提高印度电力系统安全性的FACTS控制器优化配置方案

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报2（2015）161提高印度电力系统安全性的FACTS控制器优化配置方案Imran Khan，文学硕士Mallick，Malik Rafi，Mohammad Shadab Mirza印度勒克瑙Integral大学接收日期：2014年8月29日;接收日期：2015年3月11日;接受日期：2015年3月16日2015年9月14日在线发布摘要提出了一种提高电力系统安全性的FACTS运行方案。介绍了FACTS装置的三种主要类型。通过控制串联补偿器的有功功率解决线路过负荷问题，通过控制并联补偿器的无功功率解决低压问题。特别是采用UPFC等串并联组合补偿器，可以同时解决线路失稳和低压问题。本文采用了与线路潮流和母线电压有关的两种安全水平指标。它们被迭代地最小化以确定用于安全增强的设备的操作点。导出了各指标的灵敏度向量，以确定极小值的方向。该算法在IEEE 14节点系统上进行了验证，FACTS设备在正常条件下，并在线路故障应急。©2015 作 者 。 ElsevierB.V. 制 作 和 托 管 这 是 CCBY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：柔性交流输电系统;安全裕度;负荷系数; TCSC; SVC1. 介绍世界上大多数电力供应系统都是广泛互连的。这样做主要是出于经济原因，以降低电力成本和提高电力供应的可靠性随着电力传输的增长，电力系统的运行变得越来越复杂，并且系统在经历重大停电时变得不那么安全。通讯作者：Integral大学，电气电子工程，印度勒克瑙库尔西路，邮编226026联系电话：+91 9026244028。电子邮件地址：pe. gmail.com（I. Khan），mamallick@rediffmail.com（M.A.Mallick），malik rafi@rediffmail.com（M.Rafi），mmshadab@iul.ac.in（M.S. Mirza）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.03.0132314-7172/© 2015作者。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。162I. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161=2. 功率传输通过传输线传输的功率由功率等式表示，在等式中给出（一）.PV1V2sinδ（1）XV1和V2分别代表发送端和接收端电压。为了便于讨论，我们考虑V1=V2=V。众所周知，在给定的传输电压下，在无损耗线路上可传输的最大功率Pmax=V2/X完全由线路电抗X确定，并且因此设置了稳态功率传输的理论极限。电阻为R的实际线路的实际极限可能是由加热导体的I2R损耗在一定温度下导体的物理特性将不可逆地改变（例如，它可能会变形并永久下垂）。这为最大可传输功率设置了热限制。通常，对于长线X和短线R，将提供主传输极限。从功角方程可以推断，功率水平可以通过增加两个母线之间的角度差或通过增加两端的电压幅度从暂态稳定性考虑，角度差通常限制在30°/35°另一方面，电压幅值也不能任意增加，因为它们被规定在标称电压的5%以内（Amarreshaid和Billinton，1999;Kundur，1994;Sauer和Pai，1997）。因此，我们可以说，装载能力主要有三个限制：• 热• 介电• 稳定性对于热极限，有可能通过将导线更换为更高额定电流的导线来升级线路，这反过来又最后，有可能将单回路线路转换为双回路线路。一旦更高的电流能力可用，那么问题就出现了，应该如何使用它。这些额外的能量是否真的会流动并且是可控的？电压条件是否可以接受突然负载下降等情况？它可以通过线路的补偿来实现传统的补偿方法是采用机电一体化但是它们提供大的开关瞬态，并且补偿仅以逐步的方式实现。这些控制器的缺点是，不能频繁地启动控制，因为与静态装置相比，这些机械装置往往磨损得非常快因此，为了缓解或补偿不太安全和降低的供应质量，我们需要基于固态技术的补偿器电力电子设备，即，基于固态器件的柔性交流输电系统（FACTS）技术为控制功率和提高现有线路以及新线路和升级线路的可用容量开辟了新的机会。可以以合理的成本控制通过线路的电流的可能性使得能够实现增加具有较大导体的现有线路的容量的大的潜力，并且使用FACTS控制器中的一个使得相应的功率能够在正常和应急条件下流过这样的线路 这些改进是通过FACTS控制器控制输电系统运行的相关参数的能力实现的，这些参数包括串联阻抗、并联阻抗、电流、电压、相位角以及在低于额定频率的各种频率下的振荡阻尼（Hingorani和Gyugyi，2000年; Sauer和Pai，1997年）。从绝缘的角度来看，许多线路的设计非常保守。需要注意确保动态和瞬态过电压在限制范围内FACTS技术可用于确保可接受的过电压和潮流条件。限制传输能力的稳定性问题是：• 暂态稳定• 静态稳定• 频率崩溃• 电压崩溃• 次同步谐振I. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161163图1.一、FACTS装置的基本类型;（a）串联控制器，（b）并联控制器，（c）串并联组合控制器。3. FACTS装置的基本类型FACTS技术当然可以用来克服许多稳定性限制，在这种情况下，最终的限制将是热和介电。FACTS控制器有三个主要方面它们是并联控制器、串联控制器和相角控制器。这些控制器也被组合分类为组合串联-串联控制器和组合串联-并联控制器。图图1示意性地示出了FACTS装置的基本模型（Hingorani和Gyugyi，2000）。原则上，串联控制器与线路串联注入电压，并联控制器在连接点向系统注入电流。组合的串并联控制器利用控制器的并联部分将电流注入到系统中，并且利用控制器的串联部分将电压串联在线路中。表1列出了具有受控参数的FACTS设备的代表性类型（Haque，2008）。可控串补装置（TCSC）、静止同步串联补偿装置（SSSC）等系列控制器表1不同类型FACTS装置的比较研究FACTS控制器FACTS参数STATCOM（带储能系统）电压控制，无功补偿，阻尼Q振荡、暂态和动态稳定、电压稳定。静止无功补偿器（SVC、TCR、TCS、TRS）静态同步。串联补偿器可控串补（TCSC、TSSC）晶闸管控制串联电抗器（TCSR、TSSR）线间潮流控制器（IPFC）电压控制，无功补偿，阻尼振荡，暂态和动态稳定。电流控制，阻尼振荡，暂态和动态稳定，电压稳定。电流控制，阻尼振荡，暂态和动态稳定，电压稳定，故障电流限制。电流控制，阻尼振荡，暂态和动态稳定，电压稳定，故障电流限制。无功控制、电压控制、阻尼振荡、暂态与动态稳定、电压稳定。QPPPP和Q统一潮流控制器有功和无功功率控制，电压控制，无功功率控制补偿、阻尼振荡、暂态和动态稳定性。P和Q164I. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161图二、每个FACTS的有功功率和可控变量和TCPAR（晶闸管控制的相位角调节器）可用于减轻线路过载并提高传输能力（Sharma，2006; Gupta，2000）。 SVC（静止无功补偿器）和STATCOM（静止同步补偿器）等并联控制器可以通过在低压母线上直接或间接注入无功功率来补偿电压。UPFC（统一潮流控制器）等串并联组合控制器可以用于系统中以释放潮流拥塞以及支持电压，因为它结合了串联控制器和关断控制器的特征（Gotham和Heydt，1998）。在电力系统中安装FACTS时，有以下三个常见要求• 应安装哪种类型的FACTS装置• 它应该放在系统的哪个位置？• 它应该有多大的容量？本文着重于这些要求中的前两项。FACTS装置的选型和安装位置的确定与安装目的密切相关。例如，串联控制器安装在需要有功功率控制的线路中，并联控制器应用于承受低电压的母线以控制无功功率并支持电压。图图2示出了两个系统之间的有功潮流和每个FACTS设备的可控变量。如图2所示，串联控制器可以控制电抗，并联控制器可以分别控制发送端和接收端的电压大小。移相Transformer可以控制发送端和接收端的相位角。特别是，UPFC可以控制所有变量。虽然UPFC是一种多功能装置，但必须考虑安装成本并经济地安装FACTS装置在只需要电压补偿的情况下，应用并联控制器代替UPFC更经济同样，应用串联控制器代替UPFC可以降低仅控制流的成本（Yorino等人，2003; Haque，2008）。4. FACTS控制器优化配置的建议方法以下描述了用于FACTS控制器的最佳位置的命名的所提出的基于灵敏度的方法。I. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161165ΣΣ我Σn公司简介我公司简介=K我1+2ViViQG+VjQG我J IJ我JIJQGiQGjQGiQGiJ4.1. SVC的放置母线-i处的无功功率需求QDi，以一般形式（Ajjarapu和Christy，1992年），可以写为：QDi=QDib+λKDiSbasesinφi（2）QDib=在基本情况操作点处母线i处的无功功率需求;λ=所有基本情况共同的负载因数;KDi=显示母线i处的负载变化率的常数乘数;φi=第i条母线处增加的负载的功率因数角;Sbase=用于缩放到等效MVAR负载增加的MVA基本值母线i处的无功功率注入Qi可以由下式给出：Qi=QGi−QDi（3）其中QGi=母线i处的无功功率生成。在母线i处传输的无功功率QT可以表示为：nQTi=ViVjYijsin（δi−δj−θij）（4）j=1其中，Vi<$δi=母线i处的复电压;Vj<$δj=母线j处的复电压;Yij<$θij=Gij+jBij=母线导纳矩阵的第ij个元素;n=总数。系统中的巴士从Eqs。（2）QGi−（QDib+λKDiSbasesinφi）=nj=1ViVjYijsin（δi−δj−θij）=−V2Bii+nj=1=/1ViVjYijsin（δi−δj−θij）（5）部分微分方程（5）w.r.t. QGi提供灵敏度因子的表达式∂λ公司简介我1⎡Disinφ 我S碱∂λ我好吧j=1∂λ我∂λΣ+VVYsi n（δ−δ−θ）。δi −δj 中国（6）灵敏度系数λ与载荷系数w.r.t.无功功率产生的变化可以使用等式2来计算。（5）系统完整状态和所有负荷母线的临界事故。对于每种临界事故，具有最大正值λ λ的母线已被识别为SVC布置的潜在母线。采用改进的反应性支持指数（MRSI）识别关键应急事件偏导数<$Vj，<$δj（j= 1。. .n）在Eq. （5）可以从逆极坐标形式的全牛顿流的雅可比矩阵。由于电压稳定发生在鞍结分叉点（最大负荷能力点），因此应在接近最大负荷能力点的应力情况下计算灵敏度。在实际事故下的最大负荷能力点可以使用连续潮流法找到后的SVC的位置已经选择了总线的事故后的负载裕度可以计算为所有的调查停电情况下，负载总线产生最大的负载裕度增加的大多数严重的情况下已被选为SVC安装的最佳位置。4.2. TCSC的放置对于TCSC的放置，负载因子的线性灵敏度-（λ）w.r.t.线路电抗（比如连接在母线i和j之间的线路- K的Xij为（Yijsin（δi−δj−θij））166I. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161了得到该灵敏度系数序列的近似关系式，I. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161167nn⎝⎟⎠====IJX2ijijX我Xj1Xij=/1j1Xij=/1J线路的电抗被忽略。有了这个假设，无功功率平衡方程。（5）可以写成：2⎛⎜Σ1⎞⎟第五节πΣQGi−（QDib+λKDiSbasesinφi）=ViBsh，i−j1Xij+=/1我j1Xij=/1杰辛δi−δj−2=V2B-你好1张照片+照片ViVjcos（δ-δ）（7）Ysh，i=Gsh，i+jBsh，i=母线−i处的并联导纳灵敏度因子的表达式通过对（7）w.r.t.线I-J的电抗，这产生的线路电抗∂λXij =KDi1硫代巴比妥碱sinφiVi[V−Vcos（δ−δ）]（8）其中假定通过线路I-J的无功功率流计算了每条线路在某一应力点严重停运工况下的λ灵敏度IJ接近最大负载能力点。在该第一步骤中，具有最负的λ的IJ确定了TCSC安置的关键应急情况的敏感系数后应急款在TCSC布置在每个候选线路中之后计算负载裕度TCSC的最佳位置已被认为是在一条线上产生最大的增强负载裕度后，TCSC的放置大多数的关键。4.3. UPFC的位置统一潮流控制器（UPFC）是一种兼具并联和串联FACTS控制器功能的控制器，可提高系统的负荷能力或稳定裕度。为了提供并联控制器动作，它可以被建模为UPFC总线处的恒定电压（可变无功功率）源对于串联控制器动作，它可以被认为是其所在线路中的在这项工作中，没有考虑UPFC的相移效应。UPFC在线路中的放置具有最负的负载系数相对于线路电抗的灵敏度，朝向总线具有最大的负载系数相对于无功功率产生的灵敏度的正值，预计会导致负载裕度的最大增强。然而，在电力系统网络中，具有关于无功功率产生的负载因数的灵敏度的最大值的母线可以不必连接到具有关于线路电抗的负载因数的灵敏度的最高因此，建议将UPFC布置在SVC布置具有高优先级的母线处，同时作为TCSC布置具有高优先级的线路的末端母线之一5. 案例研究所提出的FACTS控制器的放置方法已被应用到IEEE 14节点印度系统。5.1. ieee14节点系统所有负载母线的灵敏度系数均采用方程计算（6）对于完整系统情况和这些临界意外事故中的每一个，在接近鞍结分叉点（最大载荷能力点）的载荷值表2中给出了在每种关键应急情况下以及完整系统情况下负载母线的这些灵敏度系数的值。 从该表中可以观察到，总线-8具有最大正值sh，i我168I. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161−−- − −- −表2负载总线的值QQ1.49 1.23 1.94 1.67 1.15 3.18 2.89的最多灵敏度值完整系统情况和所有严重停运情况的灵敏度系数。因此，该总线已被选为SVC放置的最佳位置。通过计算严重停电事故后的负荷裕度以及系统中有无SVC的完整系统的负荷裕度，研究了SVC在母线-8处的布置对提高电压稳定性的影响在连续潮流软件包UWPELOW的帮助下，确定了每种情况下的临界负荷系数。在运行连续潮流时，SVC被建模为恒定电压（可变无功功率）源，其无功功率输出在+5.0 p.u和5.0p.u之间变化。SVC母线（母线-8）被视为PV母线，其电压幅值固定在事故前基准值。表4给出了事故后荷载裕度值和完整系统的荷载裕度。 从表4中可以看出，SVC在母线8处的布置使得所有严重停运情况下以及完整系统情况下的负荷裕度显著提高。为了确定TCSC的最佳布置，在临界意外情况下以及在系统完好的情况下，使用等式（1）计算所有线路（不包括变压器和两端连接在发电机之间的线路（8）在应力加载条件下，与灵敏度计算相同的值表3不同线路的值Xij2496.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00267–10−14.0 −14.98 −11.83 −15.51 −1.43 −29.60 −6.65 −12.8 −9.263–11−18.2 −18.17 −21.61 −16.05 −38.9 7.16 −34.0 −20.8 −29.483–12−14.7 −14.35 −15.02 14.44 −16.9 −12.78 −16.4 −15.0 −15.883–13−20.7 −20.68 −21.54 −20.04 −26.2 −14.21 −25.2 −21.4 −23.987101213a最负灵敏度值。路公交车 λGl值完整病例停运线路停运停运停运停运停运停运停运Transformer2–4Transformer6-7号线8-3线9-8号线2-9号线Transformer1–21–89–670.520.160.670.530.690.241.301.121.82822.1a142.4a36.76a5.93a21.75a19.74a28.9a37.6a29.18a910-1.89-6.22-6.95-2.850.611.93-1.65-4.39-4.31-2.713.5411123.283.641.932.484.224.523.674.282.583.113.365.496.735.666.536.876.646.65131.451.171.741.651.082.002.422.632.51142.221.852.692.432.522.114.084.044.64线λ值完整病例停运停运停运停运停运停运停运停运Transformer1-22-4号线Transformer1-86-7号线8-3线9-8号线2-9号线Transformer9-61–8−59a−60.3a-84.4-2.85-42.6-40.37−76a-84.4−75.34aI. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161169表4SVC布置对负荷裕度影响：IEEE 14总线系统考虑停运负载裕度无TCSCTCSC在2系统完好（无停机）0.870.891–2一0.862–40.340.501–80.501.226–70.520.578–30.530.549–60.640.789–80.660.702–90.681.34a负荷流量偏离。表3中给出了所有线路（不包括变压器和两端连接到发电机的线路）在每种严重停运情况下和完整系统情况下的灵敏度系数。 从该表中可以看出，对于线路2-4、1-8、6-7、2-9的停运以及对于Transformer 8-3的停运，线路2 -8具有最大的灵敏度系数负值。然而，线路1 -8因此，选择线路1完整系统的负荷裕度和紧急事故后的条件下，TCSC放置在两个候选线路，使用UWPFLOW包计算。在运行连续潮流时，考虑了TCSC的静态模型，将其建模为线路电抗补偿器。在本文中考虑的TCSC所提供的补偿度在每个候选线中为50%。计算了每种临界事故下的事故后负荷裕度以及完整系统的负荷裕度，其中TCSC放置在每条选定线路（线路2在系统中有和没有TCSC的不同情况下的负载裕度如表5所示。 从该表中可以看出，在1-8号线中布置TCSC，对于大多数临界意外事故和完整系统，都能最大程度地提高负荷裕度。因此，线路1顺便提及，作为SVC的最佳位置的总线8连接到线路1因此，UPFC的位置被考虑在1-8号线的8路公交车UPFC被建模为恒定电压（可变无功功率）源与UPFC总线（总线-8）电压保持在应急前的基本值，以及在线路1-8中提供50%电容补偿的静态串联补偿器的组合使用UWPFLOW计算了事故后负荷裕度和UPFC存在时完整系统的负荷裕度表6比较了完整系统的荷载裕度值和临界荷载下的事故后荷载裕度。表5TCSC布置对负载裕度的影响：IEEE 14母线系统。12–40.340.370.421–80.500.550.506–70.520.530.588–30.530.540.579–60.640.660.729–80.660.660.712–90.680.730.85a负荷流量偏离。考虑停运负载裕度无TCSCTCSC在2TCSC在1系统完好（无停机）0.870.891.01170I. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161表6FACTS控制器对负载裕度的影响：IEEE 14总线系统。考虑停运负载裕度无任何FACTS控制器SVC位于总线8TCSC在1UPFC在1-8号线，系统完好（无停机）0.871.381.011.4012–40.340.500.420.511–80.501.220.501.226–70.520.570.580.578–30.530.540.570.549–80.660.700.710.712–90.681.340.851.35a负荷流量偏离。图3.第三章。IEEE 14总线系统最关键总线的电压曲线（完整情况）。四种情况下的意外事故-（i）使用UWPFLOW绘制了这四种情况下最关键母线的电压曲线。图3示出了在系统中具有和不具有FACTS控制器的完整系统的最关键总线的电压曲线。三次最严重停电（1-2、2-4和1-8号线停电）的最关键母线电压曲线图四、IEEE 14母线系统1-2号线停电时最关键母线的电压曲线I. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161171图五、IEEE 14母线系统2-4线停电时最关键母线的电压曲线图六、IEEE 14母线系统1-8号线停电时最关键母线的电压曲线图 2 -4分别。 TCSC对1-8号线停运的影响未在图中显示。 6、放在同一条线上。UPFC和SVC的曲线图彼此一致，因为在1-8号线停电期间，假设只有UPFC提供的并联补偿有效，从表6和图2中可以看出。图3-6表明，UPFC在系统中的布置可最大限度地提高完整系统以及大多数关键线路停运的负荷裕度。6. 结论在本文中，一套新的灵敏度指标的FACTS控制器的最优配置已被提出。所提出的灵敏度因子已被定义为将系统负载因子（λ）的变化与FACTS控制器的参数相关联。这些已经计算出系统完好以及关键的应急情况下，以确定一个总线或线路最适合的分流器或（SVC）的位置被认为是在一个总线具有最大正值的灵敏度负载系数相对于无功电源输出。考虑了晶闸管可控串联补偿器（TCSC）在负载因数对线路电抗的灵敏度为最大负值的线路上的配置问题此外，UPFC已被放置，利用上述计算的灵敏度指数，在一个最敏感的线路适合串联控制器的位置，同时连接到一个总线是一个最敏感的总线的分流控制器的位置IEEE14节点系统的仿真结果表明了这三种FACTS控制器的有效性.所有这三种类型的FACTS控制器，所以最佳地放置在系统中，提高静态电压稳定裕度测量的系统完整的临界负载值，以及为关键的应急情况。在所考虑的三个控制器中，与SVC和TCSC相比，UPFC的布置提供了相对更多的电压稳定裕度的因此，建议的灵敏度系数被认为是相当172I. Khan等人/电气系统与信息技术学报2（2015）161有效的FACTS控制器的最佳位置这些因素很容易计算，采用起来也很简单引用Alfreshaid，S.，比林顿河1999. 电压稳定性的概率评估。IEEETrans. PowerwerSyst.14（February（1）），pp.342 -348. 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