CN105552916A - 一种具有线路功率越限控制功能的upfc***级控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有线路功率越限控制功能的UPFC***级控制方法，其通过断面潮流控制策略实现UPFC断面潮流控制功能，在电网正常运行状态下，根据调度指令迅速将被控断面的实际功率控制在一个合理的功率设定值以下，保证与被控断面并联的输电线路满足N-1校核；在故障或工况改变而引起被控断面上的输电线路或与被控断面串联的输电线路功率越限时叠加上由线路功率越限控制模块产生的一个能够反映线路越限情况的功率偏差dP2，从而自动生成满足电网安全稳定运行要求的UPFC控制指令，在优先保证线路不过载的前提下满足断面潮流控制的要求。本发明既增加了调度的灵活性，又能够降低电网运行的复杂度，调高电网运行的可靠性。

Description

一种具有线路功率越限控制功能的UPFC***级控制方法
技术领域
本发明属于电力***柔性输配电技术领域，具体涉及一种具有线路功率越限控制功能的UPFC***级控制方法。
背景技术
电力***向大型互联电网发展，已经成为世界各国现代电力***发展的共同趋势，而互联电网的形成使得电网结构日益复杂，运行日益繁重。为迎合电力***发展需要，柔***流输电(flexibleACtransmissionsystem，FACTS)技术急速发展。统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，UPFC)作为最新一代的FACTS装置，既能够实现潮流的精确控制，提高断面输送功率极限；又能提供动态电压支撑，提高***电压稳定性；同时可以提高***阻尼，改善***动态特性。因此，合理装设统一潮流控制器对我国电网的发展具有十分重要的意义。
如图1所示，UPFC由两个背靠背的电压源变流器构成，两个背靠背的变流器共用直流母线和直流电容，二者都通过换流变压器接入***，其中变流器2的换流变压器以串联形式接入。有功功率可以在两个变流器之间在任一方向自由流动，每个变流器的交流输出端也可独立地产生或吸收无功功率。UPFC中变流器2的功能是通过串联变压器给线路注入幅值和相角均可控的电压矢量，即可同时或有选择性地调节线路上的电压、阻抗和相角；变流器1的功能是提供或吸收变流器2在公共直流母线上所需要的有功功率，以维持串联注入电压与线路之间的有功功率交换。UPFC中，除了变流器2能与***进行有功和无功功率的交换外，如有必要变流器1也可同时产生或吸收可控的无功功率，为线路提供独立的并联无功补偿。
统一潮流控制器在电网正常运行状态以及发生N-1故障时控制目标值的设定原则是其工程实用的难点之一。制定一套合理的***级控制策略是UPFC装置投运前必须完成的工作。学术上，针对统一潮流控制器的研究大多集中在UPFC***建模、潮流控制策略等方面。工程上，UPFC的工程应用在我国尚属空白，国外虽然已经有3套UPFC装置投入运行，但仍缺少可借鉴的工程经验。传统的UPFC装置直接安装在被控断面上，由调度人员远程给出被控断面功率设定值，在因故障或工况改变而引起线路功率越限时，需要调度员远程改变被控断面功率设定值；在不同运行工况下，调度员给出的被控断面功率设定值无法保证线路功率不越限。这大大增加了电网运行的复杂度，也会降低电网运行的可靠性。同时，受UPFC装置工程占地的限制，实际工程中可能无法将UPFC加装在被控断面上，此时需要通过控制加装在被控断面附近的UPFC装置来达到断面潮流控制效果。因此，制定一套可以工程实用的具有线路功率越限控制功能的UPFC***级控制策略是十分有必要的。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种具有线路功率越限控制功能的UPFC***级控制方法，在优先保证线路不过载的前提下尽可能的满足断面潮流控制的要求，既增加了调度的灵活性，又能够降低电网运行的复杂度，调高电网运行的可靠性。
一种具有线路功率越限控制功能的UPFC***级控制方法，由断面潮流控制策略与线路功率越限控制模块结合实现；所述的UPFC***级控制方法通过断面潮流控制策略实现UPFC断面潮流控制功能，在电网正常运行状态下，根据调度指令迅速将被控断面的实际功率控制在一个合理的功率设定值以下，保证与被控断面并联的输电线路满足N-1校核；在故障或工况改变而引起被控断面上的输电线路或与被控断面串联的输电线路功率越限时叠加上由线路功率越限控制模块产生的一个能够反映线路越限情况的功率偏差dP2，从而自动生成满足电网安全稳定运行要求的UPFC控制指令，在优先保证线路不过载的前提下满足断面潮流控制的要求。
所述断面潮流控制策略的具体过程如下：
1.1计算被控断面的设定功率与实际功率之间的功率偏差dP1；
1.2将UPFC安装线路的功率、功率偏差dP1以及功率偏差dP2相叠加后，再经限幅环节得到UPFC的有功功率指令值；
1.3根据设定的线路功率因数利用所述的有功功率指令值，计算出UPFC的无功功率指令值；
1.4根据UPFC的有功功率指令值和无功功率指令值，通过相关控制算法对UPFC进行控制。
所述的步骤1.1中被控断面的设定功率能够保证与被控断面并联的输电线路满足N-1校核，即当被控断面运行在该设定功率时任一与被控断面并联的输电线路发生N-1故障后，其他非故障的并联输电线路的功率均不超过各自的功率限值。
所述的步骤1.3中通过以下公式计算UPFC的无功功率指令值：
所述的线路功率越限控制模块产生功率偏差dP2的具体过程如下：
2.1监控被控断面上的输电线路或与被控断面串联的输电线路的实际功率，计算各个被监控线路的功率限值与实际功率之间的功率偏差，对应作为各个被监控线路安全运行的功率裕度，提取所有被监控线路安全运行功率裕度的最小值X；
2.2根据功率偏差dP1和功率裕度最小值X通过逻辑判断确定出选择信号Ctrl；
2.3根据所述的选择信号Ctrl确定PI(比例积分)控制器的输入，进而利用PI控制器输出产生所述的功率偏差dP2。
所述步骤2.2中的具体逻辑判断标准如下：
①当***正常运行状态下，各个被监控线路的实际功率均低于功率限值，则功率裕度最小值X大于0，此时选择信号Ctrl＝0；
②当***发生N-1故障或因工况改变导致被监控线路过载时，即存在有被监控线路的实际功率高于功率限值的情况，则功率裕度最小值X小于0，此时选择信号Ctrl＝1；
③当被控断面的实际功率超过设定功率同时各个被监控线路的实际功率均低于功率限值时，则功率偏差dP1小于0且功率裕度最小值X大于0，此时选择信号Ctrl＝0。
所述的步骤2.3中当选择信号Ctrl＝0时，则PI控制器的输入信号为0；当选择信号Ctrl＝1时，则PI控制器的输入信号为功率裕度最小值X与线路功率越限控制模块预设的功率控制裕度Pm的差值。
当被控断面的实际功率超过设定功率同时各个被监控线路的实际功率均低于功率限值时，选择信号Ctrl＝0，PI控制器的输入信号重新变为0，同时PI控制器中的积分器清零。
在情况②和情况③下，选择信号Ctrl的触发具有一定的延时，即连续多个时刻选择信号Ctrl＝0或1，选择信号Ctrl才真正对PI控制器的输入进行相应的选择触发。
在电网正常运行状态下，本发明提供的UPFC***级控制策略能够根据调度指令迅速将被控断面的实际功率控制到断面功率设定值，保证与UPFC控制断面并联的输电线路满足N-1校核；在***发生故障时或工况改变引起UPFC控制断面上或与UPFC控制断面串联的输电线路过载时，自动生成满足电网安全稳定运行要求的UPFC控制指令值，在优先保证线路不过载的前提下尽可能的满足断面潮流控制的要求，能够起到安全稳定自动装置的作用。本发明既增加了调度的灵活性，又能够降低电网运行的复杂度，调高电网运行的可靠性，对于UPFC的工程实用具有重要意义。
附图说明
图1为UPFC的结构示意图。
图2为某实际电网的简化结构示意图。
图3为UPFC断面潮流控制策略的控制原理示意图。
图4为UPFC线路功率越限控制模块的控制原理示意图。
图5为本发明UPFC***级控制策略的控制原理示意图。
图6(a)为采用本发明UPFC***级控制策略后HF双回线发生N-1故障时断面1的功率变化曲线示意图。
图6(b)为采用本发明UPFC***级控制策略后HF双回线发生N-1故障时HF双回线的功率变化曲线示意图。
图7(a)为采用本发明UPFC***级控制策略后断面1发生N-1故障时断面1的功率变化曲线示意图。
图7(b)为采用本发明UPFC***级控制策略后断面1发生N-1故障时HF双回线的功率变化曲线示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图2为某实际电网的简化结构，区域内负荷主要通过断面1和断面2供电，两个断面潮流分布不均匀，经常遭遇输电瓶颈。断面1输送功率约为600MW，断面2中HF双回线输送功率约为780MW，两个输电断面均不满足N-1校核。即：BD或BC双回线中任意一回线因故障退出运行后，非故障线路功率将超过其功率限值；HF双回线中任意一回线因故障退出运行后，非故障线路功率将超过其功率限值。受UPFC***工程占地的限制，无法加装在BC、BD线路对断面1功率进行直接控制。经过工程选址分析，选择在AB线路上加装UPFC装置对断面1功率进行控制，具体控制方法包括：
(1)断面潮流控制策略。
UPFC***级控制策略首先应保证UPFC能实现其潮流控制的需求。因此，电网正常运行状态下，UPFC首先应该能实现其断面潮流功能，即将断面1的输送功率控制在设定值。UPFC断面潮流控制策略如图3所示。
图3中，Pset和Pa分别为断面1输送功率的设定值和实际值；dP1为断面功率控制模块输出，赋给信号A；PL为AB线路输送功率；Pmax和Pmin分别为AB线路允许运行功率的上限和下限；Pref和Qref分别为AB线路功率的控制目标值，即为UPFC有功和无功指令值；其中，δ为功率因数。
电网正常运行状态下，所制定的潮流控制策略可以满足UPFC潮流控制需求，使断面1潮流被控制在设定值，此时断面2可以满足N-1校核。然而，仅仅使用线路断面潮流控制策略作为UPFC***级控制策略，在因故障或工况改变而引起断面1上线路功率越限时，需要调度员远程改变断面功率的设定值；同时，在不同运行工况下，调度员给出的设定值无法保证能将线路功率控制在其功率限值以下，这大大增加了电网运行的复杂度，也会降低电网运行的可靠性。
(2)线路功率越限控制策略。
为降低电网运行的复杂程度，提高电网运行的可靠性，在因故障或工况改变而引起断面1上线路功率越限时UPFC***级控制策略应能够自动生成满足电网安全稳定运行要求的UPFC指令值。因此，在断面潮流控制策略的基础上增加了如图4所示的线路功率越限控制模块，具体控制过程如下：
2.1监控断面1上输电线路的实际功率，计算各个被监控线路的功率限值与实际值之间的功率偏差，作为各个被监控线路安全运行的裕度指标，将各个被监控线路安全运行裕度指标的最小值赋给信号B；
2.2信号A和信号B作为触发模块的输入，共同生成线路功率越限控制模块PI控制器的输入选择信号Ctrl。其控制逻辑如下：①***正常运行状态下，被监控线路功率均低于其功率限值，即B>0，此时Ctrl＝0，PI控制器的输入信号为0；②当***发生N-1故障或因工况改变导致任意一条被监控线路过载时，即B<0，此时Ctrl＝1，PI控制器的输入信号变为能够反映线路越限情况的功率偏差信号；③当被控断面潮流超过其设定值同时被监控线路功率均低于其功率限值，即A<0且B>0，此时CTRL＝0，PI控制器的输入信号重新变为0，同时PI控制器的积分器清零。为防止触发模块频繁动作，②和③中Ctrl信号的触发和返回均经过一定的时延，在设定的时延中持续满足控制逻辑才会导致Ctrl信号的触发或返回。
2.3为保证被监控线路运行功率距离其功率限值还有一定裕度，在PI控制器输入环节加入Pm信号作为线路功率越限控制模块的控制裕度；PI控制器的输出即为线路功率越限控制模块的输出dP2。
图4中，Plimt1和Plimit2分别为BC、BD线路功率限值；Pline1和Pline2分别为BC、BD线路实际功率。
(3)UPFC***级控制策略。
综合上面提出的断面潮流控制策略和线路功率越限控制策略。本实施方式提出了一套既满足***潮流控制需求同时具有线路功率越限控制能力的UPFC***级控制策略，具体如图5所示：
3.1***正常运行状态下，如果监测的线路一直未过载，线路功率越限控制模块输出为0，UPFC控制目标由断面功率控制模块产生，保证断面实际功率达到设定值。
3.2当监测到某条线过载后，线路功率越限控制模块输出能够反映线路越限情况的功率偏差信号。UPFC装置的控制指令值由断面功率控制模块和线路功率越限控制模块共同产生。在线路功率越限控制模块PI控制器的作用下，功率偏差信号dP2将起主导作用。此时，UPFC***级控制策略生成的控制指令值将优先保证被监测线路的功率低于其功率限值。
3.3***控制策略中断面功率设定值由调度员远方给出，如断面功率还未达到设定值时，出现监测的线路过载，则以监测线路不过载为优先控制目标，既可以增加调度的灵活性，又不会危害电网运行的可靠性。当UPFC安装线路过载时，优先控制UPFC安装线路功率不超过其功率限值。
本实施方式所制定的***级控制策略中断面1的输电功率设定值Pset为750MW，将HF双回线潮流转移到断面1，保证HF双回线满足N-1校核。BC、BD线路功率限值Plimt1和Plimit2均为45MW；线路功率越限控制模块的控制裕度Pm为2MW；AB线路允许运行功率的上限和下限Pmax和Pmin分别为45MW和-45MW；线路功率越限控制模块PI控制器的输入选择信号Ctrl初始值为0，其触发和返回的延时为0.5s；AB线路功率的设定功率因数为0.98。线路功率越限控制模块PI控制器中比例放大器与积分器的增益分别为0.4和1.0。
在本实施方式所制定的***级控制策略下，HF双回线发生N-1故障时断面1以及HF双回线的功率变化曲线如图6所示。当HF双回线中的1回线发生三相接地故障时，为保证UPFC装置安全，变压器旁路开关导通将串联侧换流器旁路，在故障切除后，为保证UPFC装置安全，经过设定时间(1s)后UPFC重新投入运行。仿真过程如下：2s时UPFC***级控制策略投入；5s时HF回线路发生三相接地故障，UPFC退出运行；5.1s时HF1回线路断开，故障切除；6.1s时UPFC将重新投入。
在本实施方式所制定的***级控制策略下，断面1发生N-1故障时断面1以及HF双回线的功率变化曲线如图7所示。仿真过程如下：2s时UPFC***级控制策略投入；5s时BD线路发生三相接地故障，UPFC退出运行；5.1s时BD线路断开，故障切除；6.1s时UPFC将重新投入。
从图6和图7中可以看出，在电网正常运行状态下，本实施方式所制定的***级控制策略能够迅速将断面1的实际功率控制到断面功率设定值(750MW)；当HF双回线发生N-1故障时，将断面1功率控制在750MW可以保证HF双回线满足N-1校核；当断面1发生N-1故障导致非故障线路过载时，所制定的***级控制策略能够自动产生新的UPFC指令值，在优先保证非故障线路不过载的前提下尽可能的满足断面潮流控制的要求。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有线路功率越限控制功能的UPFC***级控制方法，其特征在于：该UPFC***级控制方法由断面潮流控制策略与线路功率越限控制模块结合实现；其通过断面潮流控制策略实现UPFC断面潮流控制功能，在电网正常运行状态下，根据调度指令迅速将被控断面的实际功率控制在一个合理的功率设定值以下，保证与被控断面并联的输电线路满足N-1校核；在故障或工况改变而引起被控断面上的输电线路或与被控断面串联的输电线路功率越限时叠加上由线路功率越限控制模块产生的一个能够反映线路越限情况的功率偏差dP2，从而自动生成满足电网安全稳定运行要求的UPFC控制指令，在优先保证线路不过载的前提下满足断面潮流控制的要求。
2.根据权利要求1所述的UPFC***级控制方法，其特征在于：所述断面潮流控制策略的具体过程如下：
1.1计算被控断面的设定功率与实际功率之间的功率偏差dP1；
1.2将UPFC安装线路的功率、功率偏差dP1以及功率偏差dP2相叠加后，再经限幅环节得到UPFC的有功功率指令值；
1.3根据设定的线路功率因数利用所述的有功功率指令值，计算出UPFC的无功功率指令值；
1.4根据UPFC的有功功率指令值和无功功率指令值，通过相关控制算法对UPFC进行控制。
3.根据权利要求2所述的UPFC***级控制方法，其特征在于：所述的步骤1.1中被控断面的设定功率能够保证与被控断面并联的输电线路满足N-1校核，即当被控断面运行在该设定功率时任一与被控断面并联的输电线路发生N-1故障后，其他非故障的并联输电线路的功率均不超过各自的功率限值。
4.根据权利要求2所述的UPFC***级控制方法，其特征在于：所述的步骤1.3中通过以下公式计算UPFC的无功功率指令值：
5.根据权利要求2所述的UPFC***级控制方法，其特征在于：所述的线路功率越限控制模块产生功率偏差dP2的具体过程如下：
2.1监控被控断面上的输电线路或与被控断面串联的输电线路的实际功率，计算各个被监控线路的功率限值与实际功率之间的功率偏差，对应作为各个被监控线路安全运行的功率裕度，提取所有被监控线路安全运行功率裕度的最小值X；
2.2根据功率偏差dP1和功率裕度最小值X通过逻辑判断确定出选择信号Ctrl；
2.3根据所述的选择信号Ctrl确定PI控制器的输入，进而利用PI控制器输出产生所述的功率偏差dP2。
6.根据权利要求5所述的UPFC***级控制方法，其特征在于：所述步骤2.2中的具体逻辑判断标准如下：
①当***正常运行状态下，各个被监控线路的实际功率均低于功率限值，则功率裕度最小值X大于0，此时选择信号Ctrl＝0；
②当***发生N-1故障或因工况改变导致被监控线路过载时，即存在有被监控线路的实际功率高于功率限值的情况，则功率裕度最小值X小于0，此时选择信号Ctrl＝1；
③当被控断面的实际功率超过设定功率同时各个被监控线路的实际功率均低于功率限值时，则功率偏差dP1小于0且功率裕度最小值X大于0，此时选择信号Ctrl＝0。
7.根据权利要求5所述的UPFC***级控制方法，其特征在于：所述的步骤2.3中当选择信号Ctrl＝0时，则PI控制器的输入信号为0；当选择信号Ctrl＝1时，则PI控制器的输入信号为功率裕度最小值X与线路功率越限控制模块预设的功率控制裕度Pm的差值。
8.根据权利要求6所述的UPFC***级控制方法，其特征在于：当被控断面的实际功率超过设定功率同时各个被监控线路的实际功率均低于功率限值时，选择信号Ctrl＝0，PI控制器的输入信号重新变为0，同时PI控制器中的积分器清零。
9.根据权利要求6所述的UPFC***级控制方法，其特征在于：在情况②和情况③下，选择信号Ctrl的触发具有一定的延时，即连续多个时刻选择信号Ctrl＝0或1，选择信号Ctrl才真正对PI控制器的输入进行相应的选择触发。
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