并聯(lián)儲能型FACTS元件對連鎖故障的影響

張晶晶，王政余，丁 明，何 劍，易 俊

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并聯(lián)儲能型FACTS元件對連鎖故障的影響

張晶晶1，王政余1，丁 明1，何 劍2，易 俊2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國電力科學(xué)研究院，北京100192)

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，電網(wǎng)的元件數(shù)量與日俱增，結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜，這對電力系統(tǒng)的安全運行與控制是一種挑戰(zhàn)。大電網(wǎng)之間的相互聯(lián)系使得供電可靠性在得到一定保障的同時也會出現(xiàn)將局部故障迅速傳播到區(qū)域電網(wǎng)甚至是全國電網(wǎng)從而引發(fā)連鎖故障的情況。研究了并聯(lián)儲能型FACTS元件在連鎖故障發(fā)生時所能起到的作用，在電力系統(tǒng)分析綜合程序中采用節(jié)點注入電流法建立其暫態(tài)的用戶自定義模型。仿真結(jié)果表明并聯(lián)儲能型FACTS元件能夠起到在一定程度上減少切機切負(fù)荷等控制量，抑制連鎖故障持續(xù)發(fā)生的作用。

并聯(lián)儲能型FACTS元件；暫態(tài)穩(wěn)定計算；連鎖故障；PSASP；負(fù)荷水平

0 引言

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)的擴大，連鎖故障帶來的后果越來越嚴(yán)重。2006年7月1日華中電網(wǎng)由于保護裝置誤動作以及安全自動裝置誤動作導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，電網(wǎng)解列[1]；2011年2月4日巴西由于保護誤動作，運行人員未能及時處理使停電范圍擴大，導(dǎo)致電網(wǎng)解列、頻率和電壓降低、大面積停電；2012年7月30日印度由于重負(fù)荷使保護動作，潮流大面積轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致功角振蕩、頻率崩潰、電網(wǎng)解列[2-4]。通過諸多的電力系統(tǒng)事故可以觀察到，連鎖故障的初始故障原因可能是由某一個元件或多個元件發(fā)生故障引起的，保護裝置動作后在向新的運行狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中，潮流的重新分布造成新一輪的保護或自動裝置動作，引發(fā)一系列相互關(guān)聯(lián)的事件，故障迅速擴散，導(dǎo)致電壓、頻率、功角振蕩以及大電網(wǎng)無序解列，最終形成一系列無法控制的連鎖性事件，致使系統(tǒng)崩潰，大停電事故發(fā)生。并聯(lián)儲能型FACTS元件綜合了傳統(tǒng)無功補償裝置的成熟技術(shù)，具有快速吸收或者釋放有功功率和(或)無功功率，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量[5-6]等作用，能夠?qū)B鎖故障產(chǎn)生一定的影響，本文對此進行研究。

本文采用PSASP軟件，使用其自定義建模(UDM)的功能搭建了并聯(lián)儲能型FACTS元件的暫態(tài)模型；這種模型適用于在電力系統(tǒng)中進行暫態(tài)分析計算，并能夠在具有保護模型的連鎖故障平臺仿真說明FACTS元件在連鎖故障發(fā)生時起到的作用，而且這種模型適用于可以簡化成電流源(或電壓源)的FACTS元件，具有一定的通用性。

1 并聯(lián)儲能型FACTS元件的暫態(tài)建模

目前FACTS元件的建模有多種方式。文獻(xiàn)[7]總結(jié)了FACTS元件建模采用的方法主要有兩種：拓?fù)浣７ê洼敵鼋７?；拓?fù)浣７椒ㄓ梦⒎謥砻枋鯢ACTS元件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，很難形成元件模型的統(tǒng)一表達(dá)式，目前輸出建模法使用較多。文獻(xiàn)[8]提出了利用附加節(jié)點注入電流法建立SSSC潮流模型的方法。文獻(xiàn)[9]采用輸出建模法建立了并聯(lián)型FACTS元件的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)模型。輸出建模法通常將FACTS元件等效成一個電壓源或電流源，便于簡化系統(tǒng)內(nèi)部裝置，更適用于圖形建模，有利于分析FACTS元件對系統(tǒng)的影響。因此，本文采用輸出建模法進行建模。

1.1 并聯(lián)儲能型FACTS元件的數(shù)學(xué)模型

FACTS元件數(shù)學(xué)模型的建立很大程度上取決于控制的選擇和變換器的簡化。研究表明電流源型變換器(CSC)和電壓源型變換器(VSC)均能在四象限范圍內(nèi)調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，而變換器的控制策略有內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制兩個層次[10-11]。外環(huán)控制器作為主控制器用于提供內(nèi)環(huán)控制器所需要的有功功率和無功功率控制的參考值，內(nèi)環(huán)控制則是根據(jù)外環(huán)控制提供的參考值實現(xiàn)有功和無功的輸出控制。由于PSASP軟件采用時域仿真時的發(fā)電機、負(fù)荷等看作節(jié)點電流注入源，因此采用節(jié)點電流法建立的暫態(tài)模型可以與原來軟件里的發(fā)電機負(fù)荷模型保持一致，使計算簡單[12]。同時由于PSASP軟件在進行暫態(tài)計算時對自定義模型的搭建有一定要求，所以本模型的輸出按照規(guī)定采用注入電流的實部和虛部。本文采用的并聯(lián)儲能型FACTS元件暫態(tài)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，Δ、Δ分別為頻率和電壓偏差信號；*、*分別為有功給定值和無功給定值，分別控制FACTS元件向系統(tǒng)注入的有功功率和無功功率；和是FACTS元件向系統(tǒng)注入的有功功率和無功功率，ITR和ITI分別為注入電流的實部和虛部。

(1)?外環(huán)控制

目前用于FACTS控制的方法有PID控制、反饋線性化控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、模糊邏輯控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方法[13-15]。本文根據(jù)PSASP軟件自定義建模的要求選擇較為簡單的PID控制。根據(jù)Δ=(+)/，當(dāng)遠(yuǎn)小于時電壓波動主要取決于無功是否平衡，但是當(dāng)與相差不大的時候，有功功率的變化也會引起電壓的變化，因此，在電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)加入有功前饋環(huán)節(jié)，用以消除有功變化量對電壓調(diào)節(jié)的影響。外環(huán)控制器的數(shù)學(xué)模型如圖2所示，其中pw、iw代表頻率-有功PI控制器的比例、積分系數(shù)，pv、iv代表電壓-無功PI控制器的比例、積分系數(shù)。

圖1 并聯(lián)儲能型FACTS元件暫態(tài)模型結(jié)構(gòu)

圖2 外環(huán)控制器的數(shù)學(xué)模型

(2) 內(nèi)環(huán)控制

內(nèi)環(huán)控制一般采用有功和無功解耦控制。無論將FACTS元件看作是電壓源型還是電流源型，它們都具有獨立的四象限有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)能力，所以可用下面的方程來表示。

(1)

(2)

式中，1、2是FACTS元件的慣性時間常數(shù)，則內(nèi)環(huán)過程簡化為如圖3所示的一階動態(tài)模型。

(3) FACTS元件注入系統(tǒng)的電流

依據(jù)節(jié)點注入電流法[16-18]選擇電流的實部和虛部為模型的輸出值，端口電壓跟隨電網(wǎng)電壓。FACTS元件接入系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

FACTS元件接入系統(tǒng)后滿足以下關(guān)系：

(3)

(4)

式中：U、U代表著并聯(lián)儲能型FACTS元件接入點處電壓的實部及虛部；sd、sq分別是并聯(lián)儲能型FACTS元件輸出電流s的實部和虛部。

由式(3)、式(4)可以推算出FACTS元件注入系統(tǒng)的電流為

1.2 并聯(lián)儲能型FACTS元件的PSASP暫態(tài)模型

依據(jù)式(1)、式(2)、式(5)及圖3建立并聯(lián)儲能型FACTS元件的PSASP暫態(tài)模型，分為三部分：有功和無功輸出模塊，電流注入模塊，能量限制模塊。能量限制模塊根據(jù)有功的吸收或發(fā)出與上下限進行比較，若超過限值則有功輸出為零。圖5所示模型中是母線頻率，是母線電壓，1為有功功率，2為無功功率，其他符號含義見參考文獻(xiàn)[12]。

2 連鎖故障仿真流程

連鎖故障仿真流程如圖6所示。

圖6 連鎖故障仿真流程

3 FACTS元件的安裝地點

文獻(xiàn)[19]提出一種采用向量場正規(guī)形理論，以非線性參與因子為依據(jù)，確定FACTS元件安裝位置的方法，分別采用節(jié)點電壓線性和非線性參與因子作為衡量指標(biāo)，得出在IEEE39 節(jié)點系統(tǒng)中輕載時8節(jié)點最能提高電壓穩(wěn)定性，重載時6節(jié)點是最適合安裝的地點。由于連鎖故障在重載時比較嚴(yán)重，初步選擇6節(jié)點作為安裝點。文獻(xiàn)[20]通過線路潮流介數(shù)評估FACTS元件在39節(jié)點系統(tǒng)中的優(yōu)化位置，通過觀察潮流介數(shù)大小綜合情況，6節(jié)點對系統(tǒng)的可能發(fā)生連鎖故障的影響比較大。由文獻(xiàn)[21]能夠得到脆弱性指標(biāo)中排第二位的5-6線包含了6節(jié)點，綜合選定裝設(shè)位置為6節(jié)點處。

4 算例分析

4.1 算例系統(tǒng)

本文將并聯(lián)儲能型FACTS模型放入IEEE 39 節(jié)點系統(tǒng)進行計算，研究其對連鎖故障的影響。將FACTS元件裝設(shè)在6節(jié)點，算例系統(tǒng)如圖7所示。線路兩側(cè)編號較小的節(jié)點側(cè)為i側(cè)，編號較大的節(jié)點側(cè)為j側(cè)，全網(wǎng)線路的兩側(cè)主后備保護均配備有三段式接地距離保護和相間距離保護[3]。

圖7 算例系統(tǒng)

4.2 算例1：正常負(fù)荷水平下的計算與分析

初始故障設(shè)置：預(yù)設(shè)0.2 s時線路11上50%處發(fā)生三相永久接地短路，線路9上i側(cè)距離III段保護定時器含有隱性故障，線路9距離III段出現(xiàn)誤動作。有無FACTS元件的系統(tǒng)最低電壓曲線如圖8所示，最大功角如圖9所示。

仿真結(jié)果：未加入FACTS元件時，線路11發(fā)生故障后，兩側(cè)主保護在0.24?s發(fā)出跳閘信號，線路11被切除。線路9上i側(cè)距離III段保護誤動作，0.24?s誤切除9線。不采取任何控制措施時，9線和11線切除后，線路18上潮流過載，距離III段保護于1.76?s動作切除線路18。此時系統(tǒng)解列成兩個電網(wǎng)，分別是31、32節(jié)點上發(fā)電機及其相關(guān)線路組成的小電網(wǎng)和其余部分組成的大電網(wǎng)。整個系統(tǒng)于1.94?s失去穩(wěn)定。而加入FACTS元件后，在9線和11線切除后，系統(tǒng)穩(wěn)定，沒有切除線路18，電網(wǎng)沒有解列。

圖8 正常負(fù)荷水平時線路11故障后系統(tǒng)電壓振蕩曲線圖

圖9 正常負(fù)荷水平線路11故障后系統(tǒng)最大功角曲線

由仿真結(jié)果可以看到，F(xiàn)ACTS元件可以阻止連鎖故障的進一步發(fā)生，減少線路的切除數(shù)目，能夠?qū)﹄妷旱姆€(wěn)定產(chǎn)生良好的作用，使系統(tǒng)供電質(zhì)量有所提高。

4.3 算例2：重載時的計算與分析

初始故障設(shè)置與算例1相同，假定全網(wǎng)各負(fù)荷、發(fā)電機出力增加50%為重載，重新進行仿真。有無FACTS元件的最低電壓曲線如圖10所示。

圖10 重載時線路11故障后系統(tǒng)電壓曲線圖

由仿真結(jié)果可以看到：重載時在11線路故障9線路誤動后，不采取任何控制措施時，加入FACTS元件時電壓瞬時恢復(fù)到0.7965?p.u.，比不加入FACTS元件要高，同時使系統(tǒng)電壓的振蕩頻率降低。通過后續(xù)事故鏈仿真(結(jié)果如圖11)，可以觀察到后續(xù)事故鏈減短，使得采用控制措施時切除線路減少，系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖11不同負(fù)荷水平下連鎖故障發(fā)展過程比較

4.4 算例3：輕載時的計算與分析

初始故障設(shè)置與算例1相同，假定全網(wǎng)各負(fù)荷、發(fā)電機出力減少50%為輕載，重新進行仿真，有無FACTS元件的最低電壓曲線如圖12所示。

圖12 輕載時線路11故障后系統(tǒng)電壓曲線圖

由仿真結(jié)果可以看到：輕載時加入FACTS元件能夠迅速使電壓恢復(fù)到1.0?p.u.附近，比未加入FACTS元件時電壓恢復(fù)值高。加入FACTS元件電壓波動較小，從0.97 p.u.到1.1 p.u.，維持在1?p.u.附近，而未加入FACTS元件時電壓波動范圍為0.91 p.u.到0.99 p.u.，而且波動明顯。本算例驗證了FACTS元件有迅速恢復(fù)電壓的作用。

不同負(fù)荷水平下連鎖故障的事故鏈的綜合比較如圖11所示，可看出：當(dāng)線路11故障線路9保護誤動，系統(tǒng)負(fù)荷較輕或過重時，F(xiàn)ACTS元件對系統(tǒng)的改善能力均較小；系統(tǒng)負(fù)荷水平適中時，F(xiàn)ACTS元件能夠較大幅度地改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.5 算例4：正常負(fù)荷水平FACTS元件裝設(shè)在不同母線的計算與分析

由圖13可看出FACTS元件裝設(shè)位置的不同會影響其對連鎖故障的作用，裝設(shè)于9線時效果比裝設(shè)于6線的效果稍差一些，裝設(shè)在6線處的效果明顯優(yōu)于裝設(shè)于39線處，裝設(shè)于39線處已不能起到調(diào)節(jié)作用。因此，F(xiàn)ACTS元件的位置選擇也很重要。

5 結(jié)論

本文對并聯(lián)儲能型FACTS元件的建模以及IEEE39節(jié)點系統(tǒng)算例仿真表明：輕載時系統(tǒng)發(fā)生故障引起的后果較輕，且不易發(fā)生連鎖故障，F(xiàn)ACTS元件在輕載時能夠提高電壓質(zhì)量，實現(xiàn)發(fā)生故障后的快速電壓穩(wěn)定。重載時易引起系統(tǒng)失穩(wěn)，時間上發(fā)展更為迅速，最終可能導(dǎo)致大停電事故發(fā)生，需要切除更多的發(fā)電機和機組才能使得系統(tǒng)保持穩(wěn)定，甚至需要主動解列電力系統(tǒng)；加入FACTS元件后，能夠減少事故鏈的長度，減少切除線路數(shù)目，提高系統(tǒng)的可靠性，平滑電壓波動。正常負(fù)荷水平下發(fā)生故障，F(xiàn)ACTS元件能夠阻止連鎖故障的發(fā)生，減少切機切負(fù)荷等控制量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且FACTS元件的裝設(shè)位置也會影響其對連鎖故障的作用。

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(編輯 魏小麗)

Influences of FACTS element with energy storage on cascading failures

ZHANG Jingjing1, WANG Zhengyu1, DING Ming1, HE Jian2, YI Jun2

(1. School of Electrical and Automation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

With the development of power grid construction, there are more elements and more complex grid structures in the power system, which is a challenge to its safe operation and control. The link between bulk grids can make power supply reliability be guaranteed, but at the same time the local fault can be quickly spread to the regional and even national networks to trigger a cascading failure. This paper studies the effect of parallel FACTS element with energy storage to cascading failures when fault occurs, and node injection current method is adopted to establish its transient user-defined model by using power system analysis software package. Simulation results show that parallel FACTS element with energy storage can reduce the number of control measures like generator-shedding or load-shedding to a certain extent, and inhibit the progress of cascading failures.

parallel FACTS element with energy storage; transient stability calculation; cascading failure; PSASP; load level

10.7667/PSPC151259

2015-07-21；

2015-08-11

張晶晶(1977-)，女，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃及可靠性、電力系統(tǒng)繼電保護；E-mail：dragonzjj@126.com

王政余(1990-)，女，碩士，研究方向為FACTS元件對電力系統(tǒng)連鎖故障的影響。E-mail：813349675@qq.com

國家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項資助項目(SGCC- MPLG024-2012)；安徽省自然科學(xué)基金(1408085ME100)；國家留學(xué)基金資助