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1、基于 NETOMAC 自定义建模的 SVC 仿真探讨（仅供参考）摘要 本文以经典三机系统为背景,研究了静止无功补偿装置(SVC)简化模型,着重于利用德国西门子公司开发的电力系统软件 NETOMAC 软件进行 SVC 建模与仿真计算,并研究了 SVC 对系统电压的调节作用.通过介绍NETOMAC 自定义模块的特点为利用 NETOMAC 进行大规模电力网络及各类装置仿真提供实现思路.关键词 静止无功补偿器;电压稳定;仿真研究1 引言电力系统仿真计算是用数学模型代替实际电力系统,在计算机上用数值方法对系统的运行特性进行分析和研究的过程.现代电力系统规模不断扩大,线路、发电机等元件数以万计,运行方式复
2、杂多变,新型灵活交流输电(FACTS)装置等新的电力电子设备不断涌现,对仿真软件的功能和精度提出了更高的要求.静止无功补偿器(SVC)可以减小电压波动的幅度,在电网发生故障时起到电压支撑的作用,减少故障后电压跌落幅度, 提高故障后电网恢复能力,降低大面积停电或电压崩溃的可能性.本文针对当前国内电力系统正在推广应用的静止无功补偿器(SVC),用 NETOMAC 软件进行动态仿真建模,探讨 NETOMAC 中自定义建模方法并参考安全稳定行业标准分析验证 SVC 对系统电压动态安全稳定的影响 .2 NETOMAC 简介NETOMAC(Network Torsion Machine Control)是
3、德国西门子公司研制的电力系统仿真软件,能进行电磁暂态与机电暂态稳定、优化潮流等各种电力系统分析,几乎涵盖了电力系统所有的计算功能模块.经过多年的发展,该软件不断完善,功能日益强大,具有良好的开放性,可嵌入用户自行编制的 FORTRAN 语言子程序、数学表达式等.与其他电力系统仿真软件相比,其最大的特点是可以用模块化的语言模拟用户自定义的控制模块,例如:发电机励磁控制系统、原动机调速器、电力电子元器件触发电路等.软件还提供了对自定义模块的调试功能,在调试新装置或新控制算法时可以有针对性的输出关键的中间变量.NETOMAC 中有多种方式可实现自定义模型.常用的方式为在控制器段中编写控制器程序.一个
4、有效的NETOMAC 控制器程序由一系列 NETOMAC 基本控制语句组成.NETOMAC 基本控制语句包括自身带有的库调用, 以及某些宏调用和一些逻辑控制、流程控制语句.其中,宏调用是由一些库调用按照控制逻辑互相连接起来的稍大一些的程序.控制器程序之间也可以互相调用.自定义模块的过程就是利用这些控制语句和子程序,合理安排其逻辑关系,以实现一个具体的控制策略的程序块.具体来说,自定义模块通过在每个仿真计算循环中获取某些量,经过一系列运算后,对系统内某些物理量进行修改这种方式参与仿真迭代.自定义模块需要按照 NETOMAC 指定的方式选用合适的控制器类别,对于所获取的初始计算值和计算完毕后所修改
5、的物理量都必须严格按照 NETOMAC 规范.NETOMAC 使用特定关键词来获取指定节点或者线路上的物理量.表 1 为常用到的关键词、必须的参数以及获取的物理量,NETOMAC 的操作符、基本逻辑控制与流程控制语句如表 2 所示.3 SVC 模型及 NETOMAC 建模3.1 FACTS 技术与 SVC 简介灵活交流输电技术 FACTS 是近年来出现的一类新技术 .其作用是实现输送功率的合理分配,降低输电损耗和发电成本,大幅度提高系统稳定性、可靠性.FACTS 能使电力系统中的三个主要电气参数 :电压、线路阻抗和功角按系统需要迅速调整.因此,在不改变网络拓扑结构的前提下,使网络的功率传输能力
6、以及潮流和电压的可控性大为提高.表 1 NETOMAC 关键词Tab.1 Keywords of NETOMAC关键词 需指定的其他参数 对应的物理量B 节点名或支路名 A 相节点电压幅值或支路电流幅值( 标么值) W 节点名或支路名 A 相节点电压角度或支路电流角度(度) P 节点名或支路名 节点注入有功或者支路传输的有功(有名值) Q 节点名或支路名 节点注入无功或者支路传输的无功(有名值) O 节点名 节点处的频率(毫赫兹) 表 2 NETOMAC 操作符、逻辑与流程控制语句简介Tab.2 Brief introduction to NETOAMCs operators and stat
7、ements名称 解释INPUT 定义由调用方指定的输入变量,或取得某指定编号的块的值PD PD 控制器PI PI 控制器DE1 一阶滞后环节DE2 二阶滞后环节MULT 乘法器SETP-ACT 整定环节IF/THEN/ ELSE/ENDIF 带条件转移语句FACTS 设备具有快速灵活的无功功率控制能力,它对防止系统电压崩溃有重要作用,在电压稳定研究中也越来越得到重视.SVC 是常规 FACTS 设备 .其中,基于可控硅控制的电抗器 TCR 的基本结构是一个固定电抗器与一对反向并联的晶闸管串接,再与一个电容并联,见图 1(c).实际电路中使用的是晶闸管组 (一般 10 到 40 个并联)以满足
8、电压和电流的要求.控制系统通过改变晶闸管的触发角,调节一个周波内电抗通断时间的比例,从而改变 LC 并联电路的等效电抗或电容值.静止无功补偿装置(SVC)有几种类型,如图 1(a)的晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor-TCR) 和图 1(b)晶闸管控制电容器(Thyristor Switched Capacitor-TSC),以及这两者的混合装置 (TCR/TSC),或者如图 1(c)晶闸管控制电抗器与固定电容器(Fixed Capacitor-FC) 或机械投切电容器(Mechanically Switched Capacitor-MSC)混合使用的装
9、置(如 TCR/FC、TCR/MSC) 等.图 1(a) 晶闸管控制电抗器 1(b) 晶闸管控制电容器 1(c) TCR 与 FC 组成 SVCFig. 1(a) Diagram of TCR 1(b) Diagram of TSC 1(c) Diagram of TCR and FC3.2 SVC 控制框图及其实现本文所仿真的 SVC 装置结构如图 1(C)所示,由固定电容器(C)和晶闸管控制的电抗器 (TCR)组成,并采用维持电压恒定的 PI 控制策略,如图 2 所示.图 2 维持电压恒定的 PI 控制框图Fig.2 Block diagram of PI controller maint
10、aining constant voltage即: (1)(2)(3)其中:, , VS 为所需要控制的节点电压,通过一系列的控制 ,得到 SVC 调整的参数值 ,从而改变了所挂节点的注入无功.通过这种控制手段达到系统电压稳定的要求.图 3 所示为在 NETOMAC 中实现的一个完整的 SVC 模型,其中 REFNODEA 为指定安装 SVC 的节点名,REFNODEB 为观察节点名 ,Q_SVC 为 SVC 的安装容量.SVC 安装在较低电压等级侧母线,监测的电压可以取较高电压等级.上述三个量都是由调用方决定的,这也意味着此 SVC 模型可以在 NETOMAC 的网络文件中反复调用.这个 S
11、VC 模型采用了电流源控制器,通过监测安装点的电压幅值与观测点电压差值作为输入,以注入电流的大小( 分为实部和虚部)为输出.值得指出的是,SVC 模型可以有很多种实现方式 .可以采用可变导纳支路、可变功率支路和电流源、电压源等多种控制器.可变支路控制器需要在 NETOMAC 网络数据段中指出支路具有某种可变特性才可以使用后面控制器段定义的控制器程序.本文中给出的 SVC 模型保留了基本的一阶滞后环节等关键元件,将其他次要的控制环节简化乃至去掉,这不影响 SVC 在电力系统中的效果 .且在 NETOMAC 的实现上,被去掉的其他次要控制环节如何影响SVC 仿真过程是在自定义模块框架内的,意即对于
12、仿真过程的其他部分没有直接影响.从模型调试的角度看,这对于逐步建立复杂、详细的 SVC 模型或者其他元件的详细模型可以有效降低复杂度.图 3 NETOMAC 中实现的 SVC 模型Fig. 3 Source code of SVC in NETOMAC3.3 基于 NETOMAC 的 SVC 自定义模型的特点将基于 NETOMAC 的 SVC 模型与其它软件如 DSA(Dynamic Security Analysis)和 BPA 中的 SVC 模型与实现进行比较,可以发现三种工具由于研究目的不同而有不同的特点.DSA 并不对 SVC 装置的各个元器件进行详细仿真, 而是把 SVC 装置看作一
13、个整体进行仿真计算.BPA 软件提供了 SVC 模型的框图,针对 SVC 给出了 SVS 数据卡片.不过 BPA 下的 SVC 模型无法更改,特别不适用于研究新模型.而使用 NETOMAC 软件可以建立任意规模的SVC 模型 .上述的基于 NETOMAC 的 SVC 自定义模型是一个简化的 SVC 模型,去掉了晶闸管触发脉冲等环节的详细仿真,适用于运行中的电力系统总体仿真.实际上,SVC 中各个元件都可以在 NETOMAC 中建立详细模型,并且在自定义模块的框架内参与仿真过程.如研究重点是 SVC 装置及其参数选择时 ,这些元件在系统电压发生变化时都会有各自的变化过程,在电力系统总体仿真中会出
14、现电压波动的频率较高,幅值较小等改变.具体实现 SVC 模型时可以根据需要增加、减少或取消某些元件,以达到不同的研究和调试目的.4 SVC 模型的仿真研究将上述模型引入 NETOMAC 所带的 3 机 9 节点典型系统模型中,如图 4 所示,发电机均采用恒定模型,且 G1 发电机的励磁机使用 IEEE 的 DC1A 励磁模型,G2 发电机使用 IEEE 的 AC1A 励磁模型,G3 发电机使用 IEEE 的AC4A 励磁模型.三台发电机均带有调速机.负荷特性选择恒定阻抗负荷模型 .仿真计算的步长为 1 毫秒,故障情况为母线 7 三相短路接地 ,故障后 0.18 秒短路故障排除.SVC 装置安装
15、点为母线 8,容量为 20MVar.所有电压值均取标么值.系统在安装 SVC 前后的母线电压波形图如图 5 和图 6 所示.图中曲线从上往下依次为母线 B4 到 B7 的电压波形.在 0.18 秒切除短路线路后,系统电压很快恢复.分析数据可以发现,安装 SVC 后能提高母线稳态电压和故障时的最低电压,并且对电压的恢复稳定有促进作用,母线电压能更快的趋于稳定.具体数据见表 3.图 5 安装 SVC 前时故障前后母线电压波形图Fig.5 Post-fault voltage of three buses without SVC图 6 安装 SVC 后故障前后母线电压波形图Fig.6 Post-fa
16、ult voltage of three buses with SVC表 3 安装 SVC 前后故障前后的电压值比较Tab.3 Magnitude of the post-fault voltage with or without SVC母线电压(p.u.) 故障前稳态电压 故障时电压 故障后稳态电压安装前 0.997 0.790 - 安装后 1.015 0.840 1.025安装前 0.930 0.551 - 安装后 1.001 0.598 1.024安装前 0.950 0.680 - 安装后 0.963 0.695 0.977安装前 1.002 0 - 安装后 1.013 0 1.022安装前 0.976 0.217 - 安装后 1.0001 0.238 0.991安装前 1.003 0.544 - 安装后 1.004 0.556 1.0125 结束语使用 NETOMAC 建立 SVC 自定义模型 ,并安装到具体网络进行仿真调试是一项非常细致的工作.实际上,根据研究目的对 SVC 这类的装置进行简化建模是可以做到而且简化程度
