含统一潮流控制器的电力系统概率暂态稳定评估

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1、http:/ - 1 -含统一潮流控制器的电力系统概率暂态稳定评估含统一潮流控制器的电力系统概率暂态稳定评估 丁 明，吴红斌 合肥工业大学电气与自动化工程学院 安徽 合肥 230009 Email: 摘 要：摘 要：统一潮流控制器（UPFC）作为一种典型的 FACTS 元件，可以极大地改善电力系统的暂态稳定性。本文在详细分析了 UPFC 的模型和控制器后，利用基于非序贯蒙特卡罗仿真的抽样算法，从扰动的随机性和不确定性出发，来研究 UPFC 对电力系统暂态稳定性的影响，并以修改后的 EPRI-36 节点系统为例，进行了含 UPFC 元件的电力系统概率稳定评估。研究结果表明：UPFC 的仿真模型、

2、安装地点、控制策略以及网络结构等因素对系统的暂态稳定性有着重要的影响。证明了在理论计算和工程应用中，选择合理的 UPFC 仿真模型、安装地点、控制策略等因素的重要性。 关键词：关键词：统一潮流控制器；柔性输电系统；暂态稳定性；概率分析 1 引言1 引言 统一潮流控制器（UPFC）作为一种典型的 FACTS 装置，它是由两个共用直流侧电容 C的电压源逆变器组成，在对 UPFC 进行分析时，根据直流侧电容的不同特性，可以将 UPFC分为一种是计及电容器充放电动态过程的动态模型和一种不计及电容器充放电过程的模型，而 UPFC 的控制策略，则可以根据控制目标的不同，分为并联侧控制、串联侧控制以及串并联

3、的联合控制三种控制方式。 大量的研究表明1-6：UPFC 通过在电力系统中的应用，可以极大地改善系统的暂态稳定性。然而，对于一个具体的电力系统而言，在理论分析和工程应用过程中，UPFC 对于暂态稳定性的影响程度是与 UPFC 的仿真模型、安装地点、控制策略以及系统本身的网络结构等因素有关。此外，目前对于 FACTS 元件的研究多采用的是确定性方法，该方法通过设置确定的故障模式来进行暂态稳定性计算， 而电力系统扰动本身具有随机性和复杂性的特点， 因此确定性的分析方法显得有些不足。 概率分析方法则是根据扰动所固有的随机性和复杂性， 对系统的暂态稳定性进行统计评估， 从而可以弥补确定性方法的局限性，

4、 因此概率分析方法在电力系统中得到了充分的重视7-8。 本文通过对 UPFC 的模型和控制器进行分析后，从扰动的随机性和不确定性出发，利用非序贯蒙特卡罗抽样的仿真算法， 来研究UPFC对电力系统暂态稳定性的影响， 建立了含UPFC 的电力系统概率稳定评估体系， 并以修改后的 EPRI-36 节点系统为例， 给出了概率分析的结 _ 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20020359004) http:/ - 2 -果和相关的算例。研究结果表明：UPFC 元件的仿真模型、安装地点、控制策略以及系统的网络结构等对系统的暂态稳定性有着重要的影响， 证明了在理论计算和工程应用中， 选择合

5、理的 UPFC 仿真模型、安装地点、控制策略等因素的重要性，为进一步研究 FACTS 元件的实际应用提供了理论依据。 2 UPFC 的模型及控制系统 2 UPFC 的模型及控制系统 ViVj逆变器1逆变器2C m1m2Id1Id2IdVdP1P2T2T1Zl=1/Yij12图 1 UPFC 原理图 图 1 UPFC 原理图 Fig 1 The principle diagram of UPFC 如图 1 所示，UPFC 由两个共用直流侧电容器 C 的电压源逆变器组成，逆变器 1 通过变压器 T1并联接入系统，逆变器 2 通过变压器 T2串接入系统。m1、1为并联逆变器 1 的交直流电压比和触发

6、角；m2、2为串联逆变器 2 的交直流电压比和触发角。 2.1 UPFC 的模型分析 2.1 UPFC 的模型分析 如图 1 所示， UPFC 是由两个共用直流侧电容 C 的电压源逆变器组成， 当逆变器直流侧的电容容量足够大且忽略串并联变压器及 UPFC 的功率损耗时，可以认为直流侧两端的有功相等，即P1=P2，该模型称为不计及电容器动态过程的模型。 在计及电容器充放电动态过程时，其特性方程为： 21*PPdtdVVCd d= （1） 式中，P1表示并联侧逆变器 1 吸收的有功； P2表示串联侧逆变器 2 发出的有功，该模型称为计及电容器动态过程的模型。 2.2 UPFC 的控制分析的控制分析

7、 UPFC 作为一种典型的 FACTS 元件， 其多种控制功能可以自由切换。 可以根据控制目标的不同，分为并联侧控制、串联侧控制和串并联联合控制等三种。 UPFC 的控制系统为：并联侧采用定电容器直流电压 Vd控制和定交流母线电压 Vi控制；串联侧采用定线路的有功功率和无功功率控制，具体的控制系统框图见文献5。 3 非序贯的蒙特卡罗模拟仿真算法 3 非序贯的蒙特卡罗模拟仿真算法 http:/ - 3 -3.1 非序贯的蒙特卡罗模拟的概率仿真算法3.1 非序贯的蒙特卡罗模拟的概率仿真算法 由于电力系统扰动本身固有的随机性和复杂性， 确定性的分析方法只能针对某一具体的故障类型和故障方式对电力系统进

8、行暂态稳定的仿真计算， 因而具有一定的局限性。 根据电力系统扰动的不确定性和随机性， 采取概率分析的方法对电力系统的暂态稳定性进行评估对所研究的系统具有更广泛的意义。 本文采用基于非序贯的蒙特卡罗暂态稳定性仿真，一共模拟了以下 6 种等效故障模式：线路开路，线路短路，母线短路，断路器接地，断路器拒分，重合闸拒合等 6种等效故障模式。程序的流程框图如图 2 所示。 http:/ - 4 -开始读系统的原始数据蒙特卡罗概率故障抽样，I=1 抽样次数 1T=0分析故障方式形成支路状态信息、蒙特卡罗抽样故障类型 保护动 、作 重合闸以及后备保护动作时间？有线路故障 No由潮流计算结果确定正常运行 状态

9、形成微分方程并求解初值，、形成网络方程 并根据发电机 励磁器 ，UPFC等的影响修正 然后求解此时刻有故障和操作潮流和暂态稳定的接口处理，处理故障与操作方式 并求解网络方程应用梯形隐式积分法结合等效负荷解耦 ，、算法 求解发电机 励磁器 原动机 ，FACTS元件模型的微分方程 修正对网 ，络方程的影响 并求解之TTT+=？判断是否到达仿真时间 系统风险指标统计、风险指标计算 输出NoYesYesNoYesNo图 2 程序流程 图 2 程序流程 Fig .2 Flow chart 3.2 风险指标的定义 3.2 风险指标的定义 风险指标的定义， 可以分为节点层和系统层的风险指标， 本文采用系统失

10、稳概率 （PLOS）评价系统性能，其它的指标见文献8。 http:/ - 5 -4 算例算例 根据上述模型编制了软件， 对多个系统进行了计算， 这里给出了 EPRI-36 测试系统的结果。 4.1 计算条件 4.1 计算条件 系统的接线图见图 3，稳定计算数据取自文献9，各元件的技术和可靠性参数见文献8。基态情况下，发电机采用qE 、dE 、qE、dE变化的 6 阶模型；负荷采用恒定阻抗模型； 保护装置和重合闸的动作时间分别为： 主保护 0.05s， 后备保护 0.5s， 重合闸重合 0.6s，重合不成功时再度跳开 0.1s。为了突出对比性，设所有 UPFC 的线路故障率均为 0。在下面列出的

11、各表中， 误差为 0 所对应的方案为基准方案， 误差值表示与基准方案比较的相对误差。 图图 3 系统接线图系统接线图 Fig.3 System connection 4.2 方案设计及结果讨论 4.2 方案设计及结果讨论 根据 UPFC 的特点， 主要针对 UPFC 的模型、 控制策略以及安装地点等设计了不同的方案。 （1）UPFC 系统的模型比较系统的模型比较 表 1 和表 2 分别列出了，UPFC 安装在不同 14-10 输电线路（靠近 14 节点侧）和 5-4 输电线路（靠近 5 节点）时，UPFC 采用串并联联合控制的调节方式，针对 UPFC 采用不同的计算模型时的仿真结果。 表 1

12、UPFC 安装在线路 14-10 时对暂态稳定性的影响 表 1 UPFC 安装在线路 14-10 时对暂态稳定性的影响 Table 1. The effects of UPFC installed at Line 14-10 on transient stability indices UPFC 模型 PLOS (10-3)误差(%)不计及电容器动态过程模型4.985714 0 计及电容器动态过程模型 4.757143 -4.58 表 2 UPFC 安装在线路 5-4 时对暂态稳定性的影响 表 2 UPFC 安装在线路 5-4 时对暂态稳定性的影响 Table 2. The effects o

13、f UPFC installed at Line 5-4 on transient stability indices UPFC 模型 PLOS (10-3)误差(%)不计及电容器动态过程模型5.171429 0 计及电容器动态过程模型 4.885714 -5.52 http:/ - 6 -由表 1 和表 2 可以看出，UPFC 采取不同的仿真模型时，对系统的暂态稳定性影响不相同，因此不同的计算模型对于系统的暂态稳定性分析是不同的。对于不同的应用场合，必须采用不同的计算模型。 （2）UPFC 的不同安装地点比较 （2）UPFC 的不同安装地点比较 表 3 列出了系统中不安装 UPFC 以及 U

14、PFC 安装在不同的地点， 采用计及电容器充放电动态过程的仿真模型，UPFC 采用串并联联合控制的调节方式，系统的暂态稳定性计算结果。 表 3 UPFC 安装在不同地点时对暂态稳定性的影响 表 3 UPFC 安装在不同地点时对暂态稳定性的影响 Table 3. The effects of different PPFC location on transient stability indices UPFC 安装在不同的地点PLOS (10-3)误差(%) 无 UPFC 时 5.428571 0 5-4 线路 4.885714 -10.0 14-10 线路 4.757143 -12.4 由表

15、3 可以看出，对于本算例系统，纯交流线路未安装 UPFC 时，系统的失稳概率最大，而 UPFC 安装在线路 14-10 时，失稳概率最小。因此，该系统通过引入 UPFC 元件，提高了系统的暂态稳定性，但对于不同的安装地点，UPFC 对于提高系统稳定性的程度也不相同。当UPFC 安装在线路 14-10 时，系统的失稳概率明显优于 UPFC 安装在线路 5-4 上时系统的失稳概率。因此，UPFC 不同的安装地点对于系统的暂态稳定性也具有十分重要的影响。 （3）UPFC 的不同控制策略的比较 （3）UPFC 的不同控制策略的比较 表 4 和表 5 分别列出了 UPFC 安装在 14-10 和 5-4 线路时，计及电容器充放电的动态过程，UPFC 采用不同的控制策略时，对系统的暂态稳定性影响。 从表 4 和表 5 中可以看出： UPFC 不同的控制策略对于系统的稳定性有重要的影响，在本算例中，UPFC 不论是安装在线路 14-10 还是线路 5-4 上，采用串并联联合控制为的策略时，系统的失稳概率最小，而仅仅是进行串联控制时，系统的失稳概率最大，因此对于具体的混合系统，FACTS 元件的设置过程中，采取何种控制策略也是在设计过程中一个不容忽视的问题。 表 4 UPFC 安装在线路 14-10 时不同控制策略的影响 表 4 UPFC 安装在线路 14-10 时不同控