工程科学与技术，国际期刊19（2016）671全长文章STATCOM集成SMES提高系统可用功率传输能力的数值仿真分析Saraswathi Ananthavela，Sanjeevikumar Padmanabanb，*，Sutha Shanmughamc，放大图片作者：Frede Blaabjergd.威廉？费达克？埃尔塔斯ea印度泰米尔纳德邦钦奈安娜大学工程学院电气电子工程系b印度泰米尔纳德邦钦奈欧姆技术公司研发部c印度泰米尔纳德邦钦奈安娜大学工程学院电气电子工程系d丹麦奥尔堡Pontoppidanstraede 101，9220奥尔堡，奥尔堡大学能源技术系e土耳其Karabuk Karabuk大学工程学院生物医学工程系f斯洛伐克科希策技术大学机电一体化系A R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录：收到日期：2015年7月4日收到日期：2015年10月1日2015年10月6日接受2015年11月10日在线发布保留字：可用传输容量（ATC）灵活的交流输电系统无功补偿超导磁储能静止同步补偿器电力系统的研究主要集中在提高现有输电线路的可用功率容量但是，由于影响输电线路的诸多因素，包括电缆的长度、老化以及发、输、配电损耗等，至今还没有提出突出的解决方案 研究了将静止同步补偿器（STATCOM）与超导储能装置（SMES）集成，并将其接入现有输电线路，以提高输电线路的可用输电容量（ATC）。静止同步补偿器（STATCOM）是一种电力电子电压源变流器（VSC），它连接到输电系统，用于并联无功和谐波补偿。SMES是一种著名的清洁能源储存技术。可行性的建议电力系统可 以 控 制 之 间 的 传 输 线 和 STATCOM- （ SMES ） 单 元 的 有 功 功 率 和 无 功 功 率 的 独 立 流 动 。 在Matlab/Simulink仿真软件中实现了完整的电力系统，并根据所获得的研究结果验证了其性能。© 2016，Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.1. 介绍当今在这种阻塞管理中，灵活交流输电系统（FACTS）控制器起着至关重要的作用。在FACTS控制器中，STATCOM（静止补偿器）是输电网系统中无功功率和谐波控制的最突出选择[1它由一个三相电压源换流器（VSC）组成，通过一个升压Transformer和一个直流环节电容器与输电线路并联，如图所示。1.一、并联型静止同步补偿器（STATCOM）将电流矢量注入输电线路，以保持直流电容器两端的电压恒定。这意味着在有限的有功功率补偿的情况下已经完成了连续的无功功率补偿[2* 通讯作者。联系电话：+91 98431 08228。电子邮件地址：sanjeevi_12@yahoo.co.in;sanjeevipowerelectronics@gmail.com（S。Padmanaban）。由Karabuk大学负责进行同行审查http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.10.0022215-0986/© 2016，Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.电能存储系统的集成和电力系统的安全性通过在非高峰负荷期间存储多余的能量而得到改善[5]。尽管超导现象在1911年才被开发出来，但从1970年起，在电能存储系统中的应用就被足够的研究文章所证明储能系统，如抽水蓄能水电系统（PSHS），电池储能系统（BESS）和超导磁储能（SMES）是可用的。在这些拓扑结构中，SMES因其快速响应和高效率性能而具有吸引力（95%）[6]。SMES的主要限制因素是其工作温度，它决定了超导体的成本和运行条件SMES装置接入电力系统后，可以在这种情况下，当SMES被断路器开关断开时， 仅通过STATCOM运行[7-11]就可以为电力系统提供连续的无功额定容量，目前，由于低温超导体的可用性，研究正朝着高温超导体（HTS）的发展。SMES装置通过VSC以低成本为电网增加了但限制中小企业发展出版社：Karabuk University，PressUnit ISSN （印刷版）：1302-0056 ISSN（在线）：2215-0986 ISSN（电子邮件）：1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestchR南672号Ananthavel等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）671连接）。从发送端传输到接收端的实际功率降（假设Vs=Vr）由下面的等式[12，15，16]给出：Ps1V2sinX（一）L其中，Vs是发送端电压的大小，Vr是接收端电压的大小，Vc是转换器的补偿电压，δ是发送端电压和接收端电压之间的相位差。图1.一、 静止补偿器（STATCOM）的原理电路，显示了与传输线集成的并联补偿电压源转换器（VSC）。是它的工作温度，它决定了超导体的成本和工作条件[7，9，10]。如果发送端和接收端之间的相位角为1/2，则不存在有功功率的吸收或产生，而仅补偿无功功率。例如，如果相位差不等于δ/2，则STATCOM在小的时间间隔内补偿有功功率波动。现在，传输到接收端的功率由下面的等式[12，15，16]给出：基于以上考虑，本研究开发了ATCP 2V2sin（二）基于STATCOM和SMES集成的系统电网安全和可控的电力传输能力S2L2操作如图2所示。论文的主要工作如下：第二部分介绍了SMES集成 STATCOM 的 基 本 概 念 和 工 作 原 理 。 利 用 数 值 仿 真 软 件（Matlab/Simulink）对有功功率控制补偿和提高电力系统安全性进行了研究。在第3节中提供并解释了一组数值模拟结果，以验证从Eqs。1和2与STATCOM，实际功率从发送到接收端在很大程度上得到了改善，因为2sin2总是大于sinππ，δ的范围在0到2π之间。因此，接收端的最大有功功率和无功功率由下式给出：空管最后，在第四给出了本文的结论。Pr1V2sinX（三）2. STATCOM与SMES一体化的原理与操作LQVRVScosnV2（四）带超导磁储能单元的静止同步补偿器框图如图所示。 二、STATCOM由标准同步参考控制器控制，其中参考信号通过比较d轴和q轴电压获得，d轴和q轴电压通过PI控制器过程在线电流的d轴和q轴分量上导出[12所需的电流矢量通过将Vdc（直流链路电压）和Vs（系统电源电压）与Vdcref（直流参考电压）和Vs ref（系统参考电压，R1L假设有功功率和无功功率均为常数，则功率潮流仅为V、X和功角的函数，功角是发送端和接收端电压之间的相位差。同时，如果发送端电压和接收端电压相等，则功率流控制仅由δ相角控制。为确保良好的电压分布和稳定性，应补偿无功功率，即：图二. 通过集成STATCOM和SMES来增强可用功率传输容量的拟议电力系统的原理电路。XXXS. Ananthavel等/ Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）671-675673图三. 带保护装置的超导储能系统原理电路。S P jQ其中S、P和Q是复数、实数和无功功率。（五）例如，为了在磁场中存储/释放所需量的电能，设计了更多段，即，对于高额定功率，超导体被确定为多段线圈STATCOM的位置是一个重要的标准，它已经证明了输电线路的中点是最佳解决方案，并且在本工作中也考虑了同样的问题[13，14]。当连接点的电压大于STATCOM电压时，电流将从发送端流向VSC即用作电感器以吸收无功功率。类似地，当STATCOM电压高于发送端时，则电流从VSC流向系统，即充当电容器以向系统输送无功功率。该动作可以通过调制VSC的门极脉冲来容易地控制，在本研究中采用标准的SPWM调制技术。在图2中，通过对回路应用基尔霍夫图3中给出。当断路器开关闭合时，SMES装置暂时与系统断开连接。当断路器开关打开时，电流流入多段线圈，电能通过直流-直流斩波器从直流链路存储。该能量可以通过控制线圈两端的平均电压来获取，而线圈两端的平均电压又由斩波器的占空比控制。因此，两象限直流-直流斩波器作为超导磁储能系统和直流链路之间的接口，实际上如图2所示。当占空比大于0.5时，超导体上的平均电压将升高，线圈开始充电，电力将从电网流向超导储能系统。另一方面，如果占空比为0.5，则跨在电容器上的平均电压为0.5Rs0ils 伊鲁辛河达戈 Rm cq Vid日本语S 科帕卡巴纳（六）dt Ls L LsVdc100米0布拉奇Vdc0超导体的设计是复杂的，为了线圈的稳定、可靠运行和经济设计，需要考虑一些要点，例如：(i) 配置，(ii) 能源能力，(iii) 结构，(iv) 温度和(v) 能量质量比。网络由高速旁路开关组成，适用于以下条件：(i) 当线圈处于待机状态时，它用于减少能量损失，(ii) 如果失去了实用的领带，它是用来旁路直流线圈电流，(iii) 如果失去冷却，则用于保护线圈[7，10，11]。见图4。仿真结果描述了在设计的测试条件下的P-Q（有功-无功功率）设置。STATCOM的电压控制模式（a）无SMES，（b）有SMES。（c）STATCOM供电侧电压波动，（d）STATCOM-SMES供电侧电压波动。南674号Ananthavel等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）671超导体的功率将减少，功率将从SMES流向电力系统网络。因此，通过控制通过线圈的直流电流，可以从公用电网吸收/向公用电网注入无功功率，即超导体两端的平均电压，实际上由超导体的占空比决定。3. 数值模拟试验验证在Matlab/Simulink软件中，对一个基于ATC的STATCOM-SMES系统的完整模型进行了标准试验电源系统[16]，如图所示。 2，采样周期为 并在不同的设计条件下进行了试验研究。图4（a）和（b）显示了发送端终端（发电机侧）首次调查试验的P-Q（有功-无功功率）设置。执行本测试的目的是了解ATC的行为，如果STATCOM与（第一种情况）和不与（第二种情况）SMES集成到电力系统电路中，其中STATCOM作为电压控制模式工作可以观察到，第一种情况（图4a）的电压调节比第二种情况（图4b）完美，这是由于STATCOM电流对超导线圈充电的影响。但在第二种情况下需要注意的重要因素是，与第一种情况相比，无功功率设置Q得到了很大补偿。图4（b）中清楚地证实，该补偿用于通过STATCOM从电力系统对SMES充电进行了第二次调查试验，以了解当STATCOM与电力系统电路集成（情况一）和不与SMES集成（情况二）时，如果发送端（发电机侧）存在电压波动，ATC的性能。相应地，图。图4（c）和（d）示出了发送端（发电机侧）的P-Q（有功-无功功率）设置。为此，发电机被编程为可变三相电压源1、0.9、1、1.01 p.u.分别在0、0.2、0.3、0.4秒在第一种情况下，STATCOM是无效的，因为有功功率在系统电压波动的情况下没有如预期的那样被控制。也就是说，VSC吸收无功功率（几乎恒定），这可以在图4（c）中确认，而不考虑有功功率的损失。但在第二种情况下，STATCOM证明了将SMES集成到其中时的有效性，如图4（b）所示。在系统电压波动的情况下，STATCOM-SMES能够保持系统的有功功率几乎恒定.而SMES充电（吸收无功功率）并增强图五. 不同POC下的传输线电流和电压。上：发送端，中：传输线的中间，下：接收端。[X轴电压（蓝色）伏特，电流（绿色）安培]。见图6。电压控制模式下无超导磁储能系统的STATCOM。顶部：向电力系统注入有功功率（无功注入），从而保证ATC。此外，为了显示对拟议电力系统的深入技术验证STATCOM与系统的连接点是关键点。发现在图1所示的输电线路的发送端、中间点和接收端观测线路电流和电压变化时，中间点是最佳位置。五、图 在 图 6 和 图 7 中 ， & 示 出 了 具 有 和 不 具 有 SMES 单 元 的STATCOM的两种不同情况下的有功功率、无功功率、母线13处的电压和STATCOM电流。很明显，相比之下，第一种情况下的电压调节比第二种情况下的电压调节更完美，其中STATCOM电流连续，这是由于超导线圈的充电电流。但这将提高系统的动态性能为了验证这一点，在可编程三相电压源中设置可变电压，例如分别在0、0.2、0.3、0.4秒时设置1、0.9、1.01、1 p.u最初的STATCOM是无效的，当系统电压在t = 0.2秒时降低到0.9 p.u时，转换器吸收无功功率。在t = 0.3秒时，电源电压增加到1.01 p.u.现在，转换器提供所需的过剩无功功率，见图7。 带超导磁储能系统的STATCOM处于电压控制模式。顶部：中间：母线1和母线3处的电压，底部：STATCOM电流（X轴：电流，单位为mA）。S. Ananthavel等/ Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）671-675675见图8。无STATCOM时电源侧电压波动。顶部：在Q控制模式下保持有功功率恒定，如图1A和1B所示。8和9。同样，为了检查系统的瞬态性能，在两种情况下，即STATCOM带和不带SMES单元时，在t = 0.2秒时引入三相故障，并在t = 0.3秒时清除，其相应结果如图所示。 10个。在无SMES的STATCOM中，充电电流几乎为零，但响应是缓慢的，即在清除故障后，它需要几个周期才能达到稳态。类似地，在具有STATCOM和SMES的系统中，从线路汲取连续充电电流，但是在故障条件下，其响应更迅速。最后，通过完整的数值研究结果可以得出结论，STATCOM与SMES集成后，系统的可用功率传输能力（ATC）得到了提高和保证4. 结论本文研究并提出了ATC（可用功率容量）的增强，利用固有的组合，见图9。STATCOM-SMES供电侧的电压波动。顶部：见图10。三相故障条件下系统的响应。P–Q settings at bus 3, 上：无SMES，下：有SMES。[X轴：电流（单位：mA）]。STATCOM和SMES的国家，测试与标准传输线电力系统。此外，通过仿真软件中的简化数值模型，保证了各种设计工况下的性能。证实了在峰值负荷条件下，从STATCOM与SMES到电力线的有功功率流得到增强此外，无功功率在感性和容性操作模式下都得到补偿，这反过来又提高了有功功率。最后，这项调查工作证实，STATCOM与SMES证明，以提高ATC在现有的输电系统的可行性运行。引用[1] S. Yoshihiko，H. Yoshinobu，T.李志华，应用于电力系统无功补偿的新方法，硕士论文。电源应用程序 System 100（9）（1981）4216 - 4224.[2] G.D.李文，高振源，电力系统中的静态补偿器，电力系统学报，1996（1）.[3] C.D.柯林斯，G.N.北卡罗来纳州巴瑟斯特沃森，A.R. Wood，2，2005，pp.194-200.发电、输电和配电。[4] 王志忠，电力系统谐波分析与滤波器设计，北京，2000。2010.[5] A.阿尔索伊Liu，S.S. 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