一種UPFC直流側等效電容的選取分析方法與流程

2023-06-16 04:33:51

本發明屬於電力系統柔性輸配電
技術領域：
，具體涉及一種upfc直流側等效電容的選取分析方法。
背景技術：
：自1991年美國西屋科技中心的gyugyi博士提出統一潮流控制器upfc(unifiedpowerflowcontroller)的概念以來，不少學者開始致力於對它的研究。upfc作為柔性交流輸電家族中最複雜的也是最有吸引力的一種補償器，能夠對電力線路上的阻抗，相角及有功和無功進行任意組合控制，集多種功能於一身，具有很強的靈活性。美國電力公司於1998年在肯塔基東部inez地區安裝了世界上第1臺upfc，它作為世界上最大的逆變器，具有640mva的控制能力，得到世界電力工業界的廣泛關注。作為最新一代的facts(flexiblealternativecurrenttransmissionsystems，柔性交流輸電系統)裝置，統一潮流控制器upfc能夠實現潮流的精確控制，對電網動態穩定性和電壓穩定性均有較大影響。如圖1所示，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，其中變流器2的換流變壓器以串聯形式接入；有功功率可以在兩個變流器之間在任一方向自由流動，每個變流器的交流輸出端也可獨立地產生或吸收無功功率；upfc中變流器2的功能是通過串聯變壓器給線路注入幅值和相角均可控的電壓向量，即可同時或有選擇性地調節線路上的電壓、阻抗和相角；變流器1的主要功能是提供或吸收變流器2在公共直流母線上所需要的有功功率，以維持串聯注入電壓與線路之間的有功功率交換。現有工作大多致力於upfc潮流控制的效果及穩定性的改善，鮮有研究upfc的暫態行為及裝置參數的選取。upfc快速潮流控制會引起直流側電壓的波動，因為串聯側注入的電壓與線路電流會產生一定的有功功率，這部分功率在暫態過程中會流入(或流出)直流側電容；若該功率數值較大，則會引起直流側電壓的驟升(或驟降)，而直流側的過電壓不利於upfc的安全運行，因此有必要研究如何選取合適的電容值以避免其發生。技術實現要素：鑑於上述，為了對upfc潮流控制的暫態過程進行分析，本發明基於瞬時電壓、電流矢量理論，提出了一種upfc直流側等效電容的選取分析方法，從原理上討論了流經串並聯側的有功功率及其構成，分析結果表明暫態過程中流出串聯側的有功功率轉移至線路電感中，這部分功率若由直流側電容提供，則電容在暫態過程中釋放的電能等同於線路電感存儲的磁能，電容選擇的依據可由此獲得。一種upfc直流側等效電容的選取分析方法，包括如下步驟：(1)根據upfc基本結構推導建立其數學模型以及upfc中兩個換流器的控制模型；(2)根據所述的數學模型和控制模型，通過分析upfc所串聯交流線路的等效電感以及upfc直流側等效電容在短路故障中的功率變化，從而推導出upfc直流側等效電容的計算公式如下，並依此確定其電容值c；其中：l為upfc所串聯交流線路的等效電感，il1為電力系統中其他線路發生短路故障後upfc所串聯交流線路的穩態電流，il0為電力系統中其他線路發生短路故障前upfc所串聯交流線路的穩態電流，udc0為電力系統中其他線路發生短路故障前upfc的直流電壓即upfc直流側等效電容兩端電壓，σ為upfc直流電壓的變化率。所述upfc直流電壓變化率σ的計算表達式如下：其中：udc1為電力系統中其他線路發生短路故障後upfc的直流電壓。所述步驟(1)的具體實現過程如下：1.1以低頻動態數學模型推導出upfc的vsc(voltagesourceconverter，電壓源換流器)機電暫態模型；1.2通過將三相變量經坐標變換後得到dq旋轉坐標系下的物理量，從而獲得dq旋轉坐標系下vsc的數學模型；1.3對upfc直流側直接使用電容等效；1.4使upfc中的vsc採用電流解耦控制，通過內環電流控制器調節vsc輸出電壓的d軸參考值vdref和q軸參考值vqref，使交流側電流的d軸分量isd和q軸分量isq跟蹤外環控制器輸出的d軸電流指令值isdref和q軸電流指令值isqref；1.5使upfc其中一個vsc採用定直流電壓控制，其外環控制器採用pi控制環節向內環電流控制器提供d軸電流指令值isdref和q軸電流指令值isqref。所述步驟(2)中分析upfc所串聯交流線路的等效電感以及upfc直流側等效電容在短路故障中的功率變化，具體過程如下：2.1根據upfc的數學模型以及換流器的控制模型，考慮並聯側dq旋轉坐標系下的狀態方程並結合併聯側換流器功率方程，消去閥側電壓變量得到upfc並聯側功率方程新的表達式，該表達式包含由網側電壓電流表示的並聯側輸入功率以及連接電抗器暫態過程流經的功率，並去掉了消耗在連接電阻上的損耗；2.2根據串聯側插入線路中等效電壓源產生的功率方程和串聯側線路電流狀態方程，消去等效電壓源電壓變量得到upfc串聯側功率方程新的表達式，該表達式包含線路電感暫態過程流經的功率以及線路電阻損耗，並去掉了線路首末端功率差；2.3忽略直流損耗並將串聯變壓器損耗考慮到線路中，由功率平衡原理得到並聯側輸入功率等於直流電容吸收功率以及串聯側輸出功率，所述串聯側輸出功率中包含電流導數項的為暫態功率，不包含電流導數項的為穩態功率；對於暫態功率，考慮從時刻t0到t1，對應線路電感電流的d軸分量和q軸分量也分別從id0和iq0變化到id1和iq1，對暫態功率在該時間段積分，得到該時間段內線路電感的能量變化，將坐標變換運用到電流變量上並帶回電感能量變化中，得到以線路電流有效值表示的電感能量變化t0和t1分別電力系統中其他線路發生短路故障前後所對應的時刻；2.4考慮從時刻t0到t1，upfc直流電壓由udc0變為udc1，對該時間段電容功率進行積分得到其釋放能量使δwdc與δwl相等，即可推導出upfc直流側等效電容的計算公式。優選地，考慮直流電壓變化率在預計範圍內σ2＜＜2σ，則使upfc直流側等效電容的計算公式為：本發明結合瞬時功率理論，給出了upfc直流側等效電容的選取分析方法，說明了upfc潮流控制的暫態過程中，流經串聯側變流器的有功功率和線路電感功率的關係。潮流控制在upfc中會產生一定的有功功率傳輸，當直流側電容提供暫態功率而並聯側只提供穩態功率時，並聯側容量可以較小；如果為了穩定直流側電壓，那麼並聯側變流器容量應包括暫穩態功率之和，由此本發明為upfc的電容選取分析提供了依據。附圖說明圖1為統一潮流控制器upfc的結構示意圖。圖2為本發明方法的流程示意圖。圖3為含電流內環控制器的vsc控制結構框圖。圖4(a)為定有功功率控制器的結構框圖。圖4(b)為定直流電壓控制器的結構框圖。圖4(c)為定無功功率控制器的結構框圖。圖4(d)為定交流電壓控制器的結構框圖。圖5為含upfc的單機無窮大系統的示意圖。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。如圖2所示，本發明upfc直流側等效電容的選取分析方法，包括如下步驟：(1)根據upfc基本結構推導出其數學模型和換流器控制模型。1.1以低頻動態數學模型推導出upfc的vsc機電暫態模型。1.2為便於分析和對各物理量獨立控制，將三相時變量變換進行park變換得到相互垂直的兩相d-q旋轉坐標系下的物理量，獲得同步d-q旋轉坐標系下vsc的數學模型。1.3對upfc直流側直接使用電容等效。1.4為消除d、q軸間的電流耦合和電網電壓擾動，vsc換流器採用電流解耦控制；通過內環電流控制器調節vsc輸出電壓參考值vdref和vqref，使交流側電流的d、q軸分量isd和isq跟蹤外環控制器輸出的電流指令值isdref和isqref，如圖3所示。1.5為達到upfc的控制目標，變流站主要有定直流電壓控制、定交流電壓控制、定線路潮流有功分量控制、定線路潮流無功分量控制、定串聯電壓幅值控制、定串聯電壓相角控制的基本控制方式，對應外環控制器的結構如圖4所示。為了保持系統有功平衡和直流電壓穩定，須有一個變流站採用定直流電壓控制；設計的外環控制器使用常見的pi控制環節向內環電流控制器提供交流側電流的d、q軸分量的指令值isdref和isqref。(2)upfc並聯和串聯側功率分析。2.1根據步驟(1)中upfc換流器數學模型考慮並聯側d-q坐標系下的狀態方程，結合併聯側換流器功率方程，消去閥側電壓變量得到功率方程的新表達式，包含網側電壓電流表示的並聯側輸入功率、連接電抗器暫態過程流經的功率，並去掉消耗在連接電阻上的損耗。2.2接著根據串聯側插入線路的等效電壓源產生的功率方程和串聯側線路電流狀態方程，消去等效電壓源電壓變量得到功率方程的新表達式，包含線路電感暫態過程流經的功率、線路電阻損耗，並去掉首末端功率差。2.3忽略直流損耗並將串聯變損耗等考慮到線路中，由功率平衡得到並聯側輸入功率提供直流電容吸收的功率和串聯側輸出功率。串聯側輸出功率中包含電流導數項的為暫態功率，不包含電流導數項的為穩態功率。對於暫態功率，考慮從時刻t0到t1，對應線路電感電流d、q分量也分別從id0和iq0變化到id1和iq1，對暫態功率在該時間段積分，得到該時間段內線路電感的能量變化。將park變換運用到電流變量上並帶回電感能量變化中，得到以線路電流有效值表示的電感能量變化δwl：其中，il0和il1分別為t0和t1時的電流有效值。(3)直流側等效電容選取分析。3.1由暫態過程的功率構成分析可知，傳輸到線路電感的功率包括直流側電容暫態過程放電和暫態時並聯側的換流器從系統母線獲得的額外功率。如果線路電感暫態過程的功率全部由並聯側換流器向串聯側換流器傳輸獲得，那麼此時直流側由於功率變化不大而電壓幾乎不會波動。考慮暫態功率需要全部從並聯側換流器流過，若暫態過程劇烈時，流過的功率相對也較大，這就要求並聯側換流器容量和換流變容量較大。這對於常規運行狀態為穩態的upfc而言是不經濟的。3.2最差情況下，線路電感暫態過程的功率全部由直流側電容放電獲得，顯然並聯側換流器和換流變容量只需滿足穩態功率值即可。考慮從時刻t0到t1，直流側電壓由udc0變為udc1，對該時段電容功率進行積分得到釋放的能量δwdc：使此能量δwdc與步驟(2)中的線路電感能量變化δwl相等，並定義直流電壓變化率σ：綜合以上各式得到電容大小為：考慮直流電壓變化率在預計範圍內有σ2＜＜2σ，故電容值近似正比於線路電感。以下我們搭建了一個含upfc的單機無窮大系統的仿真模型，發電機、變壓器經雙回220kv，100km輸電線路與無窮大母線相連，發電機發出功率為100mw，upfc安裝在其中1條輸電線路上，系統結構及參數如圖5所示，相關參數及取值如表1所示：表1參數物理意義取值sb/(mv·a)容量基準值100vb/kv線路電壓基準值230fb/hz電網基準頻率50l/h(0.1p.u.)線路電感0.1684r/ω(0.01p.u.)線路電阻5.29vdc/kvupfc直流側電壓20sse/(mv·a)upfc串聯側容量10由表1可推得，線路電流的基準值ib＝0.251ka，假設線路有功潮流受upfc控制，由50mw增至80mw，則upfc所在線路的電流有效值由0.1255ka變為0.2008ka。為了使電容電壓在暫態過程的變化率不超過10％，可知所需的電容為：仿真參數取c＝200μf，假設由並聯側變流器向線路電感提供所有能量，所需的並聯側容量較大，取並聯側變流器傳輸的容量ssh＝5mva，即串聯側容量sse的一半。仿真10s時upfc進行潮流控制，由原來的自然功率50mw增至80mw，暫態過程中流經串聯側的有功功率約為0.9mw，穩態之後為0.68mw，而選取的並聯側變流器容量為5mva，可提供串聯側注入系統中所有有功功率，故直流側電容電壓波動很小。假設由直流側電容提供暫態功率，並聯側變流器只提供穩態功率(即前兩項之代數和，約0.68mw)，將其容量ssh改為0.7mw。可發現，其他變量波形與之前基本相同，只有直流側電壓波形不同，暫態過程中直流側電壓由20kv降至18.4kv，可解得：δwdc＝0.5×200×10-6×[(20×103)2-(18.4×103)2]＝6144jδwl＝1.5×0.1684×(200.82-125.52)＝6220jδwdc≈δwl，與理論分析吻合，即暫態過程中直流側電容存儲的電能轉移並存儲為線路電感的磁能。上述分析驗證了本發明upfc直流側等效電容選取分析方法的有效性。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。當前第1頁12