适用于并联双回线路潮流控制的IPFC拓扑及其稳态建模方法与流程

本发明涉及电力系统稳定及控制技术领域，特别是涉及适用于并联双回线路潮流控制的ipfc拓扑及其稳态建模方法。

背景技术：

线间潮流控制器(interlinepowerflowcontroller，ipfc)与统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，upfc)一样，都是第三代facts器件的典型代表。相较于upfc而言，ipfc是一种功能更为全面和强大的facts控制装置。一方面，它不仅能够同upfc一样直接控制串联部分所安装输电线路上的潮流，还能够实现线路间的功率交换，从而控制不同线路之间的潮流；另一方面，upfc在控制自身安装线路潮流时有可能会导致临近重载线路潮流越限，而ipfc控制潮流具有定向的特点，可将重载线路潮流定向、定量地“搬运”至临近轻载线路，减少对其他线路的潮流影响。ipfc能够动态控制电力系统的有功、无功、电压、阻抗和功角，便于优化系统运行、提高系统暂态稳定性，具有非常广阔的应用前景。

然而，由于国内线路的复杂程度更高，ipfc的应用具有一定难度。国内220kv及以上电压等级的网架大多为并联双回线路架构，这就要求ipfc需要对并联双回线路同时进行潮流控制，因此ipfc拓扑需要至少四个换流器。ipfc一侧换流器经过有功无功分解，最多可以同时控制包括线路有功功率、无功功率、直流侧电压中的两个变量。

在传统ipfc拓扑中，一回辅控线路换流器需要用来稳定直流侧电容电压，保证ipfc设备稳定运行，而这就将导致辅控线路潮流并不完全可控。当辅控线路将控制目标设置为线路有功功率时，其线路无功功率不可控；当辅控线路将控制目标设置为线路无功功率时，其线路有功功率不可控。因此，采用传统ipfc拓扑结构的辅控线路所在的双回线路中会产生环流，对线路经济有效运行产生负面影响，造成安全隐患。

相较于传统ipfc拓扑而言，本发明所采用的ipfc结构通过采用交叉拓扑接法，具有两个直流侧解耦的并联主控线路和两个直流侧解耦的并联辅控线路。在并联双回主控线路中采用线路有功功率指令值pref1和无功功率指令值qref1作为控制目标，在并联双回辅控线路中采用线路有功功率指令值pref2作为控制目标。由于并联双回主控线路与并联双回辅控线路控制目标一致，且两主控线路与两辅控线路直流侧解耦，因此此种拓扑能够有效避免ipfc常规拓扑的环流影响，非常适用于国内并联双回线路潮流控制的工况。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提供适用于并联双回线路潮流控制的ipfc拓扑及其稳态建模方法，采用的ipfc结构通过采用交叉拓扑接法，具有两个直流侧解耦的并联主控线路和两个直流侧解耦的并联辅控线路。在并联双回主控线路中采用线路有功功率指令值pref1和无功功率指令值qref1作为控制目标，在并联双回辅控线路中采用线路有功功率指令值pref2作为控制目标。由于并联双回主控线路与并联双回辅控线路控制目标一致，且两主控线路与两辅控线路直流侧解耦，因此此种拓扑能够有效避免ipfc常规拓扑的环流影响，非常适用于国内并联双回线路潮流控制的工况，为达此目的，本发明提供适用于并联双回线路潮流控制的ipfc拓扑，该拓扑包括四个vsc，所述四个vsc通过串联变压器接入交流电网；所述四个vsc包含并联双回主控线路vsc与并联双回辅控线路vsc，其中并联双回主控线路vsc直流侧解耦、并联双回辅控线路vsc直流侧解耦，两对vsc的潮流控制解耦，互不干扰，双回主控线路并联、双回辅控线路并联，其对应的vsc采用一回主控线路对应一回辅控线路两两对应的交叉拓扑接法。

本发明的进一步改进，所述并联双回主控线路采用定有功功率和定无功功率控制模式，且并联双回主控线路控制目标值一致，并联双回辅控线路采用定有功功率控制模式及定直流电压控制模式，且控制目标值一致。

本发明提供一种ipfc拓扑的稳态建模方法，包含如下步骤；

(1)给定主控线路有功及无功功率的控制目标指令值pref1+jqref1，根据有功、无功功率与换流器输出电压之间的关系，求得主控线路换流器输出电压的有功分量vseijp及无功分量vseijq；

(2)根据辅控线路有功功率的控制目标值pref2，求得辅控线路换流器输出无功分量vseikq；

(3)根据ipfc内部有功功率守恒，求得辅控线路换流器输出电压的有功分量vseikp；

(4)将主控换流器输出电压vseij与辅控线路换流器输出电压vseik代入基于功率注入法建立的表达式，求得节点注入功率；

(5)将注入功率代入潮流方程迭代，求得目标线路控制目标值；

(6)判断控制目标是否收敛至指令值；若否，则返回(1)步。

本发明提出一种适用于并联双回线路潮流控制的新型线间潮流控制器拓扑及其稳态建模方法，该拓扑结构包含多个电压源换流器，采用ipfc的交叉拓扑接法，在并联双回主控线路中采用线路有功功率指令值pref1和无功功率指令值qref1作为控制目标，在并联双回辅控线路中采用线路有功功率指令值pref2作为控制目标，实现主控线路潮流与辅控线路有功功率的灵活控制。由于ipfc设备在控制线路潮流时，辅控线路的无功功率不可控。本发明提出的拓扑结构通过采用ipfc的交叉拓扑接法，使得并联双回主控线路与并联双回辅控线路之间的直流侧解耦，能够有效避免传统ipfc拓扑中辅控线路的环流问题，实现稳定有效的并联双回线路潮流控制，保证电网安全有效运行。

附图说明

图1为本发明ipfc控制双回线路交叉拓扑接法示意图；

图2为本发明ipfc控制双回线路常规接法示意图；

图3为本发明ipfc基本拓扑简化等效电路示意图；

图4为本发明ipfc稳态建模方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供适用于并联双回线路潮流控制的ipfc拓扑及其稳态建模方法，采用的ipfc结构通过采用交叉拓扑接法，具有两个直流侧解耦的并联主控线路和两个直流侧解耦的并联辅控线路。在并联双回主控线路中采用线路有功功率指令值pref1和无功功率指令值qref1作为控制目标，在并联双回辅控线路中采用线路有功功率指令值pref2作为控制目标。由于并联双回主控线路与并联双回辅控线路控制目标一致，且两主控线路与两辅控线路直流侧解耦，因此此种拓扑能够有效避免ipfc常规拓扑的环流影响，非常适用于国内并联双回线路潮流控制的工况。

以下结合ipfc基本拓扑简化等效电路示意图描述本发明的具体实施方式：

首先，推导公式说明本发明所提ipfc拓扑结构相较于传统ipfc拓扑结构而言，能有效避免并联双回线路环流的原因及其优越性。

如附图3中所示：vi∠θi为线路首端i节点电压及相角，vj∠θj为j节点电压幅值及相角，vk∠θk为k节点电压幅值及相角，vseij∠θseij为主控线路串联换流器等效输出电压的幅值及相角，vseik∠θseik为辅控线路串联换流器等效输出电压的幅值及相角，为i、j节点之间的电流向量，为i、k节点之间的电流向量，pij+jqij为i、j节点之间流过的有功及无功功率，pik+jqik为i、k节点之间流过的有功及无功功率，jbij为ipfc主控线路换流变压器等效导纳，jbik为ipfc辅控线路环流变压器等效导纳，pjl+jqjl为主控线路的有功及无功功率，pkl+jqkl为辅控线路的有功功率。忽略换流器损耗及串联变压器等效电阻及线路等效对地并联导纳，则有：

于是线路1的i侧有功功率pij、无功功率qij分别如式(2)、(3)所示，j侧有功功率pjl、无功功率qjl分别如式(4)、(5)所示，线路2的i侧有功功率pik、无功功率qik分别如式(6)、(7)所示，k侧有功功率pkl、无功功率qkl分别如式(8)、(9)所示。

pij＝vivseijbijsin(θi-θseij)-vivjbijsin(θi-θj)(2)

qij＝vivjbijcos(θi-θj)-vivseijbijcos(θi-θseij)-vi²bij(3)

pjl＝vivjbijsin(θj-θi)+vjvseijbijsin(θj-θseij)(4)

pik＝vivseikbiksin(θi-θseik)-vivkbiksin(θi-θk)(6)

qik＝vivkbikcos(θi-θk)-vivseikbikcos(θi-θseik)-vi²bik(7)

pkl＝vivkbiksin(θk-θi)+vkvseikbiksin(θk-θseik)(8)

将式(2)～(5)及(6)～(9)分别以j和k节点为参考节点，将与进行pq轴分解，则有：

其中，vseijp为线路1换流变压器相对于输出的p轴电压分量，vseijq为q轴电压分量，vseikp为线路2换流变压器相对于输出p轴电压分量，vseikq为q轴电压分量。

由式(10)可知，当给定ipfc主控线路有功与无功功率指令值pijref与qijref及辅助线路有功功率指令值pikref时，即可求得两换流器输出电压vseijp、vseijq、vseikq。

ipfc自身有功功率守恒，故有：

即：

vseijqbij(vicosθij-vj)-vseijpbijvisinθij+vseikqbik(vicosθik-vk)-vseikpbikvisinθik＝0(12)

因此可以求得vseikp：

将其代入式(10)即可求得辅控线路功率qik。

由以上推导可以得出：辅控线路中的无功功率不可控，且无功功率值与主控线路有功、无功功率设定值以及辅控线路有功设定值均相关。

不失一般性，如说明书附图2所示，ipfc传统拓扑应用于并联双回线路潮流控制时，线路1-1、1-2、2-1为主控线路，线路2-2为辅控线路，并联双回主控线路1-1、1-2潮流控制值均为pijref+jqijref，主控线路2-1控制目标设定为pikref+jqikref，辅控线路2-2控制目标设定为pikref。按照前述推导及分析可以得出，由于辅控线路无功功率不可控，传统ipfc拓扑结构及潮流控制策略必然会导致并联线路2-1、2-2无功功率差距较大，从而会产生该并联双回线路内部的环流，影响线路及电力系统安全经济运行。

本发明提出的交叉拓扑接法如说明书附图1所示。其中，并联双回主控线路1-1、1-2中ipfc控制目标均为pref1+jqref1，并联双回辅控线路2-1、2-2控制目标均为pref2。在此种拓扑及潮流控制策略下，根据上述推导与分析，由于主控线路控制目标一样，忽略并联双回线路参数不一致量，则并联双回辅控线路的无功功率也基本保持一致，因此可以有效避免传统拓扑的环流问题。进而，ipfc能够实现对并联双回主控线路的潮流以及并联双回辅控线路的有功功率的灵活控制。

进一步的，给出该种拓扑结构的稳态建模方法。

由式(10)可得，ipfc设备对i、j、k三节点附加注入功率为：

主要步骤如下所示：

1)根据主控线路有功功率控制目标指令值pref1、无功功率控制目标值qref1，及辅控线路有功功率控制目标指令值pref2，代入式(10)即可求得主控线路换流器输出电压的有功分量vseijp、无功分量vseijq及辅控线路换流器输出电压的无功分量vseikq；

2)各换流器有功功率守恒，求得辅控线路输出电压有功分量vseikp；

3)将所求得的主控线路换流器输出电压vseij及辅控线路换流器输出电压vseik代入式(14)，求得i、j、k三节点的注入功率pis、qis、pjs、qjs、pks、qks；

4)将i、j、k三节点的附加注入功率代入潮流方程，进行迭代计算，更新系统状态变量；

5)检验主控及辅控线路潮流实际值是否收敛至控制目标指令值，若是则停止迭代，若否则返回至步骤1)，继续迭代直至收敛。

值得注意的是，由上述推导及阐述可知，本发明提出的交叉拓扑结构及其建模方法，不仅仅适用于并联双回线路，而且适用于并联n回线路(其中n>2)。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。