CN107276103B - 一种提高交流母线电压支撑强度的upfc串并联换流器协调控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高交流母线电压支撑强度的UPFC串并联换流器协调控制策略，其通过在电网运行过程中监测被控交流母线电压的幅值，当交流母线电压越限时计算反映交流母线电压越线程度的特征信号，并通过交流母线电压协调控制算法自动调节UPFC串联换流器无功潮流指令值和并联换流器无功功率指令值，最大限度的利用UPFC***级调节能力，将交流电压控制在安全稳定运行范围内。由此可见，本发明为解决特高压接入***后电网电压支撑问题、最大限度的提高***动/静态电压支撑能力提供了一种有效的手段。

Description

一种提高交流母线电压支撑强度的UPFC串并联换流器协调控 制策略

技术领域

本发明属于电力***柔性输配电技术领域，具体涉及一种提高交流母线电压支撑强度的UPFC串并联换流器协调控制策略。

背景技术

我国能源资源与负荷的逆向分布特性决定了“西电东送、北电南送”的基本格局；适用于远距离、大容量输电的特高压输电技术，为实现我国资源的合理开发、优化配置、高效利用提供了一种有效的解决措施。然而，特高压输电工程在实现远距离、大容量输电的同时，对电网的安全稳定运行也带来了新的挑战；在建准东-华东特高压直流电压等级±1100KV，单一直流额定馈入功率达12000MW，大规模功率的集中馈入对受端电网潮流控制和电压支撑能力带来了巨大挑战。

统一潮流控制器(Unified PowerFlow Controller，UPFC)作为最新一代的柔***流输电***(FlexibleAC Transmission System，FACTS)装置，既能够实现潮流的精确控制，又具有电压调节能力，为解决特高压接入***后电网潮流控制和电压支撑问题提供了一种综合性的解决手段。UPFC由两个背靠背的电压源换流器构成，两个背靠背的换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***，其中并联换流器通过换流变压器以并联形式接入，串联换流器通过换流变压器以串联形式接入，如图1所示，UPFC通常有3个***级的控制维度，即输电线路有功/无功潮流控制以及并联换流器的无功功率控制。

在利用FACTS装置提高电网电压支撑能力的研究中，通常只考虑并联型的FACTS装置，对于串联型FACTS装置无功调节能力的研究较少；为保证电力***的安全稳定运行，除了需要动态无功支撑外，还需要配置大量电容器组进行静态无功补偿。传统电网运行中无功潮流的不可控性、无功配置与需求的不均衡将导致电网无功分布不均衡，导致静态无功补偿装置不能得到充分的利用；UPFC的无功潮流控制能力可以精确控制线路无功潮流，对改善***无功分布不均衡、解决N-1故障后局部区域无功支撑不足的问题提供了一种手段。为了充分利用UPFC的电压调节能力，最大限度的提高***电压支撑强度，应该同时利用UPFC串、并联换流器的无功电压调节能力，但同时利用UPFC串、并联换流器对交流母线电压进行控制而不考虑二者的协调，将导致UPFC串、并联换流器相互争抢无功控制量，无法确定稳态运行点。

由上述分析可见，如何充分利用UPFC串、并联换流器的无功控制能力、协调UPFC串联与并联换流器无功控制量之间的关系，对最大限度的提高交流母线的电压支撑强度，保证电力***的安全稳定运行具有十分积极的作用。

发明内容

鉴于上述，本发明提出了一种提高交流母线电压支撑强度的UPFC串并联换流器协调控制策略，当交流母线电压越限时能够自动调节UPFC串联换流器无功潮流指令值和并联换流器无功功率指令值，将交流电压控制在安全稳定运行范围内，最大限度的提高交流母线的电压支撑强度。

一种提高交流母线电压支撑强度的UPFC串并联换流器协调控制策略，包括如下步骤：

(1)计算被控交流母线节点的电压幅值V_ac相对UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L ^*变化的敏感度A_ac以及相对UPFC并联侧换流器无功功率指令值Q_sh ^*变化的敏感度B_ac；

(2)根据所述敏感度A_ac和B_ac计算对应UPFC串联侧及并联侧换流器的电压越限偏差信号ΔR_se和ΔR_sh；

(3)当检测到ΔR_se≠0或ΔR_sh≠0即被控交流母线节点电压越限，则通过交流母线电压协调控制算法生成UPFC串联侧换流器的无功潮流调节信号ΔQ_L以及UPFC并联侧换流器的无功功率调节信号ΔQ_sh；

(4)使正常工况下控制中心给定的UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L0以及UPFC并联侧换流器无功功率指令值Q_sh0分别与无功潮流调节信号ΔQ_L和无功功率调节信号ΔQ_sh相叠加，得到最终的无功潮流指令值Q_L ^*和无功功率指令值Q_sh ^*；进而将Q_L ^*和Q_sh ^*分别输入至UPFC串联侧换流器的无功潮流控制模块以及UPFC并联侧换流器的无功功率控制模块，作为UPFC的控制指令以进行控制。

进一步地，所述步骤(1)中通过以下公式计算敏感度A_ac和B_ac：

A_ac＝-j(Z_my-Z_mx)

B_ac＝-jZ_mx

其中：Z_mx为矩阵Z中第m行第x列元素，Z_my为矩阵Z中第m行第y列元素，x和y分别为UPFC所在安装线路两端母线节点的编号且电流正方向从x流向y，m为被控交流母线节点的编号，Z为电网***节点导纳矩阵的逆矩阵，j为虚数单位。

进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算电压越限偏差信号ΔR_se和ΔR_sh：

ΔR_se＝-ΔV_acSgn(A_ac)

ΔR_sh＝ΔV_acSgn(B_ac)

ΔV_ac＝max(V_ac-V_ac,max,0)+min(V_ac-V_ac,min,0)

其中：V_ac,max和V_ac,min分别为被控交流母线节点的运行电压上限值和下限值，Sgn()为符号函数即当()中的自变量≥0时，函数值为1；当()中的自变量＜0时，函数值为-1。

进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算生成无功潮流调节信号ΔQ_L和无功功率调节信号ΔQ_sh：

其中：K_se和K_sh均为设定的放大增益系数，D_se和D_sh均为设定的下垂控制系数，s为拉普拉斯算子。

进一步地，所述下垂控制系数D_se与D_sh的比值等于|B_ac|与|A_ac|的比值。

本发明UPFC串并联换流器协调控制策略通过在电网运行过程中监测被控交流母线电压的幅值，当交流母线电压越限时计算反映交流母线电压越线程度的特征信号，并通过交流母线电压协调控制算法自动调节UPFC串联换流器无功潮流指令值和并联换流器无功功率指令值，最大限度的利用UPFC***级调节能力，将交流电压控制在安全稳定运行范围内。由此可见，本发明为解决特高压接入***后电网电压支撑问题、最大限度的提高***动/静态电压支撑能力提供了一种有效的手段。

附图说明

图1为统一潮流控制器UPFC的结构示意图。

图2为含UPFC的电力***结构示意图。

图3为本发明交流母线电压协调控制器的控制框图。

图4为某一实际电网***的简化示意图。

图5为自然潮流分布下及本发明控制策略下母线3的电压响应曲线图。

图6为自然潮流分布下及本发明控制策略下2-1线路无功潮流和UPFC并联换流器输出无功的响应曲线图。

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。

本发明用于提高交流母线电压支撑强度的UPFC串并联换流器协调控制策略，包括如下步骤：

(1)计算被控交流母线电压幅值V_ac对UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L ^*以及并联侧换流器无功功率指令值Q_sh ^*变化的敏感度，具体方法如下：

对于一个含有a个交流母线的电力***，假设被控交流母线在***中的编号为m，UPFC并联侧接入母线1，UPFC串联侧安装在母线1和2之间，如图2所示。矩阵Z为电网络节点导纳矩阵的逆矩阵，其第i行第j列元素为Z_ij(i,j＝1,2,…,a)；根据电网络理论可得，该被控母线电压幅值V_ac对UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L ^*以及并联侧换流器无功功率指令值Q_sh ^*变化的敏感度A_ac和B_ac的计算公式如下：

A_ac＝-j(Z_m2-Z_m1)

B_ac＝-jZ_m1

在实际输电网中架空线路电阻的值远小于其电抗值，相比于虚部，Z_ij的实部可以忽略。同时，UPFC安装线路附近交流母线的电压相量相角都比较接近，幅值都在1.0pu附近。在此条件下，该被控母线电压幅值V_ac与UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L ^*变化量以及并联侧换流器无功功率指令值Q_sh ^*变化量的关系为：

可见A_ac和B_ac反映了被控母线电压幅值V_ac对UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L ^*以及并联侧换流器无功功率指令值Q_sh ^*变化的敏感度。

(2)在线监测被控交流母线电压幅值V_ac并计算用以生成UPFC串、并联侧换流器无功指令值的电压越限偏差信号ΔR_se、ΔR_sh；当检测到ΔR_se≠0或ΔR_sh≠0，即被控交流母线电压越限时，通过交流母线电压协调控制器生成UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L ^*的调节信号ΔQ_L以及并联侧换流器无功功率指令值Q_sh ^*的调节信号ΔQ_sh。

交流母线电压协调控制器如图3所示，其中K_se、K_sh分别为UPFC串、并联换流器交流母线电压控制器的放大器增益，D_se、D_sh分别为串、并联换流器交流母线电压控制的下垂控制系数，s为拉普拉斯算子。误差信号ΔR_se与输出信号ΔQ_L的反馈信号D_seΔQ_L叠加后经过积分环节后得到UPFC串联侧无功潮流指令值的调节信号ΔQ_L；误差信号ΔR_sh与输出信号ΔQsh的反馈信号D_shΔQ_sh叠加后经过积分环节后得到UPFC并联侧无功功率指令值的调节信号ΔQ_sh，即：

无功电压控制量在串、并联换流器之间的分配可以通过改变串、并联换流器交流母线电压控制的下垂控制系数D_se和D_sh，按照预先给定的分配原则进行分配。本实施方式按照被控母线电压幅值对UPFC串联侧换流器无功潮流指令值以及并联侧换流器无功功率指令值变化的敏感度进行分配，即D_se:D_sh＝|B_ac|:|A_ac|。

交流母线电压协调控制器中的误差信号ΔR_se、ΔR_sh通过下式计算得到：

ΔR_se＝-ΔV_acSgn(A_ac)

ΔR_sh＝ΔV_acSgn(B_ac)

其中：ΔV_ac＝max(V_ac-V_ac,max,0)+min(V_ac-V_ac,min,0)，V_ac,max和V_ac,min分别被控交流母线运行电压的上限值和下限值，Sgn(x)为符号函数，其取值随自变量x的变换规律为：

(3)将调节信号ΔQ_L与正常工况下无功潮流设定值Q_L0相加后得到UPFC串联侧换流器最终的无功潮流指令值Q_L ^*；将调节信号ΔQ_sh与正常工况下无功功率设定值Q_sh0相加后得到UPFC串联侧换流器最终的无功功率指令值Q_sh ^*；将指令值分别输入到UPFC串联侧换流器的无功潮流控制模块以及并联侧换流器无功功率控制模块，作为UPFC的控制参考值并进行控制，以实现UPFC无功控制能力最大限度的利用。

图4为某一实际电网***简化示意图，UPFC安装在线路1-2上靠近交流母线1的一侧，交流母线电压幅值对UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L ^*以及并联侧换流器无功功率指令值Q_sh ^*变化敏感度的仿真值与解析值的对比如表1所示。表1中仿真值为分别单独改变1pu时各母线电压幅值的改变(单位pu)，解析值为利用本实施方式给出的公式计算得到的结果；ΔV₁、ΔV₃、ΔV₄分别为交流母线1、3、4的电压幅值的变化量。

表1

由表1中数据可以看出，交流母线电压幅值对UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L ^*以及并联侧换流器无功功率指令值Q_sh ^*变化敏感度的仿真值与解析值相差较小，可以利用本实施方式给出的计算方法判断交流母线电压幅值对UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L ^*以及并联侧换流器无功功率指令值Q_sh ^*变化敏感程度的大小。同时，本实施方式给出的UPFC控制策略对越线电压进行反馈控制的过程中，只用到了A_ac和B_ac的符号，并不需要数值上完全相同。下面对本实施方式协调控制策略的控制效果进行了验证，直流换流站交流母线的稳态电压水平和暂态电压支撑强度对特高压直流的消纳与***的安全稳定运行是至关重要的，因此选择直流换流站交流母线(母线3)作为被控交流母线。

本实施方式UPFC串并联换流器协调控制策略的响应过程如图5和图6所示，动态仿真的过程为：1.0s时1～2双回线1侧发生非金属性接地故障，UPFC保护动作，串联换流器退出运行，1.1s将故障回路切除，3.1s时非故障回路上的UPFC串联换流器重新投入运行。动态仿真中，在UPFC中加装本实施方式UPFC串并联换流器协调控制器时，所用参数如下：V_ac,min＝0.96pu，V_ac,max＝1.04pu，K_se＝1000，D_se＝0.00062，K_sh＝1000，D_sh＝0.00056，Q_L0＝5.94pu，Q_sh0＝0。

由图5和图6可以看出，采用本实施方式控制策略后直流换流站交流母线(母线3)的暂态电压支撑强度和稳态调压能力均得到提高。同时由图6中局部放大部分可以看出，若无串联换流器的无功潮流调节，在并联换流器无功出力增加时，自然潮流分布下通过2-1线路向直流落点区域输送的无功功率在事故后反而会降低，不利于直流换流站母线事故后电压的恢复。串联换流器投入运行后，通过改变UPFC无功潮流指令值调节2～1线路上的无功潮流，进一步提高直流换流站母线故障后恢复电压，改善事故后***的无功潮流分布，减少对直流电容器的容量需求。由此可见，本发明UPFC串并联换流器协调控制策略具有较好的动态特性，上述分析也验证了本发明UPFC串并联换流器协调控制策略的有效性。

上述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 (1)

1.一种提高交流母线电压支撑强度的UPFC串并联换流器协调控制策略，包括如下步骤：

(1)计算被控交流母线节点的电压幅值V_ac相对UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L ^*变化的敏感度A_ac以及相对UPFC并联侧换流器无功功率指令值Q_sh ^*变化的敏感度B_ac，具体算式如下：

A_ac＝-j(Z_my-Z_mx)

B_ac＝-jZ_mx

其中：Z_mx为矩阵Z中第m行第x列元素，Z_my为矩阵Z中第m行第y列元素，x和y分别为UPFC所在安装线路两端母线节点的编号且电流正方向从x流向y，m为被控交流母线节点的编号，Z为电网***节点导纳矩阵的逆矩阵，j为虚数单位；

(2)根据所述敏感度A_ac和B_ac计算对应UPFC串联侧及并联侧换流器的电压越限偏差信号ΔR_se和ΔR_sh，具体算式如下：

ΔR_se＝-ΔV_acSgn(A_ac)

ΔR_sh＝ΔV_acSgn(B_ac)

ΔV_ac＝max(V_ac-V_ac,max,0)+min(V_ac-V_ac,min,0)

其中：V_ac,max和V_ac,min分别为被控交流母线节点的运行电压上限值和下限值，Sgn()为符号函数即当()中的自变量≥0时，函数值为1；当()中的自变量＜0时，函数值为-1；

(3)当检测到ΔR_se≠0或ΔR_sh≠0即被控交流母线节点电压越限，则通过交流母线电压协调控制算法生成UPFC串联侧换流器的无功潮流调节信号ΔQ_L以及UPFC并联侧换流器的无功功率调节信号ΔQ_sh，具体算式如下：

其中：K_se和K_sh均为设定的放大增益系数，D_se和D_sh均为设定的下垂控制系数，s为拉普拉斯算子，下垂控制系数D_se与D_sh的比值等于|B_ac|与|A_ac|的比值；

(4)使正常工况下控制中心给定的UPFC串联侧换流器无功潮流指令值Q_L0以及UPFC并联侧换流器无功功率指令值Q_sh0分别与无功潮流调节信号ΔQ_L和无功功率调节信号ΔQ_sh相叠加，得到最终的无功潮流指令值Q_L ^*和无功功率指令值Q_sh ^*；进而将Q_L ^*和Q_sh ^*分别输入至UPFC串联侧换流器的无功潮流控制模块以及UPFC并联侧换流器的无功功率控制模块，作为UPFC的控制指令以进行控制。