一种UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法

摘要

本发明公开了一种UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法，属于电力系统运行控制和调度的技术领域。本发明根据故障后预估的下一断面系统潮流调节UPFC所在支路的潮流以实现传输线路传输的有功恒定、传输线路送电端电压稳定的控制目标，防止故障扩大并使系统迅速恢复正常。

说明书

技术领域

本发明公开了一种UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法，属于电力系统运行控制和调度的技术领域。

背景技术

随着电力系统区域间的互联加强以及输电电压等级的提高，高压直流输电技术(HVDC,High-Voltage Direct Current)因其控制方便以及异步联网等优点在电力系统送变电环节中扮演着越来越重要的角色，随之而来的是受端系统强度将受到越来越大的考验，不恰当的直流输电控制以及直流间的相互作用有可能造成系统不稳定甚至故障，而电力系统发生故障所承受的代价将越来越大。

统一潮流控制器(UPFC,Unified Power Flow Controller)是柔性交流输电系统(FACTS,Flexible Alternative Current Transmission Systems)中最具代表性、功能最强大的补偿装置，可以很方便地调节输电系统中线路阻抗、电压幅值以及相位这三个参数，从而实现了输电环节高效灵活的控制，增强了系统的稳定性。广域监测系统(WAMS,WideArea Measurement System)采用同步相角测量技术，通过逐步布局全网关键测点的同步相角测量单元(PMU,Phasor Measurement Unit)，实时地对全网同步相角及电网主要数据进行高速率的采集，提供对电网正常运行与事故扰动情况下的实时监测与分析计算，及时获得并掌握电网运行的动态过程，能够使调度人员实时监视到电网的动态过程，对于电力系统故障预防和恢复有着重要意义。

高压直流输电的适用性和合理性在远距离、大容量输电中体现得十分明显，然而直流输电的控制系统非常复杂，控制策略十分多样，在电力系统电力电子化的大背景下，不恰当的直流输电控制策略有可能导致系统的不稳定甚至故障。最近几年直流闭锁故障时有发生，高压直流输电作为送受端系统功率联络的重要通道，其一旦发生直流闭锁，送受端系统失稳的发生概率将大大增加。UPFC由串联补偿的静止同步串联补偿器(SSSC,StaticSynchronous Series Compensator)和并联补偿的静止同步补偿器(STATCOM,StaticSynchronous Compensator)结合而成，串联补偿和并联补偿的有点兼具可方便地实现潮流控制，改善电网的潮流分布，提高线路的传输容量，快速吞吐无功，维持接入点电压恒定，提高系统的稳定性，其潮流控制功能对于交直流混联系统发生直流闭锁故障后防止故障的扩大以及系统的恢复有重要意义。因此非常有必要针对UPFC在交直流混联系统直流闭锁发生之后的潮流控制方法进行分析，以对交直流混联系统直流闭锁故障后的有功协调提供指导和参考。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法，根据故障后预估的下一断面系统潮流调节UPFC所在支路的潮流以实现传输线路传输的有功恒定、传输线路送电端电压稳定的控制目标，防止故障扩大并使系统迅速恢复正常，解决了交直流混联系统直流闭锁故障后的有功控制方案在防止故障扩大以及迅速恢复上尚有不足的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法，包括如下步骤：

A、在交直流系统发生直流闭锁故障后计算系统潮流；

B、计算系统中所有发电机对系统的灵敏度以及系统中所有负荷对系统的灵敏度；

C、根据系统中所有负荷对系统的灵敏度以及系统中所有发电机对系统的灵敏度预估负荷变化以及发电机出力，根据预估的负荷变化以及发电机出力估计下一断面系统潮流，在下一断面系统不满足安全约束要求时进入步骤D，在下一断面系统满足安全约束要求时结束有功协调控制；

D、根据下一断面系统潮流调整UPFC的控制环节以调节UPFC所在支路潮流，调节UPFC所在支路潮流后系统仍不满足安全约束要求时进入步骤E，调节UPFC所在支路潮流后系统满足安全约束要求时结束有功协调控制；

E、按照每次调整一个负荷且优先调整对系统灵敏度最大的负荷至允许下限值的原则调整当前断面对系统灵敏度最大的负荷至允许的下限值，返回步骤C。

作为UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法进一步优化方案，步骤D中根据下一断面系统潮流调整UPFC的控制环节以调节UPFC所在支路潮流的具体方法为：以传输线路潮流跟踪其参考值为目标，采用控制律：调节UPFC串联变流器注入的补偿电压，以传输线路送电端电压跟踪其参考值为目标，采用控制律：调节UPFC并联变流器的输出电压，其中，V_id、V_iq分别为UPFC串联变流器注入的补偿电压的有功分量和无功分量，L_s为UPFC并联变流器的输入电感，L为传输线路的电感，ω为系统的工作频率，i_d、i_q分别为传输线路的有功电流、无功电流，V_rd、V_rq分别为传输线路受电端电压的有功分量和无功分量，V_s为传输线路送电端电压，U₃、U₄为独立控制传输线路有功电流的耦合量、独立控制传输线路无功电流的耦合量，e_id、e_iq分别为UPFC并联变流器输出电压的有功分量、无功分量，V_s1为注入UPFC并联变流器的电压，i_id、i_iq分别为输入UPFC并联变流器的有功电流、无功电流，U₁为独立控制注入UPFC并联变流器的有功电流的耦合量，U₂为独立控制注入UPFC并联变流器的无功电流的耦合量。

作为UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法的更进一步优化方案，步骤A的具体方法为：在交直流系统发生直流闭锁故障后根据WAMS的测量值计算系统潮流。

作为UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法的更进一步优化方案，步骤B计算系统中所有发电机对系统的灵敏度的表达式为：计算系统中所有负荷对系统的灵敏度的表达式为：其中，DP_i、DP_Li分别为第i台发电机、第L个负荷对系统的灵敏度，DP_iUPFC、DP_LUPFC分别为第i台发电机、第L个负荷对UPFC所在线路的潮流的灵敏度，DP_ilDC、DP_LlDC分别为第i台发电机、第L个负荷对第l条直流线路的潮流的灵敏度，DP_ijAC、DP_LjAC分别为第i台发电机、第L个负荷对第j条交流线路的潮流的灵敏度，n为直流线路的数目，m为交流线路的数目。

作为UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法的更进一步优化方案，步骤C中根据系统中所有负荷对系统的灵敏度以及系统中所有发电机对系统的灵敏度预估负荷变化以及发电机出力的具体方法为：根据负荷出力的历史数据并采用自回归滑动平均模型预估负荷变化，根据各台发电机的特性选择参与一次调频的发电机，根据预估的负荷变化、负荷工频特性、发电机工频静特性曲线、发电机出力的历史数据估计一次调频后的发电机出力以及负荷出力。

再进一步地，UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法的步骤C中，根据预估的负荷变化以及发电机出力估计下一断面系统潮流的具体方法为：采用灵敏度法并根据一次调频后发电机出力以及负荷出力的预估值估计下一断面系统潮流。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提出了一种UPFC参与交直流系统直流闭锁故障后有功控制的方法，根据故障后预估的下一断面系统潮流调节UPFC所在支路的潮流以实现传输线路传输的有功恒定、传输线路发送端电压稳定的控制目标，根据系统中所有负荷对系统的灵敏度以及系统中所有发电机对系统的灵敏度预估系统故障后的潮流，在调节UPFC的控制环节后系统仍不能满足安全约束要求时优先调整对系统灵敏度最大的负荷至允许下限，根据调整后的负荷重新预估系统故障后的潮流再次调节UPFC直至系统满足安全性能约束，按照灵敏度大小顺序调节各负荷能够使系统以最快的速度响应系统安全性约束进而快速恢复正常，减小直流闭锁故障对系统的冲击并有效防止故障进一步扩大，提高系统稳定性，为交直流混联系统直流闭锁故障后的有功协调提供了一种有效可行的实施方案。

附图说明

图1为UPFC的结构示意图。

图2为UPFC串联变流器的控制框图。

图3为UPFC并联变流器的控制框图。

图4为本专利具体实施方案的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开的UPFC参与的交直流混联系统发生直流闭锁故障后的有功协调控制方法，首先，在系统发生直流闭锁故障后，通过WAMS得到故障后的系统潮流；然后计算系统中所有发电机以及负荷对系统的灵敏度并针对负荷灵敏度按由大到小的顺序进行排序；根据得到的数据估算下一断面的负荷、发电机出力变化和系统潮流，检验系统安全约束是否满足；最后根据下一断面的系统潮流得到UPFC所在支路潮流，据此调整UPFC控制环节，检验系统安全约束是否满足，若仍不满足，则调整负荷，估算下一断面的负荷、发电机出力变化和系统潮流，重新检验系统安全约束是否满足。

本发明采用的UPFC模型如图1所示，L_s和R_s是UPFC并联变流器的输入电感和电阻，L和R是传输线路的电感和电阻，C是直流侧电容，V_s为传输线路送电端电压，V_i是UPFC串联变流器注入的补偿电压，V_o为补偿后电压，V_r为传输线路受电端电压，P_o和Qo分别为补偿电压末端的瞬时有功潮流和瞬时无功潮流，i为传输线路电流，i_i为并联侧电流，i_o为串联侧电流，V_s1为注入UPFC并联变流器的电压，V_s1与V_s同相且在数值上与V_s呈并联变压器变比的关系，e_i为UPFC并联变流器的输出电压，e_o为UPFC串联变流器的输出电压，e_o在数值上与V_i呈串联变压器变比的关系，V_dc为直流侧电压。

有功协调控制方法如图4所示，具体包括如下6个步骤。

步骤1、获取交直流混联系统的发电机、网架、负荷数据以及HVDC、UPFC的控制方式及参数。

步骤2、在直流闭锁故障发生后，根据WAMS监测数据对系统进行潮流计算，检查节点是否满足电压幅值约束，检查直流线路是否满足直流线路功率约束，检查发电机是否满足有功和无功发电约束，

电压幅值约束：V^m≤V_h≤V^M，

直流线路功率约束：P_min≤P_l≤P_max，

有功发电约束：P_i^m≤P_i≤P_i^M，

无功发电约束：

步骤3、选取t_n-1和t_n-2时刻，获取系统中所有发电机以及负荷的实时数据并进行灵敏度分析，灵敏度分析具体过程如下：

步骤3-1、计算每台发电机对系统的灵敏度

每台发电机对单条交流线路潮流的灵敏度近似为：

每台发电机对直流线路潮流的灵敏度为：

每台发电机对UPFC所在线路潮流的灵敏度为：

因而每台发电机对整个系统的灵敏度为：

其中，DP_ijAC为第i台发电机对第j条交流线路的潮流的灵敏度，P_ACjtn-1、P_ACjtn-2分别为第j条交流线路在t_n-1时刻、t_n-2时刻的有功潮流，Pi_tn-1、Pi_tn-2分别为第i台发电机在t_n-1时刻、t_n-2时刻的出力，DP_ilDC为第i台发电机对第l条直流线路的潮流的灵敏度，P_DCltn-1、P_DCltn-2分别为第l条直流线路在t_n-1时刻、t_n-2时刻的有功潮流，DP_iUPFC为第i台发电机对UPFC所在线路的潮流的灵敏度，Vs_tn-1、Vs_tn-2分别为传输线路送电端在t_n-1时刻、t_n-2时刻的电压，可由UPFC输出功率的公式得到，DP_i为第i台发电机对系统的灵敏度；

步骤3-2、计算所有负荷对系统的灵敏度

每个负荷对单条交流线路潮流的灵敏度近似为：

每个负荷对直流线路潮流的灵敏度为：

每个负荷对UPFC所在线路潮流的灵敏度为：

因而每个负荷对整个系统的灵敏度为：

其中，DP_LjAC为第L个负荷对第j条交流线路的潮流的灵敏度，P_Ltn-1、P_Ltn-2分别为第L个负荷在t_n-1时刻、t_n-2时刻的的出力，DP_LlDC为第L个负荷对第l条直流线路的潮流的灵敏度，P_DCltn-1、P_DCltn-2分别为第l条直流线路在t_n-1时刻、t_n-2时刻的的有功潮流，DP_LUPFC为第L个负荷对UPFC所在线路潮流的灵敏度，可由UPFC输出功率公式得到，DP_L为第L个负荷对系统的灵敏度；

步骤3-3、根据步骤3-2计算得到的各负荷对系统的灵敏度，按照灵敏度由大到小的顺序对所有负荷进行排序。

步骤4、根据灵敏度分析结果估算负荷和发电机的出力变化并计算下一断面系统潮流，检验系统安全约束是否满足，具体过程如下：

步骤4-1、根据t_n-2时刻预测t_n-1时刻的负荷变化，负荷预测基于历史数据通过自回归滑动平均模型(ARMA)实现；

步骤4-2、根据各台发电机组的特性选择参与一次调频的机组，根据步骤4-1得到的t_n-1时刻的负荷预测值、负荷工频特性、发电机工频静特性曲线以及t_n-2时刻发电机出力，估算t_n-1时刻一次调频以后的发电机出力和负荷值；

步骤4-3、根据步骤4-2得到的负荷、发电机出力，运用灵敏度法对系统下一断面的潮流进行估计；

步骤4-4、检验节点电压幅值约束，线路功率约束，有功和无功发电约束是否满足。

步骤5、针对UPFC所在支路潮流调整UPFC控制环节

步骤5-1、对于UPFC串联变流器，传输线路电流状态方程如下：

对传输线路电流状态方程作dq变换有：

i_d、i_q分别为传输线路的有功电流、无功电流，V_rd、V_rq分别为传输线路受电端电压的有功分量和无功分量，V_id、V_iq分别为UPFC串联变流器注入的补偿电压的有功分量和无功分量，

其中，dq变换矩阵为：

由于L>>R,故有：

而|V_r|＝|V_s|＝V，设功率角为δ，则有：

V_rd＝V>

V_rq＝-V>

故可得补偿电压末端的瞬时有功为：

补偿电压末端的瞬时无功为：

解耦可得：

U₃、U₄为独立控制传输线路有功电流的耦合量、独立控制传输线路无功电流的耦合量，

可得控制律：

V_id＝L_sU₃-ωL_si_q+V_rd-|V_s|>

V_iq＝LU₄+ωLi_d+V_rq>

如图2所示，补偿电压末端的有功及无功功率可通过补偿后的电压相量及线路电流相量求得：

V_od、V_oq为补偿后电压的有功分量和无功分量，

根据传输线路传输的有功潮流参考值P^*及无功潮流参考值Q^*(即为预估的系统下一断面潮流)及补偿后的输出电压相量V_o，即可求出传输线路电流的有功分量参考值I_d^*和无功分量参考值I_q^*：

使传输线路电流跟踪其参考值I_d^*和I_q^*就能保证线路潮流对相应参考值P^*和Q^*的跟踪；

步骤5-2、UPFC并联变流器主要负责无功补偿和维持端点电压并向串联部分提供有功支持以维持直流环节的有功功率平衡，UPFC并联侧有状态方程：

同样进行dq变换并整理解耦可得：

U₁为独立控制注入UPFC并联变流器的有功电流的耦合量，U₂为独立控制注入UPFC并联变流器的无功电流的耦合量，

则可得控制律：

如图3所示，对传输线路送电端电压V_s和直流侧电压V_dc进行前馈解耦控制，并联侧输入的无功电流的参考信号i_iq^*是由传输线路送电端电压V_s控制系统所得，并联侧输入的有功电流参考信号i_id^*是由直流侧电压的误差信号经比例积分校正所得，根据e_id^*和e_iq^*计算结果控制交流侧电压幅值和相位导通角，即可控制并联换流器需要产生的交流侧电压；

步骤5-3、检验节点电压幅值约束，线路功率约束，有功和无功发电约束是否满足。

步骤6、若步骤5中安全约束不满足，则根据灵敏度排序依次调整负荷至允许下限，返回步骤3。对于尚未调整的负荷，选中灵敏度最大的负荷进行调整，使得

P_L＝P_L^m>