国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志
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在线刊号(2278-8875)印刷版(2320-3765)
P.Suman Pramod Kumar1, N.Vijaysimha2, C.B.Saravanan3.
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| 有关文章载于Pubmed，谷歌学者 |
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本文介绍了可重构FACTS系统的原理图和基本控制，该系统可用于实现主要的电压源转换器FACTS拓扑:STATCOM、SSSC和UPFC。在此基础上，提出了FACTS器件的状态模型和控制算法。采用数字信号处理器(DSP)实现这些设备的控制系统。通过实验和仿真结果的比较，验证了所提出的控制方法，并介绍了一种主动串联线路补偿方法，该方法采用同步电压源，由基于栅极关断(GTO)的电压源逆变器实现，提供可控的串联补偿。这种补偿器称为静态同步串联补偿器(SSSC)，可以在相同的容性和感性范围内提供可控的补偿电压，而不受线路电流大小的影响。它不受经典网络共振的影响。除了串联无功补偿外，通过外部直流电源，它还可以补偿线路阻抗电阻分量上的压降。即使线路具有很高的串联补偿程度，对阻抗实部的补偿也能保持较高的X/R比。无功补偿与实补偿并行协调调制，可大大提高功率振荡阻尼。本文讨论了SSSC的基本工作和性能特点，并将其与基于晶闸管开关或控制串联电容器的典型和更传统的补偿器进行了比较。 It also presents some of the results of TNA simulations carried out with an SSSC hardware model. presented an in-depth investigation of the dynamic performance of STATCOM and SSSC theoretically and by exact digital simulation. A 24- pulse GTO based converter model is designed to represent the operation of the STATCOM and SSSC within a power transmission system. It is shown that the Phase-Locked Loop (PLL) inherent delay has a great effect on the dynamic operation of the SSSC and a new auxiliary regulator is proposed to enhance the dynamic performance of the SSSC. The proposed control schemes are validated by digital simulation.
关键字 |
| 补偿,事实,电压,稳定 |
介绍 |
| 没有电，现代社会将无法运转。随着电力传输和分配量的增加，对高质量和可靠供应的要求也越来越高。与此同时，不断上升的成本和日益严重的环境问题使建设新的输配电线路的过程变得越来越复杂和耗时。使现有线路和新建线路更高效、更经济，将成为一个令人信服的替代方案。最佳的电力传输和分配还需要减少传输损失，并在接收端提供足够的电力质量和可用性。输电网络的目的是将发电厂和负荷中心集中起来，以最大限度地降低总发电能力和燃料成本。一般来说，如果电力输送系统是由来自各个本地发电机的径向线路组成，而不是电网系统的一部分，将需要更多的发电源以同样的可靠性为负载服务，电力成本将会高得多。从这个角度来看，传输是替代新一代资源的一种方式。随着电力传输的增长，电力系统的操作变得越来越复杂，系统变得越来越不安全。它可能导致控制不充分的大功率流，系统各部分无功功率过大，系统各部分之间动态波动较大，从而不能充分发挥输电互连的潜力。 Assuming that sufficient generated power is available, the challenge is to ensure the reliable operational performance of the delivery system, Reliable system operation requires coordinated management of both generation and transmission assets, since the pattern of generation strongly influences “loadabilityâ of the transmission lines. Restructuring has greatly reduced the degree to which grid operators can manage the generation side of the relationship, so the emphasis here is upon enhanced system performance through improvements in transmission capabilities alone |
A.系列控制器原理 |
| 如果线路电压与线路电流相积，串联控制器吸收或产生无功功率;如果线路电压与线路电流相积不相积，串联控制器吸收或产生实功率和无功功率。这样的控制器的例子是静态同步串联补偿器(SSSC)，晶闸管开关串联电容器(TSSC)，晶闸管控制串联电抗器(TCSR)，举几个例子。它们可以有效地用于控制系统中的电流和功率流，并抑制systemâÂ′Â′s振荡。静态同步串联补偿器(SSSC)是其中重要的串联FACTS器件之一。SSSC是一种固态电压源逆变器，注入几乎正弦电压，大小可变，与传输线串联。注入电压几乎与线路电流成正交。注入电压的一小部分，与线路电流相一致，提供逆变器中的损耗。SSSC的应用主要有:1)控制潮流，2)提高功率传输极限，3)提高暂态稳定性，4)抑制电力系统振荡，5)抑制次同步谐振(SSR)。 |
B.分流控制器原理 |
| 分流控制器与串联控制器相似，不同之处在于它们在连接点向系统注入电流。连接到线路上的可变并联阻抗通过向系统中注入电流而产生可变电流流。如果注入电流与线路电压相接，控制器调整无功功率;如果注入电流与线路电压不相接，控制器调整实功率。这种系统的例子是静态同步发电机(SSG)，静态无功补偿器(SVC)。它们可以通过向系统中注入有源或无功电流来控制连接点内和周围的电压。 |
c、串联组合控制器原理 |
| 组合的串联-串联控制器可以有两种配置。一种配置包括在多线路传输系统中以协调方式运行的系列控制器。另一种配置为多线输电系统的每条线路提供独立的无功功率控制，同时便于通过功率链路进行真实功率传输。这种类型的控制器的一个例子是线间潮流控制器(IPFC)，它有助于平衡线路上的真实和无功潮流。 |
D.串并联组合控制器原理 |
| 组合串联-分流控制器可以有两种配置，一种是以协调方式操作的两个独立的串联和分流控制器，另一种是互连的串联和分流组件。在每种配置中，分流元件注入电流到系统中，而串联元件注入串联电压。当这两个元素统一时，就可以通过功率链路在它们之间交换真正的功率。这种控制器的例子是UPFC和晶闸管控制移相变压器(TCPST)。这些利用串联和分流控制器的优点，从而促进有效和独立的功率/电流流和线路电压控制。 |
| 图1不同事实控制器的表示 |
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| 柔性交流电传输系统(FACTS)和自定义电源这两个概念在20世纪80年代末出现在加州帕洛阿尔托电力研究所(EPRI)。从那时起，这两种技术都吸引了设备制造商、公用事业公司和大学研究机构的极大兴趣。FACTS使用最新的电力电子设备和方法对网络的高压侧进行电子控制定制电力专注于低压配电，这是一项针对“影响工厂、办公室和家庭的供应质量和可靠性差powerâÂ′Â′”报告而诞生的技术。随着自定义电源解决方案的到位，最终用户将看到更严格的电压调节，接近零的电力中断，低谐波电压，并接受附近的快速波动和其他非线性负载。完全成熟的FACTS和自定义电源技术的成果有很多，但在这个时间点上，需要解决的问题更大。一旦新技术正式纳入，操作的复杂性将会增加。其原则是提供一个“整体解决方案”策略，包括多个设备和软件，以实现传输级的功率控制和分配级的信号调理。事实主要涉及从发电机到用户的功率流的控制。事实装置的使用有助于增加传输能力的工作更接近热极限。由于这些设备有效地控制了线路的阻抗，因此可以将电力定向到所需的路径上，从而在需求高峰期间减少某些网络上的“strainÃⅱÂ′Â′”。一些FACTS设备有SVC、STATCOM和UPSC等 |
| E.补偿方式 |
| 这些设备可以保护负载， |
| 1.静态转换开关(STS) |
| 2.静态稳压器(SVR) |
| 3.分布静态补偿器(DSTATCOM) |
| 4.动态电压恢复器 |
| 5.统一电能质量调节器(UPQC) |
2工作范围 |
| 本文在MATLAB、simulink中使用Simpower系统工具箱对SSSC的功率振荡阻尼、提高暂态稳定性和动态稳定性等各个方面进行了仿真，并通过不同负载下的各种案例研究对结果进行了验证和比较，并进行了详细的研究。这些仿真可用于设计系统及其控制器，也可用于评价系统的性能。为了充分了解如何有效地将FACTS设备整合到现有电力系统中，除了软件仿真外，硬件原型验证也是必要的。实验研究为评估模型、测试提出的控制算法和分析动态性能提供了有价值的数据。实验研究为实际电力系统运行中设备性能的预测提供了依据。 |
3文献综述 |
| 它提供了我们在参考了许多著名人士发表的文章和论文后发现的与我们的论文相关的信息。为了了解使用自定义功率器件和FACTS控制器的负载和线路补偿的背景和概念，对相关论文进行了调查。下面简要地讨论其中的几个问题。本章还总结了通过调查得出的结论以及在输电系统中使用电力电子元件进行负荷补偿和线路补偿的传统方法存在的问题，用DVR等定制电力器件代替传统方法可以克服传统方法的缺点，开发出一种更有效的补偿方法。 |
四、常规系统解决方案，减少输电约束和配电约束 |
| >系列电容器(X) |
| 开关并联电容器和电抗器(V) |
| >移相变压器(δ) |
| >同步冷凝器(V) |
| >特殊稳定性控制(V, P或X) |
五、静态同步串联补偿器 |
| 静态同步串联补偿器(SSSC)是一种重要的串联FACTS器件。SSSC是一种固态电压源逆变器，注入几乎正弦电压，大小可变，与传输线串联。注入电压几乎与线路电流成正交。注入电压的一小部分，与线路电流相一致，提供逆变器中的损耗。大部分注入电压与线路电流成正交，模拟与传输线串联的电感或电容电抗。该仿真可变电抗由注入电压源插入，影响通过传输线的电力流。 |
A.工作原理 |
| 无外部电源作为串联补偿器运行的SSSC，其输出电压与线路电流正交，并且独立于线路电流可控，目的是增加或减少线路上的总体无功压降，从而控制传输的有功功率。SSSC可以包括瞬态额定能量存储或能量吸收装置，通过额外的临时实功率补偿来增强电力系统的动态性能，以瞬时增加或减少整个线路的整体电阻压降。 |
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| SSSC注入补偿电压与线路串联，而不受线路电流影响。传输功率Pq与传输角度ï ¤的关系因此成为注入电压Vq的参数函数，对于双机系统，它可以表示为: |
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| 图3.3显示了SSSC的发射功率增加或减少一个固定比例的最大功率剧增的无报酬的,独立于一个¯¤的重要角度范围0一个¯£一个¯¤¯£90一个¯°。此外，如果注入电压大于发送端和接收端系统施加在未补偿线路上的电压，则功率流将发生逆转，如图3.3所示。 |
B.三相三电平48脉冲VSI的建模 |
| SSSC采用的逆变器为48脉冲GTO变换器。它由4个三相三电平逆变器和4个移相变压器组成，如图3.4所示。直流母线连接4个三相逆变器。逆变器产生的4个电压分别施加在Wye (Y)或Delta (D)连接的4个锯齿形移相变压器的二次绕组上。4个变压器一次绕组串联，变换器脉冲波形相移，使4个电压基本分量在一次侧相和。逆变器每臂需要4个脉冲。发送到三相逆变器各支腿的脉冲模式如图3.5所示。由次级delta连接(-30度)和初级之字形连接(变压器1Y和1D为+7.5度，变压器2Y和2D为-7.5度)产生的相移允许中和高达45次谐波，如下所述:Y和D次级之间的30度相移消除谐波5+12n(5,17,29,41，…)和7+12n(7,19,31,43，…)此外，两组变压器之间的15度相移(1Y和1D超前7.5度，2Y和2D滞后+7.5度)允许抵消谐波11+24n(11,35，…)和13+24n(13,37，…)考虑到所有3n次谐波都不由Y传递 |
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| 和D次谐波，未被变压器抵消的第一次谐波为23、25、47和49。通过为3级逆变器选择合适的导通角(σ = 180 - 7.5 = 172.5度)，可以将第23和第25导通角最小化。第一个有意义的谐波是47次和49次。它几乎是正弦的。 |
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C. SSSC的常规PI控制器 |
| 线电流的同步是通过锁相环(PLL)完成的，经过90ï °(领先或落后)的相移后，将给出同步角度ï ±。控制由三个参考信号操作:VqQRef，定义串联无功补偿电压的期望电压幅值;可选的VqRRef，定义所需的串联实际补偿电压大小;和VdcRef，定义直流电容器的工作电压。将无功参考电压VqQRef和总体实际电压参考VqRRef + VdcRef与测量补偿电压Vq的相应分量进行比较。从得到的信号中，导出Vq的大小及其与ï ±的夹角ï Â。然后使用大小，Vq和角度ï ±+ ï  ×为转换器生成门驱动信号。 |
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| 外部控制方案定义了补偿器的功能操作并为其导出参考输入，如图4.2所示。这些功能操作包括潮流控制、暂态稳定和动态稳定的改善以及次同步共振的阻尼。下一章将解释SSSC的潮流控制、瞬态和动态稳定性改善以及SSR缓解。主潮流控制由闭环执行，该闭环由所选参考点XqRef，或VqRef，或I Ref，或P Ref之一操作。相应的网络变量由电压和电流处理器导出(Xq，或Vq，或I，或P)，并与所选参考点进行比较。PI控制器输出端的放大误差为内部控制器提供了参考值Xq或Vq。辅助控制信号用于提高系统的瞬态和动态稳定性，抑制次同步振荡，这些辅助控制信号来自于相关的系统变量，如系统频率变化、功率流变化或扭转速度变化。下一节将介绍一种用于SSSC的模糊预补偿PI控制器。 |
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六、SSSC改善暂态稳定性和动力稳定性 |
A.工作原理 |
| 在简单的双机系统中，SSSC对暂态稳定性的改善可以用等面积准则来解释。考虑带SSSC补偿和不带SSSC补偿的双机系统。假设有SSSC补偿和没有SSSC补偿的系统在相同的时间内发生相同的故障。两个系统在故障发生前分别在角度ï ¤1和ï ¤s1发送相同的功率(Pm)。这些系统的动态性能如图5.1所示。 |
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| 对比这两个图可以清楚地看出，采用SSSC后，系统的暂态稳定裕度显著增加。 |
控制串联补偿可以有效地抑制电力系统的振荡。为了实现功率振荡阻尼，必须改变所施加的补偿，以抵消受扰机器上的加减速摆动。也就是说，当旋转振荡发生器加速时，角δ增加( )时，传输的电力必须增加，以补偿多余的机械输入功率。相反，当发电机减速时，角度()时，必须降低功率，以平衡不足的机械输入功率。 |
B.建模与仿真 |
| 该测试系统由一台1000mva水力发电厂(发电机-1)组成，通过一条500千伏、700公里长的传输线连接到负荷中心。5000mw电阻性负载连接如图5.2所示。负荷由远程1000mw电厂和本地4000mw发电机组(发电机-2)提供。系统已初始化，使线路承载950兆瓦。两台机器配备了水轮机和调速器(HTG)，励磁系统和电力系统稳定器(PSS)。整个系统在Matlab-PSB中的构建如图5.3所示。发电机建模方程在附录i中给出。 |
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8结论 |
| 本文在Matlab-Power System Blockset (PSB)中对静态同步串联补偿器(SSSC)的各个方面进行了仿真，包括功率振荡阻尼、提高暂态稳定性等。阐述了SSSC对暂态稳定性和动态稳定性的改善。采用双机测试系统，产生了LLLG故障。在Matlab-PSB中对这种情况进行了仿真，结果表明，当系统与SSSC结合时，系统不会失去同步性，系统是稳定的。但如果没有SSSC，系统将失去同步性，变得不稳定。这表明了SSSC在提高电力系统暂态稳定裕度方面的能力。在上述测试系统中，LG故障在6个循环后被创建并清除。这种情况也在Matlab-PSB中进行了模拟。从这些仿真结果可以看出SSSC在抑制电力系统振荡方面的能力。基于48脉冲VSI的SSSC潮流控制仿真。仿真结果表明，SSSC对潮流的控制是非常有效的，而且响应时间也非常快。 |
9未来工作范围 |
| ïÂ网名 '硬件实现SSSC的闭环控制的权力已经完成。 |
| ï Â设计一个阻尼控制器，以减轻次同步共振(SSR)。 |
十、simulink结果 |
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参考文献 |
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