一种基于UPFC的交流母线电压调节方法与流程

本发明属于电力系统柔性输配电技术领域，具体涉及一种基于upfc的交流母线电压调节方法。

背景技术：

电压稳定是电力系统安全稳定运行的一个重要方面，母线电压幅值与其标称值之间的偏差也是反映电能质量的一个重要指标。随着电网负荷水平的持续攀升、新能源的大量接入，电压越限问题成为影响电网安全稳定运行和负荷供电质量的主要因素之一。柔性交流输电(flexibleactransmissionsystem，facts)技术的出现为实现电网电压调节提供了新的手段。

在已有文献中，电压调节问题通常是通过并联无功补偿装置或滤波装置实现。技术上，作为最新一代的facts装置，统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，upfc)的串联侧装置具有调节线路无功潮流的作用，因此也具有调节电网电压的能力。已有文献指出，分别利用串联补偿装置(upfc串联侧换流器)和并联补偿装置(静止同步无功补偿器)实现相同的电压调节目标，串联补偿装置所需的安装容量要远小于并联补偿装置。

如图1所示，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系统，其中变流器2的换流变压器以串联形式接入。有功功率可以在两个变流器之间在任一方向自由流动，每个变流器的交流输出端也可独立地产生或吸收无功功率。upfc中变流器2的功能是通过串联变压器给线路注入幅值和相角均可控的电压向量；变流器1的主要功能是提供或吸收变流器2在公共直流母线上所需要的有功功率，以维持串联注入电压与线路之间的有功功率交换。在输电网中，upfc通常运行在有功/无功潮流控制模式，即通过调节串联变压器注入电压向量的幅值和相角将线路有功/无功潮流控制在设定值。在正常运行时，有功/无功潮流的精确控制可以实现电网潮流分布的改善、运行指标的优化。然而，当电网运行电压越限，尤其是由于突发故障导致电压越限时，若仍将有功/无功潮流控制在设定值，将导致upfc安装线路两端系统之间的无功支撑能力受限，不利于电网电压分布的优化。因此，制定一套基于upfc的交流母线电压调节策略，在必要时自动改变upfc串联侧换流器的无功设定值，增强upfc安装线路两端系统的电压支撑能力，对电网安全稳定运行是十分有必要的。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种基于upfc的交流母线电压调节方法，该方法只在交流母线电压越限时动作，在电网运行过程中监测交流电压的幅值，当交流电压越限时能够自动调节upfc串联侧无功潮流设定值，将交流电压控制在安全稳定运行范围内，增强了电网运行的安全性。

一种基于upfc的交流母线电压调节方法，包括如下步骤：

(1)通过计算电力系统中各母线节点电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值q0^*变化的敏感度，确定所要监控保护的母线集合λ；

(2)根据母线集合λ中各母线节点的电压幅值确定电压越限偏差信号δr；当检测到δr≠0即系统有母线电压越限时，通过电压调节控制器生成upfc串联侧换流器无功潮流设定值q0^*的调节信号δq；

(3)使调节信号δq与无功潮流设定值q0^*相加后得到upfc串联侧换流器最终的无功潮流设定值q^*，将其作为upfc串联侧换流器潮流控制模块的无功参考值并进行控制，以实现对系统母线节点电压调节。

所述步骤(1)中对于系统中的任一母线节点，若该母线节点的编号为m，则该母线节点电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值q0^*变化的敏感度为zm的虚部，zm＝zmx-zmy，zmx为矩阵z中第m行第x列元素，zmy为矩阵z中第m行第y列元素，x和y分别为upfc安装所在线路两端母线节点的编号，矩阵z为系统节点导纳矩阵的逆矩阵。

所述步骤(1)中对于系统中的任一母线节点，若该母线节点电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值q0^*变化的敏感度为xm且|xm|＞xset，则将该母线节点选入母线集合λ中，xset为给定的阈值参数。

所述步骤(2)中通过以下公式确定电压越限偏差信号δr：

δri＝max(vi-vi,max,0)+min(vi-vi,min,0)

其中：i为母线集合λ中的任一母线节点，vi为母线节点i的电压幅值，vi,max和vi,min分别为母线节点i运行电压的上限值和下限值，xi为母线节点i电压幅值vi对upfc串联侧换流器无功潮流设定值q0^*变化的敏感度。

所述步骤(2)中的电压调节控制器基于以下传递函数：

其中：ka为给定的积分系数，d为给定的下垂控制系数，s为拉普拉斯算子。

本发明通过计算电网中各交流母线电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值变化的敏感度，确定受监控保护的母线集合；在电网运行过程中监测集合中交流母线的电压幅值，当监测到交流电压越限时，本发明能够自动调节upfc串联侧无功潮流设定值，将交流电压控制在安全稳定运行范围内。同时，本发明可以自动解决由于故障或负荷波动带来的电压越限问题，增强了电网运行的安全性，对于upfc的工程应用以及电网安全稳定运行具有重要意义。

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电力系统的结构示意图。

图3为电压调节控制器的结构示意图。

图4为ieee39节点系统的结构示意图。

图5为母线15电压幅值的波形示意图。

图6为upfc串联侧换流器无功潮流设定值的波形示意图。

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。

本发明基于upfc的交流母线电压调节策略，包括如下步骤：

(1)通过计算电网中各交流母线电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值变化的敏感度，确定受电压调节策略监控并保护的母线集合λ。

交流母线电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值变化的敏感度计算方法如下：

对于一个含有a条交流母线的电力系统，upfc安装线路编号为线路1，两端所连母线编号为母线1和2，如图2所示。矩阵zn为电网络节点导纳矩阵的逆矩阵，其第i行第j列元素为zij(i,j＝1,2,…,a)。根据电网络理论可得，母线m电压相量对upfc安装线路电流变化的灵敏程度可以用zm刻画，zm的计算公式为：

zm＝zm2-zm1a1

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，zm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，母线m(m＝1,2,…,a)电压幅值vm的变化量与upfc串联侧换流器的无功设定值q^*变化量的关系为：

δvm＝xmδq^*

其中，xm为zm的虚部，取xm为母线m电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值变化的敏感系数，xm的值反映了交流母线电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值变化的敏感度。

集合λ的确定方法如下：

敏感系数xm是决定电压调节策略对母线m电压调节能力大小的关键指标，因此将xm选为电压调节策略的控制敏感度指标。由于集合λ被定义为受电压调节策略监控并保护的母线集合，集合中包含的母线应该是对串联侧换流器的无功设定值变化较为敏感的交流母线。xset为给定的阈值参数，集合λ的确定原则如下：当|xm|＞xset时，母线m被选入集合λ。

(2)在电网运行过程中监测母线集合λ中交流母线的电压幅值，得到电压越限偏差信号δr，当监测到交流电压越限(δr≠0)时，通过电压调节控制器生成upfc串联侧无功潮流设定值的调节信号δy，δy与控制中心给定的无功设定值q0^*叠加后得到最终upfc串联侧换流器无功设定值q^*。

电压调节控制器如图3所示，其中ka为积分器增益，d为电压下垂控制系数，s为拉普拉斯算子。误差信号δr与输出信号δy的反馈信号dδy叠加后经过积分环节后得到upfc串联侧无功潮流设定值的调节信号δy。

电压调节控制器中的误差信号δr通过式a2计算得到：

对于母线m(m＝1,2,…,a)，δrm和sgnm分别由式a3和a4计算得到：

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

其中，vm为母线m电压幅值；vm,max和vm,min分别为母线m运行电压的上限和下限；max和min分别为取最大值和取最小值的函数。

电压调节控制器中通过引入为电压下垂控制系数d确保系统存在唯一稳定运行点，并能够实现在电网在恢复正常运行状态(无需电压调节策略也能保证交流母线电压不越限)时，upfc串联侧换流器无功设定值能够自动恢复控制中心给定的无功设定值q0^*。通过式a2可以实现多条交流母线同时发生电压越限时的处理，通过式a3可以实现过电压越限和低电压越限的处理。

(3)将q^*赋给upfc串联侧换流器的潮流控制模块，便可实现基于upfc的交流母线电压调节。

以下算例系统采用ieee39节点系统(电压基值为345kv，容量基值为100mva)，如图4所示，区域a的电力送出断面由线路2-1、2-3和26-27组成，为调节区域a送出断面潮流分布，在线路2-3的母线2侧加装upfc装置。

首先，计算电网中各交流母线电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值变化的敏感度xm。交流母线电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值变化的敏感度的仿真值xsim(在仿真程序中改变upfc无功设定值，观察交流母线电压幅值的变化量从而得到灵敏度)和计算值xm(利用上述计算方法得到)在表1中进行了比较。

表1

工况i为基础工况也是后续动态仿真中使用的工况，线路2-3的潮流通过upfc被控制在3.6+j0.0pu，upfc并联侧换流器运行在定交流电压模式。工况ii中交流输电线路15-16断开，工况iii中upfc并联侧换流器运行在定无功模式。由表1中数据可以看出，本发明提出的交流母线电压幅值对upfc串联侧换流器无功潮流设定值变化敏感度的计算方法所得结果与仿真值接近，能够作为电压调节的灵敏度指标。

在动态仿真中，upfc串联侧换流器采用本发明电压调节策略，所用参数如下：xset＝0.01，ka＝100，d＝0.001，vm,min＝0.95，vm,max＝1.05(m∈λ)。如图4所示，母线15与各电源之间的电气距离均较远，电压支撑强度较低，因此最容易发生电压越限。本发明控制策略对因负荷波动引起的电压波动的动态响应情况如图5和图6所示。图5为母线15的电压幅值，图6为upfc串联侧换流器无功设定值。仿真过程如下：2.0秒时，母线15附近母线(母线4,14,15,16,17,18)所连负荷增加40％；20.0秒时，负荷恢复初始值。

如图5和图6所示，在负荷增加40％的工况下，不采用本发明控制策略时，母线15电压幅值将降至0.95pu以下；加装如图3所示的控制器后，在母线15电压越限后，控制器迅速动作调节upfc串联侧换流器无功设定值(为从区域a得到更多的无功支撑，迅速增加upfc串联侧换流器无功设定值)，母线15电压被控制在0.95pu，保证其不越限。当负荷水平恢复正常后，不需要继续调节upfc串联侧换流器无功设定值系统也可以保持电压稳定。在下垂控制的作用下，upfc串联侧换流器无功设定值恢复到控制中心给定的q0^*。

上述分析验证了本发明基于upfc的交流母线电压调节策略的有效性。

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。