CN105610158A - 一种分布式潮流控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式潮流控制器及其控制方法，控制器安装在输电线路上，包括并联侧设备和串联侧设备，每相输电线路***成若干根***导线，串联侧设备包括多组串联在每相输电线路上的单相潮流补偿器，每组某相潮流补偿器共用一套变流器、控制器、电流互感器、电压互感器和通信模块，每组某相潮流补偿器还包括与***导线根数匹配的若干单匝变压器，变流器的交流侧通过各单匝变压器分别接入各根***导线。控制方法通过比较各相传输功率目标值和实际采集计算得到的传输功率参数的差值，对变流器触发控制，优化切换各变流器开关序列，实现输电线路的传输功率补偿。本发明有效实现多***导线的输电***传输功率，控制方法潮流分布均衡，提高设备控制灵活可靠性。

Description

一种分布式潮流控制器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力***运行与控制技术领域，尤其涉及一种分布式潮流控制器及其控制方法，适用于多***导线，用于提升输电线路传输功率能力。

背景技术

目前，我国大区电网互联、特高压交直流、远距离大容量输电格局基本形成。随着特高压的规划建设，我国电网将呈现1000、500、220千伏三级电压等级电磁环网和交直联混联的复杂型态的电网结构。电磁环网的存在和潮流的自然分布往往使得电网的关键输电断面在正常及事故后存在潮流分布不均的现象，限制了断面整体输送能力，寻求一种提高输电能力的潮流控制方法极其紧迫。

统一潮流控制器UPFC(unifiedpowerflowcontroller)是目前功能最为强大的潮流控制装置，它通过对电力***的线路阻抗、电压相角和电压幅值进行调节可同时或独立地实现电力***母线电压、线路有功功率潮流、无功功率潮流和***稳定的控制。但是由于其成本及可靠性问题其推广应用受到了限制。研究一种既具有UPFC的强大功能，其可靠性和成本又能被电力***广泛接受的潮流控制方法对我国电力经济持续发展有着极为重要的意义。

分布式潮流控制器(DPFC,distributedpowerflowcontroller)将UPFC原有结构中通过直流电容连接的串并联变流器分开并利用分布式静止串联补偿器(DSSC，distributedstaticseriescompensator)的思想将串联侧分布化，在该拓扑结构基础上，通过3次谐波在串并联变流器之间交换有功功率从而达到综合调节线路潮流的目的，其三相单线图如图1所示。并联侧由两个背靠背的三相变流器8、单相变流器6组成，三相变流器8、单相变流器6由一个公共直流电容7相连。通过一个耦合的首端Y-△变压器1将电网电压接入到三相变流器8的交流侧，三相变流器8吸收电网的有功功率来稳定直流电容电压；单相变流器6输出一定大小的三次谐波电流，该电流经由首端Y-△变压器1的Y侧的中性点均匀分布到输电线路2中。串联侧多个变流器11通过单匝变压器3接入输电线路2，根据其控制器的指令，一方面吸收输电线路2上的三次谐波电流，用以维持自身电容电压的稳定；另一方面按照实际的功率补偿需求，产生一定幅值和相位的基频交流电压，串联变流器11电压和线路首端Y-△变压器1电压叠加在一起，以此来改变线路的潮流。由于三次谐波电流被首端Y-△变压器1的△侧阻隔，无法流通，因而经过末端Y-△变压器4的Y侧的中性点接地后形成回路。

但是，目前展开的对DPFC研究的拓扑结构、控制方法、安装方法均只适应于非***导线，而1000kV、500kV、220kV***多采用***导线，500kV及以上***多采用4***、6***导线。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种适用于多***导线的分布式潮流控制器及其控制方法，控制器有效实现多***导线的输电***传输功率，控制方法使得潮流分布较为均衡，提高设备控制灵活性和可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种分布式潮流控制器，安装在输电线路上，输电线路两端设置有首端Y-△变压器和末端Y-△变压器，该控制器包括并联侧设备和串联侧设备，并联侧设备包括背靠背设置的三相变流器、单相变流器，三相变流器的直流侧和单相变流器的直流侧之间并联有直流电容，三相变流器的交流侧通过首端Y-△变压器的△侧接入输电线路，单相变流器的交流侧通过首端Y-△变压器的Y侧的中性点接入输电线路；每相输电线路***成若干根***导线，所述串联侧设备包括多组串联在每相输电线路上的潮流补偿器，每组潮流补偿器包括变流器、与***导线根数匹配的若干个单匝变压器、控制器、电流互感器、电压互感器和通信模块，某组同一相多***导线的多个单匝变压器共用一套变流器、控制器、电流互感器、电压互感器和通信模块，变流器的交流侧通过各个单匝变压器分别接入各根***导线，电流互感器和电压互感器设置在其中一根***导线上，电流互感器和电压互感器与控制器的输入端连接，控制器的输出端与变压器的直流侧连接，通信模块同时与控制器的输入端以及电压互感器连接。

按上述方案，所述变流器由开关管与二极管组成，所述开关管有四个、组成单相全桥电路；每个开关管上反并联一个二极管。

按上述方案，所述串联侧设备的某相上的某组潮流补偿器集成在一个箱体内，箱体内各个单匝变压器采用偏心安装分别卡入某相输电线路的各根***导线，并通过连接线与控制器和变流器相连；通信模块、控制器和变流器集成在箱体内的集成模块上。

本发明还提供了一种上述分布式潮流控制器的控制方法，将输电线路架设在耐张杆塔上配合首端Y-△变压器和末端Y-△变压器构成输电***，控制方法包括如下步骤：

S1、设每相输电线路安装了n组潮流补偿器，输电***通过并联侧设备的三相变流器向直流电容充电到目标值V_shdcref，同时向串联侧设备的3n个变流器直流电容充电到目标值V_sedcref(n)；

S2、通过电流互感器、电压互感器检测每相输电线路的某根***导线的电流和电压，并将采集到的电流和电压信号送入控制器；

S3、设***导线的根数为m，将电流互感器检测的电流乘以m(该处各组***导线对称、电压相等，电流相等)，再与电压互感器检测的电压信号结合通信模块的信号在控制器中进行功率计算；

S4、将步骤S3计算得出的数据输入变流器，对变流器进行触发控制；

S5、将步骤S4变流器输出的数据一式m份分别发送给各个单匝变压器；

S6、并联侧设备的单相变流器向变流器提供维持直流电压V_dc恒定的3次谐波电流i_sh；

S7、通过切换各组潮流补偿器的变流器一个周期内所有开关管接入电路时间的序列，获得步骤S5及S6所需的参数值。

按上述方案，步骤S3具体为：通过通信模块获取由输电***调度计算出的输电线路***的各根***导线所需的传输功率目标值P_Lref、Q_Lref，控制器结合电流互感器、电压互感器采集的信号计算得到某根***导线的传输功率参数P_L、Q_L，计算ΔP＝P_Lref-P_L，ΔQ＝Q_Lref-Q_L；则步骤S4中，单相输电线路上每组潮流补偿器的变流器向输电***提供的有功功率为ΔP/(3n)；步骤S5中，各个单匝变压器向输电***提供耦合进的功率为ΔP/(3mn)、ΔQ/(3mn)。

按上述方案，步骤S7通过改变各开关管开通的时间值实现各潮流补偿器开关的有序切换，针对单机无穷大***具体为：考虑外部干扰及内部参数不确定性，利用下式所述的切换PCH***得出各潮流补偿器的变流器开关的切换序列：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\[J_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}(x,p)-R_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}(x,p)\]\▿H_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}(x,p)+g_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}x\left(x\right)u+{\stackrel{\‾}{g}}_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}\left(x\right)\mathrm{\ω},\\ z=h_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}\left(x\right)g_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}^T\left(x\right)\▿H_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}\left(x\right),\\ x\left(t_0\right)=x_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，x为发电机转子角度，转子角速度，发电机电势，分布式潮流控制器串联侧向输电***注入的基波电压幅值与相角、并联侧向输电***注入的基波电流有功分量与无功分量，影响串并联变流器直流电容电压的基波及3次谐波有功功率电流等状态变量矢量；p为输电***参数干扰的未知向量；ω为外部干扰；z是罚信号；h_λ(t)(x)为权矩阵；J_λ(t)(x,p)为由切换路径决定的分布式潮流控制器及单机无穷大***组成的***结构参数；R_λ(t)(x,p)为由切换路径决定的***耗量参数；H_λ(t)(x)是作用区间对应的各变流器***Hamilton函数；映射λ(t):[t₀,+∞)→Λ＝{1,2,...,N}是一分段右连续函数，为切换率；x₀为该***暂态平衡点；u为反馈控制率。

按上述方案，当多根***导线上某个单匝变压器损坏，则将变流器与该单匝变压器的连接线路断开，其它部件继续正常向输电***提供所需的补偿功率。

按上述方案，当某个单匝变压器损坏，则该相同组变流器所连接的剩下的单匝变压器向***提供的功率为ΔP/(3mn-1)、ΔQ/(3mn-1)。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明控制器有效实现多***导线的输电***传输功率，采用成熟、廉价、可以批量生产的开关设备形成可替换、可分批建设的、可靠性高的潮流控制；采用多个小容量变压器，可进一步降低设备投资；控制方法使得潮流分布较为均衡，提高设备控制灵活性和可靠性。

附图说明

图1是现有技术中分布式潮流控制器在单相输电线路上的结构示意图；

图2是本发明分布式潮流控制器接入输电***的结构示意图；

图3是本发明分布式潮流控制器的串联侧设备的每组潮流补偿器的结构示意图；

图4是本发明潮流补偿器安装在箱体内的结构示意图；

图中，1.首端Y-△变压器；2.输电线路；3.单匝变压器；4.末端Y-△变压器；5.潮流补偿器；6.单相变流器；7.直流电容；8.三相变流器；9.第一单匝变压器；10.第二单匝变压器；11.变流器；12.控制器；13.电流互感器；14.电压互感器；15.第一***导线；16.第二***导线；17.耐张杆塔；18.集成模块；19.通信模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，以2***导线为例，对本发明进行进一步详细说明。

参照图1～图4所示，本发明所述的分布式潮流控制器，安装在输电线路2上，输电线路两端设置有首端Y-△变压器1和末端Y-△变压器4，该控制器包括并联侧设备和串联侧设备，并联侧设备包括背靠背设置的三相变流器8、单相变流器6，三相变流器8的直流侧和单相变流器6的直流侧之间并联有直流电容7，三相变流器8的交流侧通过首端Y-△变压器1的△侧接入输电线路2，单相变流器6的交流侧通过首端Y-△变压器1的Y侧的中性点接入输电线路2；

每相输电线路2***成两根，分别为第一***导线15、第二***导线16；串联侧设备包括多组串联在每相输电线路2上的潮流补偿器5，每组潮流补偿器5包括变流器11、第一单匝变压器9、第二单匝变压器10、控制器12、电流互感器13、电压互感器14和通信模块19；每相输电线路2上的某组潮流补偿器5的第一单匝变压器9和第二单匝变压器10共用一套变流器11、控制器12、电流互感器13、电压互感器14和通信模块19，变流器11的交流侧通过第一单匝变压器9和第二单匝变压器10分别接入第一***导线15、第二***导线16，电流互感器13和电压互感器14设置在第一***导线15上，电流互感器13和电压互感器14与控制器12的输入端连接，控制器12的输出端与变压器11的直流侧连接，通信模块19同时与控制器12的输入端以及电压互感器14连接。

变流器11由开关管与二极管组成，开关管有四个，组成单相全桥电路；每个开关管上反并联一个二极管，起续流的作用。

本发明分布式潮流控制器的具体安装方式：将并联侧设备按图1所示接入输电***，将图4中每相输电线路2上的串联侧设备的变流器11交流侧引出两组均衡信号接入第一***导线15的第一单匝变压器9的副边和第二***导线16的第二单匝变压器10的副边；将图4所示的串联侧设备的某相上的某组潮流补偿器5集成在一个箱体内，如图4所示，箱体内第一单匝变压器9和第二单匝变压器10采用偏心安装分别卡入某相输电线路2的第一***导线15、第二***导线16，并通过连接线与控制器12和变流器11相连；通信模块10、控制器12和变流器11集成在箱体内的集成模块18上；最后将集成如图4的箱体，按图2所示接入每相输电线路2中。

图4中，第一单匝变压器9和第二单匝变压器10的铁芯分成第一铁芯块和第二铁芯块两部分，先将第二铁芯块拿开，将被控制的第一***导线15、第二***导线16卡入第一铁芯块，再合上第二铁芯块，合上箱体。

本发明适用于多***导线的分布式潮流控制器的控制方法，将输电线路2架设在耐张杆塔17上配合首端Y-△变压器1和末端Y-△变压器4构成输电***，控制方法包括如下步骤：

S1、设每相输电线路2安装了n组潮流补偿器5，输电***通过图1并联侧设备的三相变流器8向直流电容7充电到目标值V_shdcref，同时向串联侧设备的3n个变流器11直流电容充电到目标值V_sedcref(n)；

S2、通过电流互感器13、电压互感器14检测每相输电线路2的第一***导线15的电流和电压，并将采集到的电流和电压信号送入控制器12；

S3、将电流互感器13检测的电流乘以2(因为该处第一***导线15和第二***导线16电压相等、电流相等)，再与电压互感器14检测的电压信号结合通信模块19的信号在控制器12中进行功率计算：通过通信模块19获取由输电***调度计算出的输电线路2***的第一***导线15、第二***导线16所需的传输功率目标值P_Lref、Q_Lref，控制器结合电流互感器13、电压互感器14采集的信号计算得到第一***导线15、第二***导线16的传输功率参数P_L、Q_L，计算ΔP＝P_Lref-P_L，ΔQ＝Q_Lref-Q_L；

S4、将步骤S3计算得出的数据输入变流器11，对变流器11进行触发控制，单相输电线路2上每组潮流补偿器5的变流器11向输电***提供的有功功率为ΔP/(3n)；

S5、将步骤S4变流器11输出的数据一式两份分别发送给第一单匝变压器9和第二单匝变压器10，则图4中第一单匝变压器9和第二单匝变压器10向输电***提供耦合进的功率为ΔP/(6n)、ΔQ/(6n)；

S6、图1中并联侧设备的单相变流器6向图4中变流器11提供维持直流电压V_dc恒定的3次谐波电流i_sh；

S7、通过切换各组潮流补偿器5的变流器11一个周期内所有开关管接入电路时间的序列，获得步骤S5及S6所需的参数值，按上述切换律通过改变各开关管开通的时间值实现各潮流补偿器开关的有序切换，针对单机无穷大***具体为：考虑外部干扰及内部参数不确定性，利用式(1)所述的切换PCH***得出分布式潮流控制器各潮流补偿器5开关的切换序列。

两***导线上某个单匝变压器损坏，则将变流器11与该单匝变压器的连接线路断开，其它部件继续正常向输电***提供所需的补偿功率。假设某个单匝变压器损坏，则该相同组变流器所连接的剩下的单匝变压器向***提供的功率为ΔP/(6n-1)、ΔQ/(6n-1)。

本发明采用最优切换策略实现各补偿器的协调优化控制，切换律为一个周期内所有开关管接入电路时间的序列，通过改变各开关管开通的时间值实现各补偿器开关的有序切换。含分布式潮流控制装置的电力***具有非常复杂的动力学形态，本发明针对单机无穷大***，根据式(1)提供各潮流补偿器5开关的切换序列的方法。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种分布式潮流控制器，安装在输电线路上，输电线路两端设置有首端Y-△变压器和末端Y-△变压器，该控制器包括并联侧设备和串联侧设备，并联侧设备包括背靠背设置的三相变流器、单相变流器，三相变流器的直流侧和单相变流器的直流侧之间并联有直流电容，三相变流器的交流侧通过首端Y-△变压器的△侧接入输电线路，单相变流器的交流侧通过首端Y-△变压器的Y侧的中性点接入输电线路，其特征在于，每相输电线路***成若干根***导线，所述串联侧设备包括多组串联在每相输电线路上的潮流补偿器，每组潮流补偿器包括变流器、与***导线根数匹配的若干个单匝变压器、控制器、电流互感器、电压互感器和通信模块，某组每相多***导线上的若干单匝变压器共用一套变流器、控制器、电流互感器、电压互感器和通信模块，变流器的交流侧通过各个单匝变压器分别接入各根***导线，电流互感器和电压互感器设置在其中一根***导线上，电流互感器和电压互感器与控制器的输入端连接，控制器的输出端与变压器的直流侧连接，通信模块同时与控制器的输入端以及电压互感器连接。

2.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器，其特征在于，所述变流器由开关管与二极管组成，所述开关管有四个、组成单相全桥电路；每个开关管上反并联一个二极管。

3.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器，其特征在于，所述串联侧设备的某相上的某组潮流补偿器集成在一个箱体内，箱体内各个单匝变压器采用偏心安装分别卡入某相输电线路的各根***导线，并通过连接线与控制器和变流器相连；通信模块、控制器和变流器集成在箱体内的集成模块上。

4.一种如权利要求1～3任意之一所述的分布式潮流控制器的控制方法，将输电线路架设在耐张杆塔上配合首端Y-△变压器和末端Y-△变压器构成输电***，其特征在于，控制方法包括如下步骤：

S1、设每相输电线路安装了n组潮流补偿器，输电***通过并联侧设备的三相变流器向直流电容充电到目标值V_shdcref，同时向串联侧设备的3n个变流器直流电容充电到目标值V_sedcref(n)；

S2、通过电流互感器、电压互感器检测每相输电线路的某根***导线的电流和电压，并将采集到的电流和电压信号送入控制器；

S3、设***导线的根数为m，将电流互感器检测的电流乘以m，再与电压互感器检测的电压信号结合通信模块的信号在控制器中进行功率计算；

S4、将步骤S3计算得出的数据输入变流器，对变流器进行触发控制；

S5、将步骤S4变流器输出的数据一式m份分别发送给各个单匝变压器；

S6、并联侧设备的单相变流器向变流器提供维持直流电压V_dc恒定的3次谐波电流i_sh；

S7、通过切换各组潮流补偿器的变流器一个周期内所有开关管接入电路时间的序列，获得步骤S5及S6所需的参数值。

5.根据权利要求4所述的分布式潮流控制器的控制方法，其特征在于，步骤S3具体为：通过通信模块获取由输电***调度计算出的输电线路***的各根***导线所需的传输功率目标值P_Lref、Q_Lref，控制器结合电流互感器、电压互感器采集的信号计算得到某根***导线的传输功率参数P_L、Q_L，计算ΔP＝P_Lref-P_L，ΔQ＝Q_Lref-Q_L；则步骤S4中，单相输电线路上每组潮流补偿器的变流器向输电***提供的有功功率为ΔP/(3n)；步骤S5中，各个单匝变压器向输电***提供耦合进的功率为ΔP/(3mn)、ΔQ/(3mn)。

6.根据权利要求4所述的分布式潮流控制器的控制方法，其特征在于，步骤S7通过改变各开关管开通的时间值实现各潮流补偿器开关的有序切换，针对单机无穷大***具体为：考虑外部干扰及内部参数不确定性，利用下式所述的切换PCH***得出各潮流补偿器的变流器开关的切换序列：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\[J_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}(x,p)-R_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}(x,p)\]\▿H_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}(x,p)+g_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}x\left(x\right)u+{\stackrel{\‾}{g}}_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}\left(x\right)\mathrm{\ω},\\ z=h_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}\left(x\right)g_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}^T\left(x\right)\▿H_{\mathrm{\λ}\left(t\right)}\left(x\right),\\ x\left(t_0\right)=x_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，x为发电机转子角度，转子角速度，发电机电势，分布式潮流控制器串联侧向输电***注入的基波电压幅值与相角、并联侧向输电***注入的基波电流有功分量与无功分量，影响串并联变流器直流电容电压的基波及3次谐波有功功率电流等状态变量矢量；p为输电***参数干扰的未知向量；ω为外部干扰；z是罚信号；h_λ(t)(x)为权矩阵；J_λ(t)(x,p)为由切换路径决定的分布式潮流控制器及单机无穷大***组成的***结构参数；R_λ(t)(x,p)为由切换路径决定的***耗量参数；H_λ(t)(x)是作用区间对应的各变流器***Hamilton函数；映射λ(t):[t₀,+∞)→Λ＝{1,2,...,N}是一分段右连续函数，为切换率；x₀为该***暂态平衡点；u为反馈控制率。

7.根据权利要求4所述的分布式潮流控制器的控制方法，其特征在于，当多根***导线上某个单匝变压器损坏，则将变流器与该单匝变压器的连接线路断开，其它部件继续正常向输电***提供所需的补偿功率。

8.根据权利要求4所述的分布式潮流控制器的控制方法，其特征在于，当某个单匝变压器损坏，则该相同组变流器所连接的剩下的单匝变压器向***提供的功率为ΔP/(3mn-1)、ΔQ/(3mn-1)。