潮流計(jì)算中的FACTS通用模型

陳越 林亞君

摘要 VSC-FACTS（基于電壓源換流器的柔性交流輸電）的加入，使得在潮流計(jì)算中我們需要考慮由VSC-FACTS元件帶來的新的狀態(tài)變量和約束條件。由于VSC-FACTS類型較多，在考慮VSC-FACTS元件的影響時(shí)需要針對不同類型的設(shè)備逐一研究。建立通用vsc-FACTS潮流模型解決不同類型設(shè)備需要分類討論的問題。

【關(guān)鍵詞】VSC-FACTS 通用潮流模型 電壓源支路

1 潮流計(jì)算中的VSC-FACTS模型

所謂VSC就是一種直流側(cè)是電壓源的換流裝置，目前國內(nèi)外己投運(yùn)的基于全控性電力電子器件的FACTS裝置幾乎都是在VSC基礎(chǔ)上制造完成的。以下主要介紹常用的三種類型靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器SSSC、靜止同步補(bǔ)償器STATCOM、統(tǒng)一潮流控制器UPFC。

1.1 靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器sssc的原理及潮流模型

靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器SSSC是基于同步電壓源的原理，通過向線路注入一個(gè)與線路電流相差900的可控電壓，它不再利用電容器或電抗器或吸收無功功率來實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，而是通過產(chǎn)生一個(gè)具有可控幅值和相角、同步、近似正弦的電壓差來和系統(tǒng)交換無功功率實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，提高了可控性。之間的SSSC的等效電壓源的值;Ise_ji表示支路ji上的電流，注意是從節(jié)點(diǎn)j流向節(jié)點(diǎn)i。

1.2 靜止同步補(bǔ)償器STATCOM的原理及潮流模型

STATCOM按直流側(cè)電源性質(zhì)不同可分為電壓型和電流型兩種。直流側(cè)電源是電壓源的稱為電壓型STATCOM;直流側(cè)電源是電流源的稱為電流型STATCOM，這里主要介紹的是電壓型STATCOM。STATCOM通過快速控制全控性閥元件的導(dǎo)通和開斷，產(chǎn)生一個(gè)超前或滯后線路電流90°的可變大小的電壓，達(dá)到發(fā)出或吸收無功的目的。

根據(jù)其原理，相當(dāng)于在節(jié)點(diǎn)i上并聯(lián)了一條電壓源支路。所以在潮流計(jì)算中其模型如圖l（b）所示。在潮流計(jì)算中的約束條件為Re（Vsh_iIsh_j*）=0。其中Vsh_i.是接在節(jié)點(diǎn)i的STATCOM的等效電壓源的值;Ish_i是節(jié)點(diǎn)i與地之間的電流。

1.3 統(tǒng)一潮流控制器UPFC的原理及其潮流模型

UPFC作為第3代FACTS元件之一，是最有力、最全面的晶閘管控制裝置，由兩個(gè)共用直流側(cè)電容的電壓源變換器組成，變換器1通過并聯(lián)耦合器并聯(lián)接入系統(tǒng)，除了向變換器2提供有功功率外，還可通過并聯(lián)耦合器向系統(tǒng)吸收或注入無功功率，可看作是可控的并聯(lián)靜止無功補(bǔ)償器。變換器2通過串聯(lián)耦合器串聯(lián)接入系統(tǒng)，向線路注入一個(gè)幅值和相角可調(diào)的串聯(lián)電壓，控制線路的潮流，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相和端電壓調(diào)節(jié)等4種基本功能。

根據(jù)原理，相當(dāng)于在節(jié)點(diǎn)i上并聯(lián)了一條電壓源支路和在節(jié)點(diǎn)ij之間串聯(lián)了電壓源支路。潮流模型如圖l（c）所示，潮流求解約束條件為Re（Vsh_iIsh_i*）-Re（Vse_jilse_ji*）=0。其中的參數(shù)可參見前兩種FACTS模型。

2 潮流計(jì)算中的通用模型

針對上節(jié)列舉的各種類型的FACTS元件模型，可以看出各個(gè)模型都是將電壓源支路按一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合而成。其本質(zhì)上的原理是VSC可以用戴維南等值電路來表示，其中電壓源表示可以利用電力電子器件通過脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）控制VSC的電壓為一定值，阻抗表示變流器內(nèi)部等值阻抗。所以對于不同的FACTS元件，均可以根據(jù)其不同的原理用若干電壓源支路按一定的拓?fù)錁?gòu)成。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通用化

根據(jù)上述的分析可以給出如圖2所示的通用的拓?fù)鋱D（基于電壓源換流器的柔性交流輸電裝置通用的潮流模型。其中包括兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的串聯(lián)支路和并聯(lián)支路。當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)上有并聯(lián)支路，說明控制目標(biāo)為該節(jié)點(diǎn)電壓，當(dāng)某條支路上串聯(lián)了一個(gè)支路，說明控制目標(biāo)為該支路的潮流）。然后按照一定的關(guān)聯(lián)矩陣即可對應(yīng)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)FACTS元件類型。

關(guān)聯(lián)矩陣的概念：對于一個(gè)具有Nt個(gè)節(jié)點(diǎn)、B條支路且無自環(huán)的圖，關(guān)聯(lián)矩陣A=[a_ij]是一個(gè)Nt×B的矩陣，它的每一行對應(yīng)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一列對應(yīng)于一條支路，其中元素a_ij定義如：

3 結(jié)論

本文采用通用的潮流模型具有易于算法實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展性強(qiáng)，不需針對每一種特定的基于電壓源換流器的柔性交流輸電裝置設(shè)計(jì)專門的潮流模型和算法，可以大大降低應(yīng)用的難度。而且通過通用模型，可以根據(jù)控制目標(biāo)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的FACTS元件。

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