毕业设计-SSSC在抑制系统振荡中的研究

PAGEPAGEI密级：公开科学技术学院NANCHANGUNIVERSITYCOLLEGEOFSCIENCEANDTECHNOLOGY学士学位论文THESISOFBACHELOR（2007—2012年）题目SSSC在抑制系统振荡中的研究学科部： 专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：起讫日期：目录摘要 IAbstract II第一章绪论 11.1课题的背景及意义 11.2国内外研究现状 11.3本文的主要内容 1第二章SSSC的稳态特性分析 22.1SSSC的基本原理 22.2SSSC的稳态特性分析 32.2.1功角特性分析 32.2.2SSSC调节线路电流 32.2.3调节线路输送功率 42.2.4SSSC的注入功率的计算 72.2.5注入电压对输送功率的影响 7第三章基于MATLAB的系统仿真 83.1系统模型的建立 83.2仿真分析 8第四章结论 13参考文献 14致谢 15PAGEISSSC在抑制系统振荡中的研究专业：学号：学生姓名：指导教师：摘要静止同步串联补偿器(staticsynehronousseriescompensator，SSSC，是一种基于电压源型逆变器(VoltageSourceConverter，VSC)的串联型系统特性数调节装置。它对于提高线路输电容量，优化网络潮流以及增强系统稳定性均具重要的作用。本文给出了SSSC包括上层系统级，中层装置级和底层器件级在内分层控制结构，并针对各级别的特点给出了具体控制内容。主要针对SSSC上层统级和中层装置级两个部分的数学模型和控制策略等关键技术问题进行深入研究。其中，SSSC的中层装置级控制策略是系统级与器件级控制策略之间的重要的衔接环节。频振荡控制器的思路与方法，以及对于发电机阻尼力矩的作用。为了克服小信号方法带来的误差，在系统级控制中应用了微分几何方法，实现了精确线性化，大大增强了SSSC增强系统阻尼的作用和性能。系数确定方法也进行了讨论。鉴于SSSC快速的响应特性以及对于SSR的免疫能力，使其成为一种用于抑制SSR的理想装置。将SSSC代替部分固定串联电容器的容量，从而形成混合串联补偿(Hybriasedescompensation，Hse)系统，在保证固定串联电容器补偿容量的基础上，具备了对于线路潮流的灵活控制能力，同时可以抑制由于固定串联电容器而引起的SSR。本文采用复数转矩系数和时域仿真相结合的方法研究了HSC对于SSR的抑制效果和影响。最后，基于实时数字仿真技术搭建了数字一物理闭环控制实验平台，提出了一种简单实用的大型电力系统的实时数字仿真器建模方法;以国内首个利用SVC抑制SSR的实际工程为背景，首次在此测试平台上开展了SVC抑制SSR的研究。对于SSR的抑制效果以及抑制过程当中所可能对交流系统造成的影响进行了深入分析。并对应用SVC和HSC抑制SSR抑制效果进行了对比分析。关键词:静止同步串联补偿器；分层控制结构；次同步谐振；实时数字仿真器AbstractStaticSynchronousSeriesCompensator(SSSC)isaseriesFACTSdevicebasedonVoltageSourceConverter(VSC),whichisappliedtocontrolpowersystemcharacteristicparameters.Itcanimprovetransmissionlinecapacity,optimizenetworkpowerflowandenhancepowersystemstability.Inthispaper,thecontrolcourseofSSSCwasdividedinto3levelswhichwerecomposedoftopsystemlevel,middledevicelevelandbottomswitchlevel.Andthenaccordingtocharacteristicofeachlevel,thecontrolobjectwasspecified.Asthemainconteng,themathmodelandcontrolstrategyofbothdeviceandsystemlevelwereanlyzedthoroughlyinthispaper.Astheimportantconnectionbetweentoplevelandbottomlevel,devicelevelcontrolhasthreeoperationmodeswhichwereanalyzedindetailr.ThestatespacemathmodelandreasonofcouplingbetweenoutputACvoltageandDCcapacitorvoltagedynamicprocesswereobtained.Twomethodswereappliedtorealizethedecouplingbetweentwocontrolapproach.Forthesystemlevelcontrol,thesovlingofPhillips一HeffronmodelofsinglemachineinfinitebussystemandmultimachinesystemincludingSSSCwasdescribedindetail.Basedonthismodel,thesmallsignalideaofdesignmethodfordampinglowfrequencyoscillationbySSSC,differenceofPhillips-HeffronmodelwhenSSSCdeviceleveloperateatdifferentmodeandthedampingtorqueprovidebySSSCwereanalysed.Forovercomingtheerrorcausedbysmallsingnalapproach,thedifferentialgeometryapproachwasappliedtosolvingsystemlevelcontrolwhichcanimprovesystemstabilitygreatly.BasedonthePhillips-Heffronmodel,themutualaffectionbetweenSSSCandexcitorwasanalysedinthispaperandthenExtendStateObserver(ESO)andEFLwerecombinedtoobtaincoordinatecontrol.ThedesignofparametersofnonlinearfunctioninESOwasalsodiscussed.ThefastresponsecharacteristicandimmunityforSSRofSSSCmakeitanidealdevicetosurppressSSR.WhenSSSCoperateininteadofpartofcapacity,thishybridcompensationsystemcannotonlyremainseriescompensationcapacitybutalsohavetheflexiblecapabilityofcontrolthepowerflow.Besides,theSSRthatisexcitedbyfixedcapacitorcompensationcanbedampedbySSSCefficiently.ThecomplextorquecoefficientmethodandtimedomainsimulationmethodwereusedtoanalysetheeffectionofhybridseriescompensationontheSSRandthecontrolapproach.Finally,RealTimeDigitalSimulatorisusedforestablishingadigital-physicalclosedloopcontroltestplatform,andasimpleandpracticalmethodofestablishingsimulationmodeloflargepowersystemwasproposed;basedonthefirstprojectinwhichSVCisusedfordampingSSRwhichisexcitedbyFixedSeriesCompensationinChina,thedampingperformanceandtheimpacttothepowersystemduringtheSSRdampingprocesswereanalysedintheplatformforthefirsttime.TheperformancedifferenceofSSRmitigationbetweenSSSCandSVCwasstudied.Keywords:SSSC;configuration;Phillips-Heffronmodel;SSR;RTDSPAGE10第一章绪论1.1课题的背景及意义我国电网的规模越来越大，输电距离长、容量大，加之电力市场化进程的加快，这些因素对系统的安全稳定性、灵活性都有更高的要求。提高系统稳定性、增加电网输电能力、改善无功分布和电压支撑将成为我国电网面临的关键技术问题。1980年美国西部电网两次大停电事故和2003年8月14日“美加大停电”，都暴露出电力系统的脆弱性和加强电力系统控制理论及控制手段研究的迫切性。电网存在问题的被动应对策略是对传统设备的加强，即更换导线、改进线路结构、提高输电电压等，而主动的应对策略是电力电子技术的使用。SSSC在提高系统稳定性、阻尼振荡、抑制SSR、增加系统输送容量等方面的技术特点，使其成为大系统稳定性控制的重要手段。SSSC能够通过控制电压幅值和功角，缩小等效输电电气距离，控制潮流，提高电网输电能力和单位走廊的输电容量，改善电网的稳定性。与目前我国正在研发和应用的其它AFCTS装置相比，SSSC直接控制系统状态量(电压幅值和相角)，具有控制范围广、响应快等特点。基于可关断器件的新一代AFCTS装置的技术核心是电压源逆变器，对SSSC关键技术的研究具有技术的先导性和辐射性，不论是从我国电网发展的需求还是从电力技术研究的要求，进行SSSC关键技术的研究都是必要的。1.2国内外研究现状FACTS装置的目的都是通过利用大功率电力电子器件的快速响应能力，达到对电压、有功潮流、无功潮流、系统稳定等的平滑控制，从而在不影响系统稳定性的前提下，在最优状态下提高系统输送能力，改善电压质量，达到最大可用性、最小损耗、最小环境压力、最小投资和最短的建设周期。1998年在美国电力公司的Niez变电站投运的UPFC(统一潮流控制器)装置，及2002年在NYPA的Macry变电站投入运行的CSC(可变静态补偿器)都集成了几种AFCTS装置的功能，其体现对潮流和稳定控制的关键组成部分就是SSSC。虽然目前世界上还没有单独的SSSC装置，但实际上己经投运的两个UPFC工程以及一个CSC工程都有单独作为SSSC运行的方式，因此可以说已经有SSSC的实际工程投入电网运行了。1.3本文的主要内容1.考虑SSSC内、外特性和不同应用层面，研究SSSC的分层控制结构。从开关的脉宽调制，装置自身逆变器输出电压的控制和在系统当中对于潮流以及稳定性的作用和影响，确定各层的数学模型、控制目标，明确各层之间的关系。从而能够为的SSSC数学模型、控制策略研究提供一条清晰的思路。2.分析精确线性化方法与近似线性化方法的区别，指出精确线性化方法的优势所在。为了能够将基于微分几何理论的精确线性化方法方法应用于SSSC系统级控制，本文给出一种坐标变换，由此可得到单机无穷大系统仿射非线性方程，随之可将微分几何方法应用于SSSC的系统级非线性控制策略的求解。针对本文的求解过程及特点，采用直接求解方法，过程简单、物理意义明确，避免了常规方法的复杂求解过程。所得到的控制策略较之常规方法得到的控制策略具有更好的性能。第二章SSSC的稳态特性分析2.1SSSC的基本原理FACTS装置提出了控制阻抗和电压的新方法，从而出现了基于晶闸管的控制阻抗的补偿方法，以及基于可关断器件的控制电压的补偿方法。传统的基于晶闸管的补偿方式—TCSC、SVC，是对线路纵向阻抗和横向对地导纳的控制，从而实现对线路功率、母线电等的控制。而基于可关断器件的补偿方式—SSSC、STATCOM是对电压的控制。SSSC的理图及相量图见图2-1、2-2，SSSC是基于可关断器件的新型串联补偿装置，通过在线路中串联幅值可调，与线路电流相角差为90’的电压来实现对线路纵向电压的控制，起到调节线路输送功率，抑制功率振荡、电压振荡，并影响线路两端母线电压及其相角等作用。图2-1SSSC原理接线图图2-2SSSC补偿作用相量图SSSC注入电压大小不受线路电流或系统阻抗影响，其注入可控电压与线路电抗压降相位相反(容性补偿方式)或相同(感性补偿方式)，可以起到类似串联电容或串联电感的作用，容性补偿时，在保持相同输送功率前提下，减小输电线路两端的压降和相角差，从而提高了系统的输送能力和稳定裕度。SSSC的-VI曲线见图2-3，SSSC的输出电压不受线路电流的影响，即在最大或很小线路电流时仍可以保持额定容性或感性输出电压，这与图2-4中TCSC的特性有较大的区别。考虑变压器漏抗压降后伏安特性曲线有很小的变化，迭加的漏抗压降分量与线路电成正比，线路电流越大附加分量就越大。图2-3SSSC的伏安特性图2-4TCSC的伏安特性2.2SSSC的稳态特性分析SSSC投入电网后对系统特性的影响取决于SSSC的稳态特性，由于SSSC独特的注入电压补偿方式，这种影响不同于以往对线路电抗或导纳进行补偿的AFCTS装置，因此，必须从SSSC稳态数学模型着手，详细分析投入SSSC后系统各变量的变化及其相互关系的变化，包括功角特性，线路电流、功率与注入电压的关系，PQ特性曲线，SSSC等值阻抗的特性，对沿线电压分布的影响等。做到对SSSC稳态特性全面、深入的分析，既是SSSC研究的重要组成部分，又是下一步研究的基础。2.2.1功角特性分析SSSC不是通过调节线路参数达到串联补偿的目的，因此系统功角特性的变化必然不同于串联电容补偿时的情况，本节的目的在于分析SSSC注入电压对功角特性的影响。SSSC通过控制注入电压幅值调节线路电流。设图2-3中、指容性补偿，感性补偿，X1、X2为SSSC两侧线路电抗（包括耦合变压器漏抗），则有图2-4所示特性。2.2.2SSSC调节线路电流SSSC通过控制注入电压幅值调节线路电流。设图2一3中、指容性补偿，指感性补偿，Xl、X2为SSSC两侧线路电抗(包括祸合变压器漏抗)，则有:（2-1）加入VSS前线路电流幅值为：（2-2）加入VSS后线路电流幅值为：（2-3）式(2-1)表明线路电流的相角不受注入电压珠的影响，幅值发生变化。式(2-3)表明，SSSC相当于向线路附加了一个注入电流值，从而使线路电流增加。这个基本特性是第三章SSSC潮流计算的出发点。容性补偿时随着注入电压幅值的增加，附加注入电流增加，使线路电流增加，其最大值取决于SSSC的补偿容量和线路输送容量的限制;感性补偿时随着注入电压幅值的增加，线路电流减小，存在一个零点，此时线路阻抗上的压降为零，线路输送功率为零。感性补偿注入电压继续增加，线路电流反向使功率倒送。2.2.3调节线路输送功率假设投入SSsC后仍保持线路两端电压的幅值和相角不变，则线路首端功率又和末端功率分别为:（2-4）（2-5）线路首末端有功功率和无功功率分别为：（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）因此，投入SSSC后的线路有功功率及首末端无功功率变化值为：（2-10）（2-11）（2-12）此无功功率包括线路和耦合变压器电抗上的无功功率以及SSSC注入的无功功率，可以计算线路电抗和耦合变压器漏抗上的总无功损耗为：（2-13）因此，SSSC注入无功功率为：（2-14）图2-5（a）为SSSC有功功率和无功功率的功角特性曲线。改变注入电压Vss可以改善功角特性，增加系统输送容量、提高系统稳定性。若假设V1=V2=V，即输电线路是对称线路，则上面公式可简化为：（2-15）（2-16）同样，线路电流可以简化为：（2-17）若=00，则有（2-18）SSSC注入电压对线路有功功率及无功功率有明显的控制作用，使功角特性曲线提高，有功功率最大值发生偏移，在相同功角差情况下提高了线路功率;或者在较小功角差的情况下保持相同的线路输送功率。容性补偿情况下可以有效的提高功角曲线，使加速面积减小、减速面积增加，从而提高了系统的静态稳定性。暂态情况下，SSSC注入电压的暂态控制和瞬间响应可以向系统提供阻尼力矩，改善系统稳定性。图2-5以未补偿时的功角曲线为基准，容性补偿情况下，VSS=0.2、=86.30时，P=Pmax=1.137，Vss=0.4、=82.80时，P=Pmax=1.278,Vss=0.6、=79.60时，P=Pmax=1.422。尽管达到最大值的角度减小了，但最大值随着SSSC注入电压的增加而增加。图2-6是不同功角情况下附加注入电压后线路输送功率的提升系数(与初始功率的相对增加百分比)，功角小且线路输送功率小时，输入电压的提升作用最明显，功角增加后提升系数急剧减小，占>50a后提升系数变化趋于平缓。图2-7表明SSSC在系统稳态运行实际功角区间内具有最大的提升系数，可以更有效的调节线路的输送功率，并比较了不同补偿电压对提升系数的作用。图2-6SSSC对输送有功功率的提升系数曲线图2-7SSSC注入电压对输送功率的作用2.2.4SSSC的注入功率的计算SSSC注入功率定义为SSSC注入电压和线路电流所决定的功率，因此有：（2-19）即SSSC注入有功功率为零，注入无功功率为：（2-20）通过定义直接计算的SSSC注入功率式（2-20）与通过线路无功平衡推出的SSSC注入功率式（2-14）是一致的。2.2.5注入电压对输送功率的影响根据SSSC补偿线路的攻角特性分析，如果假设线路两端功角差不变，线路输送功率P、Q与注入电压为线性关系，容性补偿时有功功率随着Vss幅值的增加而增加，感性补偿时则有功功率随着Vss幅值的增加而减小。对于式（2-6）、（2-7），当时，容性补偿情况下输送功率为初始功率的2倍，感性补偿情况下输送功率减小为零。图2-7为不同相角时线路输送功率与初始率比值P/P0随注入电压的变化曲线，同样对于式（2-15）、（2-16），当时，容性补偿情况下输送功率为初始功率的2倍，感性补偿情况下输送功率减小为零。SSSC通过注入电压调节线路电流，实现控制线路功率的目的，其注入无功功率是注入电压、线路两侧电压以及线路电抗的函数，其中只有注入电压是可控变量，这表特性分析严格体现了SSSC电压控制无功补偿的特点，另一方面说明了SSSC控制变与系统参数和变量之间的关系，这些关系是本论文深入分析SSSC稳态、暂态特性的基础。第三章基于MATLAB的系统仿真3.1系统模型的建立使用软件：MATTLAB--SimPowersys。模型搭建：利用SimPowersys中给出的模型建立图3-l所示系统。SSSC参数：串联整流器额定容量(MvA)：100最大注入电压(pu)：0.1串联整流器阻抗[RL]：0.16／30;0.16串联整流器初始电流[MagPhase]：0；0直流电压(V)：40000直流等效电容(F)：375e-6给定电压的最大变化率(p.u.／s.)：3注入电压调节器增益[KpKi]：[0.031.5]/8直流增益：[KpKi]：[0.1e-320e-3]DOP控制器参数：增益:0.08低通T(s):lOOe-3隔直时间常数T(s):l超前一滞后时间常数T:[10.1]输出限幅(pu):[-0.10.1]初始输入：6.1使用powergui工具运行该模型，自动设置各模块的初始化参数，使系统直接在稳态下运行。仿真时间60s，SSSC模块前l0s被屏蔽。运行结果显示：M1输出总功率1590MW、M2输出总功率650MW，其中M1发出功率分别以约790MW经L1、L2传输至负荷中心，潮流分布合理。图3-1SSSC仿真模型3.2仿真分析故障点选在输电线路L2中部l50km处，时间为模拟开始后30s，故障持续l0周波，故障类型为单相接地、两相短路障、三相短路接地3种故障。3.2.1单相接地分别模拟PODcontroller退出和投入时，线路L2有功振荡情况。模拟结果见图3-2。图3-2-1单相接地故障仿真结果(未投入)图3-2-2单相接地故障仿真结果(投入)说明：左右侧两图分别为POD-SSSC退出和投入时的线路有功振荡情况，图3-2-1为SSSC给定电压及输出电压，图3-2-2显示线路L2传输有功功率值。线路发生单相接地故障，因POD—SSSC未投入，其输出始终为零图3-2-1，线路L2有功振荡剧烈图3-2-2。SSSC投入后情形如图3-2-2所示，SSSC输出电压与给定电压相吻合，而线路L2有功振荡被有效的抑制。因此可明显看出，SSSC的投入使线路L2在故障时的有功振荡得到了很好的抑制作用。3.2.2两相短路故障选A—B两相短路故障，对系统在POD投入和退出情况下分别进行仿真，运行结果与单相故障相似，SSSC对故障后线路功率振荡有明显抑制作用，见图3-3。图3-3-1两相接地故障仿真结果(未投入)图3-3-2两相接地故障仿真结果(投入)3.2.3三相短路接地线路L2三相短路接地，两次仿真运行结果见图3-4。图3-4-1三相接地故障仿真结果(未投入)图3-4-2三相接地故障仿真结果(投入)可见，在各种故障情况下，PODcontroller控作用，通过图3-5可以更明显的看出这一点：制下的SSSC对于线路有功功率振荡具有良好的抑制左右，通过图3-5可以看出。图3-5仿真结果比较第四章结论整篇论文的核心是围绕静态电压稳定性问题研究展开的，在现有的奇异值分解法、特征结构分析法的基础上加入了新型柔性交流输电器件SSSC，在前人研究的基础上通过对以往SSSC电源模型和阻抗模型的分析，建立了更于电力系统计算的混合模型，建立了更适合电力系统潮流分析计算的SSSC电源、电抗模型，探究SSSC的安装位置对系统电压稳定性的影响，运用基于奇异值分解法的弱稳定性指标和最快负荷增长方式指标对IEEE14节点系统在不同扰动情况下对系统电压稳定性情况进行评估。运用特征结构分析法和最小特征值灵敏度指标对WSCCg节点系统在不同扰动情况下进行电压稳定行评估。对安装SSSC前后，系统薄弱节点薄弱区域在小扰动情况下，临近电压极限的距离进行判断，结果显示安装了SSSC装置之后，系统的电压稳定性得到了显著的提高。本章以基本原理分析为基础，着重讨论SSSC的稳态特性。SSSC具有与TCSC不同的功角特性，使其在功角较小或者线路输送功率较小情况下仍然可以保持稳定的功率提升作用。不论线路电流如何变化，SSSC可以保持额定容性或感性输出电压。假设线路两端功角差不变，线路输送功率P、Q与注入电压为线性关系，容性补偿时有功功率随着代，幅值的增加而增加，感性补偿时有功功率随着气幅值的增加而减小;投入SSSC后，线路PQ特性发生变化，可以在相同无功功率条件下，输送更多的有功功率;容性补偿时不论气取何值，补偿线路总等值阻抗始终为感性，不存在SsSC等