（电力系统及其自动化专业论文）statcom的运行特性及其对电压稳定性影响研究.pdf

立了计及s t a t c o m 的电压稳定计算模型。该方法以最小模特征 值作为系统接近电压不稳定的量度，以电压灵敏度和参与因子为 指标，判断全电网中最有可能发生电压不稳定的节点和区域，从 而为s t a t c o m 的配置提供依据。 实例仿真结果验证了所建模型和方法的正确性和有效性，也 充分证明了s t a t c o m 对电压稳定的积极作用。 关键词：静止同步补偿器：电压稳定性：运行特性：开关函数：最小模特 征值：特征结构分析法 l l o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs t a t c o m a n d i t si m p a c t so n v o l t a g es t a b i l i t yo fp o w e r s y s t e m s ab s t r a c t w i t he c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dt h ew o r l d sg r o w i n gd e m a n df o r e l e c t r i c i t y , p o w e rg r i d sa r ea l s oe x p a n d i n g ，m a k i n gt h ep o w e rs y s t e m v o l t a g es t a b i l i t yp r o b l e mb e c o m ea c u t e i nr e c e n ty e a r ss o m eo ft h e w o r l d sm a j o rp o w e rg r i d sh a v et a k e np l a c ei nv o l t a g ec o l l a p s eo r v o l t a g ei n s t a b i l i t yi n c i d e n t s ，w h i c hr e s u l t e di nl a r g e s c a l eb l a c k o u t t i m e n o to n l yc a u s e dh u g ee c o n o m i cl o s s e s ，b u t a l s oo ns o c i a l ， p o l i t i c a l a n dp s y c h o l o g i c a li m p a c t ，a n dd r a wa t t e n t i o nt ov o l t a g e s t a b i l i t yi s s u e s a tt h es a m et i m e ，t h em o d e r np o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n d m o d e r na u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h er a p i dp r o g r e s s ，p r o m o t e f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，w h i c h h a s b r o u g h t n e w t e c h n o l o g i e sf o rp o w e rs y s t e mc o n t r 0 1 a sa ni m p o r t a n tm e m b e ro f f a c t sf a m il y , t h es t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o rw i t ha f a s ta n d f l e x i b l er e a c t i v ep o w e rr e g u l a t i o n c a nb ee f f e c t i v et o i m p r o v e v o l t a g er e g u l a t o rc h a r a c t e r i s t i c sa n dv o l t a g es t a b i l i t ym a r g i no ft h e s y s t e m s t a t c o mo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n dh o wt oa s s e s si t s e f f e c to nv o l t a g es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mw i l lb et h ef o c u so ft h i s s t u d y f i r s t l y , t h e b a s i c p r i n c i p l e s ，c o m m o ne q u i v a l e n t c i r c u i ta n d m o d e l i n gm e t h o d so fs t a t c o m a r ei n t r o d u c e d t h e n ，t h eo p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e di nd e t a i l i nc o n s i d e r a t i o no ft h ee x i s t i n g s h o r t a g e s o fo u t p u tm o d e l c o n s t r u c t i n g m e t h o da n dt o p o l o g i c a l m o d e l c o n s t r u c t i n gm e t h o df o rs t a t c o m ，as w i t c h i n g f u n c t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i sd e v i c e c h a r a c t e r i s t i c sa n dp h y s i c a lc o u r s e i i i c a p a b l eo fr e f l e c t i n gi t s i n t e r i o r i sc o n s t r u c t e db yi n t r o d u c i n gt h e c o n c e p to ft h es i n g l e p o l et w o v a l u e dl o g i cs w i t c h i n gf u n c t i o n t h e p a r a m e t e r so ft h em o d e la r er e a lp h y s ic a lo n e so fs t a t c o md e v i c e ， w h i c hm a k e st h i sm o d e le a s i e rt ob ec e r t a i na n dm o r eg e n e r a l o nt h eb a s i so fe i g e n v a l u es t r u c t u r ea n a l y s i sm e t h o d ，t h es t e a d y s t a t em o d e lo fs t a t c o mi sa d d e di n t op o w e rf l o we q u a t i o n sa n da v o l t a g es t a b i l i t yc a l c u l a t i o nm o d e lt h a t c o n s i d e r i n gs t a t c o m i n s t a l l a t i o ni sb u i l t t a k i n gt h em i n i m u me i g e n v a l u ea sa s y m b o lo fa w e a ks y s t e m ，b ym e a n so f v o l t a g es e n s i t i v i t ya n dp a r t i c i p a t i o n f a c t o r s ，t h i sm e t h o dc a nf i n dt h em o s tu n s t a b l en o d eo rr e g i o no ft h e w h o l ep o w e r s y s t e m ，w h i c hp r o v i d e s ab a s i sf o rs t a t c o m i n s t a l l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so f t h ep r e s e n t e dm o d e l sa n dm e t h o d s ，b u ta l s of u l l yp r o v et h ei m p o r t a n t a c t i v er o l eo fs t a t c o md e v i c e so n v o l t a g es t a b i l i t y o fp o w e r s y s t e m s k e y w o r d s ：s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ；v o l t a g es t a b i l i t y ；o p e r m i n g c h a r a c t e r i s t i c s ；s w i t c h i n gf u n c t i o n ；m i n i m u me i g e n v a l u e ； e i g e n v a l u es t r u c t u r ea n a l y s i s i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 一僖巨到 晰 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时问： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名搠导师签名： 尹膪日 广西大掌硕士掌位论文s 1 w r c o m 的运i 亍特性及其对电压稳定性影响研究 第1 章绪论 1 1 引言 现代电力系统是一个复杂的大规模非线性动态系统，它的安全稳定运行是电 力系统的基本要求。电力系统稳定问题分为角度稳定、频率稳定和电压稳定三个 方面。长期以来，人们关注的是角度稳定和频率稳定问题。电压稳定问题作为电 力系统稳定性的一个重要方面，直到近二三十年才得到国内外电力工作者的关注 【l 】 o 随着人们对电能需求的日益增长，电力系统也发生了很多变化，也对其安全 稳定运行带来了很多问题。上世纪七八十年代以来，国际上相继发生了多起电压 崩溃事故。美国、日本、法国、瑞典等都发生过电压不稳或电压崩溃事故。比较 典型的有：1 9 7 7 年7 月1 3 日美国纽约电网；1 9 7 8 年1 2 月1 9 日法国电网；1 9 8 7 年7 月2 3 日日本东京电网：1 9 9 6 年7 月2 日美国西部电网：2 0 0 3 年8 月1 4 日美加电网等 1 2 - 8 。我国电网虽然没有发生过恶性电压崩溃事故，但是小范围的局部电压失稳 停电事故却时有发生，如1 9 7 2 年7 月2 7 日的湖北电网，1 9 7 3 年7 月1 2 日的大连电网 等1 9 - 1 0 】。这些事故导致大面积长时间停电，不仅造成了巨大的经济损失，也对社 会、政治及人们的心理造成很大的影响。正因为如此，所以引起了电力工作者的 关注，推动了电压稳定性问题的研究。 与此同时，伴随着电力电子技术的进步，柔性交流输电技术逐步发展、成熟， 并陆续投入应用。这类装有电力电子型或其他静止型控制器的系统，能够快速、 连续和频繁的实现对交流输电网络运行参数和变量的调节，进而达到提高输电系 统运行效率、稳定性和可靠性的目的。静止同步补偿器作为f a c t s 家族的重要成 员，可以用来提高系统的静态和暂态稳定极限，提高电力系统电压稳定性1 。 我国电网网架相对薄弱，要成功实现电力系统“全国联网，诬电东送，南 北互供，厂网分开”的目标，保证全国电力系统的安全稳定运行，就必须增加系 统的调控手段，提高电力系统的安全稳定性。而f a c t s 技术必将大有用武之地。 目前，我国许多重负荷中心的老调相机将陆续推出运行，动态无功支撑能力 将显不足，存在严重的安全稳定隐患。如果在这些负荷中心安装动态无功补偿装 置s t a t c o m ，将大大提高负荷中心的动态电压稳定性，具有非常现实的意义。 1 2 研究的目的与意义 ，近年来，国际上一些大电网相继发生多起由于电压崩溃引起的大面积停电事 广西大掌硕士掌位论文 s t a t c o m 的运行特性及其对电压稳定性影响研究 故 1 2 - 1 3 。这些事故造成了巨大的经济损失和严重的社会影响，也使电压稳定性这 个长期被忽视的问题，日渐成为国际电工界普遍关注和急待解决的课题之一。 柔性交流输电系统是近几年来兴起的基于现代电力电子技术的新一代电网 控制技术1 14 1 。其特点是把现代电力电子技术和现代自动控制技术引入交流输电系 统，使输电系统的母线电压、输电线路阻抗和相位角可以快速灵活调整，对提高 输电系统的输送功率和潮流控制能力以及改善电力系统稳定性、控制系统振荡等 具有明显作用。静止同步补偿器s t a t c o m 是f a c t s 家族中的重要成员之一， 其主要功能就是满足系统无功要求；维持电压稳定。 本课题从s t a t c o m 的原理和特性入手，研究其运行特性，构建其数学模型， 并通过仿真，用电压稳定指标评估s t a t c o m 对电力系统电压稳定的影响，具有 重要的现实意义。 1 3 柔性交流输电系统概述 1 3 1f a c t s 的基本概念 电力输电系统已进入大系统、超高压远距离输电、跨区域联网的新阶段，对 其安全、稳定、高效、灵活进行控制的要求日益提高。因此，提高电网的安全运 行水平和电能质量，除电网结构本身要合理外，还必须要有先进的调节控制手段， 提高其可控性。人们不断地研究如何用电网原有的控制手段来提高其安全运行水 平和电能质量，同时还研制了一些新的电力电子设备来解决上述问题。这些设备 按照固定的、机械投切的、分接头转换等方式设计，通过改变线路阻抗或减小电 压波动来提高线路输电容量或控制系统潮流。但是其机械开关动作速度慢、易损 坏、可靠性差，在动态过程中几乎无法作用。 近2 0 年来，电力电子技术和计算机技术的发展使大功率电力电子开关制造 技术取得了长足的进步。正是在此基础上，美国n gh i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年 首先较完整的提出了柔性交流输电系统的概念【l5 1 。它“应用电力电子技术的最新 发展成就以及现代控制技术实现对交流输电系统参数，以至网络结构的灵活快速 控制，以期实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系 统稳定性、可靠性。”其基石是大功率电力电子技术，核心是f a c t s 控制器， 关键是对输电网参数和变量的柔性化控制。 f a c t s 的概念一经提出就立即受到广泛重视。1 9 9 7 年i e e e 的f a c t s 工作 组公布了f a c t s 及f a c t s 装置的定义和规范术语。其中f a c t s 的定义是：装 有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性和增加功率传输能力的交流输 电系统。f a c t s 装置是指f a c t s 家族中具体的成员，定义为：用于提供一个或 2 广西大掌硕士掌位论文s 1 a t c o m 的运行特性及其对电压稳定性影响研究 多个控制交流输电系统参数的电力电子系统或其他静止设备。 根据f a c t s 装置接入电力系统方式的不同，f a c t s 装置可以分为三大类【l 7 】 ( 1 ) 并联型。包括静止无功补偿器( s v c ) 、静止同步补偿器( s t a t c o m ) 、晶 闸管控制的制动电阻( t c b r ) 、超导储能系统( s m e s ) 、电池储能系统( b e s s ) 等。 ( 2 ) 串联型。包括晶闸管控制的串联电容器( t c s c ) 、晶闸管投切的串联电容 器( t s s c ) 、晶闸管控制的串联电抗器( t c s r ) 、晶闸管投切的串联电抗器 ( t s s r ) 、静止同步串联补偿器( s s s c ) 、背靠背换流站等。 ( 3 ) 混合型。包括晶闸管控制的移相变压器( t c p s t ) 、相间功率控制器( i p c ) 、 统一潮流控制器( u p f c ) 等。 1 3 2f a c t s 的特点及发展 在f a c t s 概念形成以前，取得广泛应用的f a c t s 控制器只有s v c 。f a c t s 的概念一经提出后，就受到各国电力科研院所、高等院校、电力公司和电力设备 制造厂商的广泛重视，f a c t s 技术得到了深入的研究和迅速的推广应用，成为 电力工业近二十年来发展最快、影响最广的新兴技术领域之一。之后n g h i n g o r a n i 博士在一系列报告和论文中对f a c t s 的概念进行了深入的诠释和更 新：同时大量学者也加入这一领域的研究，不断丰富f a c t s 概念的内涵与外延。 f a c t s 概念提m 后，大量新的f a c t s 设备不断出现。到目前为止，已发明 了2 0 余种f a c t s 控制器，部分已经商业化并取得良好的成效。其中在电力系统 中应用最多的f a c t s 设备是静止无功补偿器，世界上已投入运行或即将投入运 行的s v c 数目已达5 0 0 多台，我国运行于5 0 0 k v 电网的s v c 也有5 台，而应用 于工业企业的s v c 装置就更多。其他f a c t s 控制器，部分已经商业化并取得良 好的成效，如s t a t c o m 、t c s c 、u p f c 等。到2 0 0 8 年，已经投入运行的f a c t s 和用户电力工程已达上千个，总容量达到1 0 0 g v a 。 不同的f a c t s 装置在电网中控制的参数不一样，有些控制器可以同时具备 多种功能，如可以控制电压、潮流和提高系统的稳态以及动态特性，有些控制器 在特定场合却只能具有种功能。f a c t s 的主要功能归纳如下【1 6 】： ( 1 ) 较大范围的控制潮流使之按指定路径流动； ( 2 ) 保证输电线的负荷可以接近热稳定极限又不过负荷； ( 3 ) 在控制的区域内可以传输更多的功率，减少发电机的热备用； ( 4 ) 依靠限制短路和设备故障的影响来防止线路串级跳闸； ( 5 ) 阻尼会损坏设备或限制输电容量的各种电力系统振荡。 表1 1 简要总结了各种f a c t s 设备控制的电网参数及其应用功能【l7 。 广西大掌硕士掌位论文 s 1 a t c o m 的运行特性及其对电压稳定性彩响研究 表l - lf a c t s 控制器能控制的电网参数及其应用功能 t a b 1 lp o w e rs y s t e mp a r a m e t e r sa n df u n c t i o n so ff a c t sc o n t r o l l e r s f a c t s 控制器 能控制的电1 c ) 9 参数应用功能 无功补偿，电压控制，提高电压、暂 s v c ，s t a t c o m 注入无功功率、节点电压 态和中长期稳定性，阻尼功率震荡 注入有功无功功率、节点 无功和有功补偿，电压控制，自动发 s m e s ，b e s s电控制，提高电压、暂态和中长期稳 电压 定性，阻尼功率震荡 电压控制，潮流控制，提高电压、暂 t c s c ，t p s c ，t s s c ，s c c l ， 线路阻抗态和中长期稳定性，阻尼功率震荡， g c s c ，t c s r ，t s s r 限制短路电流 电压控制，潮流控制，提高电压、暂 态和中长期稳定性，阻尼功率震荡， s s s c ，i p f c 线路压降 在并联的多回路间交换潮流，限制短 路电流 潮流控制，提高暂态和中长期稳定 t cp ：i 气r相位差 性，阻尼功率震荡。； 电压控制，无功潮流控制，提高电压、 t c v r 电压差 暂态和中长期稳定性，阻尼功率震荡 节点电压、线路压降及其 无功和有功补偿，电压控制，潮流控 u p f c 制，提高电压、暂态和中长期稳定性， 相位 阻尼功率震荡，限制短路电流 n g h s s rd a m p e r线路的次同步频率阻抗阻尼s s r t c b r 节点接地5 f l 抗提高暂态稳定性，阻尼功率震荡 t c v l节点接地i 二线件负荷 限制节点暂态动态电爪 1 4 静止同步补偿器概述 1 4 1s w 汀c o m 的基本概念 静止同步补偿器，简称s t a t c o m ，是f a c t s 家族中的重要成员之一。有 的地方也n l 静止调相机( s t a t c o n ，s t a t i cc o n d e n s e r ) ，静止无功发生器( s v q s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) ，先进静止补偿器( a s v c ，a d v a n c es t a t i cc o m p e n s a t o r ) ，是 s v c 革新改进后的装置。它的基本结构是由可关断晶闸管构成的电压源型 4 广西大掌硕士掌位论文s t - a t c o ma , a h g 行特性及其对电压稳定性影响研究 d c a c 逆变器，逆变器可以发出与系统电压同频率且三相对称的正弦电压，而 且可对此三相电压的幅值和相位进行快速的调节和控制【i s - 2 1 。s t a t c o m 既可向 系统提供感性无功，也可向系统提供容性无功，而且它向系统提供的容性无功不 像s v c 那样受系统电压的影响，可以在任何系统电压条件下，输出额定的无功 功率。所以，与s v c 相比，s t a t c o m 给系统提供电压支持、提高系统稳定性 的作用要更为有效。尤其在系统故障的情况下，s t a t c o m 进行电压维持、防止 电压崩溃、提高系统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用效果较s v c 就更加明显。 s 盯盯c o m 并联接入电力系统中，可以向系统注入滞后于网侧电压基波的感 性或超前于网侧电压基波的容性电流，从而方便地对系统进行实时平滑的无功功 率补偿，达到控制电力系统有功或无功功率平衡的目的。因此，s t a t c o m 具有 如下作用： ( 1 ) 减小输电线路损耗，提高系统功率因数，提高线路传输能力； ( 2 ) 维持或控制节点电压； ( 3 ) 向电力系统提供或从系统中吸收有功功率； ( 4 ) 向电力系统提供或从系统中吸收无功功率： ( 5 ) 通过控制功率变化，阻尼系统振荡； ( 6 ) 提高电力系统的暂态与静态稳定性； ( 7 ) 改变系统的阻抗特性； ( 8 ) 补偿系统中的谐波功率，改善电能质量。 在输电网中，s t a t c o m 的主要功能是改善潮流可控性、提高系统稳定性和 传输能力；而在配电网中，s t a t c o m 的主要功能是提高负荷电能质量和减小负 荷对电网的不利影响。在电网中，s t a t c o m 可以根据需要灵活布置，常见的方 式有两种：一种是安装于输电线路的受电端；另一种是在长传输线中问增加变电 站并布置s t a t c o m 设备。 1 4 2s w 汀c o m 的研究现状及其应用 很早之前电力工作者就开始研究如何利用电力电子变流器进行无功补偿，然 而受到技术水平的制约，进展一直比较缓慢。近年来，随着电力电子技术的飞速 发展，尤其是耐高压、大功率的门极可关断晶闸管的研制成功，极大地推动了 s 吖汀c o m 的开发和应用。 文献f 2 2 】综述了静止同步补偿器技术的发展现状，分析了静止同步补偿器的 基本工作原理、类型、主电路结构、瞬时无功信号检测方法、控制策略，阐述了 电流问接控制方法、电流直接控制方法和多电平逆变器的控制方法，并提出今后 静止同步补偿器技术的发展趋势。文献【1 9 1 详细介绍了s t a t c o m 的基本原理。 文献【2 0 】比较了p s s ，s v c ，s t a t c o m 对系统振荡的抑制作用。文献【2 3 】分析了 g - 西大掌硕士掌位论文s 1 a t c o m 的运行特性及其对电压稳定性影响研究 a s v g 的结构及其原理，并进行了仿真。文献【2 4 】依据电流直接控制和电流间接 摔制的两种s t a t c o m 控制策略，对s t a t c o m 进行了系统建模和仿真。文献 2 5 】 设计了三种仿真模型：包含s t a t c o m 的单机一无穷大电力系统、包含s t a t c o m 的单负荷一无穷大电力系统和多机电力系统，并给出了三种模型的仿真结果。文 献【2 6 】介绍了上海电网电压目前存在的问题，分析并提出了配置动态无功装置 s t a t c o m 、s v c 的可行性建议。文献【2 7 】使用电力系统综合稳定程序( p s a s p ) 和n e t o m a c 程序以及时域仿真方法分别对华北、华东、南方电网进行暂态电 压稳定评估，结果表明安装静止同步补偿器( s t a t c o m ) 可以在切负荷的情况下 使系统电压符合稳定运行的要求。文献 2 8 通过仿真比较了装u p f c 和s t a t c o m 前后，系统有功和无功潮流的变化，并指出了最佳安装位置。文献【2 9 】给出了 s t a t c o m 的模型，并研究了其对电力系统电压稳定和角度稳定的影响。 近年来，s t a t c o m 在电力系统中的应用受到日益广泛的重视，美国、日本 和德国已将其投入工业运行【3 0 - 3 1 】。1 9 8 0 年，日本三菱公司成功研制出第一个基 于强制换相逆变器的士2 0 m v a rs t a t c o m 试验样机，从此以后，s t a t c o m 作为 f a c t s 的重要成员受到普遍的关注。1 9 8 6 年，美国e p r i ( 美国电力科学研究院) 和西屋公司研制出士l m v a rs t a t c o m 投入运行，这是世界上首台采用大功率 g t o ( g a t et u m o f f t h y r i s t o r ，门极可关断晶闸管) 作为逆变器的静止补偿器。 1 9 9 1 年，日本三菱公司又研制出采用g t o 的士8 0 m v a rs t a t c o m ，并在犬山变 电站1 5 4 k v 系统中投入运行，维持了1 5 4 k v 系统长距离输电线路中点电压的恒 定，实现了提高系统稳定的目的。美国e p r i 与田纳西电力局、西屋公司合作， 在田纳西电力系统的5 0 0 k v 变电站建造了a - 1 0 0 m v a rs t a t c o m ，于1 9 9 6 年投尺 运行至今，运行状态良好。1 9 9 7 年，德国西门子公司研制的+ 8 m v a rs t a t c o m 在丹麦安装运行。2 0 0 1 年，美国纽约电力局研制的+ 2 0 0 m v a rs t a t c o m 在纽约 3 4 5 k v 变电站安装运行，是目前容量最大的s t a t c o m 工程。全世界已投入工业 运行的大容量( 1 0 m v a r 及以上) s t a t c o m 工程超过2 0 个，掌握并应用这一技 术的只有日本、美国、德国、英国和中国等少数国家【3 2 】。 在国内，1 9 9 4 1 9 9 9 年问，清华大学与河南省电力公司合作开发的+ 2 0 m v a r s t a t c o m 装置，历经试验样机、工业样机后，1 9 9 9 年完成最终的工业化装置， 安装于洛阳市朝阳变电站，并于同年3 月投入试运行【33 i 。2 0 0 6 年，由上海电力 公司、清华大学、许继公司联合研制的+ 5 0 m v a rs t a t c o m 在上海西郊变电站并 网运行【3 4 i 。 1 5 电压稳定的国内外研究现状 1 5 1 电压稳定性问题引起关注 6 广西大掌硕士掌位论文s t a t c o m 的运行特性及其对电压稳定性影响研究 电压稳定性问题最早是在二十世纪五十年代由前苏联的马尔科维剞3 5 j 提出。 由于受到研究手段和系统规模等条件的约束，一直没有很大的进展。 二十世纪七十年代以来，电压崩溃事故的频繁发生，引起了电力工作者的关 注，推动了电压稳定问题的研究【3 6 l 。i e e e 和c i g r e 分别成立了专门的工作小组 调查并讨论电压稳定问题。c i g r e 的3 8 0 l 工作小组在1 9 8 7 年3 月专门提出了 电网应按照防止电压崩溃的准则进行规划设计，2 0 0 0 年i e e e 完成了电压稳定研 究的最终报告1 3 6 1 。 从1 9 9 0 年开始，电压稳定性问题也受到我国电力学术界的重视。自最早的 关于“电力系统电压稳定性研究”的博士论文 3 7 3 8 】发表以来，已有1 0 多位博 士生对电压稳定进行了专门而深入的研究，发表了大量的学术论文。 总之，过去的2 0 多年来，国内外电力工业界兴起了电压稳定性研究的热潮， 使电压稳定问题成为一个电力系统热门课题。 1 5 2 电压稳定的定义及分类 电压稳定性问题虽然研究了很多年，但是到目前为止，学术界还没有给出一 个公认的严格定义。 国际上的一些著名学者c h a r l e sc o n c o r d i a l 3 9 】、t a y l o rcw t 矧、k u n d u rp 都 曾对电压稳定做过定义。 电力系统的两大国际组织c i g r e ( 国际大电网会议，c o n s e i li n t e r n a t i o n a ld e s g r a n d sr e s e a u xe l e c t r i q u e s ) 和i e e ep e s ( 国际电气与电子工程师学会电力工程 分会，i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ，p o w e re n g i n e e r i n gs o c i e t y ) 也曾多次给出电力系统电压稳定的定义 4 2 - 4 7 j 。然而随着电网互联的不断发展、新 技术和新的控制手段的不断应用以及运行负荷水平越来越重，电压失稳的形态变 得更加复杂。c i g r e 和i e e ep e s 以前给出的定义已经不完全准确，于是，i e e e c 1 g r e 稳定定义联合工作组于近期给出了新的电力系统稳定定义【4 8 】。 我国电力系统安全稳定导则【4 9 】对电压稳定的定义为“电力系统受到小的或大 的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围之内，不发生电压崩溃的能 力”。 i e e e c i g r e 将电压稳定分为小二_ i 扰电压稳定和大干扰电压稳定，如图1 1 所示 4 8 】。行标d l 7 5 5 2 0 0 1 将电压稳定分为静态电压稳定和大干扰电压稳定，如 图1 2 所示【4 9 j 。 其中，大干扰电压稳定是指电力系统遭受大干扰如系统故障、失去发电机或 线路之后，系统所有母线保持稳定电压的能力。小干扰电压稳定是指电力系统受 到诸如负荷增加等小扰动后，系统所有母线维持稳定电压的能力。静态电压稳定 是指系统受到小扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压 7 广西大掌硕士学位论文 s t a t c o m 的运 亍特性及其对电压稳定性影响研究 崩溃的能力。 图1 1i e e e c i g r e 的分类 图l 2 行标d l 7 5 5 - 2 0 0 1 的分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o nb yi e e e c i g r e f i g 1 - 2c l a s s i f i c a t i o nb ys t a n d a r dd l 7 5 5 2 0 0 1 文献 5 0 5 l 】在介绍和比较国内外电力系统稳定定义和分类的基础上，分别分 析了不同定义和分类情况。 1 5 3 电压稳定的主要研究方法 目前，根据电压稳定的特点，对电压稳定的研究已有了多种分析方法和手段， 包括各种静态分析方法、动态分析方法、非线性动力学方法和电压稳定的概率分 析。 静态电压稳定分析方法主要是通过代数方程来计算分析。静态电压稳定一般 都是建立在系统潮流方程或改进的潮流方程基础上来进行研究的。其分析方法包 括潮流多解法【5 2 】、灵敏度分析法【5 3 - 5 4 1 、最大功率法【5 5 】、奇异值分解( 特征值分析) 法【5 硝7 】等。该分析方法是建立是潮流分析基础上的，是用系统潮流方程平衡点的 存在与否来判断系统电压是否稳定，主要是用来评估电力系统在稳态时，尤其是 在当前运行状态下的电压稳定情况。如果所求方程没有潮流解，那么系统不存在 稳定平衡点。系统方程的潮流解存在与否只是静态电压稳定的必要条件，但是以 此往往可以判断出静态电压稳定情况。 动态电压稳定分析方法主要是通过微分一代数方程来计算分析。电力系统动 态电压稳定可用一组微分、差分和代数方程( d i f f e r e n c e d i f f e r e n t i a l a l g e b r a i c e q u a t i o n s d d a e ) 来描述f 3 6 1 ，即考虑了系统的动态特性，如发电机、励磁系统、 有载调压变压器、负荷等元件的动态特性。根据扰动大小，可分为小扰动稳定和 大扰动稳定；根据响应时间长短，可分为暂态稳定、中期稳定和长期稳定。目前 动态电压稳定的分析方法主要有动态潮流法，时域仿真法，小干扰分析法等几种。 1 5 4 静态电压稳定的主要指标和判据 电力系统电压稳定指标是对系统接近电压崩溃程度的一种度量，一般分为状 态指标和裕度指标1 5 8 - 5 9 1 。状态指标只读用当前的运行状态信息，计算比较简单， 但一般存在非线性。裕度指标的讨算涉及到过渡过程的模拟和临界点的求取问 8 广西大掌硕士掌位论文s 1 a t c o m 的运 亍特性及其对电压稳定性影响研究 题，蕴涵的信息量较大，能够考虑各种限制的发生，但计算速度较慢，而且事先 要设定过渡过程。 目前常用的静态电压稳定指标有灵敏度指标，特征值、奇异值指标，裕度指 标，以及基于一般潮流解的电压稳定指标l ，基于多潮流解方法的临近电压崩溃 指标v i p i ，能量函数指标，基于近似等效方法的阻抗模、局部指标、二阶指标 镌键【6 0 - 6 5 】 1 t l to 1 6 本文的主要工作 电力系统电压崩溃事故的屡屡发生，引起了电力工作者的关注，国内外兴起 了电压稳定性问题研究的热潮，如何提高电力系统的电压稳定性的问题成了一个 独立的研究领域。当柔性交流输电技术出现后，世界各地的工作人员对其进行了 大量的研究，而作为其重要成员之一的s t a t c o m 也越来越受到人们的关注。研 究表明，s t a t c o m 不仅可以抑制电力系统同步振荡，提高系统功角稳定性以及 电网输电能力，而且由于它并入电网可以影响系统的无功功率的分布，因此也可 以用于提高电力系统的电压稳定性。 本文将主要研究s t a t c o m 装置的v - i 特性、安全运行区域、稳态功率与电 流、开环稳定性等运行特性，并考虑系统并入s t a t c o m 装置后，对系统电压稳 定性的影响情况。此外，本文将常用于电力电子装置建模的开关函数法引用到 s t a t c o m 装置上，建立了s t a t c o m 的开关函数模型。该模型中引入了单极性 二值逻辑开关函数，能够反映s t a t c o m 的内部特性和物理过程，为进一步研究 s t f 诃c o m 提供了一种新的模型方法。 本文的主要思路和具体工作安排如下： ( 1 ) 静止同步补偿器的介绍。介绍了静止同步补偿器的基本结构、工作原理、 等效电路，推导了静止同步补偿器的一般建模方法，重点分析了静止补偿器的 v 1 特性、安全运行区域、稳态功率与电流、开环稳定性等运行特性。此部分的 内容主要在第二章中作了介绍。 ( 2 ) 基于开关函数的s t a t c o m 建模与分析。s t a t c o m 的传统建模方法有拓 扑建模法和输出建模法两种。拓扑建模法所建模型与其电路拓扑结构有关，其复 杂程度将随开关数的增加而呈指数级增加，且不易形成统一的数学表达式；输出 建模法通常将装置等效为一个电源，或其他一些阻抗形式，所建模型较为简单， 但是该建模方法忽略了装置内部信j 息，不利于内部特性分析。本文采用的开关函 数建模法根据变换器的物理特性和拓扑结构，列出电路方程，通过求解这些方程， 得出装置的内部特性和物理过程。仿真结果验证了模型的正确性，并进一步验证 了s t a t c o m 对电嘲无功补偿，提高系统电压稳定性的积极作用。此部分内容在 9 g - 西大掌硕士掌位论文s t a t c o m 的运行特性及其对电压稳定性影响研究 第三章中进行了具体的分析。 ( 3 ) 基于特征结构法的电力系统电压稳定计算与分析。特征结构分析法作为研 究静态电压稳定的一种重要方法，在实际电力系统中得到了较为广泛的应用。该 方法以最小模特征值作为系统接近电压不稳定的量度，以电压灵敏度和参与因 子为指标，判断全电网中最有可能发生电压不稳定的节点和区域，从而为 s t a t c o m 的配置提供依据。对w s c c 3 机9 节点系统进行的仿真计算证明 了所提模型和方法的正确性和有效性，验证了s t a t c o m 对电压稳定的积极 作用。此部分内容主要在第四章中作了介绍。 ( 4 ) 结论与展望。对全文进行了总结，给出了本研究所得到的结论及创新点， 并对s t a t c o m 的后续研究工作给出了展望。此部分的内容主要在第五章中作了 介绍。 1 7 本章小结 本章首先介绍了f a c t s 和s t a t c o m 的基本概念、特点及其研究现状，然 后介绍了电压稳定的国内外研究现状，包括电压稳定的定义及分类、电压失稳现 象及其机理、电压稳定的主要研究方法、静态电压稳定的主要指标和判据。最后 介绍了本研究的主要内容和思路。 l o 广西大掌硕士掌位论文s t a t c o m 的运行特性及其对电压稳定性影响研究 第2 章静止同步补偿器的运行特性 2 1 引言 静j i ：同步补偿器，也有称a s v g ，s v g ，s t a t c o n 和a s v c 。1 9 9 5 年国际高 压大电网会议与电力、电子工程师学会建议采用静止同步补偿器s t a t c o m 。 s t a t c o m 是柔性交流输电系统的核心装置和核心技术之一，它应用了新一 代的电力电子器件和现代控制技术，具有补偿系统感性和容性无功、提高系统功 率因数、改善电能质量、提高电力系统稳定性等多重功能【6 6 1 。s t a t c o m 的核心器 件是全控型开关器件组成的自换相逆变器，而小容量储能元件则构成其无功补偿 装置。与现有的静止无功补偿器s v c 相比，s t a t c o m 具有反应速度快、调节范围宽 等优点。自问世以来，就引起各国电力科研和工业界的广泛重视，得到了迅速发 展和应用，它是目前用于电力系统中性能最好的无功补偿装置，是柔性交流输电 系统的核心【2 2 l 。 静i e 同步补偿器的出现大大改善了输配电系统的控制手段和控制策略，不但 能完成传统的无功功率补偿、提高功率因数、减少线损率的功能，同时还具有稳 定节点电压、阻尼系统振荡、改善系统动静态性能等功能。同传统的静止无功补 偿器s v c 相比，它在性能一卜具有极大的优越性，并且受到越来越得到广泛的重视， 必将取代s v c 成为新一代的无功电压控制设备。 2 2s w 汀c o m 的基本原理 s t a t c o m 的主电路结构如图2 1 所示。其主电路主要包括电压源变换器和 作为储能元件的电容，变换器通过连接电抗或变压器接入系统。当系统有无功功 率和有功功率的需求并发出指令时，s t a t c o m 会适当地调节变换器交流侧输出 电压的幅值和相位，使之与系统电压的幅值和相位保持一致，以期实现动态无功 补偿的目的。 在理想情况下( 忽略线路阻抗和s t a t c o m 的损耗) ，s t a t c o m 的输出可 等效町控电压源，其相位与系统理想电压源以一致( 见图2