究人员对大电网仿真软件中 SVG模型也提出了更高的要求[9-10]。因此，SVG在仿真软件中的模型是否具备易调试性、易观察性、能否准确反映SVG实际动态特性、能否根据不同工程特殊需求灵活调整等，是进行大电网仿真时需要关注的问题。

当前国内广泛应用的机电暂态仿真软件主要包括电力系统综合程序（PSASP）和电力系统分析程序（PSD-BPA），这2个软件中均包含了SVG的控制模型。PSASP软件考虑到了固有模型难以适应多变的情况，向用户开放了用户自定义模型（UD-Model）功能。在此前提下，本文基于PSASP仿真软件，利用自定义建模平台，开发了具有易调试、易观察、可灵活调整的SVG自定义模型，并以 PSCAD/EMTDC中基于实际工程案例的SVG模型为参考进行了对比，研究了SVG自定义模型的动态响应特性。

1 SVG基本原理及控制模型简介

1.1 SVG基本原理

SVG有以电流源型逆变器（current sourced converter，CSC）为核心的，但以电压源型逆变器（voltage sourced converter，VSC）为核心的更常见，SVG基本原理如图1所示。

图1 SVG基本原理图Fig. 1 Basic principle diagram of SVG

SVG输出的电流为：

输出的视在功率为：

理想情况下，认为UI和US相位相同，则SVG输出的无功功率为：

式中：X为SVG与系统间的连接变压器本身的漏抗。

1.2 SVG控制模型

通过研究SVG的机理以及相关的SVG建模资料，SVG在机电暂态仿真中基本电压控制有2种形式，其控制框图分别如图 2、图 3所示。图 2考虑了 SVG与系统间的等值阻抗（简称阻抗型SVG），图3直接经PI环节得到SVG注入电流（简称电流型SVG）。

图2 SVG控制框图1Fig. 2 SVG control block diagram 1

图3 SVG控制框图2Fig. 3 SVG control block diagram 2

控制框图1、2均是通过比较控制点的采样电压与目标电压的差值，再经过积分环节 K/s和反馈环节 KD对电压差值进行处理。两者的区别在于，控制框图1通过引入SVG安装点电压VT以及等效阻抗 XT，参照式（1）形成注入系统的电流信号I；控制框图2将电压差值经积分、反馈环节后直接形成电流信号 I注入系统，避免了等效阻抗XT的参数值选取。

2 SVG自定义建模技术路线

本文选取PSASP开展SVG模型仿真对比工作。与PSCAD/EMTDC所用的SVG模型相比，PSASP自带的SVG模型功能不完善，无法实现电压闭锁、短时过流等功能，且自带模型具有“黑盒子”特征，控制模块固定，只能通过参数反复调试拟合实际情况，不利于模型对比工作的开展。因此考虑通过PSASP的用户自定义模块，搭建具备电压闭锁、短时过流等功能且具备“白盒子”特征（可根据拟合目标的控制模型调整模型结构，达到贴近实际控制模型的目的）的用户自定义SVG模型（UD-SVG）。

2.1 PSASP中SVG固有模型局限性分析

虽然PSASP软件中的SVG模型在一定程度上可以反映实际SVG的特性，但在开展更深层次的研究时，仍然存在一定的局限性，主要表现为：

（1）程序中控制逻辑和控制参数难以与工程现场SVG控制逻辑、控制参数保持一致。

（2）未考虑低压闭锁、过载能力等逻辑。（3）不支持SVG稳态、暂态控制策略执行及切换功能的仿真。

（4）SVG对控制点电压的控制目标值为故障前的稳态值，与实际有区别。

（5）不支持模型控制逻辑的用户自定义修改和中间变量的输出，不利于SVG模型的调试对比。

2.2 SVG自定义建模技术路线

验证仿真软件SVG模型准确性的最直接的方法是将SVG模型仿真结果与现场SVG实际运行情况进行对比，但该方法实际可操作性低，也无法适用于 SVG的前期选址定容等工作。因此比较可行的方法是通过对比SVG模型仿真结果与RTDS动模实验结果，验证仿真软件中 SVG模型的准确性。根据工程实践，目前已在 PSCAD/EMTDC软件中搭建了基于实际工程案例的SVG模型，其仿真结果与RTDS实验及现场测试曲线基本一致。因此本文对SVG模型与PSCAD/EMTDC仿真模型做比较，验证模型的准确性。

自定义建模总体技术路线：

（1）参照PSASP中SVG固有模型的控制框图，搭建与固有模型完全一致的SVG用户自定义模型（UD-SVG）。

（2）通过系统仿真，对比相同参数情况下SVG固有模型与自定义模型的响应，验证PSASP的用户自定义模型功能的适用性。

（3）参照实际的 SVG工程中基于 PSCAD/EMTDC搭建的SVG控制模型，根据实际情况进行合理简化，在PSASP的UD建模平台中搭建对应的控制逻辑框图。

（4）模型搭建过程中，确定各控制框图的输入输出，便于定位响应特性的差异，并调整相应参数。

（5）模型搭建完成后，通过搭建简单电力系统开展PSASP的SVG自定义模型与PSCAD/EMTDC中SVG模型的仿真对比，对SVG自定义模型的效果进行评估。

3 PSASP用户自定义模型功能验证

为了证明UD-SVG模型与PSASP自带SVG模型的兼容性，将UD-SVG模型与PSASP自带SVG模型的仿真进行对比，其中 PSASP程序中STATCOM的模型框图如图4所示。

图4 PSASP程序中SVG固有的模型框图Fig. 4 Inherent model block diagram of SVG in PSASP program

在 PSASP的用户自定义模块中搭建上述SVG控制框图，在不考虑复杂的电压闭锁逻辑和短时过流能力情况下，两者在同一故障情况下的响应基本一致，如图5所示，因此认为UD-SVG模型兼容了PSASP自带SVG模型的基本控制功能。

图5 SVG无功出力曲线对比Fig. 5 Comparison between SVG reactive power output curves

4 基于SVG工程案例的UD-SVG模型搭建

4.1 PSCAD/EMTDC中SVG模型及简化

基于实际工程案例的 PSCAD/EMTDC中的SVG模型如图6所示，其包含电压外环控制、电流内环控制、SVG一次接线方式以及阀组内部拓扑结构等环节。本文利用 SVG自定义建模的“白盒子”特征，参照 PSCAD/EMTDC中的SVG模型控制逻辑，调整SVG自定义模型的各个控制环节，与PSCAD/EMTDC中的SVG模型保持一致。

图6 PSCAD/EMTDC中SVG模型Fig. 6 SVG model in PSCAD/EMTDC

PSCAD/EMTDC中 SVG控制回路的建模主要包括定电压/定无功外环控制模块、主控制模块以及直流侧电容电压平衡控制模块，其中：

（1）定电压/定无功外环控制模块是SVG电压控制的核心环节，主要根据电压或无功目标值调节无功电流目标值，为主控制模块提供无功电流参考值。

（2）直流侧电容电压平衡控制模块根据SVG相单元各H桥直流电容电压当前值，结合控制目标值构成闭环反馈控制，生成直流电容电压平衡控制所需的有功电流，作为主控制的有功电流参考值。

（3）电流内环控制模块综合电流参考值经过PI调解之后形成参考电压信号，与SVG连接点电压检测的反馈信号构成闭环控制，从而实现对SVG实际输出补偿电流的动态调节。

考虑到本次 SVG建模是以解决电网电压稳定问题为目的，因此 PSASP自定义建模忽略次要因素，重点针对电压外环控制逻辑进行建模，其控制逻辑框图与图3相似。

4.2 SVG自定义模型各模块功能

4.2.1 SVG低压/欠压闭锁功能模块

SVG控制逻辑中包含低压闭锁逻辑，当SVG安装点电压低于Uset1时，经延时闭锁；电压高于Uset2时，经延时解锁。上述控制逻辑在 UD建模中的实现方法如下：基于PSASP自定义模块中的控制框图，采集安装点电压，通过比较器、延时环节、结果判断逻辑等组合，实现低压闭锁逻辑关于闭锁、解锁定值的区分以及延时的可控。基本控制框图如图7所示。

图7 UD-SVG低压/欠压闭锁控制逻辑Fig. 7 UD-SVG low voltage/under voltage lockout control logic

4.2.2 SVG过载功能模块

SVG具备短时过载能力，且过载倍数与过载时间呈反时限特征。上述控制逻辑在 UD建模中的实现方法如下：基于PSASP自定义模块中的控制框图，针对SVG基本控制环节输出，通过可控开关、计数器、延时环节、比较器以及基本代数运算框等组合，实现 SVG短时过流能力，并具备3段过流灵活整定功能；控制逻辑中过载倍数及持续时间均可独立设置。基本控制框图如图 8所示。

图8 UD-SVG过载控制逻辑Fig. 8 UD-SVG overload control logic

4.2.3 SVG稳态、暂态控制模式切换模块

针对实际电网中的稳定问题，SVG的典型控制模式为：稳态情况下按恒无功模式运行，电网发生扰动导致控制点电压越限后，则自动进入恒电压控制模式。上述控制逻辑在 UD建模中的实现方法如下：基于PSASP自定义模块中的控制框图，针对SVG控制模式切换，SVG初始固定为恒无功模式，通过延时环节、比较器等组合，实现对控制点电压值的判断，条件满足进入恒电压模式。基本控制框图如9所示。

图9 UD-SVG控制模式切换逻辑Fig. 9 UD-SVG control mode switching logic

通过上述SVG各功能模块的搭建和组合，可实现不同功能需求的 SVG自定义模型，且 SVG自定义模型中各控制框图的参数、输入、输出结果均能直观展示，具备易调试、易观察、可灵活调整等优点。

5 SVG自定义模型验证

5.1 单机系统SVG自定义模型验证

首先基于单机系统，比对PSASP自定义模型与PSCAD/EMTDC实际SVG模型控制特性，其中PSASP与PSCAD选择的发电机和负荷的动态模型、参数基本一致，排除了其它元件模型的差异，重点比较PSASP自定义模型与PSCAD模型的响应特性。

仿真分析基于的简单系统如图10所示，一台最大出力350 MW的发电机经升压变（20 kV/230 kV）、并联运行的双线（一条为长线路、一条为短线路）接入负荷点。为简化，负荷直接接入230 kV电压。

图10 单机系统潮流图Fig. 10 Power flow diagram of the single-machine system

仿真过程中SVG经升压变（35 kV/230 kV）接入220 kV母线B-BUS，控制目标为220 kV母线B-BUS电压。SVG容量选取156 Mvar，主要控制环节参数如表1所示。

表1 SVG主要参数Tab. 1 SVG main parameters

为了从不同角度充分验证 UD-SVG模型与PSCAD/EMTDC中SVG模型的一致性，针对多种不同类型、不同工况的故障，仿真分析各种情况下模型的一致性。以考虑低压闭锁逻辑情况下的近发电机侧短线路三永N-1故障，后续稳控切负荷为例，UD-SVG模型与PSCAD/EMTDC中SVG模型无功出力曲线对比如图11所示，两者的仿真曲线高度拟合。

图11 单机系统，SVG无功出力曲线对比Fig. 11 Comparison between SVG reactive power output curves in the single-machine system

5.2 双机系统SVG自定义模型验证

在原单机系统的基础上，再增加一台同容量的发电机，调整后的仿真系统如图12所示。

图12 双机系统潮流图Fig. 12 Power flow diagram of the two-machine system

仿真模拟短线路三永 N-1故障，故障侧为B-BUS母线，SVG经升压变接入B-BUS母线，控制目标为 B-BUS母线电压。仿真对比曲线如图 13所示，SVG自定义模型在多机系统中仍然保持与PSCAD/EMTDC实际SVG模型高度拟合。

图13 双机系统，SVG无功出力曲线对比Fig. 13 Comparison between SVG reactive power output curves in the two-machine system

6 结论

考虑PSASP软件自带SVG模型功能不完善、不利于调试，基于PSASP软件用户自定义模块，开展了SVG自定义建模工作，搭建了易调试、易观查、可灵活调整的 SVG模型，且与 PSCAD/EMTDC软件中基于实际工程案例的SVG模型开展仿真对比。结果表明，两者的动态响应趋势基本一致，SVG自定义模型能够满足实际工程的仿真需求。