摘要：自柔性交流输电系统（FACTS）设备在电力系统中投入应用以来，在控制潮流、减少损耗、增强系统安全性等各个方面都发挥了一定的作用。随着电力负荷越来越多，系统不断接近其承载极限，暂态稳定问题变得越来越突出，此时FACTS设备对系统暂态稳定性的影响就变得越来越重要。基于此，本文就针对柔性交流输电系统设备对电力系统暂态失稳风险的影响进行了分析与探究。
关键词：柔性交流；输电系统设备；电力系统；暂态失稳；风险；影响
柔性交流输电系统（FACTS）设备在调控潮流、提升安全效果上取得了较好效果。为了分析FACTS设备对安全效果的影响，本文首先简述了3种联接类型设备的模型建立结果；然后结合控制策略对FACTS设备的风险进行了分析，主要考虑了暂态稳定和随机因素；接着以RTS79系统为实例，计算验证了该风险分析方法的可行性和有效性，主要根据最佳位置、设备容量和随机因素进行了评估。最终得出结论：在各种随机因素中，设备的可靠性对提升安全效果影响最明显。
1、FACTS设备模型
按照FACTS设备的联接方式不同，可以分为以下的3种：第一种是串联型，文中以晶闸管控制串联电容器（TCSC）为研究对象；第二种是并联型，文中以静止无功补偿器（SVC）为研究对象；第3种是串并联型，文中以统一潮流控制器（UPFC）为研究对象。
如图1（a）所示，是TCSC的电路模拟图，根据使用需求。该模型可以调整运行状态，一般有感性和容性两种。如图1（b）所示，是SVC的电路模拟图。如图2所示，是UPFC的潮流模拟图。在图1（a）中，USVC是SVC处于节点位置的电压；QSVC是SVC注入的功率值，该数值的极限大小跟SVC的电容、电感大小有直接关系。
在图2中，可以将其模型分析作为一个并联的电流源加上一个串联的电压源。在图3中，ip是UPFC并联状态中存在做功的注入电流，iq是UPFC并联状态下无做功的注入电流。U2是UPFC在串联状态下，电压幅值大小，δ2是UPFC在串联状态下，相角的大小。上述的几个参数中，通过调整iq、U2、δ2的数值大小，即可实现UPFC的控制；ip的数值则有UPFC内部控制，主要是电压源、电流源在系统做工运行状态下，两者的交换量，不受外部条件变化的影响。
2、FACTS设备暂态失稳风险分析
2.1FACTS设备控制方法
因为传感器、相应器等技术水平的革新，目前控制器的精度较高，在FACTS设备中，有关控制的响应时间都小于5ms，而发电机在第一摆的阶段，达到稳定状态的时间远远大于5ms，因此在分析过程中，可以忽略有关时间的微积分变化，将其作为常数来看待，这样就将控制简化为比例控制。通过仿真模拟，可以得出，在第一摆的控制阶段，对FACTS设备可以直接采用强补的方式，能够取得较好的效果，然后在动态稳定的阶段就需要使用比例控制。
2.2FACTS设备暂态稳定分析
将FACTS设备模拟评价为电流源，然后将暂态电抗并入电网中，有以下的方程
Ig是发电机的节点，Il是负荷的节点；IF是控制装置接入的节点。若负荷节点的输入的电流值I1大小是0，IF就可以进行等效转化，变为△Ig：
将上述公式与EEAC准则结合，就可以得出FACTS设备输入电流后，系统的转子运动方程如下：Mδ=Pm-PF-Pmaxsin（δ-γ）-PC
在上述公式中，PF就是FACTS设备做工状态下，得出的等效功率，有PF=△PC+△Pmaxsin（δ+δA+ξ）
由上述结果，即可得到设备的系统功角曲线图如图3所示。由上述公式，即可检验在切除某一机组后，系统是否稳定，只有当动能变化量满足时，才可以判定为系统处于稳定的状态。经过多次模拟试验后，再将功率与相应的概率加权计算，就得出了切机的风险。
2.3随机风险评估方法
在上述的计算过程中，能够满足系统发生故障的概率分析视角下，风险的统计和计算，但是在系统实际运转过程中，往往会因为一些随机因素，造成系统波动，脱离分析范围，这些因素的不可控性给暂态失稳风险评估带来了困难，但确是客观存在的。因此，为了提升评估的准确性，提升其实践价值，必须要将这些不可控因素纳入评价体系中。在FACTS设备切机运转过程中，除了切机风险，还有设备的负荷水平、切除完成时间、所有设备发生故障的概率等因素都会形成风险。为了规避这些影响，文中使用蒙特卡洛仿真。
3计算实例
3.1最佳位置
上述研究结果就是FACTS设备对风险分析控制的流程，为了验证该计算方法的有效性和可行性，我们进行了以下的实例计算分析。在分析过程中，我们以RTS79为例，进行了仿真模拟。在此次计算中，功率基值大小设定为100MVA，切除操作所需要的时间时150ms，在经历失稳状态后，电机恢复正常稳定状态需要4h，FACTS设备出现故障的概率是0.7次/a，消除故障，将运行状态调整至正常需要150h。然后再对FACTS设备进行模拟仿真，切机的频率是3.582次/a，风险结果是411.4MW/a。
共选择5条线路，它们都是重载荷状态，而且线路的两端都是节点，本次选择的是3-24、9-12、9-11、10-12、10-11这五条（分别编号为1号、2号、3号、4号、5号）。在这5条线路中安装FACTS设备，进行分析，此次分析分别安装40Mvar的3种型号设备，依次是3种类型的典型型号，SVC、TCSC、UPFC。然后对3种设备进行仿真模拟分析，步骤如上述中的分析过程所述，结果如下表1、表2。另外，在下述的表格中，故障发生的概率是与原系统比较的百分比，能更加直观看出风险的变化量。
由上述的表1中可以看出，将3种FACTS设备安置在2号线，即9-12的位置时，风险减少量都是最大的，分别是4.160%、8.563%、23.209%。1号线和5号线对风险的减少量近似，排名靠后；3号线和4号线对风险的减少量近似，排名居中。另外，通过观察，可以看出，3种设备中，UPFC对风险的减少量最大，在5条线中，依次为10.962%、23.209%、16.306%、17.427%、10.963%；TCSC次之，在5条线中，依次为6.706%、8.563%、6.728%、6.980%、6.711%；SVC的风险最高，减少量分别是2.887%、4.160%、2.991%、3.515%、2.785%。因此，UPFC对风险的规避效果最好，能够大幅提升系统的稳定性。另外，在安置装置时，要进行模拟计算，得出最佳线路，例如本次计算中得出的2号线路，即9-12的位置。
3.2FACTS设备容量的影响
在经过上述的计算后，得出了安装设备的最佳线路，然后在9-12的线路上安装3种FACTS设备，依次是SVC、TCSC、UPFC。然后，每次增长5Mvar，逐渐增加设备的容量，观察计算其风险的减少量。结果如图4所示。
由上述图4可以看出，设备风险的减少数值会随着设备容量的上升而上升，但其变化曲线在容量达到某一数值后，就会趋于平缓，在上图中，在20到30Mvar之间的数值，容量对风险的降低能力急速下降。综合上述曲线，在使用增大设备容量，增加稳态概率时，需要模拟分析其实际效果，合理权衡容量与安放个数的关系，尽量在满足风险控制效果的同时，提升其经济效益。因为容量增加所需的成本，也随者数值的增加，导致其单位容量成本会增加，所以一般选择在20Mvar左右时，通过在其他线路安放装置控制风险。
3.3随机因素
针对随机因素，主要模拟分析系统的负荷水平、设备的故障情况以及操作反应时间。
3.3.1负荷水平
随着系统负荷水平的上升，FACTS设备的风险明显下降，在本次研究中，负荷水平达到最大值100%，风险降低量仍处于增长状态，且没有增长率下降的趋势，因此提升系统的负荷水平，能够有效地降低风险，具有较好的实践价值。但是在评估过程中，需要合理减小负荷水平，当水平偏高时，就会出现评价结果偏高，系统实际风险概率高于模拟分析结果，导致防护控制措施不足，引发事故。在3种设备中，仍然是UPFC的风险控制效果最好。在本次研究中，负荷水平在最大量的60%以上时，风险减少量高达100%以上，且随着负荷水平上升，风险降低量变化明显。
3.3.2设备故障率
FACTS设备的稳定性对风险控制的影响较大，是重要的硬件基础。文中通过调整设备的故障发生情况，研究分析了随着设备可靠性下降，系统风险控制能力的变化情况。在本次研究中，设备的故障率PFs从0开始增加，每次提升0.2次/a，一共提升10次，上升至2次/a。接着对模型进行仿真分析，得出计算结果，由相关结果绘图可知，随着故障发生概率的上升，TCSC风险控制效果也在逐步减小，在故障发生率最高的时候，效果下降了50%；SVC的控制效果则变化很小，只有轻微的变化；UPFC的风险变化量则减少了约40%左右，且减少量最大。经过分析发现，SVC的风险控制效果下降缓慢，这是因为该装置发生故障时，系统的拓扑没有发生变化，相应的潮流变化也较少，因此其风险就很小。而其他两种控制装置会因为线路过载和连锁故障造成较为严重的反应，导致串联电路中出现潮流变化的几率增大，最终形成稳态失控风险。可以看到，随着设备的故障上升，风险控制收益基本呈现线性关系下降，若故障率过高，会导致曲线与X轴相交，出现收益为0的状态，而且随着故障再上升，不排除出现收益为负数的现象，即安放了FACTS设备，稳态失控风险反而更高了。因此，在利用这些设备进行控制时，要提高设备的可靠性，避免其故障频发，影响系统运转。
3.3.3切除变化时间
故障消除操作的时间不同，设备的控制效果也有微小差异。将切除时间调整为不同的数值，FACTS设备的效果有所变化，得出相关图。由图可知，随着切除时间的增加，设备的效果有所下降，但下降趋势很小。理论上，因为时间的增加，会导致风险加大，设备的效果相应增强，可以在一定范围内消除新增故障。但是时间的增加，会增加设备故障数量，且大多数无法经过FACTS设备调整，因此其效果仍然处于缓慢下降趋势。在上述的结果中，设备的可靠性对风险控制效果的影响最大，且变化明显，因此需要严格控制设备的稳定性。
结语
综上所述，计算出安置FACTS设备的最佳位置，研究了计算线路的方法。然后通过实例，分析得出UPFC的效果最好。在各种随机因素中，设备的可靠性影响最明显，在实际工作中要严格控制设备质量和运行环境。
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作者简介：
高晶晶，黑龙江工程学院 讲师
论文作者:高晶晶
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/1
标签：设备论文; 风险论文; 系统论文; 效果论文; 故障论文; 负荷论文; 柔性论文; 《电力设备》2018年第30期论文;