本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)柔性輸配電技術領域，具體涉及一種提高交流母線電壓支撐強度的upfc串并聯(lián)換流器協(xié)調(diào)控制策略。

背景技術：

我國能源資源與負荷的逆向分布特性決定了“西電東送、北電南送”的基本格局；適用于遠距離、大容量輸電的特高壓輸電技術，為實現(xiàn)我國資源的合理開發(fā)、優(yōu)化配置、高效利用提供了一種有效的解決措施。然而，特高壓輸電工程在實現(xiàn)遠距離、大容量輸電的同時，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行也帶來了新的挑戰(zhàn)；在建準東-華東特高壓直流電壓等級±1100kv，單一直流額定饋入功率達12000mw，大規(guī)模功率的集中饋入對受端電網(wǎng)潮流控制和電壓支撐能力帶來了巨大挑戰(zhàn)。

統(tǒng)一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，upfc)作為最新一代的柔性交流輸電系統(tǒng)(flexibleactransmissionsystem，facts)裝置，既能夠?qū)崿F(xiàn)潮流的精確控制，又具有電壓調(diào)節(jié)能力，為解決特高壓接入系統(tǒng)后電網(wǎng)潮流控制和電壓支撐問題提供了一種綜合性的解決手段。upfc由兩個背靠背的電壓源換流器構成，兩個背靠背的換流器共用直流母線和直流電容，二者都通過換流變壓器接入系統(tǒng)，其中并聯(lián)換流器通過換流變壓器以并聯(lián)形式接入，串聯(lián)換流器通過換流變壓器以串聯(lián)形式接入，如圖1所示，upfc通常有3個系統(tǒng)級的控制維度，即輸電線路有功/無功潮流控制以及并聯(lián)換流器的無功功率控制。

在利用facts裝置提高電網(wǎng)電壓支撐能力的研究中，通常只考慮并聯(lián)型的facts裝置，對于串聯(lián)型facts裝置無功調(diào)節(jié)能力的研究較少；為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，除了需要動態(tài)無功支撐外，還需要配置大量電容器組進行靜態(tài)無功補償。傳統(tǒng)電網(wǎng)運行中無功潮流的不可控性、無功配置與需求的不均衡將導致電網(wǎng)無功分布不均衡，導致靜態(tài)無功補償裝置不能得到充分的利用；upfc的無功潮流控制能力可以精確控制線路無功潮流，對改善系統(tǒng)無功分布不均衡、解決n-1故障后局部區(qū)域無功支撐不足的問題提供了一種手段。為了充分利用upfc的電壓調(diào)節(jié)能力，最大限度的提高系統(tǒng)電壓支撐強度，應該同時利用upfc串、并聯(lián)換流器的無功電壓調(diào)節(jié)能力，但同時利用upfc串、并聯(lián)換流器對交流母線電壓進行控制而不考慮二者的協(xié)調(diào)，將導致upfc串、并聯(lián)換流器相互爭搶無功控制量，無法確定穩(wěn)態(tài)運行點。

由上述分析可見，如何充分利用upfc串、并聯(lián)換流器的無功控制能力、協(xié)調(diào)upfc串聯(lián)與并聯(lián)換流器無功控制量之間的關系，對最大限度的提高交流母線的電壓支撐強度，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有十分積極的作用。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提出了一種提高交流母線電壓支撐強度的upfc串并聯(lián)換流器協(xié)調(diào)控制策略，當交流母線電壓越限時能夠自動調(diào)節(jié)upfc串聯(lián)換流器無功潮流指令值和并聯(lián)換流器無功功率指令值，將交流電壓控制在安全穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，最大限度的提高交流母線的電壓支撐強度。

一種提高交流母線電壓支撐強度的upfc串并聯(lián)換流器協(xié)調(diào)控制策略，包括如下步驟：

(1)計算被控交流母線節(jié)點的電壓幅值vac相對upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值ql^*變化的敏感度aac以及相對upfc并聯(lián)側換流器無功功率指令值qsh^*變化的敏感度bac；

(2)根據(jù)所述敏感度aac和bac計算對應upfc串聯(lián)側及并聯(lián)側換流器的電壓越限偏差信號δrse和δrsh；

(3)當檢測到δrse≠0或δrsh≠0即被控交流母線節(jié)點電壓越限，則通過交流母線電壓協(xié)調(diào)控制算法生成upfc串聯(lián)側換流器的無功潮流調(diào)節(jié)信號δql以及upfc并聯(lián)側換流器的無功功率調(diào)節(jié)信號δqsh；

(4)使正常工況下控制中心給定的upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值ql0以及upfc并聯(lián)側換流器無功功率指令值qsh0分別與無功潮流調(diào)節(jié)信號δql和無功功率調(diào)節(jié)信號δqsh相疊加，得到最終的無功潮流指令值ql^*和無功功率指令值qsh^*；進而將ql^*和qsh^*分別輸入至upfc串聯(lián)側換流器的無功潮流控制模塊以及upfc并聯(lián)側換流器的無功功率控制模塊，作為upfc的控制指令以進行控制。

進一步地，所述步驟(1)中通過以下公式計算敏感度aac和bac：

aac＝-j(zmy-zmx)

bac＝-jzmx

其中：zmx為矩陣z中第m行第x列元素，zmy為矩陣z中第m行第y列元素，x和y分別為upfc所在安裝線路兩端母線節(jié)點的編號且電流正方向從x流向y，m為被控交流母線節(jié)點的編號，z為電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點導納矩陣的逆矩陣，j為虛數(shù)單位。

進一步地，所述步驟(2)中通過以下公式計算電壓越限偏差信號δrse和δrsh：

δrse＝-δvacsgn(aac)

δrsh＝δvacsgn(bac)

δvac＝max(vac-vac,max,0)+min(vac-vac,min,0)

其中：vac,max和vac,min分別為被控交流母線節(jié)點的運行電壓上限值和下限值，sgn()為符號函數(shù)即當()中的自變量≥0時，函數(shù)值為1；當()中的自變量＜0時，函數(shù)值為-1。

進一步地，所述步驟(3)中通過以下公式計算生成無功潮流調(diào)節(jié)信號δql和無功功率調(diào)節(jié)信號δqsh：

其中：kse和ksh均為設定的放大增益系數(shù)，dse和dsh均為設定的下垂控制系數(shù)，s為拉普拉斯算子。

進一步地，所述下垂控制系數(shù)dse與dsh的比值等于|bac|與|aac|的比值。

本發(fā)明upfc串并聯(lián)換流器協(xié)調(diào)控制策略通過在電網(wǎng)運行過程中監(jiān)測被控交流母線電壓的幅值，當交流母線電壓越限時計算反映交流母線電壓越線程度的特征信號，并通過交流母線電壓協(xié)調(diào)控制算法自動調(diào)節(jié)upfc串聯(lián)換流器無功潮流指令值和并聯(lián)換流器無功功率指令值，最大限度的利用upfc系統(tǒng)級調(diào)節(jié)能力，將交流電壓控制在安全穩(wěn)定運行范圍內(nèi)。由此可見，本發(fā)明為解決特高壓接入系統(tǒng)后電網(wǎng)電壓支撐問題、最大限度的提高系統(tǒng)動/靜態(tài)電壓支撐能力提供了一種有效的手段。

附圖說明

圖1為統(tǒng)一潮流控制器upfc的結構示意圖。

圖2為含upfc的電力系統(tǒng)結構示意圖。

圖3為本發(fā)明交流母線電壓協(xié)調(diào)控制器的控制框圖。

圖4為某一實際電網(wǎng)系統(tǒng)的簡化示意圖。

圖5為自然潮流分布下及本發(fā)明控制策略下母線3的電壓響應曲線圖。

圖6為自然潮流分布下及本發(fā)明控制策略下2-1線路無功潮流和upfc并聯(lián)換流器輸出無功的響應曲線圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

本發(fā)明用于提高交流母線電壓支撐強度的upfc串并聯(lián)換流器協(xié)調(diào)控制策略，包括如下步驟：

(1)計算被控交流母線電壓幅值vac對upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值ql^*以及并聯(lián)側換流器無功功率指令值qsh^*變化的敏感度，具體方法如下：

對于一個含有a個交流母線的電力系統(tǒng)，假設被控交流母線在系統(tǒng)中的編號為m，upfc并聯(lián)側接入母線1，upfc串聯(lián)側安裝在母線1和2之間，如圖2所示。矩陣z為電網(wǎng)絡節(jié)點導納矩陣的逆矩陣，其第i行第j列元素為zij(i,j＝1,2,…,a)；根據(jù)電網(wǎng)絡理論可得，該被控母線電壓幅值vac對upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值ql^*以及并聯(lián)側換流器無功功率指令值qsh^*變化的敏感度aac和bac的計算公式如下：

aac＝-j(zm2-zm1)

bac＝-jzm1

在實際輸電網(wǎng)中架空線路電阻的值遠小于其電抗值，相比于虛部，zij的實部可以忽略。同時，upfc安裝線路附近交流母線的電壓相量相角都比較接近，幅值都在1.0pu附近。在此條件下，該被控母線電壓幅值vac與upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值ql^*變化量以及并聯(lián)側換流器無功功率指令值qsh^*變化量的關系為：

可見aac和bac反映了被控母線電壓幅值vac對upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值ql^*以及并聯(lián)側換流器無功功率指令值qsh^*變化的敏感度。

(2)在線監(jiān)測被控交流母線電壓幅值vac并計算用以生成upfc串、并聯(lián)側換流器無功指令值的電壓越限偏差信號δrse、δrsh；當檢測到δrse≠0或δrsh≠0，即被控交流母線電壓越限時，通過交流母線電壓協(xié)調(diào)控制器生成upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值ql^*的調(diào)節(jié)信號δql以及并聯(lián)側換流器無功功率指令值qsh^*的調(diào)節(jié)信號δqsh。

交流母線電壓協(xié)調(diào)控制器如圖3所示，其中kse、ksh分別為upfc串、并聯(lián)換流器交流母線電壓控制器的放大器增益，dse、dsh分別為串、并聯(lián)換流器交流母線電壓控制的下垂控制系數(shù)，s為拉普拉斯算子。誤差信號δrse與輸出信號δql的反饋信號dseδql疊加后經(jīng)過積分環(huán)節(jié)后得到upfc串聯(lián)側無功潮流指令值的調(diào)節(jié)信號δql；誤差信號δrsh與輸出信號δqsh的反饋信號dshδqsh疊加后經(jīng)過積分環(huán)節(jié)后得到upfc并聯(lián)側無功功率指令值的調(diào)節(jié)信號δqsh，即：

無功電壓控制量在串、并聯(lián)換流器之間的分配可以通過改變串、并聯(lián)換流器交流母線電壓控制的下垂控制系數(shù)dse和dsh，按照預先給定的分配原則進行分配。本實施方式按照被控母線電壓幅值對upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值以及并聯(lián)側換流器無功功率指令值變化的敏感度進行分配，即dse:dsh＝|bac|:|aac|。

交流母線電壓協(xié)調(diào)控制器中的誤差信號δrse、δrsh通過下式計算得到：

δrse＝-δvacsgn(aac)

δrsh＝δvacsgn(bac)

其中：δvac＝max(vac-vac,max,0)+min(vac-vac,min,0)，vac,max和vac,min分別被控交流母線運行電壓的上限值和下限值，sgn(x)為符號函數(shù)，其取值隨自變量x的變換規(guī)律為：

(3)將調(diào)節(jié)信號δql與正常工況下無功潮流設定值ql0相加后得到upfc串聯(lián)側換流器最終的無功潮流指令值ql^*；將調(diào)節(jié)信號δqsh與正常工況下無功功率設定值qsh0相加后得到upfc串聯(lián)側換流器最終的無功功率指令值qsh^*；將指令值分別輸入到upfc串聯(lián)側換流器的無功潮流控制模塊以及并聯(lián)側換流器無功功率控制模塊，作為upfc的控制參考值并進行控制，以實現(xiàn)upfc無功控制能力最大限度的利用。

圖4為某一實際電網(wǎng)系統(tǒng)簡化示意圖，upfc安裝在線路1-2上靠近交流母線1的一側，交流母線電壓幅值對upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值ql^*以及并聯(lián)側換流器無功功率指令值qsh^*變化敏感度的仿真值與解析值的對比如表1所示。表1中仿真值為分別單獨改變1pu時各母線電壓幅值的改變(單位pu)，解析值為利用本實施方式給出的公式計算得到的結果；δv1、δv3、δv4分別為交流母線1、3、4的電壓幅值的變化量。

表1

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，交流母線電壓幅值對upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值ql^*以及并聯(lián)側換流器無功功率指令值qsh^*變化敏感度的仿真值與解析值相差較小，可以利用本實施方式給出的計算方法判斷交流母線電壓幅值對upfc串聯(lián)側換流器無功潮流指令值ql^*以及并聯(lián)側換流器無功功率指令值qsh^*變化敏感程度的大小。同時，本實施方式給出的upfc控制策略對越線電壓進行反饋控制的過程中，只用到了aac和bac的符號，并不需要數(shù)值上完全相同。下面對本實施方式協(xié)調(diào)控制策略的控制效果進行了驗證，直流換流站交流母線的穩(wěn)態(tài)電壓水平和暫態(tài)電壓支撐強度對特高壓直流的消納與系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行是至關重要的，因此選擇直流換流站交流母線(母線3)作為被控交流母線。

本實施方式upfc串并聯(lián)換流器協(xié)調(diào)控制策略的響應過程如圖5和圖6所示，動態(tài)仿真的過程為：1.0s時1～2雙回線1側發(fā)生非金屬性接地故障，upfc保護動作，串聯(lián)換流器退出運行，1.1s將故障回路切除，3.1s時非故障回路上的upfc串聯(lián)換流器重新投入運行。動態(tài)仿真中，在upfc中加裝本實施方式upfc串并聯(lián)換流器協(xié)調(diào)控制器時，所用參數(shù)如下：vac,min＝0.96pu，vac,max＝1.04pu，kse＝1000，dse＝0.00062，ksh＝1000，dsh＝0.00056，ql0＝5.94pu，qsh0＝0。

由圖5和圖6可以看出，采用本實施方式控制策略后直流換流站交流母線(母線3)的暫態(tài)電壓支撐強度和穩(wěn)態(tài)調(diào)壓能力均得到提高。同時由圖6中局部放大部分可以看出，若無串聯(lián)換流器的無功潮流調(diào)節(jié)，在并聯(lián)換流器無功出力增加時，自然潮流分布下通過2-1線路向直流落點區(qū)域輸送的無功功率在事故后反而會降低，不利于直流換流站母線事故后電壓的恢復。串聯(lián)換流器投入運行后，通過改變upfc無功潮流指令值調(diào)節(jié)2～1線路上的無功潮流，進一步提高直流換流站母線故障后恢復電壓，改善事故后系統(tǒng)的無功潮流分布，減少對直流電容器的容量需求。由此可見，本發(fā)明upfc串并聯(lián)換流器協(xié)調(diào)控制策略具有較好的動態(tài)特性，上述分析也驗證了本發(fā)明upfc串并聯(lián)換流器協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

上述對實施例的描述是為便于本技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對上述實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。