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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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通过优化pmu和FACTS控制器的性能来提高电力系统的可观察性和可控性

Kiran R1, B.R.Lakshmikantha2， R V Parimala3.
  1. 印度班加罗尔达亚南达萨加尔科技管理学院电气与电子系助理教授
  2. 印度班加罗尔Dayananda sagar技术管理学院院长
  3. 印度班加罗尔Dayananda sagar技术与管理学院电气与电子系教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

主要目标是研究确定pmu和FACTS器件最佳位置的最佳方法，以便整个电力系统可以完全可见和可控。本文提出了一种简单有效的pmu和FACTS器件的优化布置方法。提出了一种基于电压稳定性的弱母线筛选方法，用于确定电力系统稳定性的关键母线。一种算法用于PMU的放置，以确定系统可观测性的最佳PMU位置。本文利用Statcom和UPFC对IEEE 14总线电力系统进行仿真，以提高电能质量。UPFC还能够提高电力系统的暂态稳定性。使用UPFC系统可以很容易地控制电力系统的真实功率和无功功率。采用整流和逆变电路建立了UPFC电路模型。最后通过Matlab仿真验证了该模型的有效性。该方法在IEEE 14总线系统和8总线系统上进行了测试，并进行了可观察性和可控性分析

关键字
相量测量单元(PMU)，可观察性，可控性，电压稳定性，事实。

我的介绍。
输电网就像一台极其复杂的机器。最近的历史表明，电网某一部分的微小不稳定可能导致系统大部分的灾难性故障。由于这个原因和许多其他原因，人们正在努力创建一个新的智能电网。新电网将实现现代化和智能化，利用一系列先进的计算、网络和测量技术。它将实现能源的高效利用，提高可靠性，并整合风能和太阳能等替代能源。
其中一项新技术是一种被称为相量测量单元(PMU)的测量设备。pmu将在整个智能电网的稳定性监测中发挥关键作用。他们将提供必要的精确知识，以最大限度地减少和控制停电，并避免级联停电等问题。
在目前的情况下，发电量正在迅速增加，以满足因客户负荷过重而增加的需求。因此，传输系统变得更有压力，这反过来又使系统更容易受到稳定性和安全性问题的影响。在此过程中，不同负载母线上的电压可能会超出其极限，导致电压崩溃。因此，保持所有负载母线的电压在规定的范围内，并通过适当的无功功率分配保持电压稳定是电力系统运行中的一个关键问题。
此外，在电力系统中，发电和负荷必须在任何时候都保持平衡。如果电压随着负载的增加而增加，则会导致频率下降，从而可能导致系统崩溃。或者，如果无功功率不足，系统可能会出现电压崩溃。因此，为了控制无功功率流，使用电压调节装置或补偿装置，如FACTS控制器，通过适当的无功功率支持获得所需的电压。
在电压稳定性研究中，识别输电网络中最弱的、更容易发生电压崩溃的母线是非常重要的。
随着输电系统负荷的增加和开采的增加，电压稳定和电压崩溃问题越来越受到人们的重视。电压崩溃可能发生在系统或子系统中，并且可能非常突然，这就需要改进系统状态的连续监测，这可以由pmu完成。
主要目标是研究确定pmu和FACTS器件最佳位置的最佳方法，以便整个电力系统可以完全可见和可控。
电压稳定性是电力系统在高负荷、故障或无功功率不足时所面临的一个问题。电压稳定的性质可以通过检查无功功率的产生、传输和消耗来分析。电压稳定问题涉及整个电力系统，尽管它通常涉及电力系统的一个关键领域。
只有对输电系统的潮流进行适当的快速控制，才能完成上述任务。随着大功率半导体开关的出现，一些通用名称为柔性交流传输系统(FACTS)的控制装置得到了积极的考虑，以实现上述目标。在FACTS控制器中，由于其快速可控性，期望保持高压力电力系统的稳定性和安全裕度。然而，要实现这些控制器的良好性能，控制装置在网格中的适当位置与有效的控制策略同样重要。

2利用pmus进行可观测性分析
拓扑可观察性利用图理论的概念来寻找测量放置的位置，从而使系统具有拓扑可观察性。简要介绍了基于PMU的拓扑可观测性的背景。
基于PMU的拓扑可观察性:
为了使用pmu使系统拓扑可观察，使用以下简单的规则:
1.如果已知支路一端的电压相量和电流相量，则可以利用欧姆定律计算支路另一端的电压相量。
2.如果支路两端的电压相量已知，就可以计算支路电流。
3.如果存在无PMU的零注入母线，其输出电流除一个外已知，则可用基尔霍夫电流定律(KCL)计算出未知的输出电流。
基于这些规则，可以从pmu中获得两种类型的测量。PMU总线电压相量和PMU总线输出电流被定义为直接测量，利用规则(1-3)得到的测量被定义为伪测量。利用这一概念，许多图理论方法如深度优先搜索、基于生成树的方法、基于整数线性规划的方法[3-6]被建议在系统中放置pmu，以确保系统的完整拓扑可观测性。在这项工作中，这些方法已被修改以确定最佳PMU位置。第四节解释了所提议的方法。

3电压崩溃预测的接近指示器
电压稳定指数或接近度是用来指示基于线路或总线[2]制定的电压稳定条件的装置。该方法建立在实时电压稳定监测与控制领域的最新进展基础上。最大阈值设置为单位，作为将经历该限制系统分岔的最大值。VSI由双总线系统接收总线上的电压二次方程导出。一般的双总线表示如图1所示。
VSI的数学方程由直线模型建立:以符号“i”为发送总线，“j”为接收总线。因此，快速电压稳定指标VSI可以定义为图像
其中Zij为线路阻抗，Xij为连接母线i和母线j的线路电抗，Vi为发送母线电压，Qj为接收母线无功功率。VSI值接近1.00表示特定的直线接近其不稳定点。因此，为了保持系统的稳定，VSI必须保持在1.00以下。利用该稳定性指标，进行了电压稳定性分析，并确定了电力系统中提高稳定性的关键区域。
该算法在MATLAB 7中实现，并在Pentium 4上执行。本程序的假定为本指标的实施方法如下
•每次选择一个负载总线
•电压稳定指数计算时，在所选负载母线上的无功功率逐渐增加，直到在保持实功率不变的情况下，潮流解决方案无法给出结果。
•计算系统中每条线路的电压稳定指数时，假设所有其他母线的真实和无功负荷保持不变。

Iv提出pmu放置方法
为了说明PMU的拓扑可观测性和最佳位置以确保充分的可观测性，本文使用寻径算法来确定PMU的最佳位置。下面给出了该算法的简要描述。
铁匠算法观察总线数据。然后，铁匠算法搜索每个顶点，并确定沿着该路径的相关代价。一旦确定了所有成本，就可以选择h(x)和g(x)之比的最大值，并探索该路径。如果没有实现完全覆盖，将重新搜索顶点，包括先前探索过的路径，并计算它们的相关代价。比率的最大值将被选择，这条路径将被探索。这个过程一直持续到找到解决方案为止。所提方法的流程图如图3所示。
这样得到的最终最优解保证了完全的可观测性。

五、静态同步补偿器和电压源逆变器
静态同步补偿器(STATCOM)是一种并联无功补偿设备，它能够产生和/或吸收输出可变化的无功功率，以维持对电力系统特定参数的控制。STATCOM提供了类似于没有机械惯性的旋转同步补偿器的工作特性。STATCOM采用固态电源开关装置，并提供三相电压的快速可控性，包括幅度和相位角。
STATCOM基本上由一个漏抗降压变压器、一个三相GTO/IGBT电压源逆变器(VSI)和一个直流电容器组成。通过泄漏电抗的交流电压差在STATCOM和电力系统之间产生无功功率交换，这样就可以调节母线处的交流电压来改善电力系统的电压分布，这是STATCOM的主要职责。
而在STATCOM中加入二次阻尼功能可以提高电力系统的振荡稳定性。VSI的基本目标是从直流电压产生谐波失真最小的正弦交流电压。
STATCOM的工作原理如下:将电压与交流母线电压系统进行比较。交流母线电压幅值高于VSI幅值时;交流系统将STATCOM视为连接到其端子上的电感。否则，如果VSI电压值高于交流母线电压值，则交流系统将STATCOM视为其终端的电容。如果电压大小相等，无功功率交换为零。如果STATCOM的直流侧有直流电源或储能设备，可以为电力系统提供实电。这可以通过调节STATCOM端子的相位角和交流电源系统的相位角来实现。当交流系统相位角大于VSI相位角时，STATCOM将吸收交流系统的实功率，当交流系统相位角滞后于VSI相位角时，STATCOM将向交流系统提供实功率。STATCOM的实功率和无功功率由下面的方程1和2给出。
P12 = (V1 V2 / X12) Sin (δ1-δ2) -------- (1)
Q12 = (v2 / x) (v1 - v2) -------- (2)
系统总线VAC
电压源转换器或逆变器(VSC或VSI)是STATCOM和其他FACTS设备的组成部分。一个非常简单的逆变器在开关直接电压源时产生一个方形电压波形。VSI的基本目标是从直流电压产生谐波失真最小的正弦交流电压。
在过去的十年中，具有高功率处理能力的闸关可控硅(GTO)器件的商业可用性，以及其他类型的功率半导体器件(如IGBT)的进步导致了利用电子开关转换器技术[7]的可控无功功率源的发展。此外，这些技术在减少空间和性能方面比现有技术具有相当大的优势。GTO晶闸管实现了基于开关变换器技术的固态并联无功补偿设备的设计。
这一概念被用于创建一种灵活的并联无功补偿装置，称为静态同步补偿器(STATCOM)，因为它的工作特性与同步补偿器相似，但没有机械惯性。STATCOM的单线图如图4所示。
柔性交流传输系统(FACTS)的出现，为控制和优化电力系统性能带来了一系列新的电力电子设备，如STATCOM、SSSC和UPFC。电压源逆变器(VSI)的使用已被广泛接受作为电力系统中替代传统无功补偿器的下一代无功控制器，如晶闸管开关电容器(TSC)和晶闸管控制电抗器(TCR)。
Liang[8]给出了基于相移SPWM的VSI的新型STATCOM, Giroux[9]对DSTATCOM进行了建模与仿真。[10]给出了动态电压注入恢复。[11]补偿电压跌落。[12]给出了电能质量的电力电子解决方案。Song[13]对基于晶闸管的STATCOM进行了分析。刘[14]对STATCOM技术进行了概述。Arun[15]给出了利用FACTS提高传输能力的方法。
以上文献未涉及利用SIMULINK对八总线系统进行仿真。本文利用STATCOM对八总线系统进行了建模与仿真。目前的工作使用电压源逆变电路，包括一个变压器与一个功率输出端耦合到负载。两个电源输出端之间连接电源驱动单元。电压源逆变器电路图如图5所示，t1、T2和T3、T4互导产生交流输出。
upfc原理
UPFC的基本组件是两个电压源逆变器(vsi)共享一个公共的直流存储电容，并通过耦合变压器连接到电力系统。其中一个VSI通过并联变压器与输电系统并联，另一个VSI通过串联变压器串联。UPFC基本功能方案如图5a所示。
串联逆变器被控制注入一个对称的三相电压系统(Vse)，其大小和相位角与线路串联，以控制传输线上的有功和无功功率流。因此，这个逆变器将与线路交换有功功率和无功功率。无功功率由串联逆变器电子提供，有功功率传输到直流端子。并联逆变器以这样一种方式工作，即从线路中要求该直流端电源(正极或负极)，使存储电容上的电压保持恒定。因此，UPFC从线路吸收的净实功率仅等于逆变器及其变压器的损耗。并联逆变器的剩余容量可用于与线路交换无功功率，从而在连接点提供电压调节。
通过分离直流侧，两个VSI可以彼此独立工作。所以在这种情况下，并联逆变器就像一个产生或吸收无功功率的STATCOM一样工作，以调节连接点的电压大小。相反，串联逆变器作为SSSC运行，产生或吸收无功功率以调节电流流量，因此功率在传输线上流动。
UPFC有许多可能的操作模式。具体地说，分流式逆变器以这样一种方式工作，即向传输线注入可控电流。分流式逆变器有两种不同的控制模式:
VAR控制模式:参考输入是电感式或电容式VAR请求。并联逆变器控制将var参考转换为相应的并联电流请求，并调整逆变器的门控以建立所需的电流。对于这种控制方式，还需要代表直流母线电压Vdc的反馈信号。
自动电压控制模式:并联逆变器无功电流自动调节，以保持输电线电压在连接点的参考值。对于这种控制方式，电压反馈信号从馈送到并联耦合变压器的发送端总线获得。
串联逆变器通过控制与线路串联注入的电压的大小和角度来影响线路上的功率流。注入电压的实际值可以通过几种方法获得。
直接电压注入模式:参考输入直接为串联电压的幅值和相位角。
移相器仿真模式:参考输入为发送端电压与接收端电压之间的相位移。
线路阻抗仿真模式:参考输入是与线路阻抗串联插入的阻抗值。
潮流自动控制模式:参考输入为P和Q值，在系统发生变化时仍保持在输电线上。
答:ObservabilityAnalysis
所提出的最佳PMU放置方法已在IEEE 14总线系统上进行了测试。
图像
B.电压稳定性分析
为了验证电压稳定性分析指标的性能，采用了8总线测试系统。从分析来看，总线1和2更容易发生电压崩溃。
对一个八总线系统进行了仿真研究。八母线系统的电路模型如图6a所示。每条线用串联阻抗模型表示。线路的并联电容被忽略。通过与负载串联关闭断路器，额外负载与负载-1并联添加。瞄准镜连接显示两个负载上的电压。在t = 0.25秒时，附加负载连接。如图6b所示，负载-1上的电压下降。这种下降是由于电压降的增加。
带有STATCOM的八总线系统如图7a所示。STATCOM连接在4和8号总线之间的线路上。Load-1和Load-2两端的电压如图7b所示。可以看到，由于STATCOM注入电压，负载-1上的电压下降并恢复到额定值。因此，STATCOM能够减轻由额外负载产生的电压跌落。电压达到正常值后，电能质量得到改善。
采用UPFC的八总线系统如图8a所示。UPFC连接在4号和8号总线之间的线路上。所有负载上的电压如图8b所示。可以看到，由于UPFC注入电压，负载-1上的电压下降并恢复到额定值。因此，即使是UPFC也能减轻由额外负载产生的电压跌落。电压达到正常值后，电能质量得到改善。
当不使用UPFC时，输电线路的实功率流和无功功率流都无法控制。图9a为无UPFC线路的有功功率。图9b为UPFC控制的有功潮流。UPFC的出现大大提高了现有传输线的传输能力。但在UPFC传输线路中，发送端实功率与接收端实功率相差较大。这是由于传输损耗的增加，其中包括变换器和耦合变压器的损耗。有UPFC和没有UPFC的输电线路的无功功率流如图10所示。从仿真结果中可以看出传输能力的提高。

四。结论
本文提出了一种简单的基于编程的pmu优化布置方法，以保证系统完整的拓扑可观测性。本文采用电压稳定指标来确定系统中的弱母线。在IEEE 14总线系统和8总线系统上分别测试了所提出的可观察性和可控性分析。该方法简单有效。
本文采用STATCOM和UPFC技术来提高多总线系统的电压稳定性。负载电压在0.25秒内达到额定值。给出了有和没有STATCOM和UPFC的八总线系统的仿真结果。仿真研究表明，STATCOM和UPFC在缓解电压跌落方面是有效的。UPFC的出现大大提高了现有传输线的传输能力。从仿真结果中可以看出传输能力的提高。

数字一览
图1 图2 图3 图4 图5
图1 图2 图3 图4 图5
图1 图2 图3 图4 图5
图5一个 图5 b 图6 图6 b 图7
图1 图2 图3
图7 b 图8 图8 b

参考文献















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