CN103457275A - 一种基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，包括以下步骤：测量所述无功补偿装置的安装点电压和控制点电压；计算控制电压偏差；建立无功补偿装置模型；计算得到受控交流电流源的幅值信号、频率信号和相角信号。该方法采用受控交流电流源与电网接口，通过控制交流电流源的电流幅值、相角和频率，特别是维持安装点电压相角超前交流电流源相角90°电角度，实现对无功补偿装置输出功率的理想控制。该方法容易扩展应用至风电机组、光伏发电系统、电池储能系统、海洋能发电系统、微型燃气轮机等各种与电网之间通过电力电子装置接口的发电系统，以及正在快速发展中、不断涌现的新型电力电子接口新能源发电系统。

Description

一种基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法。

背景技术

20世纪80年代以来，灵活交流输电系统（FACTS）技术在电力系统中的应用成为研究热点，其中，静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）因具备维持系统电压恒定、抑制低频振荡和电压闪变等功能，得到了越来越多的研究和应用，不断地有高电压等级、大容量的SVC和STATCOM装置用于我国电力系统。SVC通过控制两个反并联的晶闸管将电容器或电抗器并入到电网上或从电网中断开，以实现发出或吸收无功功率，其构成形式包括：晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管控制的高阻抗变压器（TCT）、晶闸管投切电容器（TSC）、TCR+TSC装置、TCR+固定电容器（FC）或机械投切电容器（MSC）。STATCOM利用可关断大功率电力电子器件（如IGBT，GTO等）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。STATCOM分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。

SVC和STATCOM等无功补偿装置的大量应用促进了其建模技术的研究，主要包含电磁暂态模型和机电暂态模型。电磁暂态模型详细考虑晶闸管和IGBT等电力电子器件的开通和关断过程，适用于装置功能检验、暂态过电压等研究。机电暂态模型则将电力电子器件的快速动态过程用一阶惯性环节等表示，适用于大型电力系统分析和控制研究。国内常用的PSASP和PSD-BPA电力系统仿真软件中含有几种SVC和STATCOM的机电暂态模型，然而这些模型主要根据SVC和STATCOM装置的物理结构和控制策略建模，未充分考虑这些装置在控制结构和并网特性方面的共性，建成的模型结构多种多样，与电网的接口形式也有导纳、电流等多种，不便于电力系统仿真软件的标准化实现，也造成了电力系统无功补偿装置模型的多样性和分析工作的复杂性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，该方法采用受控交流电流源与电网接口，通过控制交流电流源的电流幅值、相角和频率，特别是维持安装点电压相角超前交流电流源相角90°电角度，实现对无功补偿装置输出功率的理想控制。本发明提出的建模方法为现有各种无功补偿装置提供一种通用化的并网接口模型，并且容易扩展应用至风电机组、光伏发电系统、电池储能系统、海洋能发电系统、微型燃气轮机等各种与电网之间通过电力电子装置接口的发电系统，以及正在快速发展中、不断涌现的新型电力电子接口新能源发电系统。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

提供一种基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：测量所述无功补偿装置的安装点电压和控制点电压；

步骤2：计算控制电压偏差；

步骤3：建立无功补偿装置模型；

步骤4：计算得到受控交流电流源的幅值信号、频率信号和相角信号。

所述步骤1中，安装点电压包括安装点电压幅值V_TA、安装点电压相角q_TA和安装点电压频率f_TA；控制点电压包括控制点电压幅值V_T。

所述步骤2中的控制电压偏差用V_ERR表示，其表达式为：

V_ERR=V_REF-V_T   （1）

其中，V_REF为电压参考值幅值。

所述步骤3中的无功补偿装置模型包括辅助功能模型、电压控制主环模型、逻辑控制模型和电力电子器件延时特性模型。

所述辅助功能模型的输入信号包括线路有功功率P_L、安装点电压频率f_TA或线路电流I_L，其输出信号为辅助控制电压V_SCS。

所述辅助功能模型包括依次串联的测量环节、隔直环节、第一超前滞后环节、第二超前滞后环节、第一放大环节和第一限幅环节。

所述测量环节用

表示，其中T_r为测量时间常数；

所述隔直环节用

表示，其中T_w为隔直时间常数；

所述第一超前滞后环节用表示，其中T₁和T₂分别为第一超前滞后环节的时间常数；

所述第二超前滞后环节用

表示，其中T₃和T₄分别为第二超前滞后环节的时间常数；

所述第一放大环节的放大系数用K₁表示；

所述第一限幅环节的上限用V_SCSMAX表示，下限用V_SCSMIN表示。

所述电压控制主环模型的输入信号为综合误差电压V_Etotal，该综合误差电压V_Etotal由控制电压偏差V_ERR与辅助控制电压V_SCS叠加得到，其输出信号为连续控制输出导纳B_R，增益用K_SVS表示。

所述电压控制主环模型包括依次串联的第三超前滞后环节、第二限幅环节、第四超前滞后环节、第三限幅环节和第二放大环节；所述第三超前滞后环节的输出和第四超前滞后环节的输出分别通过第二限幅环节和第三限幅环节限幅，第二限幅环节和第三限幅环节的限幅上限均为V_EMAX，限幅下限均为V_EMIN；

所述第三超前滞后环节用

表示，其中A和B均为第三超前滞后环节的可调参数，T_s2和T_s3均为第三超前滞后环节的时间常数；

所述第四超前滞后环节用

表示，其中T_s4和T_s5均为第四超前滞后环节的时间常数；

所述第二放大环节的放大系数用K_SVS表示。

所述逻辑控制模型的输入信号为连续控制输出导纳B_R和控制电压偏差V_ERR，其输出信号为逻辑控制输出导纳

增益用K_SD表示；

（1）当V_ERR3DV_HI时，有 $B_R^{\′}=B_{\mathrm{MAX}}^{\′}+K_{\mathrm{SD}}(V_{\mathrm{ERR}}-\mathrm{DV});$

其中，DV_HI为整定的无功补偿装置可承受的电压偏差上限，

为所述电压控制主环模型的输出上限值，DV为整定的无功补偿装置电压偏差值；

（2）当DV_LO<V_ERR<DV_HI时，有

其中，DV_LO为整定的无功补偿装置可承受的电压偏差下限；

（3）当V_ERR<DV_LO时，有

其中，

为电压控制主环模型的输出下限值。

所述电力电子器件延时特性模型包括一阶惯性环节和第四限幅环节，所述一阶惯性环节用

表示，其中T_s6为一阶惯性环节的时间常数；

所述第四限幅环节的上限用B_MAX表示，下限用B_MIN表示。

所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4-1：将综合误差电压V_Etotal输入电压控制主环模型，得到电压控制主环模型输出的连续控制输出导纳B_R；再将连续控制输出导纳B_R和控制电压偏差V_ERR输入逻辑控制模型，得到逻辑控制模型输出的逻辑控制输出导纳

然后将逻辑控制输出导纳

经一阶惯性环节后，送入第四限幅环节，从限幅环节输出的信号经标幺值折算后作为受控交流电流源的幅值信号；

步骤4-2：将所述安装点电压频率f_TA作为交流电流源的频率信号；

步骤4-3：将所述安装点电压相角q_TA减去90°电角度，计算得到的角度值折算为弧度值，作为交流电流源的相角信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）可使SVC和STATCOM等各种无功补偿装置具备统一的并网接口模型，同时不影响无功补偿装置电压控制主环、逻辑控制、低频振荡等辅助控制策略的实现，便于在各种电力系统仿真软件或自编程序中实现标准化的无功补偿装置模型，同时有利于电力系统机电暂态和中长期动态分析工作的开展。

2）通过控制交流电流源的幅值、相角和频率实现对无功补偿装置输出功率的理想控制，物理概念清晰，简便易用，便于不同知识层次的科研开发人员和工程师掌握和使用。

3）具备通用性，容易扩展应用至风电机组、光伏发电系统、储能变流器、海洋能发电系统、微型燃气轮机等各种与电网之间通过电力电子装置接口的发电系统，以及正在快速发展中、不断涌现的新型电力电子接口新能源发电系统，应用前景广阔。

附图说明

图1是基于受控交流电流源的无功补偿装置模型整体结构示意图；

图2是辅助功能模型结构示意图；

图3是电压控制主环模型结构示意图；

图4是本发明实施例中无功补偿装置中受控交流电流源结构示意图；

图5是本发明实施例中两区域四机系统单线图；

图6是本发明实施例中有/无SVC情况下控制点电压示意图；

图7是本发明实施例中SVC输出的功率示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，提供一种基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：测量所述无功补偿装置的安装点电压和控制点电压；

步骤2：计算控制电压偏差；

步骤3：建立无功补偿装置模型；

步骤4：计算得到受控交流电流源的幅值信号、频率信号和相角信号。

所述步骤1中，安装点电压包括安装点电压幅值V_TA、安装点电压相角q_TA和安装点电压频率f_TA；控制点电压包括控制点电压幅值V_T。

所述步骤2中的控制电压偏差用V_ERR表示，其表达式为：

V_ERR=V_REF-V_T   （1）

其中，V_REF为电压参考值幅值。

所述步骤3中的无功补偿装置模型包括辅助功能模型、电压控制主环模型、逻辑控制模型和电力电子器件延时特性模型。

如图2，所述辅助功能模型的输入信号包括线路有功功率P_L、安装点电压频率f_TA或线路电流I_L，其输出信号为辅助控制电压V_SCS。

所述辅助功能模型包括依次串联的测量环节、隔直环节、第一超前滞后环节、第二超前滞后环节、第一放大环节和第一限幅环节。

所述测量环节用

表示，其中T_r为测量时间常数；

所述隔直环节用

表示，其中T_w为隔直时间常数；

所述第一超前滞后环节用

表示，其中T₁和T₂分别为第一超前滞后环节的时间常数；

所述第二超前滞后环节用

表示，其中T₃和T₄分别为第二超前滞后环节的时间常数；

所述第一放大环节的放大系数用K₁表示；

所述第一限幅环节的上限用V_SCSMAX表示，下限用V_SCSMIN表示。

所述电压控制主环模型的输入信号为综合误差电压V_Etotal，该综合误差电压V_Etotal由控制电压偏差V_ERR与辅助控制电压V_SCS叠加得到，其输出信号为连续控制输出导纳B_R，增益用K_SVS表示。

如图3，所述电压控制主环模型包括依次串联的第三超前滞后环节、第二限幅环节、第四超前滞后环节、第三限幅环节和第二放大环节；所述第三超前滞后环节的输出和第四超前滞后环节的输出分别通过第二限幅环节和第三限幅环节限幅，第二限幅环节和第三限幅环节的限幅上限均为V_EMAX，限幅下限均为V_EMIN；

所述第三超前滞后环节用

表示，其中A和B均为第三超前滞后环节的可调参数，T_s2和T_s3均为第三超前滞后环节的时间常数；

所述第四超前滞后环节用表示，其中T_s4和T_s5均为第四超前滞后环节的时间常数；

所述第二放大环节的放大系数用K_SVS表示。

所述逻辑控制模型的输入信号为连续控制输出导纳B_R和控制电压偏差V_ERR，其输出信号为逻辑控制输出导纳

增益用K_SD表示；

（1）当V_ERR3DV_HI时，有 $B_R^{\&prime;}=B_{\mathrm{MAX}}^{\&prime;}+K_{\mathrm{SD}}(V_{\mathrm{ERR}}-\mathrm{DV});$

其中，DV_HI为整定的无功补偿装置可承受的电压偏差上限，

为所述电压控制主环模型的输出上限值，DV为整定的无功补偿装置电压偏差值；

（2）当DV_LO<V_ERR<DV_HI时，有

其中，DV_LO为整定的无功补偿装置可承受的电压偏差下限；

（3）当V_ERR<DV_LO时，有

其中，

为电压控制主环模型的输出下限值。

所述电力电子器件延时特性模型包括一阶惯性环节和第四限幅环节，所述一阶惯性环节用

表示，其中T_s6为一阶惯性环节的时间常数；

所述第四限幅环节的上限用B_MAX表示，下限用B_MIN表示。

所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4-1：将综合误差电压V_Etotal输入电压控制主环模型，得到电压控制主环模型输出的连续控制输出导纳B_R；再将连续控制输出导纳B_R和控制电压偏差V_ERR输入逻辑控制模型，得到逻辑控制模型输出的逻辑控制输出导纳

然后将逻辑控制输出导纳经一阶惯性环节后，送入第四限幅环节，从限幅环节输出的信号经标幺值折算后作为受控交流电流源的幅值信号；

步骤4-2：将所述安装点电压频率f_TA作为交流电流源的频率信号；

步骤4-3：将所述安装点电压相角q_TA减去90°电角度，计算得到的角度值折算为弧度值，作为交流电流源的相角信号。

实现SVC输出功率的控制关键在于使其只输出无功功率，有功功率值维持为0。根据电力系统分析课程的基本知识，可知下述3式成立。

其中，

-复功率；

-电压相量，

-电流相量的共轭值，

-功率因数角，

S、P、Q分别为视在功率、有功功率和无功功率。

综上所述，实现SVC只发无功、不发有功的目标，维持

为90°即可。

实施例1

图4为无功补偿装置中受控交流电流源结构示意图，其中I_AC为注入受控交流电流源的电流幅值；在图5所示的常用两区域四机仿真系统中，采用本发明所提出的方法建立SVC控制装置模型，并通过变压器连接于母线8，在母线7-8之间一回线中点处发生三相短路故障的情况下，有/无SVC情况下控制点电压和SVC输出的功率如图6和图7所示。从图6可以看出，所实现的SVC能够有效支撑受控母线的电压；从图7可以看出，所实现的SVC输出的有功功率维持在0附近，输出的无功功率能够满足电压控制等目标的需求。证明了本发明提出的建模方法的有效性和实用性。

本发明具体实施方式以目前电力系统机电暂态分析最常用的SVC模型（PSASP软件中的3型SVC模型，也即PSD-BPA软件中唯一的SVC模型）为例，同样也适用于其它各种类型SVC模型和STATCOM模型。此外，本发明提出的建模方法容易扩展应用至风电机组、光伏发电系统、电池储能系统、海洋能发电系统、微型燃气轮机等各种与电网之间通过电力电子装置接口的发电系统，以及正在快速发展中、不断涌现的新型电力电子接口新能源发电系统。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：测量所述无功补偿装置的安装点电压和控制点电压；

步骤2：计算控制电压偏差；

步骤3：建立无功补偿装置模型；

步骤4：计算得到受控交流电流源的幅值信号、频率信号和相角信号。

2.根据权利要求1所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述步骤1中，安装点电压包括安装点电压幅值V_TA、安装点电压相角q_TA和安装点电压频率f_TA；控制点电压包括控制点电压幅值V_T。

3.根据权利要求1所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述步骤2中的控制电压偏差用V_ERR表示，其表达式为：

V_ERR=V_REF-V_T   （1）

其中，V_REF为电压参考值幅值。

4.根据权利要求1所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述步骤3中的无功补偿装置模型包括辅助功能模型、电压控制主环模型、逻辑控制模型和电力电子器件延时特性模型。

5.根据权利要求4所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述辅助功能模型的输入信号包括线路有功功率P_L、安装点电压频率f_TA或线路电流I_L，其输出信号为辅助控制电压V_SCS。

6.根据权利要求5所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述辅助功能模型包括依次串联的测量环节、隔直环节、第一超前滞后环节、第二超前滞后环节、第一放大环节和第一限幅环节。

7.根据权利要求6所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述测量环节用表示，其中T_r为测量时间常数；

所述隔直环节用

表示，其中T_w为隔直时间常数；

所述第一超前滞后环节用

表示，其中T₁和T₂分别为第一超前滞后环节的时间常数；

所述第二超前滞后环节用表示，其中T₃和T₄分别为第二超前滞后环节的时间常数；

所述第一放大环节的放大系数用K₁表示；

所述第一限幅环节的上限用V_SCSMAX表示，下限用V_SCSMIN表示。

8.根据权利要求4所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述电压控制主环模型的输入信号为综合误差电压V_Etotal，该综合误差电压V_Etotal由控制电压偏差V_ERR与辅助控制电压V_SCS叠加得到，其输出信号为连续控制输出导纳B_R，增益用K_SVS表示。

9.根据权利要求8所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述电压控制主环模型包括依次串联的第三超前滞后环节、第二限幅环节、第四超前滞后环节、第三限幅环节和第二放大环节；所述第三超前滞后环节的输出和第四超前滞后环节的输出分别通过第二限幅环节和第三限幅环节限幅，第二限幅环节和第三限幅环节的限幅上限均为V_EMAX，限幅下限均为V_EMIN；

所述第三超前滞后环节用

表示，其中A和B均为第三超前滞后环节的可调参数，T_s2和T_s3均为第三超前滞后环节的时间常数；

所述第四超前滞后环节用表示，其中T_s4和T_s5均为第四超前滞后环节的时间常数；

所述第二放大环节的放大系数用K_SVS表示。

10.根据权利要求4所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述逻辑控制模型的输入信号为连续控制输出导纳B_R和控制电压偏差V_ERR，其输出信号为逻辑控制输出导纳

增益用K_SD表示；

（1）当V_ERR3DV_HI时，有 $B_R^{\&prime;}=B_{\mathrm{MAX}}^{\&prime;}+K_{\mathrm{SD}}(V_{\mathrm{ERR}}-\mathrm{DV});$

其中，DV_HI为整定的无功补偿装置可承受的电压偏差上限，

为所述电压控制主环模型的输出上限值，DV为整定的无功补偿装置电压偏差值；

（2）当DV_LO<V_ERR<DV_HI时，有

其中，DV_LO为整定的无功补偿装置可承受的电压偏差下限；

（3）当V_ERR<DV_LO时，有

其中，

为电压控制主环模型的输出下限值。

11.根据权利要求4所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述电力电子器件延时特性模型包括一阶惯性环节和第四限幅环节，所述一阶惯性环节用

表示，其中T_s6为一阶惯性环节的时间常数；

所述第四限幅环节的上限用B_MAX表示，下限用B_MIN表示。

12.根据权利要求1所述的基于受控交流电流源的无功补偿装置模型的建模方法，其特征在于：所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4-1：将综合误差电压V_Etotal输入电压控制主环模型，得到电压控制主环模型输出的连续控制输出导纳B_R；再将连续控制输出导纳B_R和控制电压偏差V_ERR输入逻辑控制模型，得到逻辑控制模型输出的逻辑控制输出导纳

然后将逻辑控制输出导纳

经一阶惯性环节后，送入第四限幅环节，从限幅环节输出的信号经标幺值折算后作为受控交流电流源的幅值信号；

步骤4-2：将所述安装点电压频率f_TA作为交流电流源的频率信号；

步骤4-3：将所述安装点电压相角q_TA减去90°电角度，计算得到的角度值折算为弧度值，作为交流电流源的相角信号。

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