一種基于UPFC的交流母線電壓調節方法與流程

本發明屬于電力系統柔性輸配電技術領域，具體涉及一種基于upfc的交流母線電壓調節方法。

背景技術：

電壓穩定是電力系統安全穩定運行的一個重要方面，母線電壓幅值與其標稱值之間的偏差也是反映電能質量的一個重要指標。隨著電網負荷水平的持續攀升、新能源的大量接入，電壓越限問題成為影響電網安全穩定運行和負荷供電質量的主要因素之一。柔性交流輸電(flexibleactransmissionsystem，facts)技術的出現為實現電網電壓調節提供了新的手段。

在已有文獻中，電壓調節問題通常是通過并聯無功補償裝置或濾波裝置實現。技術上，作為最新一代的facts裝置，統一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，upfc)的串聯側裝置具有調節線路無功潮流的作用，因此也具有調節電網電壓的能力。已有文獻指出，分別利用串聯補償裝置(upfc串聯側換流器)和并聯補償裝置(靜止同步無功補償器)實現相同的電壓調節目標，串聯補償裝置所需的安裝容量要遠小于并聯補償裝置。

如圖1所示，upfc由兩個背靠背的電壓源換流器構成，兩個背靠背的換流器共用直流母線和直流電容，二者都通過換流變壓器接入系統，其中變流器2的換流變壓器以串聯形式接入。有功功率可以在兩個變流器之間在任一方向自由流動，每個變流器的交流輸出端也可獨立地產生或吸收無功功率。upfc中變流器2的功能是通過串聯變壓器給線路注入幅值和相角均可控的電壓向量；變流器1的主要功能是提供或吸收變流器2在公共直流母線上所需要的有功功率，以維持串聯注入電壓與線路之間的有功功率交換。在輸電網中，upfc通常運行在有功/無功潮流控制模式，即通過調節串聯變壓器注入電壓向量的幅值和相角將線路有功/無功潮流控制在設定值。在正常運行時，有功/無功潮流的精確控制可以實現電網潮流分布的改善、運行指標的優化。然而，當電網運行電壓越限，尤其是由于突發故障導致電壓越限時，若仍將有功/無功潮流控制在設定值，將導致upfc安裝線路兩端系統之間的無功支撐能力受限，不利于電網電壓分布的優化。因此，制定一套基于upfc的交流母線電壓調節策略，在必要時自動改變upfc串聯側換流器的無功設定值，增強upfc安裝線路兩端系統的電壓支撐能力，對電網安全穩定運行是十分有必要的。

技術實現要素：

鑒于上述，本發明提供了一種基于upfc的交流母線電壓調節方法，該方法只在交流母線電壓越限時動作，在電網運行過程中監測交流電壓的幅值，當交流電壓越限時能夠自動調節upfc串聯側無功潮流設定值，將交流電壓控制在安全穩定運行范圍內，增強了電網運行的安全性。

一種基于upfc的交流母線電壓調節方法，包括如下步驟：

(1)通過計算電力系統中各母線節點電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值q0^*變化的敏感度，確定所要監控保護的母線集合λ；

(2)根據母線集合λ中各母線節點的電壓幅值確定電壓越限偏差信號δr；當檢測到δr≠0即系統有母線電壓越限時，通過電壓調節控制器生成upfc串聯側換流器無功潮流設定值q0^*的調節信號δq；

(3)使調節信號δq與無功潮流設定值q0^*相加后得到upfc串聯側換流器最終的無功潮流設定值q^*，將其作為upfc串聯側換流器潮流控制模塊的無功參考值并進行控制，以實現對系統母線節點電壓調節。

所述步驟(1)中對于系統中的任一母線節點，若該母線節點的編號為m，則該母線節點電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值q0^*變化的敏感度為zm的虛部，zm＝zmx-zmy，zmx為矩陣z中第m行第x列元素，zmy為矩陣z中第m行第y列元素，x和y分別為upfc安裝所在線路兩端母線節點的編號，矩陣z為系統節點導納矩陣的逆矩陣。

所述步驟(1)中對于系統中的任一母線節點，若該母線節點電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值q0^*變化的敏感度為xm且|xm|＞xset，則將該母線節點選入母線集合λ中，xset為給定的閾值參數。

所述步驟(2)中通過以下公式確定電壓越限偏差信號δr：

δri＝max(vi-vi,max,0)+min(vi-vi,min,0)

其中：i為母線集合λ中的任一母線節點，vi為母線節點i的電壓幅值，vi,max和vi,min分別為母線節點i運行電壓的上限值和下限值，xi為母線節點i電壓幅值vi對upfc串聯側換流器無功潮流設定值q0^*變化的敏感度。

所述步驟(2)中的電壓調節控制器基于以下傳遞函數：

其中：ka為給定的積分系數，d為給定的下垂控制系數，s為拉普拉斯算子。

本發明通過計算電網中各交流母線電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值變化的敏感度，確定受監控保護的母線集合；在電網運行過程中監測集合中交流母線的電壓幅值，當監測到交流電壓越限時，本發明能夠自動調節upfc串聯側無功潮流設定值，將交流電壓控制在安全穩定運行范圍內。同時，本發明可以自動解決由于故障或負荷波動帶來的電壓越限問題，增強了電網運行的安全性，對于upfc的工程應用以及電網安全穩定運行具有重要意義。

附圖說明

圖1為統一潮流控制器upfc的結構示意圖。

圖2為含upfc電力系統的結構示意圖。

圖3為電壓調節控制器的結構示意圖。

圖4為ieee39節點系統的結構示意圖。

圖5為母線15電壓幅值的波形示意圖。

圖6為upfc串聯側換流器無功潮流設定值的波形示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式對本發明的技術方案進行詳細說明。

本發明基于upfc的交流母線電壓調節策略，包括如下步驟：

(1)通過計算電網中各交流母線電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值變化的敏感度，確定受電壓調節策略監控并保護的母線集合λ。

交流母線電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值變化的敏感度計算方法如下：

對于一個含有a條交流母線的電力系統，upfc安裝線路編號為線路1，兩端所連母線編號為母線1和2，如圖2所示。矩陣zn為電網絡節點導納矩陣的逆矩陣，其第i行第j列元素為zij(i,j＝1,2,…,a)。根據電網絡理論可得，母線m電壓相量對upfc安裝線路電流變化的靈敏程度可以用zm刻畫，zm的計算公式為：

zm＝zm2-zm1a1

在實際輸電網中，架空線路電阻的值遠小于其電抗值，相比于虛部，zm的實部可以忽略。同時，upfc安裝線路附近交流母線的電壓相量相角都比較接近，幅值都在1.0pu附近。在此條件下，母線m(m＝1,2,…,a)電壓幅值vm的變化量與upfc串聯側換流器的無功設定值q^*變化量的關系為：

δvm＝xmδq^*

其中，xm為zm的虛部，取xm為母線m電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值變化的敏感系數，xm的值反映了交流母線電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值變化的敏感度。

集合λ的確定方法如下：

敏感系數xm是決定電壓調節策略對母線m電壓調節能力大小的關鍵指標，因此將xm選為電壓調節策略的控制敏感度指標。由于集合λ被定義為受電壓調節策略監控并保護的母線集合，集合中包含的母線應該是對串聯側換流器的無功設定值變化較為敏感的交流母線。xset為給定的閾值參數，集合λ的確定原則如下：當|xm|＞xset時，母線m被選入集合λ。

(2)在電網運行過程中監測母線集合λ中交流母線的電壓幅值，得到電壓越限偏差信號δr，當監測到交流電壓越限(δr≠0)時，通過電壓調節控制器生成upfc串聯側無功潮流設定值的調節信號δy，δy與控制中心給定的無功設定值q0^*疊加后得到最終upfc串聯側換流器無功設定值q^*。

電壓調節控制器如圖3所示，其中ka為積分器增益，d為電壓下垂控制系數，s為拉普拉斯算子。誤差信號δr與輸出信號δy的反饋信號dδy疊加后經過積分環節后得到upfc串聯側無功潮流設定值的調節信號δy。

電壓調節控制器中的誤差信號δr通過式a2計算得到：

對于母線m(m＝1,2,…,a)，δrm和sgnm分別由式a3和a4計算得到：

δrm＝max(vm-vm,max,0)+min(vm-vm,min,0)a3

其中，vm為母線m電壓幅值；vm,max和vm,min分別為母線m運行電壓的上限和下限；max和min分別為取最大值和取最小值的函數。

電壓調節控制器中通過引入為電壓下垂控制系數d確保系統存在唯一穩定運行點，并能夠實現在電網在恢復正常運行狀態(無需電壓調節策略也能保證交流母線電壓不越限)時，upfc串聯側換流器無功設定值能夠自動恢復控制中心給定的無功設定值q0^*。通過式a2可以實現多條交流母線同時發生電壓越限時的處理，通過式a3可以實現過電壓越限和低電壓越限的處理。

(3)將q^*賦給upfc串聯側換流器的潮流控制模塊，便可實現基于upfc的交流母線電壓調節。

以下算例系統采用ieee39節點系統(電壓基值為345kv，容量基值為100mva)，如圖4所示，區域a的電力送出斷面由線路2-1、2-3和26-27組成，為調節區域a送出斷面潮流分布，在線路2-3的母線2側加裝upfc裝置。

首先，計算電網中各交流母線電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值變化的敏感度xm。交流母線電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值變化的敏感度的仿真值xsim(在仿真程序中改變upfc無功設定值，觀察交流母線電壓幅值的變化量從而得到靈敏度)和計算值xm(利用上述計算方法得到)在表1中進行了比較。

表1

工況i為基礎工況也是后續動態仿真中使用的工況，線路2-3的潮流通過upfc被控制在3.6+j0.0pu，upfc并聯側換流器運行在定交流電壓模式。工況ii中交流輸電線路15-16斷開，工況iii中upfc并聯側換流器運行在定無功模式。由表1中數據可以看出，本發明提出的交流母線電壓幅值對upfc串聯側換流器無功潮流設定值變化敏感度的計算方法所得結果與仿真值接近，能夠作為電壓調節的靈敏度指標。

在動態仿真中，upfc串聯側換流器采用本發明電壓調節策略，所用參數如下：xset＝0.01，ka＝100，d＝0.001，vm,min＝0.95，vm,max＝1.05(m∈λ)。如圖4所示，母線15與各電源之間的電氣距離均較遠，電壓支撐強度較低，因此最容易發生電壓越限。本發明控制策略對因負荷波動引起的電壓波動的動態響應情況如圖5和圖6所示。圖5為母線15的電壓幅值，圖6為upfc串聯側換流器無功設定值。仿真過程如下：2.0秒時，母線15附近母線(母線4,14,15,16,17,18)所連負荷增加40％；20.0秒時，負荷恢復初始值。

如圖5和圖6所示，在負荷增加40％的工況下，不采用本發明控制策略時，母線15電壓幅值將降至0.95pu以下；加裝如圖3所示的控制器后，在母線15電壓越限后，控制器迅速動作調節upfc串聯側換流器無功設定值(為從區域a得到更多的無功支撐，迅速增加upfc串聯側換流器無功設定值)，母線15電壓被控制在0.95pu，保證其不越限。當負荷水平恢復正常后，不需要繼續調節upfc串聯側換流器無功設定值系統也可以保持電壓穩定。在下垂控制的作用下，upfc串聯側換流器無功設定值恢復到控制中心給定的q0^*。

上述分析驗證了本發明基于upfc的交流母線電壓調節策略的有效性。

上述對實施例的描述是為便于本技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對上述實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對于本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。