基于malab的ipc潮流控制過(guò)電壓仿真分析

基于malab的ipc潮流控制過(guò)電壓仿真分析

0串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)概述通過(guò)互聯(lián)，現(xiàn)代能源網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。電網(wǎng)互聯(lián)提高了能源資源優(yōu)化配置,也提高了供電可靠性;與此同時(shí),電網(wǎng)互聯(lián)也帶來(lái)了一系列的問(wèn)題,如潮流控制問(wèn)題、傳輸容量問(wèn)題等。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了靈活交流輸電(FACTS)這一有效解決上述問(wèn)題的技術(shù)。串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)作為FACTS的一種組成部分,在國(guó)外一些典型輸電工程中廣泛采用,以提高線路輸送能力。我國(guó)要想大力發(fā)展超、特高壓電力系統(tǒng),就可以吸收國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn),采用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)來(lái)提高線路的輸電能力、降低工程投資。相間功率控制器(IPC)作為一種新型串聯(lián)FACTS器件,最初是由加拿大魁北克能量技術(shù)革新中心的專家提出來(lái)的。近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)其基本工作原理、樣機(jī)設(shè)計(jì)、特性仿真分析等問(wèn)題進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。研究證實(shí)IPC控制策略較簡(jiǎn)單,并且具有有功功率控制的魯棒性和隔離故障的優(yōu)良特性,所以被譽(yù)為電網(wǎng)互聯(lián)最適宜的控制器之一。IPC在潮流控制中會(huì)在不同的情況下出現(xiàn)過(guò)電壓,而學(xué)者們對(duì)過(guò)電壓保護(hù)的研究目前仍然很少,本文基于通用型IPC的基本結(jié)構(gòu),探討了IPC運(yùn)行中的過(guò)電壓?jiǎn)栴},設(shè)計(jì)了保護(hù)電路。與以前的過(guò)電壓保護(hù)相比,本文對(duì)斷路器和避雷器進(jìn)行了合理配置,降低了工程投資,以斷路器作為過(guò)電壓的主保護(hù)并且為避雷器并聯(lián)旁路開關(guān)和阻尼回路更加符合我國(guó)串補(bǔ)工程的實(shí)際需求。最后,本文對(duì)IPC各種運(yùn)行狀態(tài)下的過(guò)電壓及其保護(hù)進(jìn)行了仿真分析。1ipc兩側(cè)端口電壓和相位差角IPC的單相通用等值電路如圖1所示,電感和電容分別連接移相角為ψ1、ψ2的移相器后組成并聯(lián)支路,其中ψ1、ψ2對(duì)于特定類型的相間功率控制器經(jīng)常為反相角,例如在IPC240中ψ1=120°、ψ2=-120°。IPC在正常運(yùn)行時(shí),由圖1可以推導(dǎo)出電感和電容上的電壓分別為:式中,US∠δ為IPC入口電壓;UR∠0為IPC出口電壓。由式(1)、(2)可知,由于兩支路的移相角為反相角,所以支路移相角越大,電容器、電感器上承受的電壓值就越大,并且電壓大小與兩側(cè)IPC入口和出口電壓的大小和相位差角有一定關(guān)系,若運(yùn)行條件引起IPC兩側(cè)端口電壓和相位差角較大,則IPC電容和電感上的電壓很大,可能出現(xiàn)過(guò)電壓?jiǎn)栴}。由圖1可推導(dǎo)出通過(guò)IPC流入線路的有功功率、無(wú)功功率分別為:由式(3)、(4)可見,通過(guò)調(diào)節(jié)IPC的電容和電感參數(shù),可以控制傳輸?shù)挠泄β?但同時(shí),IPC向系統(tǒng)提供的無(wú)功功率將發(fā)生變化,如果由于參數(shù)調(diào)節(jié)使得提供的無(wú)功功率增大,就有可能使IPC的端口電壓過(guò)大,電容和電感上也容易出現(xiàn)過(guò)電壓。當(dāng)IPC首端或末端開路時(shí),由圖1可見IPC的電感、電容支路組成串聯(lián)支路,如果電感、電容等效基頻電抗相等,就可能會(huì)諧振,從而出現(xiàn)諧振過(guò)電壓。此外,在線路中,斷路器的操作也會(huì)使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化,引起系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量的振蕩轉(zhuǎn)化或傳遞造成過(guò)電壓。組成IPC器件的電容、電感均為儲(chǔ)能元件,當(dāng)系統(tǒng)中操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),將產(chǎn)生電磁能量振蕩的過(guò)渡過(guò)程。在此過(guò)程中,電感元件存儲(chǔ)的磁能會(huì)在某一瞬間轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能貯存于電容元件之中,可能會(huì)產(chǎn)生高于電源電壓的過(guò)渡過(guò)程的過(guò)電壓。2雷器在電網(wǎng)中的應(yīng)用從20世紀(jì)80年代初開始,隨著工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展,金屬氧化物避雷器在電網(wǎng)中逐步得到了廣泛應(yīng)用。氧化物限壓器(MOV)作為避雷器的一種,與其它的氧化物避雷器參數(shù)基本一致,但因具有吸收能量大、流過(guò)大電流的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而在近些年的串并聯(lián)補(bǔ)償工程中頗受青睞。2.1送端和受端安裝超高壓系統(tǒng)中大多是兩端供電,而且線路較長(zhǎng),因此需要在線路兩端即在含IPC電網(wǎng)的送端和受端裝設(shè)MOV。由于運(yùn)行中IPC的端口可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓,所以應(yīng)在IPC入口和出口并聯(lián)MOV,它既能使IPC在線路故障時(shí)得到有效的過(guò)電壓保護(hù),又能在故障清除后在絕大多數(shù)情況下使IPC和線路一起立即投入運(yùn)行,恢復(fù)送電。2mov間隙放電為了限制IPC電容和電感上的過(guò)電壓,在電容和電感上并聯(lián)MOV;當(dāng)裝設(shè)IPC的線路發(fā)生故障時(shí),流過(guò)IPC上的電流有可能很大,使MOV吸收能量的上升速度很快。為了避免大電流或溫度等對(duì)MOV造成損壞,用觸發(fā)間隙、旁路開關(guān)和阻尼回路作為安裝在IPC電容和電感上的MOV的過(guò)載保護(hù),當(dāng)流過(guò)MOV的電流和時(shí)間超過(guò)限定值時(shí),旁路開關(guān)動(dòng)作,將MOV短路,實(shí)現(xiàn)間隙放電。保護(hù)電路不僅能在嚴(yán)重故障情況下旁路MOV,而且能減少并聯(lián)的避雷器閥片(由ZnO材料制成)數(shù)量。3線路電容效應(yīng)場(chǎng)隨著超、特高壓輸電技術(shù)的發(fā)展以及電能傳輸距離的增長(zhǎng),空載長(zhǎng)線路電容效應(yīng)的工頻過(guò)電壓較高,在此基礎(chǔ)上,會(huì)出現(xiàn)高幅值的合閘(包括重合閘)過(guò)電壓。針對(duì)此種情況,本文采用帶有合閘電阻的斷路器。2.2ipc的電路結(jié)構(gòu)以兩實(shí)際電網(wǎng)經(jīng)IPC240帶500kV聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行交流弱聯(lián)系為例(IPC240的移相角比IPC120大,更易出現(xiàn)過(guò)電壓),利用MATLAB軟件的Simulink搭建過(guò)電壓保護(hù)仿真模型,如圖2所示。本文中未注明單位的仿真結(jié)果都是以系統(tǒng)額定電壓220kV、系統(tǒng)視在功率100MVA為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值。圖2中IPC連接的兩側(cè)電網(wǎng)采用跟蹤等值用戴維南等值參數(shù)表示。圖中IPC入口和出口處并聯(lián)有氧化鋅限壓器MOV,使它們作為帶合閘電阻的斷路器(圖中只畫出A相)的后備保護(hù);IPC的電容和電感兩端采用并聯(lián)帶觸發(fā)間隙2、旁路開關(guān)1和放電阻尼回路3的MOV保護(hù)回路(圖2中只畫出電容兩端的)。當(dāng)聯(lián)絡(luò)線傳輸有功功率標(biāo)幺值為6.3時(shí),IPC元件的參數(shù)為:電容3.79μF,電感0.19H;根據(jù)500kV電氣設(shè)備選擇規(guī)程,IPC入口安裝母線型避雷器,電容、電感和IPC出口安裝線路型避雷器。限壓器的參數(shù)是按照避雷器的參數(shù)來(lái)選擇的,限壓器的主要參數(shù)如表1所示。斷路器使用的合閘并聯(lián)電阻值取為400Ω,MOV用60片ZnO閥片并聯(lián),允許能耗為30MJ。2.3模擬分析中的ipc中斷及其保護(hù)IPC在正常運(yùn)行及短路、斷線故障等條件下可能產(chǎn)生過(guò)電壓,本文通過(guò)搭建的模型進(jìn)行仿真分析。2.3.1電壓隨電容、電容和ipc入口電壓變化的仿真由上述的分析可知,在正常運(yùn)行時(shí),控制聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)墓β市枰{(diào)節(jié)IPC的參數(shù),可能會(huì)使IPC的入口和電容、電感上出現(xiàn)過(guò)電壓。根據(jù)圖2,以A相為例,文獻(xiàn)中列出了IPC入口電壓、電容器和電感器兩端的電壓與電感、電容參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,據(jù)此關(guān)系及圖2的仿真模型,可以得出分別調(diào)節(jié)電容C、電感L參數(shù)及同時(shí)調(diào)節(jié)電容、電感參數(shù)時(shí),IPC入口A相電壓UA、電容上的電壓UC和電感上的電壓UL如圖3及表2所示。由圖3可見,當(dāng)電容取值>2.0μF時(shí),各電壓變化緩慢,基本不變。一旦電容取值<2.0μF,減小電容值就會(huì)使電壓上升的速度加快,會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓的問(wèn)題。實(shí)際運(yùn)行中電壓增大的幅度過(guò)快對(duì)電容、電感和MOV都會(huì)造成損壞。仿真中作為MOV后備保護(hù)的間隙電路會(huì)在電容調(diào)節(jié)為1μF時(shí)被啟動(dòng),能夠有效地把電壓限制在保護(hù)水平標(biāo)幺值2.2以下并且旁路了MOV。與電容數(shù)值改變引起的電壓變化不同,在電感數(shù)值從0.05～0.5H增大的過(guò)程中,各個(gè)電壓在緩慢增大,在電感>0.5H后,電壓增大的速度加快,很容易出現(xiàn)過(guò)電壓,并且在電感>0.59H后,電感上電壓增大速度超過(guò)了電容和IPC入口的電壓。上述仿真表明電容值減小或電感值增大到一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓。為了進(jìn)一步跟蹤電壓隨電容、電感參數(shù)的改變而變化的情況,本文對(duì)電容減小的同時(shí)增大電感值進(jìn)行仿真,結(jié)果如表2所示。由表2得出,在電容減小的同時(shí)增大電感值,IPC入口的電壓和電容、電感上的電壓都分別增大。當(dāng)電容<1.79μF、電感<0.39H時(shí),最大過(guò)電壓不會(huì)超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的1.5倍,MOV吸收的能量很少。當(dāng)電容為1.79μF、電感為0.39H時(shí),電壓增大的幅度變大,電容上的MOV動(dòng)作,在t=0.033s時(shí),斷路器動(dòng)作,斷開IPC器件,此時(shí)MOV吸收的能量為0.82MJ。在電容數(shù)值為0.79μF、電感為0.59H時(shí),電容電壓最大標(biāo)幺值達(dá)到2.489,MOV能耗上升很快,直至間隙電路被觸發(fā)。過(guò)電流流過(guò)阻尼回路,導(dǎo)致電容電感電壓比計(jì)算出來(lái)的小了很多,所以IPC入口的電壓也降低到電壓保護(hù)水平內(nèi)。仿真表明,正常運(yùn)行時(shí)IPC電感、電容參數(shù)應(yīng)該有一定的調(diào)節(jié)范圍,單獨(dú)調(diào)節(jié)電感或電容參數(shù)來(lái)控制聯(lián)絡(luò)線功率,受過(guò)電壓限制的可調(diào)范圍應(yīng)該比同時(shí)調(diào)節(jié)電感和電容的范圍要寬一些。當(dāng)由于調(diào)節(jié)電感、電容超過(guò)一定范圍而出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí),過(guò)電壓保護(hù)能夠有效地限制過(guò)電壓水平,保護(hù)設(shè)備。2.3.2電容串聯(lián)振幅IPC末端開路時(shí)(即IPC出口與聯(lián)絡(luò)線連接處斷開),其本身形成一個(gè)封閉的回路,電容和電感串聯(lián)連接,若二者基頻阻抗值相等,則會(huì)引起串聯(lián)諧振,導(dǎo)致IPC內(nèi)部電壓較高。由式(1)～(4)可見,電容和電感上的電壓不僅與其本身的電容電感參數(shù)有關(guān),而且與IPC端口電壓有關(guān)系。開路時(shí),雖然IPC電路發(fā)生了串聯(lián)諧振,但由文獻(xiàn)可知由于IPC入口處的三相相電壓都為0,所以其電容電感上的諧振過(guò)電壓也是一個(gè)有限的數(shù)值。以IPC末端連接的斷路器的斷開模擬實(shí)際的三相開路,圖4是IPC電容上電壓UC、流經(jīng)MOV的電流I和能耗E的仿真結(jié)果。在IPC末端開路時(shí),電容器未加MOV時(shí)電壓最大標(biāo)幺值達(dá)到了8.5。在安裝MOV并且不并聯(lián)保護(hù)電路的情況下,通過(guò)MOV的最大電流達(dá)21kA,吸收能量值高達(dá)100MJ(見圖4(a)),這樣高的能量值是MOV所不能承受的,必須在能耗超過(guò)允許值時(shí),啟動(dòng)保護(hù)電路,旁路電容、電感和MOV。由圖4可見,安裝MOV(并聯(lián)保護(hù)電路)后,電壓標(biāo)幺值被限制在了2.362(見圖4(b)),MOV通過(guò)的最大電流為8kA(見圖4(c)),根據(jù)電流的波形,電容器上的MOV每半個(gè)周期導(dǎo)通一次,使得MOV中存儲(chǔ)的能量呈階梯狀平緩上升。當(dāng)t=0.067s時(shí),MOV能耗達(dá)到30MJ,達(dá)到觸發(fā)值,旁路開關(guān)動(dòng)作,間隙電路被觸發(fā),MOV能耗值不再增加(見圖4(d))。2.3.3帶保護(hù)電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)在短路故障的ipc交流電壓上的能量以IPC聯(lián)絡(luò)線受端側(cè)分別發(fā)生三相短路、兩相短路、單相短路接地和兩相短路接地故障為例進(jìn)行短路情況的仿真分析。由圖2可得,當(dāng)受端電網(wǎng)發(fā)生三相短路時(shí),IPC入口A相電流和電壓分別為:式中,FT表示聯(lián)絡(luò)線電抗與送端電網(wǎng)等值電抗之比;FL表示IPC電感支路電抗與送端電網(wǎng)等值電抗之比。IPC電感的電抗值遠(yuǎn)大于線路的電抗值,由式(6)可知IPC入口電壓大小主要由其感抗值決定,短路后電壓與短路前相比不會(huì)發(fā)生很大的變化,IPC能夠有效地實(shí)現(xiàn)兩側(cè)電網(wǎng)電壓隔離的作用;IPC電感和電容上的穩(wěn)態(tài)電壓主要受其等效電抗參數(shù)及送端電網(wǎng)等值電勢(shì)的影響,但由于斷路器的動(dòng)作在IPC內(nèi)部引起電磁能量的轉(zhuǎn)化,所以會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的電壓較大的情況。在各種短路情況下電容器上的最大電壓UC,max、IPC入口處單相最大電壓US,max及電容上的能耗EC結(jié)果如表3所示。當(dāng)t=0.033s時(shí),線路上的繼保裝置動(dòng)作,斷路器斷開,MOV儲(chǔ)存的能量不再發(fā)生變化。各種短路故障狀態(tài)下MOV存儲(chǔ)的能量均≤1MJ,低于MOV的能耗值,并聯(lián)的保護(hù)電路不會(huì)動(dòng)作。由表3可見:在受端電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí),IPC入口的電壓沒(méi)有較大變化;電容上電壓在單相接地故障時(shí)最高,這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生A相接地故障時(shí),斷路器將故障相自線路兩側(cè)斷開,BC兩相仍然運(yùn)行,通過(guò)BC兩相與A相間的電容耦合和電感耦合,非故障相向故障相提供潛供電流,這使得電容上的電壓超出了保護(hù)水平。MOV也在故障中發(fā)生了動(dòng)作,其間存儲(chǔ)的能量最大是在單相短路接地時(shí)的0.522MJ,明顯低于極限水平。三相接地故障比單相接地故障嚴(yán)重,而兩相接地短路故障和兩相短路故障時(shí)MOV吸收的能量超過(guò)了三相接地故障;這是因?yàn)樵谕獠堪l(fā)生故障時(shí),IPC的端口電壓值在0附近小幅震蕩(幾乎接近于0),這時(shí)IPC上的電感阻止電流的變化,所以IPC上會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)的直流電流,在傳輸功率很小的情況下某一時(shí)刻直流電流可能會(huì)大于交流電流,使得兩相故障時(shí)MOV限制過(guò)電壓的半周期數(shù)比三相故障時(shí)還多,所以發(fā)生兩相短路時(shí)MOV吸收的能量大;在各種故障情況下MOV能耗都未超過(guò)間隙電路的觸發(fā)值,不用觸發(fā)間隙電路。2.3.4mov在重合閘過(guò)程中的動(dòng)態(tài)仿真線路發(fā)生短路故障時(shí),斷路器動(dòng)作,將故障部分切除。故障切除后,線路重合閘。重合閘會(huì)在IPC上引起暫態(tài)過(guò)電壓,這是線路中不可忽視的問(wèn)題。在上述短路故障發(fā)生后重合閘時(shí),電感上出現(xiàn)了標(biāo)幺值高達(dá)5.250的暫態(tài)過(guò)電壓。在采用MOV保護(hù)后,對(duì)各種故障狀態(tài)下進(jìn)行重合閘仿真時(shí)MOV都要被導(dǎo)通,并且吸收的能量≤2MJ,低于保護(hù)電路的觸發(fā)值,所以在重合閘成功后,并聯(lián)間隙不會(huì)動(dòng)作。本文以電感過(guò)電壓最嚴(yán)重的線路兩相短路故障為例進(jìn)行仿真。在0.09s時(shí)線路進(jìn)行重合閘,圖5是重合閘成功后電感MOV的電流及能耗波形圖。在重合閘成功后,電壓會(huì)短時(shí)震蕩,由圖5可以看出,MOV開始吸收能量直至殘留的電流為0。此過(guò)程中,MOV吸收的能量最大為1.032MJ,低于額定能耗值,間隙電路不動(dòng)作。2.3.5過(guò)流和短路故障下的mov值IPC是由不同的元件組合而成的,在其運(yùn)行中內(nèi)部也可能發(fā)生短路故障。表4給出了IPC內(nèi)部發(fā)生不同類型的短路故障時(shí)IPC端口電壓和電容上電壓及MOV能耗值。由表4可以看出,在IPC內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí),端口電壓在保護(hù)水平以下,而電容上的電壓會(huì)出現(xiàn)較大值。這是由于在IPC兩側(cè)安裝的斷路器斷開的瞬間,電容的電流可能過(guò)零點(diǎn),此時(shí)電容上的電壓為最大值,線路斷開后,電容器上保持此電壓,使得斷路器上的暫態(tài)恢復(fù)電壓升高,電容上的電壓也隨之升高;另外,斷路器動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的潛供電流會(huì)使得單相接地故障時(shí)電容上的電壓值最大;雖然單回線路中三相接地故障最嚴(yán)重