CN107093901B - 一种分布式潮流控制器的机电暂态模型与仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式潮流控制器的机电暂态模型与仿真方法，该模型包括标准测试***，DPFC串联侧自定义模型和DPFC并联侧自定义模型。本发明根据分布式潮流控制器的工作原理，对电力***进行潮流分析时，运用计及内部3次谐波动态能量交换的注入电流法思想，调节分布式潮流控制器对电力网络接口节点的注入电流，实现线路潮流和母线电压的控制功能。本发明通过推导出计及内部3次谐波动态能量交换的分布式潮流控制器串并联侧向线路两端节点注入的等效电流的数学模型，适用于电力***机电暂态分析的仿真过程，为深入研究DPFC的性能和特性提供方法，为DPFC装置的效能分析提供模型依据。

Description

一种分布式潮流控制器的机电暂态模型与仿真方法

技术领域

本发明涉及电力***运行与控制技术，尤其涉及一种分布式潮流控制器的机电暂态模型与仿真方法。

背景技术

随着电力***及输电技术的发展，输电电压等级不断提高，输电距离不断增长，电网结构日趋复杂，电网传输容量及需求也不断增大，同时，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，导致出现了一方面需要增加输电通道提升输电能力，另一方面现有电网线路的输电能力又得不到充分利用的矛盾局面，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(unified power flow controller，UPFC)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装置，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(distributed power flow controller，DPFC)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(distributedstatic series compensator，DSSC)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。DPFC并联侧由两个背靠背的变流器组成，变流器1为三相变流器，变流器2为单相变流器，二者由一个公共直流电容相连。通过一个耦合变压器将电网电压接入到变流器1的交流侧，变流器1吸收电网的有功功率来稳定直流电容电压；变流器2输出一定大小的三次谐波电流，该电流经由首端Y-△变压器Y侧的中性点均匀分布到输电线路中。串联侧根据其控制器的指令，一方面吸收线路上的三次谐波电流，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，串联变流器电压和线路首端电压叠加在一起，以此来改变线路的潮流。由于三次谐波电流被变压器△侧阻隔，无法流通，因而经过末端Y-△变压器Y侧的中性点接地后形成回路。

但是，目前涉及DPFC的拓扑结构、控制方法、安装方法等的研究成果相对较少，建模方法的研究成果更少，为研究DPFC装置的机电暂态特性和控制效果，先进行DPFC机电暂态模型的研究是非常有必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种分布式潮流控制器的机电暂态模型与仿真方法。

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的机电暂态模型，包括：

标准测试***，用于为分布式潮流控制器模型提供信号输入；所述信号包括：被控线路实际运行的有功功率P_L和无功功率Q_L，线路首端电压幅值V_s，送电端节点电压V_s的相角θ_s，受电端节点电压的幅值V_m和相角θ_m；

DPFC串联侧自定义模型，用于根据输入的被控线路的有功功率P_L、无功功率Q_L，及线路首端电压幅值V_s和送电端节点电压V_s的相角θ_s，输出线路两端的节点电流I_se的实部和虚部；以及反映内部3次谐波能量动态交换的I_{inj_m3}；

所述串联侧自定义模型的输入输出表达式为：

其中，X_se表示串联变压器等效电抗；

式中，V_{se_x}为V_se的x轴分量，V_{se_y}为V_se的y轴分量；K_i/s是积分环节(i＝p，q)，K_p，K_q是积分系数；P_ref，Q_ref分别是被控线路的有功和无功功率目标值；P_L、Q_L分别是被控线路的实际有功和无功功率；V_{se_d}和V_{se_q}由V_S分解得到；

DPFC注入被控线路的3次谐波电流：

式中，X_se3表示串联变压器等效3次谐波电抗，V_se3表示串联侧注入3次谐波电压；

DPFC并联侧自定义模型，用于将受电端节点电压的幅值V_m和相角θ₂，被控线路的有功功率P_L、无功功率Q_L作为并联侧自定义模型的输入信号，并联侧注入送电端节点的电流I_sh在xy轴坐标系下的实部I_{sh_x}和虚部I_{sh_y}作为自定义模型的输出信号；以及反映内部3次谐波能量动态交换的I_{inj_s3}；

所述并联侧自定义模型的输入输出表达式为：

其中，

I_{sh_x}＝I_{sh_d} cosθ_s-I_{sh_q} sinθ_s；

I_{sh_y}＝I_{sh_d} sinθ_s+I_{sh_q} cosθ_s；

I_{inj_s3}＝I_{inj_s3_d} cosθ_{inj_s3}+I_{inj_s3_q} cosθ_{inj_s3}；

其中，K_v/s是积分环节，K_v是积分系数，V_sref是DPFC并联接入点母线电压目标值；，

I_{inj_s3_d}为并联侧等效注入3次谐波的有功分量，I_{inj_s3_q}为并联侧等效注入3次谐波的无功分量，cosθ_{inj_s3}为并联侧等效注入3次谐波的相角。I_{inj_m3_d}为串联侧等效注入3次谐波的无功分量，I_{inj_m3_q}为串联侧等效注入3次谐波的无功分量，cosθ_{inj_m3}为串联侧等效注入3次谐波的相角。

按上述方案，所述标准测试***中包括多个发电机和多条母线，其中母线上连接有负载，每个发电机各连接有一个变压器。

按上述方案，所述标准测试***为标准3机9节点测试***，该***包括3个发电机和9条母线，其中每3条母线分别连接有1个负载，3个发电机各连接有1个双绕组变压器。

一种使用上述机电暂态模型的分布式潮流控制器的机电暂态仿真方法，包括以下步骤：

1)将上述机电暂态模型作为用户自定义模型在PSASP软件中进行潮流计算，计算前根据仿真目的定义方案；

2)根据方案定义潮流作业：在潮流作业定义中，选择代入用户自定义模型，输入DPFC计算模型的自定义模型编号；再对搭建的分布式潮流控制器模型进行参数编辑，调整好DPFC自定义模型中的各个参数，所述参数包括被控线路的送电端电压给定值V_sref和被控线路的有功功率给定值P_ref和无功功率给定值Q_ref，串并联侧有功功率P_L、无功功率Q_L、送电端电压幅值V_s所连接的比例积分环节参数，以及电压幅值限制的参数；

3)设定用户自定义模型在仿真***中的存放节点、相关节点及相关支路，潮流作业定义中的其他设置则选择默认值；

4)开始进行潮流计算，计算完成，在潮流结果报表输出中，选择需要输出的潮流结果，将潮流结果与潮流作业中设定的目标值进行对比。

本发明产生的有益效果是：本发明通过推导出分布式潮流控制器串并联侧向线路两端节点注入的等效电流的数学模型，适用于电力***机电暂态分析的仿真过程。将分布式潮流控制器对线路潮流的控制效果用数学关系式表达，并在电力***分析综合程序中搭建用户自定义模型，在仿真***中模拟DPFC装置对线路潮流的实时调节控制功能，为深入研究DPFC的性能和特性提供方法，为DPFC装置的效能分析提供模型依据。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为分布式潮流控制器串联侧注入电压q轴分量自定义模型图；

图2为分布式潮流控制器串联侧注入电压d轴分量自定义模型图；

图3为分布式潮流控制器串联侧注入电压坐标变换自定义模型图；

图4为分布式潮流控制器并联侧注入电流的d轴分量自定义模型图；

图5为分布式潮流控制器并联侧注入电流的q轴分量自定义模型图。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种分布式潮流控制器的机电暂态模型，包括：

标准测试***，用于为分布式潮流控制器模型提供信号输入；所述信号包括：被控线路实际运行的有功功率P_L和无功功率Q_L，线路首端电压幅值V_s，送电端节点电压V_s的相角θ_s，受电端节点电压的幅值V_m和相角θ_m；

所述标准测试***为3机9节点测试***；

DPFC串联侧自定义模型，用于根据输入的被控线路的有功功率P_L、无功功率Q_L，及线路首端电压幅值V_s，三个控制目标和送电端节点电压V_s的相角θ_s，输出线路两端的节点电流的实部I_{se_x}和虚部I_{se_y}；

所述串联侧自定义模型的输入输出表达式为：

其中，X_se表示串联变压器等效电抗；

其中，X_se表示串联变压器等效电抗；

式中，V_{se_x}为V_se的x轴分量，V_{se_y}为V_se的y轴分量，K_i/s是积分环节(i＝p，q)，K_p，K_q是积分系数；P_ref，Q_ref分别是被控线路的有功和无功功率目标值；P_L、Q_L分别是被控线路的实际有功和无功功率；V_{se_d}和V_{se_q}由V_S分解得到；

DPFC并联侧自定义模型，用于将受电端节点电压的幅值V_m和相角θ₂，被控线路的有功功率P_L、无功功率Q_L作为并联侧自定义模型的输入信号，并联侧注入送电端节点的电流I_sh在xy轴坐标系下的实部I_{sh_x}和虚部I_{sh_y}作为自定义模型的输出信号；

所述并联侧自定义模型的输入输出表达式为：

其中，

I_{sh_x}＝I_{sh_d} cosθ_s-I_{sh_q} sinθ_s；

I_{sh_y}＝I_{sh_d} sinθ_s+I_{sh_q} cosθ_s；

其中，K_v/s是积分环节，K_v是积分系数，V_sref是DPFC并联接入点母线电压目标值。

以下为发明人构建的一个实际使用的机电暂态模型，

将本发明设计的一种分布式潮流控制器(DPFC)的机电暂态模型，应用在3机9节点***中，用于控制线路的潮流，具体建模与仿真步骤如下：

1)在PSASP仿真软件中搭建3机9节点测试***。该标准***中含三个发电机，分别为发电1、发电2、发电3；母线九条，其中有三条母线分别接一个负载，三个发电机各连接一个双绕组变压器。指定仿真模型线路上各元件的参数如下：

电压等级为230KV的母线六条，分别是：GEN1-230、GEN2-230、GEN3-230、STNA-230、STNB-230和STNC-230，另外三条母线的电压等级分别为，发电1：16.5KV，发电2：18.0KV，发电3：13.8KV。设置发电机参数时，发电机额定容量均取100MVA，相角均为0度，其中发电机GEN-1为平衡节点，电压幅值取标幺值1.04；发电机GEN-2和GEN-3为PV节点，电压幅值均取标幺值1.025。六条交流输电线的等值阻抗分别为：交流线AC-1：0.009+j0.072，AC-2：0.012+j0.101，AC-3：0.039+j0.170，AC-4：0.017+j0.092，AC-5：0.010+j0.085，AC-6：0.032+j0.161。等效负荷Load-1连接在母线STNC-230上，容量为1+j0.35；负荷Load-2连接在母线STNB-230上，容量为0.9+j0.3；负荷Load-3连接在母线STNA-230上，容量为1.25+j0.5。与发电机1连接的变压器等效阻抗为j0.058，与发电机2连接的变压器等效阻抗为j0.062，与发电机3连接的变压器等效阻抗为j0.059，三个变压器变比均为1。

2)在PSASP软件中用户自定义模型平台下搭建DPFC串联侧自定义模型。

所述步骤2)中，包括以下步骤：

2.1)搭建DPFC串联侧变流器的潮流计算模型中，控制目标是被控线路的有功功率P_L、无功功率Q_L，及线路首端电压幅值V_S三个控制目标和送电端节点电压V_s的相角θ₁是自定义模型的输入信号，串联侧注入线路两端的节点电流的实部I_{se_x}和虚部I_{se_y}作为自定义模型的输出信号。

2.2)如图1所示为分布式潮流控制器串联侧注入电压q轴分量自定义模型图，图2所示分布式潮流控制器串联侧注入电压d轴分量自定义模型图，被控线路实际运行的有功功率P_L和无功功率Q_L输入地点均为line1，被控线路的有功功率给定值P_ref和无功功率给定值Q_ref分别与P_L和Q_L进行比较，经过减法功能框作差后得到误差信号，误差信号分别接入一个比例功能框和一个积分功能框，将得到的值相加，得到串联侧变流器向***注入电压V_se的d轴分量V_{se_d}和q轴分量V_{se_q}。

2.3)将V_{se_d}和V_{se_q}同时输入到一个均方根模块，输出得到串联侧注入***的电压V_se在dq坐标系下的电压幅值V_dq；将V_{se_d}和V_{se_q}同时输入到一个反正切变换功能框，得到电压V_dq的功率因数角δ。为了使串联注入电压的幅值不超过串联部分的额定值，在均方根模块后接入一个电压限制器功能框。最后，将电压幅值V_dq和功率因数角δ输入三角函数sin功能框和cos功能框，分别相乘又得到注入电压V_se的两个分量V_d和V_q。

2.4)将送电端节点电压V_s的相角θ₁作为三角函数sin功能框和cos功能框的输入变量，输入地点选择为bus1，再分别与注入电压V_se的两个分量V_d和V_q相乘，得到串联注入电压V_se在xy轴坐标系下的实部V_{se_x}和虚部V_{se_y}。将得到的电压实部V_{se_x}和虚部V_{se_y}，分别送入除法模块，除以线路阻抗，得到串联侧注入节点电流I_se的实部I_{se_x}和虚部I_{se_y}。

3)在PSASP软件中用户自定义模型平台下搭建DPFC并联侧自定义模型。

所述步骤3)中，包括以下步骤：

3.1)搭建DPFC并联侧变流器的潮流计算模型中，受电端节点电压的幅值V_m和相角θ_m，被控线路的有功功率P_L、无功功率Q_L是自定义模型的输入信号，并联侧注入送电端节点的电流I_sh在xy轴坐标系下的实部I_{sh_x}和虚部I_{sh_y}作为自定义模型的输出信号。

3.2)如图4所示，为分布式潮流控制器并联侧注入电流的d轴分量自定义模型图，输入信号相角θ_m的输入地点为bus2，被控线路实际运行的有功功率P_L和无功功率Q_L输入地点均为line1，将相角θ_m输入三角函数sin功能框和cos功能框后，与有功功率P_L和无功功率Q_L两两相乘。其乘积的和与差，分别送入除法模块，除以受电端节点电压的幅值V_m，最后求得串联侧向***注入功率。再取其实部，送入出发功能框，除以送电端母线电压V_s，输出并联侧注入节点电流I_sh的d轴分量I_{sh_d}。

3.3)如图5所示为分布式潮流控制器并联侧注入电流的q轴分量自定义模型图，将线路送电端电压给定值V_sref输入减法功能框与送电端电压幅值V_s进行比较，V_s的输入地点为bus1。比较得到的误差信号分别接入一个比例功能框和一个积分功能框，相加后输出为并联侧注入节点电流I_sh的q轴分量I_{sh_q}。

3.4)输入信号相角θ_m的输入地点为bus2，将相角θ_m输入三角函数sin功能框和cos功能框后，与I_{sh_d}和I_{sh_q}两两相乘，将乘积输出到加法功能框，分别与串联侧注入节点电流I_se的实部I_{se_x}和虚部I_{se_y}相加，最终输出并联侧注入送电端电流I_sh在xy轴坐标系下的实部I_{sh_x}和虚部I_{sh_y}。

4)在仿真时，为了在PSASP软件中进行潮流计算，首先要定义方案；然后定义潮流作业：在潮流作业定义中，选择代入自定义模型，输入DPFC计算模型的自定义模型编号(如6001)，然后在参数编辑中，调整好DPFC自定义模型中的各个参数，包括被控线路的送电端电压给定值V_sref和被控线路的有功功率给定值P_ref和无功功率给定值Q_ref，设置有功功率给定值为0.8，无功功率给定值为0，母线电压给定值为0.996，且均为标幺值。设置串联侧有功功率比例积分系数为：K₁＝-0.006，A₁＝-0.05。无功功率的比例积分系数为：K₂＝0.001，A₂＝0.23。并联侧电压的比例积分系数为：K₃＝0，A₃＝0.1，以及电压限幅模块的相关参数设置为Y_max＝0.1，Y_min＝-0.1。DPFC的参数编辑完成后，还需设定潮流用户自定义模型的存放节点、相关节点及相关支路：将分布式潮流控制器的自定义模型选择安装地点在节点GEN2-230和节点STNA-230之间的支路Line 1上，定义节点GEN2-230、STNA-230分别为bus1、bus2，潮流作业定义中的其他设置则选择默认值。

以上潮流作业定义完成后，开始进行潮流计算，计算完成，在潮流结果报表输出功能框中，选择需要输出的潮流结果，如：物理母线、发电机、负荷、交流线、变压器等，为了验证DPFC对线路潮流的控制能力，将潮流结果与潮流作业中设定的目标值进行对比，如果被控线路上的潮流结果，与预先设定的目标值基本吻合，则验证所提出的DPFC的机电暂态模型是可行的，同时验证了DPFC的潮流调节能力。

综上所述，依照本发明提出的DPFC机电暂态模型与仿真方法，具有较好的可操作性，可以方便的模拟分布式潮流控制器在电力***中的作用，能够应用于电力***仿真分析及线路的潮流控制中。

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 (4)

1.一种分布式潮流控制器的机电暂态模型，其特征在于，包括：

标准测试***，用于为分布式潮流控制器模型提供信号输入；所述信号包括：被控线路实际运行的有功功率P_L和无功功率Q_L，线路首端电压幅值V_s和V_s的相角θ_s，受电端节点电压的幅值V_m和相角θ_m；

分布式潮流控制器DPFC串联侧自定义模型，用于根据输入的被控线路实际运行的有功功率P_L、无功功率Q_L，及线路首端电压幅值V_s和V_s的相角θ_s，输出线路两端的节点电流I_se的实部I_{se_x}和虚部I_{se_y}，以及反映内部3次谐波能量动态交换的I_{inj_m3}；

分布式潮流控制器DPFC并联侧自定义模型，用于将受电端节点电压的幅值V_m和相角θ_m，被控线路实际运行的有功功率P_L、无功功率Q_L作为并联侧自定义模型的输入信号，并联侧注入送电端节点的电流I_sh在xy轴坐标系下的实部I_{sh_x}和虚部I_{sh_y}作为自定义模型的输出信号，以及反映内部3次谐波能量动态交换的I_{inj_s3}；

所述串联侧自定义模型的输入输出表达式为：

其中，V_{se_x}为V_se的x轴分量，V_{se_y}为V_se的y轴分量，X_se表示串联变流器的等效电抗；V_se为DPFC串联侧变流器注入***的电压；

式中，和是积分环节，K_p，K_q是积分系数；P_L、Q_L分别是被控线路实际运行的有功和无功功率；P_ref，Q_ref分别是被控线路实际运行的有功和无功功率参考值；V_{se_d}和V_{se_q}由V_se分解得到，V_{se_d}和V_{se_q}表示V_se的d轴和q轴分量；

DPFC注入被控线路的3次谐波电流：

式中，X_se3表示串联变压器等效3次谐波电抗，V_se3表示串联侧注入3次谐波电压；

所述并联侧自定义模型的输入输出表达式为：

其中，

I_{sh_x}＝I_{sh_d}cosθ_s-I_{sh_q}sinθ_s；

I_{sh_y}＝I_{sh_d}sinθ_s+I_{sh_q}cosθ_s；

其中，I_{sh_d}和I_{sh_q}分别为I_sh的d轴和q轴分量；

I_{inj_s3}＝I_{inj_s3_d}cosθ_{inj_s3}+I_{inj_s3_q}cosθ_{inj_s3}；

其中，K_v/s是积分环节，K_v是积分系数，V_sref是DPFC并联接入点母线电压目标值，I_{inj_s3_d}为并联侧等效注入3次谐波的有功分量，I_{inj_s3_q}为并联侧等效注入3次谐波的无功分量，cosθ_{inj_s3}为并联侧等效注入3次谐波的相角，I_L为被控线路的线路电流。

2.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器的机电暂态模型，其特征在于，所述标准测试***中包括多个发电机和多条母线，其中母线上连接有负载，每个发电机各连接有一个变压器。

3.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器的机电暂态模型，其特征在于，所述标准测试***为标准3机9节点测试***，该***包括3个发电机和9条母线，其中每3条母线分别连接有1个负载，3个发电机各连接有1个双绕组变压器。

4.一种使用上述权利要求1至3任一机电暂态模型的分布式潮流控制器的机电暂态仿真方法，包括以下步骤：

1)将所述机电暂态模型作为用户自定义模型在PSASP软件中进行潮流计算，计算前根据仿真目的定义方案；

2)根据方案定义潮流作业：在潮流作业定义中，选择代入用户自定义模型，输入DPFC计算模型的自定义模型编号；再对搭建的分布式潮流控制器模型进行参数编辑，调整好DPFC自定义模型中的各个参数，所述参数包括被控线路实际运行的送电端电压给定值V_sref和被控线路实际运行的有功功率给定值P_ref和无功功率给定值Q_ref，串并联侧有功功率P_L、无功功率Q_L、送电端电压幅值V_s所连接的比例积分环节参数，以及电压幅值限制的参数；

3)设定用户自定义模型在仿真***中的存放节点、相关节点及相关支路，潮流作业定义中的其他设置则选择默认值；

4)开始进行潮流计算，计算完成，在潮流结果报表输出中，选择需要输出的潮流结果，将潮流结果与潮流作业中设定的目标值进行对比。