一种统一潮流控制器的线路功率控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种统一潮流控制器的线路功率控制方法及系统，包括外环线路功率控制、内环阀侧电流控制及换流阀控制；外环线路功率控制根据输入的线路功率指令Pref、Qref，实测线路电压UL，实测线路功率Pline、Qline，计算得到串联侧换流器阀侧电流参考值Isedref、Iseqref；内环阀侧电流控制根据外环功率控制输出的阀侧电流参考值，以及实测阀侧电流、实测阀侧电压，计算得到换流器输出电压参考值Ucref；最终换流器根据电压参考值输出相应的电压，控制线路功率达到参考值。此控制方法简单实用、可靠性高，可以快速、精确的控制线路的功率，并且能实现线路有功功率和无功功率的独立、解耦控制。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统柔性输电领域，具体涉及一种统一潮流控制器线路功率控制 方法及系统。 一种统一潮流控制器的线路功率控制方法及系统
【背景技术】
[0002] 随着大型电力系统的互联以及各种新设备的使用，在使发电、输电更经济、更高效 的同时也增加了电力系统的规模和复杂度；再加上大量的分布式发电系统接入电网，使传 统的固定由输电网向配电网传送的潮流发生逆向；用户负荷的不断增长需要潮流控制手段 提高现有的功率输送能力；正在蓬勃发展的智能电网和电力市场间复杂的功率交换需要频 繁的潮流控制。
[0003] 统一潮流控制器，又称UPFC(Unified Power Flow Controller),是目前为止通用性 最好的潮流控制装置，它由两个完全相同的电压源换流器通过直流公共端连接，可以看作 是一台静止同步补偿器（STATC0M)和一台静止同步串联补偿器（SSSC)并联构成，仅通过改 变控制规律，就能分别或同时并快速地实现并联补偿、串联补偿和移相等不同的控制功能， 提1?电力系统的性能。
[0004] UPFC的基本结构如图1所示，其中图中，1为并联变压器，2为背靠背的电压源换流 器，3为串联变压器，4为被控交流线路。UPFC包含一个并联侧换流器，一个或者多个串联 侧换流器，还包含并联侧变压器、串联侧变压器、并联侧变压器进线开关、串联侧变压器旁 路开关等；其可以实现多目标协调控制，其并联侧换流器控制直流电压以及交流并网点电 压或者无功功率，串联侧换流器可以实现线路端电压、移相控制、阻抗控制或者直接潮流控 制，对于采用不同拓扑换流器的UPFC，其控制策略也不一样。目前世界上已有工程应用的 统一潮流控制器均采用GT0器件串联、低电平换流桥、变压器多重化结构换流器，其换流器 结构复杂、可靠性不高、维护成本高；控制保护系统的扩展性、移植性、维护性较差。随着电 力半导体器件的不断发展，新型器件如IGBT构建的电压源换流器在柔性直流输电领域广 泛应用，国内高校及科研机构对基于IGBT元件的低电平换流器UPFC的控制策略进行了研 究，但低电压换流器的开关频率高、损耗较大，同时含有大量的谐波，一直没有工程应用。模 块化多电平换流器（MMC)由于其模块化特性，电压、容量等级易于扩展，便于UPFC的工程实 现，另外，较低的开关频率使得换流器损耗降低，提高了电压源换流器的可靠性。
[0005] 无论是端电压控制、移相控制、或者是阻抗控制，对于电力系统来说，最终的目标 是改变线路的潮流，因此，利用UPFC对线路功率进行控制是最直接、最有效的方法。对于采 用MMC这一新拓扑结构的UPFC，已有高校进行了相关策略的研究，张振华等人的"基于丽C 拓扑的UPFC控制策略仿真研究"（电力系统保护与控制，2012,40 (3)，74?77)，利用反馈线 性化将非线性系统解耦，在线性化后的系统中引入变结构控制，对并联侧和串联侧分别设 计完成控制器；其控制策略包括有功率外环、电压内环和电流内环三个环节，功率外环控制 输出得到内环电压控制的参考值，虽然其能实现有功和无功的独立调节，但控制系统复杂、 可靠性低，不适用于工程应用。
[0006] 郑博文的"模块化多电平UPFC装置级控制策略研究"（中国电力科学研究院硕士 论文，2013,6)，其在串联侧换流器并联有电容器，利用单闭环PID控制UPFC串联侧输出电 压控制系统，其控制系统中引入了滤波电容器，影响了控制线路功率的响应速度，另外，其 直接通过PID控制串联侧电压，对阀侧电流的暂态响应较慢，影响UPFC系统的暂态控制。
[0007] 为了提高统一潮流控制器的快速、准确性，充分发挥其优化潮流的特点，推动统一 潮流控制器应用的快速发展，需要一种更可靠、更适合工程应用的统一潮流控制器线路功 率控制方法。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的，在于提供一种统一潮流控制器的线路功率控制及系统，简单实 用、可靠性高，可以快速、精确的控制线路的功率，并且能实现线路有功功率和无功功率的 独立、解耦控制。
[0009] 为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
[0010] 一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，外环线路功率控制生成阀侧电流参考 值，内环阀侧电流控制生成换流器输出电压参考值，换流器控制根据电压参考值输出相应 的电压，控制线路功率。
[0011] 上述的统一潮流控制器的线路功率控制方法，外环线路功率控制生成阀侧电流参 考值具体指：外环线路功率控制根据输入功率指令以及实测线路交流电压，计算得到线路 电流指令；线路功率指令与实测线路功率的差值经过比例积分环节后的输出值，与上述计 算所得线路电流指令相加，得到外环阀侧电流参考值。上述的统一潮流控制器的线路功率 控制方法，内环阀侧电流控制生成换流器输出电压参考值具体指：内环阀侧电流控制根据 输入所述阀侧电流参考值，以及阀侧实测交流电流和交流电压，计算得到换流器输出电压 参考值。
[0012] 上述的统一潮流控制器的线路功率控制方法，将实测线路交流电压经过dq变换， 再与线路功率指令进行计算，得到线路电流指令的dq分量，相应地，所述用于相加的线路 电流指令即为所述线路电流指令的dq分量。
[0013] 上述的统一潮流控制器的线路功率控制方法，将实测阀侧交流电流及交流电压经 过dq变换后，再与桥臂电抗器值及阀侧电流参考值dq分量进行计算，得到换流器输出电压 参考值dq分量，再经过dq反变换后得到所述换流器输出电压参考值。
[0014] 上述的统一潮流控制器的线路功率控制方法，所述的dq变换及dq反变换以实测 线路电压A相相角为参考角度。
[0015] 上述的统一潮流控制器线路功率控制方法适用于基于MMC结构换流器的统一潮 流控制器。
[0016] 上述的统一潮流控制器线路功率控制方法适用于串联侧不包含滤波装置结构的 统一潮流控制器。
[0017] 本发明还提供统一潮流控制器的线路功率控制系统，其特征在于：所述控制系统 包括外环线路功率控制单元、内环阀侧电流控制单元及换流阀控制单元；所述外环线路功 率控制单元用于生成阀侧电流参考值，所述内环阀侧电流控制根据所述阀侧电流参考值生 成换流器输出电压参考值，换流阀控制根据所述电压参考值输出相应的电压，控制线路功 率。
[0018] 上述的统一潮流控制器的线路功率控制系统，其特征在于：所述外环线路功率控 制单元包括电流指令计算模块、第一实测模块、第二实测模块、积分模块和加和模块，其中
[0019] 第一实测模块用于实测线路交流电压；
[0020] 第二实测模块用于实测线路功率；
[0021] 电流指令计算模块根据输入功率指令以及第一实测模块所测得的线路交流电压， 计算得到线路电流指令；
[0022] 积分模块用于将所述线路功率指令与第二实测模块测得的线路功率的差值经过 比例积分；
[0023] 加和模块用于将所述积分模块的输出值与所述电流指令模块的输出值相加，得到 外环阀侧电流参考值。
[0024] 上述的统一潮流控制器的线路功率控制系统，其特征在于：所述内环阀侧电流控 制单元包括：第三实测模块、第四实测模块、计算模块，其中
[0025] 第三实测模块用于实测阀侧交流电压；
[0026] 第四实测模块用于实测阀侧交流电流；
[0027] 计算模块用于将所述阀侧电流参考值，以及所述第三实测模块测得的实际交流电 压、第四实测模块测得的实际交流电流，计算得到换流器输出电压参考值。
[0028] 上述的统一潮流控制器的线路功率控制系统，其特征在于：所述外环线路功率控 制单元还包括dq变换模块，相应地，交流电压经过dq变换模块的变换后，再与线路功率指 令进行计算，得到线路电流指令的dq分量；所述的dq变换以实测线路电压A相相角为参考 角度。
[0029] 上述的一种统一潮流控制器的线路功率控制系统，其特征在于：所述内环阀侧电 流控制单元还包括dq变换模块以及dq反变换模块；
[0030] 相应地，所述实测阀侧交流电流及交流电压经过dq变换模块的变换后，再与桥臂 电抗器值及阀侧电流参考值dq分量进行计算，得到换流器输出电压参考值dq分量，再经过 dq反变换模块进行dq反变换后得到所述换流器输出电压参考值；
[0031] 所述的dq变换及dq反变换以实测线路电压A相相角为参考角度。
[0032] 采用上述方案后，本发明统一潮流控制器线路功率控制方法及系统可以快速、准 确的控制线路功率，并且可以独立的控制线路的有功功率和无功功率，充分发挥统一潮流 控制器优化系统潮流的特点；其方法简单、可靠性高，适用于基于MMC结构统一潮流控制器 的工程应用。本发明实现了线路有功功率和无功功率的解耦控制，与并联侧换流器定直流 电压控制、无功功率控制或者定交流电压控制一起，形成统一潮流控制器的多目标协调控 制策略。本发明同样适用于线间潮流控制器（IPFC)以及CSC(可变换静止补偿器）的线路 功率控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1是本发明中统一潮流控制器的等效结构图；
[0034] 图2是本发明中线路功率控制方法的原理图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0036] 本发明提供一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，外环功率控制将线路有功 功率和无功功率进行解耦控制，内环交流电流控制直接控制换流器阀电流，提高统一潮流 控制器的动态性能。
[0037] 图2是本发明中统一潮流控制器线路功率控制方法的图。所述的统一潮流控制器 线路功率控制方法采用双环控制策略，包括外环线路功率控制和内环阀侧电流控制；外环 线路功率控制产生阀侧电流参考值I sratef、IswlMf，内环阀侧电流控制产生换流器输出电压参 考值U_f，最终换流器根据电压参考值输出相应的电压，控制线路功率。
[0038] 前述的统一潮流控制器的线路功率控制方法，其线路功率控制外环通过输入功率 指令PMf、Q? f以及实测线路交流电压队，计算得到线路电流指令IUMf、I_f;线路功率指令 与实测线路功率P Une、QUne的差值经过一个比例积分环节，其输出量与上述计算所得线路电 流指令相加，得到阀侧电流参考值I sedMf、IsraiMf。
[0039] 前述的统一潮流控制器的线路功率控制方法，其阀侧电流控制内环通过输入阀侧 电流参考值，以及阀侧实测交流电流I sed、1^和交流电压Used、，计算得到换流器输出电 压参考值urarf。
[0040] 前述的统一潮流控制器的线路功率控制方法，将实测线路交流电压经过dq变换， 再与线路功率指令进行计算，得到线路电流指令的dq分量；
[0041] 前述的统一潮流控制器的线路功率控制方法，将阀侧实测交流电流及交流电压经 过dq变换后，再与桥臂电抗器值及阀侧电流参考值dq分量进行计算，得到换流器输出电压 参考值dq分量，再经过dq反变换后得到换流器输出电压的三相交流电压参考值。前述的 统一潮流控制器的线路功率控制方法，所述的dq变换及dq反变换以实测线路电压A相相 角为参考角度。
[0042] 前述的统一潮流控制器线路功率控制方法适用于基于MMC结构换流器的统一潮 流控制器；以及所有串联侧不包含滤波装置结构的统一潮流控制器。
[0043] 另外，本发明还提供一种统一潮流控制器的线路功率控制系统，所述控制系统包 括外环线路功率控制单元、内环阀侧电流控制单元及换流阀控制单元；前述外环线路功率 控制单元用于生成阀侧电流参考值，前述内环阀侧电流控制根据所述阀侧电流参考值生成 换流器输出电压参考值，换流阀控制根据所述电压参考值输出相应的电压，控制线路功率。
[0044] 前述的外环线路功率控制单元包括电流指令计算模块、第一实测模块、第二实测 模块、积分模块和加和模块，其中
[0045] 第一实测模块用于实测线路交流电压；
[0046] 第二实测模块用于实测线路功率；
[0047] 电流指令计算模块根据输入功率指令以及第一实测模块所测得的线路交流电压， 计算得到线路电流指令；
[0048] 积分模块用于将所述线路功率指令与第二实测模块测得的线路功率的差值经过 比例积分；
[0049] 加和模块用于将所述积分模块的输出值与所述电流指令模块的输出值相加，得到 外环阀侧电流参考值。
[0050] 前述的内环阀侧电流控制单元包括：第三实测模块、第四实测模块、计算模块，其 中
[0051] 第三实测模块用于实测阀侧交流电压；
[0052] 第四实测模块用于实测阀侧交流电流；
[0053] 计算模块用于将所述阀侧电流参考值，以及所述第三实测模块测得的实际交流电 压、第四实测模块测得的实际交流电流，计算得到换流器输出电压参考值。
[0054] 前述的外环线路功率控制单元还包括dq变换模块，相应地，交流电压经过dq变换 模块的变换后，再与线路功率指令进行计算，得到线路电流指令的dq分量；所述的dq变换 以实测线路电压A相相角为参考角度。
[0055] 前述的内环阀侧电流控制单元还包括dq变换模块以及dq反变换模块；
[0056] 相应地，前述实测阀侧交流电流及交流电压经过dq变换模块的变换后，再与桥臂 电抗器值及阀侧电流参考值dq分量进行计算，得到换流器输出电压参考值dq分量，再经过 dq反变换模块进行dq反变换后得到所述换流器输出电压参考值；
[0057] 前述的dq变换及dq反变换以实测线路电压A相相角为参考角度。
[0058] 前述的dq变换是指将三相交流量从三相静止坐标系描述转换为两相旋转的dq坐 标系统描述的变换；前述dq反变换是指将三相交流量从两相旋转的dq坐标系统描述转换 为三相静止坐标系描述的变换。
[0059] 本发明以应用于单线路的统一潮流控制器来介绍实施方案，但本发明不限于单线 路应用统一潮流控制器的系统，对于多回线路或者应用于同一个变电站、同一母线上的不 同落点的多条线路的统一潮流控制器都适用；对于线间潮流控制器以及可变换静止补偿器 的线路功率控制也适用。任何牵涉到采用线路功率外环和阀侧电流内环的统一潮流控制器 线路功率控制方法都属于本发明范围之内。
[0060] 最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所 属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的【具体实施方式】进行修 改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的专利要求保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，其特征在于： 外环线路功率控制生成阀侧电流参考值，内环阀侧电流控制根据所述阀侧电流参考值 生成换流器输出电压参考值，换流阀控制根据所述电压参考值输出相应的电压，控制线路 功率。
2. 如权利要求1所述一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，其特征在于：外环线 路功率控制生成阀侧电流参考值具体指：外环线路功率控制根据输入功率指令以及实测线 路交流电压，计算得到线路电流指令；线路功率指令与实测线路功率的差值经过比例积分 环节后的输出值，与上述计算所得线路电流指令相加，得到外环阀侧电流参考值。
3. 如权利要求1所述一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，其特征在于：内环阀 侧电流控制生成换流器输出电压参考值具体指：内环阀侧电流控制根据输入所述阀侧电流 参考值，以及阀侧实测交流电流和交流电压，计算得到换流器输出电压参考值。
4. 如权利要求2所述一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，其特征在于：所述实 测线路交流电压经过dq变换，再与线路功率指令进行计算，得到线路电流指令的dq分量， 相应地，所述用于相加的线路电流指令即为所述线路电流指令的dq分量。
5. 如权利要求3所述一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，其特征在于：所述实 测阀侧交流电流及交流电压经过dq变换后，再与桥臂电抗器值及阀侧电流参考值dq分量 进行计算，得到换流器输出电压参考值dq分量，再经过dq反变换后得到所述换流器输出电 压参考值。
6. 如权利要求4所述一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，其特征在于：所述的 dq变换以实测线路电压A相相角为参考角度。
7. 如权利要求5所述一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，其特征在于：所述的 dq变换及dq反变换以实测线路电压A相相角为参考角度。
8. 如权利要求1所述一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，其特征在于：所述的 线路功率控制方法适用于基于MMC结构换流器的统一潮流控制器。
9. 如权利要求1所述一种统一潮流控制器的线路功率控制方法，其特征在于：所述的 线路功率控制方法适用于串联侧不包含滤波装置结构的统一潮流控制器。
10. -种统一潮流控制器的线路功率控制系统，其特征在于：所述控制系统包括外环 线路功率控制单元、内环阀侧电流控制单元及换流阀控制单元；所述外环线路功率控制单 元用于生成阀侧电流参考值，所述内环阀侧电流控制根据所述阀侧电流参考值生成换流器 输出电压参考值，换流阀控制根据所述电压参考值输出相应的电压，控制线路功率。
11. 如权利要求10所述的统一潮流控制器的线路功率控制系统，其特征在于：所述外 环线路功率控制单元包括电流指令计算模块、第一实测模块、第二实测模块、积分模块和加 和模块，其中 第一实测模块用于实测线路交流电压； 第二实测模块用于实测线路功率； 电流指令计算模块根据输入功率指令以及第一实测模块所测得的线路交流电压，计算 得到线路电流指令； 积分模块用于将所述线路功率指令与第二实测模块测得的线路功率的差值经过比例 积分； 加和模块用于将所述积分模块的输出值与所述电流指令模块的输出值相加，得到外环 阀侧电流参考值。
12. 如权利要求10所述的统一潮流控制器的线路功率控制系统，其特征在于：所述内 环阀侧电流控制单元包括：第三实测模块、第四实测模块、计算模块，其中 第三实测模块用于实测阀侧交流电压； 第四实测模块用于实测阀侧交流电流； 计算模块用于将所述阀侧电流参考值，以及所述第三实测模块测得的实际交流电压、 第四实测模块测得的实际交流电流，计算得到换流器输出电压参考值。
13. 如权利要求11所述的统一潮流控制器的线路功率控制系统，其特征在于：所述外 环线路功率控制单元还包括dq变换模块，相应地，交流电压经过dq变换模块的变换后，再 与线路功率指令进行计算，得到线路电流指令的dq分量；所述的dq变换以实测线路电压A 相相角为参考角度。
14. 如权利要求12所述的一种统一潮流控制器的线路功率控制系统，其特征在于：所 述内环阀侧电流控制单元还包括dq变换模块以及dq反变换模块； 相应地，所述实测阀侧交流电流及交流电压经过dq变换模块的变换后，再与桥臂电抗 器值及阀侧电流参考值dq分量进行计算，得到换流器输出电压参考值dq分量，再经过dq 反变换模块进行dq反变换后得到所述换流器输出电压参考值； 所述的dq变换及dq反变换以实测线路电压A相相角为参考角度。
【文档编号】H02J3/24GK104052073SQ201410328092
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】田杰, 潘磊, 刘超, 沈全荣, 李海英, 卢宇, 董云龙 申请人:南京南瑞继保电气有限公司, 南京南瑞继保工程技术有限公司