电力系统中的阻尼机电振荡的制作方法

专利名称：电力系统中的阻尼机电振荡的制作方法
技术领域：
本发明涉及与多个发电机和用户互连的电力系统中的阻尼机电振荡的领 域。本发明从权利要求1的前序中所述的控制电力系统中功率流的方法出发。
背景技术：
继现在正在进行中的对电力市场的解除管制之后，从腳巨离处的发电机向 本地用户传输负荷和输送电力已成为通常的做法。由于电力公司之间的竞争和
逐渐出现的对优化资产的需要，大量增加的电力ilil现有电网传输，从而必然 导致了部分电力传输系统的拥堵、传输瓶颈和/或振荡。从这方面说，电力传输 网络是高度动态的，而响应于电网状态的改变，就需要重新分配由发电单元所 注入的负载或电能、不同传输路径上的功率流。这样的调节根据传输电网的现 有拓扑和电流瞎况而作出，^iMil所谓的功率流控制體(PFD， Power Flow Control Devices)而作出。这些装置被安装在输电线站以用于调节各条传输线中 的功率流，从而导引电能以安全、稳定和均衡的方式在传输电网内的很多条输 电线中传输。PFD —般可以包括机械构件且其设定值随小时时标来更新。
作为实例，未公布的国际专利申请PCT/CH2005/000125涉及传输电网中功 率流管理的课题，其由横跨具有不同价格和减需求等级的多个区域的电力系统 的整合而引起。例如串联电容，相角调节器，移相M器(PST)或柔性交流传 输系统(FACTS)装置的PFD增进了传输电网的动态特性。这些设备被设计用 来输出无功功率以保持电压和增强稳定性，从而使得传输线能够承担接近其临 界热容量的负荷。
基于功率电子半导 件且不含机械开关的快速网络控制器或功率流控制 装置(PFD)使得响应时间可以在毫秒的范围以内。它们包括前述的柔性交流 传输系统(FACTS)装置和高压直流(HVDC)装置，但除了这些装置还可包 括其它装置。HVDC装置包括用于生成或消耗有源功率的功,换器或电压源 转换器，这些转换器基于由控制信号分别单独控制的众多半导体器件或模块而 构成，其中控制信号由转换器控制单元的门极驱动或其它控制硬件而生成。
通常，互连数台交流发电机的传输电网中的机电振荡具有小于数赫兹的频 率且只要其是衰减的就能被接受。其由系统负荷的正常小幅改变而起动，并且 是任一电力系统都具有的特性。频繁的小幅振荡将导致发电厂设备特别是调速 器伺服设备的磨损和，。当电力系统的运行点例如由于紧随发电机，负载和/ 或传输线的连接或断开的新功率流分配而改变时，可能会发生不充分的阻尼振 荡。同样地，数个现有电网的互连也会引起不充分的阻尼振荡，即使在其互连
之前后者未单独出现任何不好的阻尼振荡。在这些情况下，数MW的传输功率 的增加都将导致稳态振荡和非稳态振荡之间的差别，该差别有可能弓l起系统崩 溃或导致失步，失去关联并最终导致不能向用户供电。不断监视电力系统有助 于电网运行人员准确评估电力系统状态并通过采取适当动作例如连接特殊设计 的阻尼设备 免全黑。
在专利申请EP-A 1 489 714中，系统量或信号例如电网选定节点处电压或 电流的幅值或相角被采样，且代表电力传输系统行为或其特定方面的参数模型 的参数被估算。该战呈以适应方式执行，艮卩，每次当检测至噺的系统量的值时， 该模型的参數就被回归(recursively)更新。最终，由估算得至啲该模型的参数， 计算振荡模式下的参数，并量化其振荡频率和阻尼特性，并将振荡频率和阻尼 特性呈现给运行人员。与依赖于对在数^H中的时间窗口中所采集的并仅在该时 间窗口结束时计算得到的采样数据的分析的非适应性识别过程相比，该过程能 够几乎即时的分析电力系统的振荡状态。
在M. Larsson等人的文章"Improvement of Cross-border Trading Capabilities through Wide-area Control of FACTS (通过FACTS的广域控制提高跨界交易能 力)"(Proceedings of Bulk Power System Dynamics and Control VI^ 22-27 August^ Cortina D 'Ampezzo， Italy, 2004)中，提出了多个FACTS装置的协同工作。次 级控制环基于全局,域信息生鹏于初级FACTS控制器的设定值。后者包括 来自包含较大数量的相量测量单元(PMU)的广域测量系统的状态快照 (snapshot).随后对FACTS设定值的数学优化相对于载荷能力标准，电压安全
评估和/繊确稳定裕度而实时发生。
E. Lerch等人的文章"Advanced SVC control for damping power system oscillations"(正EE Transactions on Power Systems, Vol. 6, No. 2, May 1991， pages:524-535， ISSN: 0885-8950)提出舰弓l入反映电力系统振荡的信号，利用
由对静止无功,M尝器本身所在位置处的局部状态^S (电压和功率)的测量所 估算得到的相位角信号来改进静止无功补偿(SVC)控制。通过采用开关控制 (bang-bang control)和附加的滤波器从具有预知振荡频率的机电振荡信号中消 除干扰信号，可以超ij最大阻尼。
S.G Johansson等人在Cigre General session 2004, Paper B4-204, Paris上的文 章"Power System Stability Benefit With Vsc Dc-Transmission Systems"中探讨了 电压源换流器(VSC) HVDC传输可控性的不同方面。特别地，该鄉装置的 有功和无功功率控制的自由度，以及其对传输系统的影响被论述。

发明内容
因此，本发明的目的Jiil31鲁棒方式和少量的外加设备来阻尼电力传输网 络中的机电功率振荡。这些目的ilil根据权利要求1和7的用于控制电力系统 中功率流的方法和控制装置来实现。更优选的实施例通过从属专利权利要求而 变f號楚。
根据本发明，通过功率流控制装置(PFD)或相似的基于快速动作电力电 子半导体元件的，^^执行或完成电力系统中的电压或功率流控制和功率振荡 阻尼。换句话说，就阻尼机电振荡和控制功率流来说后者被同时控制。为达到 该目的，根据适当的第二系统信号，系统量或系统输出变量生成关于系统状态 或系统运行点的信息。根据该信息，导出功率振荡控制参数或PFD控制器的运 行点。该功率振荡控制参数和第一系统信号或控制输入被用于计算限定该PFD 的设置的控制命令，控制输出或系统输入变量。该功率振荡控制参数4 来自 电力系统的额外的反馈信息，该信息被输送给PFD控制器，输送给PFD控制器 的还有通常与第一系统信号相比较的常规功率流控制参数或PFD控制器设定 值。
包括传输网络的电力系统的状态，即其运行点，取决于多个例如断路器和 传输线的网络元件的状态，即网络的实际拓扑，和流经网络的电流和功率流， 即网络的实际电气参数。在发生意外事故的情况下，变化的运行点可能导致弱 阻尼或者甚至不稳定振荡，这是因为对一个运行点产生满意阻尼的一组控制参 数对另一个运行点可能不再有用。本发明通过以自适应方式恰当地再调节功率 振荡控制参数考虑了运行点的变化或电力系统的新系统状态。与静态判定功率 振荡控制参数相比，爐终增强了电力系统稳态过程的鲁棒性。
在本发明的第Hti^变型中，至少以期望的系统运行点变化的频率，如每
5秒，对有关网络状态的信息进行定期判定和对功率振荡控制参数进行适应性判
定或更新。这确保了该功率振荡阻尼控制在任何时候都是有效的。由于并存功 率流控制的新的设定值通常会导躯行条件的变化，因此还需在所述设定值的 最新变化和功率振荡控制参数的下一次定期更新之间施加有用的短暂延时。
在本发明的第二雌^M中，相量测量单元(PMU)以典型的10Hz鞭 高的频率提供作为定时相量信号的第二系统信号。在该情况下功率振荡控制参 数的自适应判定也以相i腿率发生。如前所述，根据时变电力系统的实际像快 也可以以提前或在运行中指定的斷氐的速率对后者进行更新。
对即使单个相量信号也可以提供电力系统运行点的必要信息的发现为选择 PMU的位置提供了空前的灵活性。由此，不再需要使用在PFD自身所在位置 处测量得到的第二系统信号^iS行操作。特别地，该PMU可，戯爐在，或该相 量信号可被选择产生自，适当选择的电力系统的节点处，其显著增强了该推荐 进程的精确度。
在本发明的有利实施例中，更新后的功率振荡控制参数取自由模型参数的 实际值所表征的网络模型。后者可以是完整的系统模型的一部分，其中该完整 的系统模型可以是任意复杂的模型并可提供包括其对控制命令的响应的电力系 统动作的准确情况，从而启动基于模型的控制。另一方面，可以先将该模型参 数压縮至例如主要或最弱阻尼功率振荡的频率和阻尼的振荡参数。这大大简化 了对实际功率振荡控制参数值的后续推导。


本发明的主题将参考在附图中所述的优选示范性实施例而在下文中更详细 J^tfiW释，其中
图1示出了根据本发明的电力系统控制设备，
图2描述了具有两个FACTS装置的电力系统，
图3示出了Mil振荡参数测定实现的直接适应性控制方法，
图4示出了MS于模型的控制器设计实现的间接适应性控制方法，
图5叙述了在具有和不具有POD控制的测试线中的功率流仿真，禾口
图6叙述了在具有和不具有适应性POD控制参数情况下的功率流仿真。
附图中所使用的附图标记及其含义以概要的形式在附图标记列表中列出。原则上，附图中相同的部分其附图标记也相同。
具体实施例方式
尽管本节集中在柔性交流传输系统(FACTS)装置上，但也应明白不同结 构的VSC高压直流(HVDC)传输装置也可用作快^制装置并同样十皿用 于本发明的目的。
图1描述了用于功率流控制装置(PFD)的控制器1，该控制器1包括用 于设定值3鹏和/或功率流控制的稳态调节器10和功率振荡阻尼器(POD) 11。 控制器1产生并发出控帝倫令u来确定PFD或FACTS驢20的设置，其又作 用于电力系统2。从表征电力系统2的多个可观测系统量y中，选择器211和 212分别选择第一和第二系统信号y,和y2。第一系统信号y,和相应的设定值n 间的差被m给稳态调节器10，该稳态调节器10负责例如优化电力系统2的传 输能力和通过对如电压或功率流的量的慢设定值S鹏来最小化运行成本。被恰 当选择的第二系统信号y2被馈送给参数适配器3并由后者进行在线分析。该参 数适配器3实时地确定与电力系统2的当前状态相关的必要信息。该信息被用 来在线改编PODll的至少一个控制参数cp以,电力系统2中机电振荡的阻 尼。
适用于所提到的t皿控制的典型FACTS装置由功率半导皿件构成并包 括，例如静止无功补偿器(SVC)，统一功率流控制器(UPFC)，晶闸管控制串 联电容器(TSCS)，晶闸管控制移相变压器(TCPST)，阻抗调制器，和串联补 偿电容器。电力系统控伟蜷l的双重功能,常用由控制器的硬##1行的计算 丰;i^呈序来实现，其中稳态调节器10和功率振荡阻尼器(POD) 11分别涉及不同 的算法。第二系统信号y2优先根据主要功率振荡模式的可观测性来lfe^择，从 而信号y2通常不同于第一系统信号y!。后者一般为局部性的，艮P,在控制器l 自身所在处测量得到，而第二系统信号y2可以是鄉巨离的，即，在由选择器212 所选择的节点处测量得到，其中该节点位于在远离控制器1的电力系统2的远 距离处。 1〗来说，广 测和控制(WAMC)系统包括不ilf共下文详述的远 距离系统信号y的相量测量单元(PMU)。在典型实施方式中，相M据y2至 少每100毫秒被测量一次，然而根据所使用的硬件平台和所投入的计算能力， 以较低频率对控制参数cp进行更新。设定值r! 一般每一刻钟或更少时间被更新 一次。
图2示出了包括电力传输网(粗线)，两台FACTS装置20， 20'，两台发 电机22， 22'及广域监测(WAM)系统的电力系统2的M1。典型的FACTS装 置包括代表变量导纳的静止无功补偿器(SVC) 20和晶闸管控制串联电容器 (TCSC) 20'。该WAM系统包括位于例如变电站间隔层的馈线g沿电力系 统传输线的支点处的三个相量测量单元(P而)21， 2F, 21"。这些P固以 例如电压或电流的系统量y的幅值或相角的形式提供电力系统的快皿样相量 抽样。这^ft号在与选择器212和参数适配器3相连的广域监测中心(未示出) 中被集中传输和采集。在发电机22'的附近还描绘有电力系统稳定器(PSS) 23， 该PSS基于电力系统的局m态提供反嫩发电丰鹏伟幡。但是，PSS23不能 检测传输电网中的区域间机电振荡。
图3示出了如前述欧洲专利申请EP-A 1 489 714所述的基于对振荡检观啲 实时算法来改进电力系统振荡阻尼的所谓"直接"适应性控制，在此并入该申 请的全部公开内容作为参考。该算法实时地产生有关于当前系统状态的必要信 息，特别是主要功率振荡模式，即具有最低相对阻尼比的模式的实际阻尼^和 频率v 。该信息被直接用于在线修改控制参数cp以使得所识别的功率振荡消失。 与其对应的控制参数适配器3包括用于Mii至少一个模型参数mp估计电力系统 2的线性模型的模型估算器30。后者的值通过卡尔曼(Kalman)、搶波技术而被 在线修正，从而为电力系统模型估计第二系统信号的值》，该值从二次准则的 意义上来说最WI近测量值y2。该估计信号和测量信号之间的任何差值均被 参数适配器31所利用并导致模型参数mp的更新。换句话说，各时间步长中估 ^^莫型参数mp(t)的回归计算基于新的测量信号y2(t)的值和前一次估算模型参数 mp(t-l)的值，其中延时元件32防止新的测量信号y2(t)的值被即时发g模型估 算器30。
该更新或修正后的模型参数mp随后作为由振荡参数提取器33所进行的主 要振荡模式的振荡参数〖，v的提取或计算的基础。这些振荡参数最后基于下 文详述的适当的逻 卩/或法则而由参数转换器34转换为改编的控制参数cp。 参数mp， cp的更新周期根据传输网络的状态，即其运行点的变化频率而提前或 在运行中指定。例如，当以相同或更低的速率发出控制命令u时，每5秒更新 一次就已足够，而不需每信号采样周期更新一次，其中信号采样周期通常为O.l 秒。
控制参数修正的详细内容在R. Sadikovic等人的文拿^ Application of FACTS Devices for Damping of Powe System Oscillations" (proceedings of the Power Tech conference2005,June27-30, St. PeteiburgRU)中指出，^fc并入该文章的内容作 为参考。该文章提出了在运行情况改变时对适当反馈信号的选择和随后对功率 振荡阻尼(POD)的参数的适应性调节。它基于线性化系统模型，其传递函数 G(s)被扩展为N个留数(residue)的总和
该N个本征值A,对应于系统的N种振荡模式，而特定模式下的留数R给 出了该模式的本征IW系统输出y和输入u间的反馈的灵敏度。当运用反馈控 制H(s)时，初始系统G(s)的本征值义,.改变，由控制器弓胞的改变与留数R,成比 例。为了改进优化阻尼，该本征值的改变必须朝向复平面的左半部分。由期望 的改变后的本征值位置^u，可以计算控制器增益K， K反比于留数R,。在本 发明的标记中，反馈控制H和系统G对应于控制器1和电力系统2 。
图4示出了戶;fi胃的"间接"适应性控制。适配器3的模型估算器30被提供 给用于实际控制命令u的附加输AJffiiM。这使得育濒估算出电力系统2的完整 的和非常精确的动态模型，其中电力系统2包括控制命令u和系统信号y间的 关系，即在u和y控制下电力系统的实际动作行为。ilil该信息，識的系统 模型可在线《柳在由控制器设计器35执行的基于模型的设计过程中，Itmi也 涉及在新运行点Pf逝的完整模型的线性化。最后控制器设计器35确定控制参数 cp。该控制参数适应化方案的详细内容可参见R. Sadikovic等人的文章 "Self-tuning Controller for Damping of Power System Oscillations with FACTS Devices " (Proceedings of the正EE PES General Meeting 2006, June 18-22， Montreal CA)，在此并入其公开的内容作为参考。
图5示出了在30秒的周期内在电力系统结构的特定测试线路中的有功功率 流，其中该电力系统结构基于现有的实际网络，因此比图2所示的网络更复杂 一点。该仿真示出了具有(实线)和不具有(虚线)POD控制的情况下，当t =1秒时向相邻线施加三相故障并在100ms后清除该故障后的有功功率流响应。 该魏FACTS执行机构为晶闸管控制串联W尝器(TCSC)。显然，当4顿POD 控制时频率为约1Hz的有功功率流振荡的衰减比没有j顿POD控制时更決速。
最后图6示出了所提出的过程的有效性。所示仿真与图5中的电力系统具 有POD控制时的情况相对应，但其处于略微改变的运行点处，该变化的运行点 与由未工作的第三线路所引起的不同网络拓扑有关。再次向测试线路的相邻线 路施加三相故障，并记录下在90秒的周期内测试线路中的有功功率流。在该情 况下当釆用以前的或旧的控制参数cp的值时，不会产生振荡的阻尼衰减(虚线)。 另一方面，当随着网络拓扑的改变而对控制参数进行适应性调节并采用新的值 时，可以获得令人满意的功率振荡的衰减(实线)。
本发明还提出了一种控制电力系统(2)的方法，其包括步骤(a)到(g): (a)测Sm—系统信号(y》，(b)基于第一系统信号(yi)计算控制命令(u)， (c)对柔性交流传输系统(FACTS)装置(20)施加控制命令(u)以控制电 力系统(2)中的功率流，(d)测量第二系统信号(y2)， (e)基于第二系统信号 (y2)确定控制参数(cp)， (f)基于控制参数(cp)计算控制命令(u)，以及 (g)对FACTS装置(20)施加控伟i倫令(u)以阻尼电力系统(2)中的机电 振荡。
雌地，控伟'偷令(u)的计算基于第一系统信号(yi)和设定值(r》间 的m，且控制参数(cp)的确定至少与设定值(r。的更新一样频繁地被重复。 有利地，该方,括 巨离相量测量单元(PMU)测量第二系统信号(y2)。
本令页域技术人员应清楚在前述中参考优选实施例描述的本发明还可包括一 个以上的控制参数和一个以上的模型参数来用于对重要的电力系统进行任何合 理的控制。
参考标记列表
1控伟幡
10稳态调节器
11功率振荡阻尼器
2电力系统
20，20,FACTS装置
21，21，， 21"相量测量单元
211，212选蹄
22，22,发电机
23电力系统稳定器
3参数适配器
30模型估算器
31模型参数适配器
32延时元件
33振荡参数提取器
34参数转换器
35控制器设计器
权利要求
1、一种控制电力系统(2)中的功率流的方法，包括-测量第一系统信号(y1)，-基于该第一系统信号(y1)和功率流控制参数(r1)计算控制命令(u)，和-施加控制命令(u)给基于功率电子半导体器件的功率流控制装置(PFD)(20)以控制电力系统(2)中的功率流，其特征在于该方法包括-重复测量第二系统信号(y2)，-基于该第二系统信号(y2)适应性地确定功率振荡控制参数(cp)，-基于该功率振荡控制参数(cp)计算控制命令(u)，和-施加控制命令(u)给PFD(20)以阻尼电力系统(2)中的机电振荡。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中控制命令(u)的计算基于第一系统 信号(y,)和作为功率流控律惨数的PFD的设定值(n)之间的差，其特征在于 该方飽括一至少以电力系统的运行点变化的频率特性适应性地确定功率振荡控制参 数(cp)。
3、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于它包括—通过相量观懂单元(21)重复观懂加时间戳的相量信号作为第二系统信 号(y2)，禾口一只要进行了相量测量就适应性地确定功率振荡控制参数(cp)。
4、 根据权利要求l至3中的一项所述的方法，其特征在于确定功率振荡控 制参数(cp)包括根据第二系统信号(y2)确定电力系统(2)的模型的模型参 数(mp)。
5、 根据权利要求4所述的方法，其特征在于确定功率振荡控制参数(cp) 包括根据模型参数(mp)确定主要功率振荡模式的振荡参数U,O。
6、 根据权禾腰求4所述的方法，其特征在于根据第二系统信号(y2)确定 模型参数(mp)包括生麟二系统信号(y2)的一系列测量值(y2， y2，，…)， 根据所述系列值估算参数模型的模型参数(mp)，以及每当测量到第二系统信号(y2)的新值时就更新所述参数(mp)。
7、 一种包括控制器(1)的控制设备，该控制器用于舰施加控制命令(u) 给基于功率电子半导，件的功率流控制装置(PFD) (20)在电力系统(2) 中控制功率流和阻尼机电振荡，其中该控制命令(u)是基于第一系统信号(yi) 和功率流控制参数(r》计算的，其特征在于该控制设备进一步包括用于基于第二系统信号(y2)改编功率 振荡控制参数(cp)的参ifci配器(3)，以及在于该控库i勝0)包括用于基于 控制参数(cp)计算控制命令(u)的功率振荡阻尼器(11)。
8、 根据权利要求8所述的控制设备，其特征在于PFD (20)錢性交流 传输系统(FACTS)装置或高压直流(HVDC)装置。
9、 根据权利要求8所述的控制设备，其特征在于其包括在远离PFD的位 置的电力系统的位置处用于测量第二系统信号(y2)的相量测量单元(PMU)(21)。
10、 根据权利要求8所述的控制设备，其特征在于参数适配器(3)包括用 于基于第二系统信号(y2)确定电力系统(2)的模型的模型参数(mp)的模型 估算器(30)，和用于根据模型参数(mp)确定控制参数(cp)的装置(33， 34， 35)。
11、 一种用于在电力系统(2)中控制功率流和阻尼机电振荡的计算，/Lli^， 该计算t/Lf呈序可载入数字计算机的内 储器中并包括计算机程序代码装置， 以便当所述禾歸被^A所述内鹏储器时，使计^a执行根据权利要求7所述 的控库螺(1)的功能。
全文摘要
本发明涉及通过柔性交流传输系统(FACTS)装置(20)或高压直流(HVDC)传输装置在电力系统(2)中控制电压或功率流并阻尼机电振荡。为达到该目的，根据适当的第二系统信号(y₂)生成关于电力系统状态或运行点的信息并由此导出FACTS控制器(1)的控制参数(cp)。控制参数和第一系统信号(y₁)被用于计算限定FACTS装置的设置的控制命令(u)。随着电力系统状态的改变，例如传输网络拓扑的改变，弱阻尼或者甚至不稳定的振荡可以通过适当调节阻尼或稳定设备的控制参数而避免。
文档编号H02J3/24GK101194404SQ200680020198
公开日2008年6月4日 申请日期2006年6月8日 优先权日2005年6月8日
发明者A·奥达洛夫, J·A·林德伯格, M·拉森, P·科巴, S·G·约翰森 申请人:Abb研究有限公司