CN107147124A - 一种upfc接入***的方法、upfc五节点功率注入模型及潮流计算方法 - Google Patents
一种upfc接入***的方法、upfc五节点功率注入模型及潮流计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种UPFC接入***的方法，将并联换流器通过并联耦合变压器Tsh与节点k相连，节点k通过变电站变压器T进行升压，接入到串联侧线路母线上，第一串联换流器通过第一串联耦合变压器Tse1连接在第一回线路i1j1上，第二串联换流器通过第二串联耦合变压器Tse2连接在第二回线路i2j2上，第一串联换流器和第二串联换流器均连接直流电容C1两端，且第一串联换流器和第二串联换流器均耦合连接并联换流器。本发明还公开了UPFC五节点功率注入模型及潮流计算方法。本发明可以对串联侧两回输电线路分开实现潮流控制，实现N‑1故障下单回线路的断面潮流控制，并且该模型并联侧接入低压侧，提高了接入节点电压水平，能够体现并联侧节点及其后续线路的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电力***仿真建模技术，特别是涉及一种UPFC接入***的方法、UPFC五节点功率注入模型及潮流计算方法。
背景技术
统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)作为功能最强大的柔***流输电***(Flexible AC Transmission System，FACTS)装置，能同时对输电线路的电压、相角和阻抗和母线电压进行灵活的调节与控制，同时实现串联补偿和并联补偿功能，可以灵活快速地对输电线路中的潮流进行调控。
UPFC建模是研究UPFC潮流控制的基础，目前，对含UPFC的***进行潮流计算时，常采用等效功率注入法，功率注入模型将UPFC对***的影响等效到对应线路的两侧节点上，在不修改原来节点导纳阵的情况下嵌入UPFC模型，最大限度地利用传统潮流计算中雅克比矩阵形成的公式和经验。
尽管目前UPFC理论研究比较丰富，但真正投入实际运行的UPFC工程仅有四个，南京西环网统一潮流控制器示范工程(南京UPFC工程)是国内第一个、世界第四个UPFC工程。以南京UPFC工程为例，根据综合实际考虑，UPFC采用特殊的安装方式，UPFC两台串联侧变压器安装在铁北-晓庄双回线路的铁北侧；铁北220kV节点附近有220kV燕子矶主变，考虑到UPFC安装的区域南京西环网在近远期对无功补偿的需求均不大，UPFC并联侧的主要功能是补偿串联侧的与线路交换的有功功率，UPFC并联侧接入燕子矶主变的35kV母线，以节省并联侧换流变的投资，同时能提高燕子矶节点电压水平。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的UPFC接入***的方法、UPFC五节点功率注入模型及潮流计算方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的UPFC接入***的方法，将并联换流器通过并联耦合变压器Tsh与节点k相连，节点k通过变电站变压器T进行升压，接入到串联侧线路母线上，第一串联换流器通过第一串联耦合变压器Tse1连接在第一回线路i1j1上，第二串联换流器通过第二串联耦合变压器Tse2连接在第二回线路i2j2上，第一串联换流器和第二串联换流器均连接直流电容C1两端，且第一串联换流器和第二串联换流器均耦合连接并联换流器。
采用本发明所述的UPFC接入***的方法的UPFC五节点功率注入模型，UPFC的输入信息分别为：节点i1、i2、j1、j2、k的电压幅值Vk和相角θk，受控线路i1j1的有功功率和无功功率受控线路i2j2的有功功率和无功功率UPFC的输出信息为节点i1、i2、j1、j2、k的注入有功功率Pks和注入无功功率Qks；UPFC控制目标为受控线路潮流以及节点电压各个参数之间的关系如式(1)—(10)所示：
Qks＝VkIq (10)
其中，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压相角，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压幅值，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压相角，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压幅值，如式(11)和(12)所示，gij、bij、bcij分别为线路上的电导、电纳和对地电纳，Iq为相对于节点k电压的无功分量；为并联侧流入节点k的电流，也即并联侧输出电流；
其中，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源的电压幅值，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源的电压相角，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源的电抗，为第一回线路i1j1所在支路的电流，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源的电压幅值，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源的电压相角，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源的电抗，为第二回线路i2j2所在支路的电流；
Vsh为并联耦合变压器Tsh的理想电压源的电压幅值，θsh为并联耦合变压器Tsh的理想电压源的电压相角，Xsh为并联耦合变压器Tsh的理想电压源的电抗，并联侧电压源Vsh∠θsh和并联侧输出电流的关系如下：
本发明所述的UPFC五节点功率注入模型的潮流计算方法，包括以下步骤：
(1)未加入UPFC，进行初始条件下潮流计算；
(2)从数据接口读取UPFC的输入信息，录入UPFC的控制目标；根据初始潮流计算的自然潮流值和UPFC控制目标中设置的线路潮流得到节点j1和j2的注入功率，即得到根据式(5)—式(8)，计算得出V′se1、θ′se1和V′se2、θ′se2；再根据式(1)—式(4)和式(9)，计算得到输出信息Pks；
(3)通过得到的输出值计算新的状态变量和
(4)再获取新的输入信息，判断新的状态变量是否收敛；若不收敛，回到步骤(2)；若收敛，则根据输出值和式(11)—式(12)计算出UPFC串联侧控制量Vse1，θse1，Vse2，θse2，根据式(10)计算出节点k的无功功率Qks；
(5)通过式(13)求出并联侧控制量Vsh和θsh。
有益效果：本发明中的UPFC五节点功率注入模型，在串联侧方面，该UPFC模型可以对串联侧两回输电线路分开实现潮流控制，可以实现N-1故障下单回线路的断面潮流控制；在并联侧方面，该模型并联侧接入低压侧，提高了接入节点电压水平，且能够体现并联侧节点及其后续线路的影响；两个串联侧共用一个并联侧换流器，且换流器连接在低压母线节点上，减少了投资。同时，在实际仿真运行中，采用本发明中的模型，可以更加准确地评估实际工程中UPFC的控制能力，可信度和准确度更高。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中南京UPFC工程中的UPFC实际拓扑结构；
图2为本发明具体实施方式提出的接入***的UPFC结构图；
图3为本发明具体实施方式的UPFC五节点模型等值电路；
图4为本发明具体实施方式的UPFC五节点功率注入模型。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种UPFC接入***的方法，将并联换流器1通过并联耦合变压器Tsh与节点k相连，节点k通过变电站变压器T进行升压，接入到串联侧线路母线上，第一串联换流器2通过第一串联耦合变压器Tse1连接在第一回线路i1j1上，第二串联换流器3通过第二串联耦合变压器Tse2连接在第二回线路i2j2上，第一串联换流器2和第二串联换流器3均连接直流电容C1两端，且第一串联换流器2和第二串联换流器3均耦合连接并联换流器1。
采用UPFC接入***的方法建立的UPFC五节点功率注入模型如图4所示，为：节点i1、i2、j1、j2、k的电压幅值Vk和相角θk，受控线路i1j1的有功功率和无功功率受控线路i2j2的有功功率和无功功率UPFC的输出信息为节点i1、i2、j1、j2、k的注入有功功率 Pks和注入无功功率Qks；UPFC控制目标为受控线路潮流以及节点电压各个参数之间的关系如式(1)—(10)所示：
Qks＝VkIq (10)
其中，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压相角，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压幅值，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压相角，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压幅值，如式(11)和(12)所示，gij、bij、bcij分别为线路上的电导、电纳和对地电纳，Iq为相对于节点k电压的无功分量；为并联侧流入节点k的电流，也即并联侧输出电流；
其中，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源电压的幅值，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源电压的相角，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源电压的电抗，为第一回线路i1j1所在支路的电流，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源电压的幅值，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源电压的相角，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源电压的电抗，为第二回线路i2j2所在支路的电流。
Vsh为并联耦合变压器Tsh的理想电压源的电压幅值，θsh为并联耦合变压器Tsh的理想电压源的电压相角，Xsh为并联耦合变压器Tsh的理想电压源的电抗，并联侧电压源Vsh∠θsh和并联侧输出电流的关系如下：
图3为UPFC五节点模型等值电路。
加入UPFC的线路潮流为线路自然潮流为 j1、j2的注入功率为其中，加入UPFC后的线路潮流、线路自然潮流和j1、j2的注入功率有如下关系：
设定串联侧两回线路i1j1和i2j2的潮流控制值分别为Pref1、Qref1和Pref2、Qref2，可将Pref1、Qref1、Pref2、Qref2分别替换替换中的并求出j1、j2侧节点的注入功率由于一般情况下节点i1、i2的电压幅值存在关系：且Vi与UPFC并联侧注入的无功功率Qks有直接关系，故采用PI控制作为UPFC并联侧的无功注入功率控制规律，表示为：
其中Kp、Ki分别为母线电压控制的比例、积分系数；Vref为i节点电压Vi的设定值。
其收敛条件为：
式中，ε为收敛精度。
UPFC五节点功率注入模型的潮流计算方法，包括以下步骤：
(1)未加入UPFC，进行初始条件下潮流计算；
(2)从数据接口读取UPFC的输入信息，录入UPFC的控制目标；根据初始潮流计算的自然潮流值和UPFC控制目标中设置的线路潮流得到节点j1和j2的注入功率，也即得到 根据式(5)—式(8)，计算得出V′se1、θ′se1和V′se2、θ′se2；再根据式(1)—式(4)和式(9)，计算得到输出信息Pks；
(3)通过得到的输出值计算新的状态变量和
(4)再获取新的输入信息，判断新的状态变量是否收敛；若不收敛，回到步骤(2)；若收敛，则根据输出值和式(11)—式(12)计算出UPFC串联侧控制量Vse1，θse1，Vse2，θse2，根据式(10)计算出节点k的无功功率Qks；
(5)通过式(13)求出并联侧控制量Vsh和θsh。
下面以南京UPFC工程2015年冬季运行***为实施例来详细说明本发明。
图1为南京UPFC工程中的UPFC实际拓扑结构。在PSASP/UD仿真软件中搭建如图2所示的UPFC五节点功率注入模型。设置UPFC串联侧耦合变压器注入电压最大值Vsemax＝0.115p.u.，串联侧耦合变压器内电抗Xse1＝Xse2＝0.0037p.u.，并联侧换流变压器内电抗Xsh＝0.004p.u.，并联侧耦合变压器注入电流最大值Ishmax＝2.0p.u.。PI控制器参数为：Kp＝1，Ki＝1。燕子矶变内电抗XT＝0.0887p.u.。
实例为南京UPFC工程2015年冬季运行***。未安装UPFC时，铁北-晓庄断面潮流即UPFC串联侧线路自然潮流为Pline＝3.692p.u.，Qline＝-0.2973p.u.，母线铁北处的电压Vs＝1.000p.u.。
实例在安装UPFC五节点功率注入模型后，设置UPFC的有功功率控制目标在不同数值，其中控制无功功率维持原值，控制精度为10-3。仿真可以得到铁北-晓庄线路(UPFC串联侧)、铁北-燕子矶线路(UPFC并联侧)电流和线路潮流控制结果，如表1所示，可以看出，该UPFC模型可以将控制目标控制在指定值，从而实现UPFC在***中的潮流控制功能。
表1
Claims (3)
1.一种UPFC接入***的方法，其特征在于：将并联换流器(1)通过并联耦合变压器Tsh与节点k相连，节点k通过变电站变压器T进行升压，接入到串联侧线路母线上，第一串联换流器(2)通过第一串联耦合变压器Tse1连接在第一回线路i1j1上，第二串联换流器(3)通过第二串联耦合变压器Tse2连接在第二回线路i2j2上，第一串联换流器(2)和第二串联换流器(3)均连接直流电容C1两端，且第一串联换流器(2)和第二串联换流器(3)均耦合连接并联换流器(1)。
2.采用根据权利要求1所述的UPFC接入***的方法的UPFC五节点功率注入模型，其特征在于：UPFC的输入信息分别为：节点i1、i2、j1、j2、k的电压幅值Vk和相角θk，受控线路i1j1的有功功率和无功功率受控线路i2j2的有功功率和无功功率UPFC的输出信息为节点i1、i2、j1、j2、k的注入有功功率Pks和注入无功功率Qks；UPFC控制目标为受控线路潮流以及节点电压各个参数之间的关系如式(1)—(10)所示：
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Qks＝VkIq (10)
其中，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压相角，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压幅值，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压相角，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压幅值，如式(11)和(12)所示，gij、bij、bcij分别为线路上的电导、电纳和对地电纳，Iq为相对于节点k电压的无功分量；为并联侧流入节点k的电流，也即并联侧输出电流；
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其中，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源的电压幅值，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源的电压相角，为第一串联耦合变压器Tse1的理想电压源的电抗，为第一回线路i1j1所在支路的电流，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源的电压幅值，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源的电压相角，为第二串联耦合变压器Tse2的理想电压源的电抗，为第二回线路i2j2所在支路的电流；
Vsh为并联耦合变压器Tsh的理想电压源的电压幅值，θsh为并联耦合变压器Tsh的理想电压源的电压相角，Xsh为并联耦合变压器Tsh的理想电压源的电抗，并联侧电压源Vsh∠θsh和并联侧输出电流的关系如下：
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3.根据权利要求2所述的UPFC五节点功率注入模型的潮流计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)未加入UPFC，进行初始条件下潮流计算；
(2)从数据接口读取UPFC的输入信息，录入UPFC的控制目标；根据初始潮流计算的自然潮流值和UPFC控制目标中设置的线路潮流得到节点j1和j2的注入功率，即得到根据式(5)—式(8)，计算得出V′se1、θ′se1和V′se2、θ′se2；再根据式(1)—式(4)和式(9)，计算得到输出信息
(3)通过得到的输出值计算新的状态变量和
(4)再获取新的输入信息，判断新的状态变量是否收敛；若不收敛，回到步骤(2)；若收敛，则根据输出值和式(11)—式(12)计算出UPFC串联侧控制量Vse1，θse1，Vse2，θse2，根据式(10)计算出节点k的无功功率Qks；
(5)通过式(13)求出并联侧控制量Vsh和θsh。
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