专利名称：基于可控变压器的功率振荡抑制器及其抑制方法
技术领域：
本发明涉及柔性输电技术领域，特别是一种基于可控变压器的功率振荡抑制器及其抑制方法。
背景技术：
电力系统稳定是电网安全运行的关键，一旦遭到破坏，必将造成巨大的经济损失和灾难性后果。为实现国家总体能源发展及布局方针，“西电东送、南北互供、全国联网、厂网分开”己成为21世纪前半叶我国电力工业发展的方向。电网互联技术可以合理利用能源资源，提供相互支援，极大地提高了发电和输电的经济可靠性，但它同时也带来了一些新的问题。随着电力网络互联程度的不断提高，系统越来越庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使电网的安全稳定问题越来越突出。在现代大电网中， 各区域、各部分互相联系、密切相关、在运行过程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全措施，一个局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大面积的系统瓦解。近年来世界范围的电力工业改革日益加快，逐步建立了竞争机制下的电力市场。电网的开放和商业化运营使得电力系统运行越来越接近系统极限。这些都对稳定分析与控制提出了新的挑战。因此安全稳定问题已成为发展大型电力系统需认真研究并解决的问题之一。系统的稳定问题即系统在受到各种扰动后能否恢复到可以容许的平衡状态。扰动包括负荷突变、发电机故障或出力突然变化、输电线路发生故障等。在扰动下，系统会出现功角振荡、功率振荡、电压振荡、频率不稳定等。功率振荡问题通常为系统振荡阻尼不足的问题，目前采取的方法主要有利用电力系统稳定器(PSS)以控制发电机励磁以提高系统振荡的阻尼，另外还有利用附加稳定信号调制高压直流(HVDC)输电的换流器控制和柔性输电装置FACTS(如可控串补、静止无功补偿器等)控制等措施。在本发明申请中，我们提出了基于可控变压器的功率振荡抑制器，它是一种基于控制可控变压器分接头的电力电子开关的导通与关断，通过改变电力电子开关脉宽调制信号中的直流信号幅值和二倍频(或多倍频)信号的幅值与初始相位，从而改变可控变压器输出的有功功率和无功功率；当电网出现功率振荡时，根据控制规律，动态调节功率振荡抑制器输出的有功功率和无功功率，使电网尽快地恢复稳定；控制可控变压器分接头的电力电子功率管容量仅为可控变压器容量的一部分，因而成本低、可靠性高，改善了电网的稳定性、提高了系统的阻尼。所设计的基于可控变压器的功率振荡抑制器，利用已有传输线路的多分头变压器，通过快速的电力电子开关对变压器分接头输出电压幅值和相角进行动态控制，调节有功功率和无功功率，达到抑制功率振荡的作用；而功率振荡对电网的危害是巨大的，抑制功率振荡对电网尤其是大型电网是非常迫切和重要。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于可控变压器的功率振荡抑制器及其抑制方法，达到抑制功率振荡对电网的危害。本发明的技术解决方案如下一种基于可控变压器的功率振荡抑制器，其特点在于该动态潮流控制装置的构成包括可控变压器、功率单元、控制模块、旁路开关、输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器所述的可控变压器的副边包含主接头和正分接头负分接头；所述的功率单元接在可控变压器副边的正分接头、负分接头与输出电源或负载之间，该功率单元由第一组功率管、第二组功率管、滤波电感和滤波电容组成，所述的第一组功率管和第二组功率管均由2个绝缘栅双极型晶体管(简称为IGBT)反向串联构成，所述的第一组功率管和第二组功率管的一端分别接所述的可控变压器副边的正分接头和负分接头，所述的第一组功率管和第二组功率管的另一端接所述的滤波电感的一端，该滤波电感的另一端接所述的输出电源或负载，所述的滤波电容接在所述的可控变压器副边的正分接头和负分接头之间，所述的第一组功率管和第二组功率管的控制端与所述的测量与控制模块的相应控制端相连；所述的旁路开关连接在所述的可控变压器副边的主接头和输出电源或负载之间；所述的输入电压互感器的一侧与可控变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；所述的输出电压互感器的一侧与可控变压器副边输出电压主电路相连，输出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；所述的输出电流互感器串接在可控变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块的电流信号输入端口相连；所述的控制模块包括第一 PI控制模块、第二 PI控制模块、第一比较模块、第二比较模块、第一加法模块和第二加法模块构成，所述的控制模块的控制信号输出端分别与所述的功率单元的所述的第一组功率管和第二组功率管的控制端及所述的旁路开关的控制端相连，该控制模块与上位机相连。电网由输电线路、可控变压器构成，可控变压器的输入与母线1相连，可控变压器的输出经输电线路与母线2相连，功率振荡时，基于可控变压器的功率振荡抑制器的输出功率的具体的调节步骤如下步骤1.初始化，即在该控制器中设定以下参数，所有功率与电压参数采用标么值功率振荡抑制器输出的有功功率初始值Ptl ；功率振荡抑制器输出的无功功率初始值；
可控变压器分接头变比N ；ω ^为50或60Hz所对应的角频率；第一 PI控制模块控制系数kpl和kn，1彡kpl ( 100，1彡kn彡100，初设值均为 10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100 ；
第二 PI控制模块控制系数kp2和ki2，1彡kp2彡100，1彡ki2彡100，初设值均为 10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100 ；按照电网运行状况，进行无功功率和/或有功功率调节；通过改变可控变压器分接头开关的调制信号，调节其输出的有功功率和无功功率；步骤2.电网有功功率调节按以下步骤执行步骤21.通过第一比较模块按下式计算第一 PI控制模块的输入值μ S1 μ S1 = P0-P ；步骤22.第一 PI控制模块在接收到所述第一比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μ α，计算公式如下μ C1 = kpl μ S1+kn f μ S1dt，其中，kpl和kn是第一 PI控制模块的控制系数；步骤23.通过第一加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的相角θ θ = θ 0+ μ C1 ；步骤3.电网无功功率调节按以下步骤执行步骤31.通过第二比较模块按下式计算第二 PI控制模块的输入值μ S2 μ S2 = Q0-Q ；步骤32.第二 PI控制模块在接收到所述第二比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μ。2，计算公式如下μ C2 = kp2 μ S2+ki2 f μ S2dt,其中，kp2和ki2是第二 PI控制模块的控制系数；步骤33.通过第二加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的幅值
V1 ,V1 = V1 + U ■
y OUtM OUtM y OUtMO T AiC2 ‘步骤4.通过公式计算得到调制系数和相位初值实时采集可控变压器输入电压Vin = V1 sin ( ω Qt)；将上述计算得到的可控变压器输出电压基波的相角θ和幅值^Μ代入下述公式
V1out = V1outhi η{ω0 -θ)= (F1 * ^ A2+B2+2 ABsm φ ) * sin( 0i - θ)
^ + —ι, B cos φ 、 + .NK2 cos φ
θ = tan (---) = tan (---1-)
+^sinp\ + N-2NK0 +NK2 sin
Γ π 朴山 A \ + N-2NK() n NK2其中
权利要求
1.一种基于可控变压器的电网功率振荡抑制器，其特征在于该装置包括可控变压器 (1)、功率单元O)、控制模块(3)、旁路开关G)、输入电压互感器(5)、输出电压互感器(6) 和输出电流互感器(7)构成所述的可控变压器(1)的原边包含主接头(1 和正分接头(1 负分接头(11)； 所述的功率单元O)由第一组功率管饵)、第二组功率管(S2)、滤波电感(Lf)和滤波电容(Cf)组成，该功率单元(2)所述的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)的一端分别接所述的可控变压器(1)原边的正分接头(13)和负分接头11)，所述的第一组功率管 (S1)和第二组功率管(S2)的另一端接所述的滤波电感(Lf)的一端，该滤波电感(Lf)的另一端接所述的输出电源或负载，所述的滤波电容(Cf)接在所述的可控变压器(1)副边的正分接头(1 和负分接头(11)之间，所述的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)的控制端与所述的控制模块⑶的相应控制端相连；所述的旁路开关(4)连接在所述的可控变压器(1)原边的主接头(1 和输入电源之间；所述功率单元(2)工作时，所述旁路开关(4)关断，所述功率单元(2)退出工作时，所述旁路开关(4)导通。所述的输入电压互感器(5)的一侧与可控变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的控制模块(3)的电压信号输入端口相连；所述的输出电压互感器(6)，一侧与可控变压器副边输出电压主电路相连，电压信号输出端与所述的控制模块⑶的电压信号输入端口相连；所述的输出电流互感器(7)，串接在可控变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的控制模块(3)的电流信号输入端口相连；所述的控制模块C3)包括第一 PI控制模块、第二 PI控制模块、第一比较模块、第二比较模块、第一加法模块和第二加法模块构成，所述的控制模块(3)的控制信号输出端分别与所述的功率单元的所述的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)的控制端及所述的旁路开关⑷的控制端相连，该控制模块⑶与上位机相连。
2.利用权利要求1所述的电网功率振荡抑制器进行电网功率振荡抑制的方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)将所述电网功率振荡抑制器的输入端接母线1相连，该电网功率振荡抑制器的输出端经输电线路与母线2相连；2)功率振荡时，所述功率振荡抑制器输出功率的具体的调节步骤如下步骤1.初始化，即在该控制器中设定以下参数，所有功率与电压参数采用标么值功率振荡抑制器输出的有功功率初始值Ptl ；功率振荡抑制器输出的无功功率初始值％；可控变压器分接头变比N ；ω。为50或60Hz所对应的角频率；第一 PI控制模块控制系数kpl和kn，1彡kpl彡100，1彡kn彡100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100 ；第二 PI控制模块控制系数kp2和ki2，1彡kp2彡100，1彡ki2彡100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100 ；按照电网运行状况，进行无功功率和/或有功功率调节；通过改变可控变压器分接头开关的调制信号，调节其输出的有功功率和无功功率； 步骤2.电网有功功率调节按以下步骤执行步骤21.通过第一比较模块按下式计算第一 PI控制模块的输入值μ S1 μ S1 = P0-P ；步骤22.第一 PI控制模块在接收到所述第一比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μ Cl'计算公式如下μ C1 = kpl μ S1+kn f μ S1dt， 其中，kpl和kn是第一 PI控制模块的控制系数；步骤23.通过第一加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的相角Θ θ = θ 0+ μ C1 ；步骤3.电网无功功率调节按以下步骤执行步骤31.通过第二比较模块按下式计算第二 PI控制模块的输入值μ S2 y S2 = Qo-Q ；步骤32.第二 PI控制模块在接收到所述第二比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μ。2，计算公式如下 y C2 = kp2 μ S2+ki2 f μ S2dt, 其中，kp2和ki2是第二 PI控制模块的控制系数；步骤33.通过第二加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的幅值K-，V1OUtM = V1OUtM0 + U C2 步骤4.通过公式计算得到调制系数和相位初值 实时采集可控变压器输入电压Vin = V1 Sin(Cocit)；将上述计算得到的可控变压器输出电压基波的相角θ和幅值I1afti代入下述公式 V1out = V1outhi η{ω0 -θ)= (F1 * ^ A2+B2+2 ABsm φ ) * sin( 0i - θ)
3.根据权利要求2所述的进行电网功率振荡抑制的方法，其特征在于，所述第一 PI控制模块和所述第二 PI控制模块的控制规律分别是比例积分微分控制方式。
全文摘要
基于可控变压器的功率振荡抑制器，由可控变压器、功率单元、控制模块、旁路开关、输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器构成，其输入端接母线相连，输出端经输电线路与母线2相连。功率振荡抑制器的抑制方法是通过控制可控变压器分接头的电力电子开关导通与关断，通过改变电力电子开关脉宽调制信号中的直流信号幅值和二倍频(或多倍频)信号的幅值与初始相位，从而改变可控变压器输出的有功功率和无功功率；当电网出现功率振荡时，根据控制规律，动态调节功率振荡抑制器输出的有功功率和无功功率，使电网尽快地恢复稳定；具有成本低、可靠性高的特点，改善了电网的稳定性、提高了系统的阻尼。
文档编号H02J3/24GK102403728SQ20111026923
公开日2012年4月4日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者冯琳, 李国杰, 江秀臣, 盛戈皞 申请人:上海交通大学