一種提高交流母線電壓支撐強度的UPFC串並聯換流器協調控制策略的製作方法

2023-09-18 07:46:30

本發明屬於電力系統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串並聯換流器協調控制策略。

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；適用於遠距離、大容量輸電的特高壓輸電技術，為實現我國資源的合理開發、優化配置、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遠距離、大容量輸電的同時，對電網的安全穩定運行也帶來了新的挑戰；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，大規模功率的集中饋入對受端電網潮流控制和電壓支撐能力帶來了巨大挑戰。

統一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，upfc)作為最新一代的柔性交流輸電系統(flexibleactransmissionsystem，facts)裝置，既能夠實現潮流的精確控制，又具有電壓調節能力，為解決特高壓接入系統後電網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，其中並聯換流器通過換流變壓器以並聯形式接入，串聯換流器通過換流變壓器以串聯形式接入，如圖1所示，upfc通常有3個系統級的控制維度，即輸電線路有功/無功潮流控制以及並聯換流器的無功功率控制。

在利用facts裝置提高電網電壓支撐能力的研究中，通常只考慮並聯型的facts裝置，對於串聯型facts裝置無功調節能力的研究較少；為保證電力系統的安全穩定運行，除了需要動態無功支撐外，還需要配置大量電容器組進行靜態無功補償。傳統電網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無功分布不均衡，導致靜態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，對改善系統無功分布不均衡、解決n-1故障後局部區域無功支撐不足的問題提供了一種手段。為了充分利用upfc的電壓調節能力，最大限度的提高系統電壓支撐強度，應該同時利用upfc串、並聯換流器的無功電壓調節能力，但同時利用upfc串、並聯換流器對交流母線電壓進行控制而不考慮二者的協調，將導致upfc串、並聯換流器相互爭搶無功控制量，無法確定穩態運行點。

由上述分析可見，如何充分利用upfc串、並聯換流器的無功控制能力、協調upfc串聯與並聯換流器無功控制量之間的關係，對最大限度的提高交流母線的電壓支撐強度，保證電力系統的安全穩定運行具有十分積極的作用。

技術實現要素：

鑑於上述，本發明提出了一種提高交流母線電壓支撐強度的upfc串並聯換流器協調控制策略，當交流母線電壓越限時能夠自動調節upfc串聯換流器無功潮流指令值和並聯換流器無功功率指令值，將交流電壓控制在安全穩定運行範圍內，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串並聯換流器協調控制策略，包括如下步驟：

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

(2)根據所述敏感度aac和bac計算對應upfc串聯側及並聯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即被控交流母線節點電壓越限，則通過交流母線電壓協調控制算法生成upfc串聯側換流器的無功潮流調節信號δql以及upfc並聯側換流器的無功功率調節信號δqsh；

(4)使正常工況下控制中心給定的upfc串聯側換流器無功潮流指令值ql0以及upfc並聯側換流器無功功率指令值qsh0分別與無功潮流調節信號δql和無功功率調節信號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串聯側換流器的無功潮流控制模塊以及upfc並聯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點的編號且電流正方向從x流向y，m為被控交流母線節點的編號，z為電網系統節點導納矩陣的逆矩陣，j為虛數單位。

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點的運行電壓上限值和下限值，sgn為符號函數即當中的自變量≥0時，函數值為1；當中的自變量＜0時，函數值為-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節信號δql和無功功率調節信號δqsh：

其中：kse和ksh均為設定的放大增益係數，dse和dsh均為設定的下垂控制係數，s為拉普拉斯算子。

進一步地，所述下垂控制係數dse與dsh的比值等於|bac|與|aac|的比值。

本發明upfc串並聯換流器協調控制策略通過在電網運行過程中監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徵信號，並通過交流母線電壓協調控制算法自動調節upfc串聯換流器無功潮流指令值和並聯換流器無功功率指令值，最大限度的利用upfc系統級調節能力，將交流電壓控制在安全穩定運行範圍內。由此可見，本發明為解決特高壓接入系統後電網電壓支撐問題、最大限度的提高系統動/靜態電壓支撐能力提供了一種有效的手段。

附圖說明

圖1為統一潮流控制器upfc的結構示意圖。

圖2為含upfc的電力系統結構示意圖。

圖3為本發明交流母線電壓協調控制器的控制框圖。

圖4為某一實際電網系統的簡化示意圖。

圖5為自然潮流分布下及本發明控制策略下母線3的電壓響應曲線圖。

圖6為自然潮流分布下及本發明控制策略下2-1線路無功潮流和upfc並聯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明，下面結合附圖及具體實施方式對本發明的技術方案進行詳細說明。

本發明用於提高交流母線電壓支撐強度的upfc串並聯換流器協調控制策略，包括如下步驟：

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

對於一個含有a個交流母線的電力系統，假設被控交流母線在系統中的編號為m，upfc並聯側接入母線1，upfc串聯側安裝在母線1和2之間，如圖2所示。矩陣z為電網絡節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)；根據電網絡理論可得，該被控母線電壓幅值vac對upfc串聯側換流器無功潮流指令值ql*以及並聯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

在實際輸電網中架空線路電阻的值遠小於其電抗值，相比於虛部，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串聯側換流器無功潮流指令值ql*變化量以及並聯側換流器無功功率指令值qsh*變化量的關係為：

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

(2)在線監測被控交流母線電壓幅值vac並計算用以生成upfc串、並聯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調控制器生成upfc串聯側換流器無功潮流指令值ql*的調節信號δql以及並聯側換流器無功功率指令值qsh*的調節信號δqsh。

交流母線電壓協調控制器如圖3所示，其中kse、ksh分別為upfc串、並聯換流器交流母線電壓控制器的放大器增益，dse、dsh分別為串、並聯換流器交流母線電壓控制的下垂控制係數，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疊加後經過積分環節後得到upfc串聯側無功潮流指令值的調節信號δql；誤差信號δrsh與輸出信號δqsh的反饋信號dshδqsh疊加後經過積分環節後得到upfc並聯側無功功率指令值的調節信號δqsh，即：

無功電壓控制量在串、並聯換流器之間的分配可以通過改變串、並聯換流器交流母線電壓控制的下垂控制係數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串聯側換流器無功潮流指令值以及並聯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|。

交流母線電壓協調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，其取值隨自變量x的變換規律為：

(3)將調節信號δql與正常工況下無功潮流設定值ql0相加後得到upfc串聯側換流器最終的無功潮流指令值ql*；將調節信號δqsh與正常工況下無功功率設定值qsh0相加後得到upfc串聯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串聯側換流器的無功潮流控制模塊以及並聯側換流器無功功率控制模塊，作為upfc的控制參考值並進行控制，以實現upfc無功控制能力最大限度的利用。

圖4為某一實際電網系統簡化示意圖，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串聯側換流器無功潮流指令值ql*以及並聯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中數據可以看出，交流母線電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流指令值ql*以及並聯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串聯側換流器無功潮流指令值ql*以及並聯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，並不需要數值上完全相同。下面對本實施方式協調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態電壓水平和暫態電壓支撐強度對特高壓直流的消納與系統的安全穩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串並聯換流器協調控制策略的響應過程如圖5和圖6所示，動態仿真的過程為：1.0s時1～2雙回線1側發生非金屬性接地故障，upfc保護動作，串聯換流器退出運行，1.1s將故障迴路切除，3.1s時非故障迴路上的upfc串聯換流器重新投入運行。動態仿真中，在upfc中加裝本實施方式upfc串並聯換流器協調控制器時，所用參數如下：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，採用本實施方式控制策略後直流換流站交流母線(母線3)的暫態電壓支撐強度和穩態調壓能力均得到提高。同時由圖6中局部放大部分可以看出，若無串聯換流器的無功潮流調節，在並聯換流器無功出力增加時，自然潮流分布下通過2-1線路向直流落點區域輸送的無功功率在事故後反而會降低，不利於直流換流站母線事故後電壓的恢復。串聯換流器投入運行後，通過改變upfc無功潮流指令值調節2～1線路上的無功潮流，進一步提高直流換流站母線故障後恢復電壓，改善事故後系統的無功潮流分布，減少對直流電容器的容量需求。由此可見，本發明upfc串並聯換流器協調控制策略具有較好的動態特性，上述分析也驗證了本發明upfc串並聯換流器協調控制策略的有效性。

上述對實施例的描述是為便於本技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。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，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對於本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。