分布式潮流控制器单相等效仿真方法

摘要

分布式潮流控制器单相等效仿真方法，包括步骤：建立一个单相的分布式潮流控制器仿真系统，将分布式潮流控制器的并联侧等效为一个电流源，注入到单相线路中，首端和末端分别是两个电压等级和频率相同，相角不同的等效电压源；考虑到三相线路的对称性，只需对一相线路进行仿真，同时从单相串联变流器的角度入手，串入多个变流器，根据单相线路功率需求建立模型，确定分布式串联变流器的数量；串入多组变流器进行建模仿真，对比单相分布式潮流控制器在多组投切方案下得到的注入线路电压和线路有功功率的仿真结果，确定最优投切方式。本发明可以大幅减少仿真时间，方便观察线路的潮流调节效果，也对研究多组单相串联变流器的交互影响效果明显。

说明书

技术领域

本发明涉及灵活交流输电系统应用控制领域，具体涉及一种分布式潮流控制器单相等效仿真方法。

背景技术

随着东北—华北、福建—华北、华中—华北、川渝—华中的联网以及三峡电站的投产，超大规模跨区交流同步电网已经形成。全国联网后，区域电网间仅仅通过少数几回500kV交流线弱互联，这使得互联系统对于区域间出现的振荡能够起到的作用很小。面对互联系统中出现的动态稳定性易遭到破坏的问题，一般习惯用二次设备(FACTS控制器等)将弱互联转变为较强的互联。

分布式潮流控制器DPFC将统一潮流控制器(UPFC)原有结构中通过直流电容连接的串并联变流器分开，并利用分布式静止串联补偿器DSSC的思想将串联侧分布化。在该拓扑结构基础上，通过3次谐波在串并联变流器之间交换有功功率从而达到综合调节线路潮流的目的。DPFC并联侧由两个背靠背的变流器组成，变流器VSC1为三相变流器，变流器VSC2为单相变流器，二者由一个公共直流电容相连。通过一个耦合变压器将电网电压接入到VSC1的交流侧，VSC1吸收电网的有功功率来稳定直流电容电压；变流器VSC2输出一定大小的三次谐波电流，该电流经由首端Y-△变压器Y侧的中性点均匀分布到输电线路中。串联侧根据其控制器的指令，一方面吸收线路上的三次谐波电流，用以维持自身电容电压的稳定；另一方面按照实际的功率补偿需求，产生一定幅值和相位的基频交流电压，串联变流器电压和线路首端电压叠加在一起，以此来改变线路的潮流。

分布式潮流控制器在多组串联侧变流器协调控制中，并联侧控制和串联侧控制本身存在交互影响，当多组串联侧变流器投入后，则会破坏并联侧装置的稳定运行，甚至单个串联侧变流器模块退出运行，要使整个系统稳定运行，其控制方法极其复杂，而且仿真时间很长。此外，线路电流相角偏移较大，串联侧相间控制器耦合关系减弱，导致相间控制器给出的控制指令失效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有分布式潮流控制器协调控制存在的上述不足，提供一种分布式潮流控制器单相等效仿真方法，将分布式潮流控制器的并联侧模块等效为电流源，串入多组变流器进行建模仿真，从而得出单相分布式串联侧变流器多组投切方案下的最优投切方式；大幅减少仿真时间，方便观察线路的潮流调节效果。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

分布式潮流控制器单相等效仿真方法，包括以下步骤：

步骤一、建立一个单相分布式潮流控制器仿真系统，将分布式潮流控制器的并联侧等效为一个额定容量的电流源，注入到单相线路中，首端和末端分别是两个电压等级和频率相同，相角不同的等效电压源，首端电源电压为Vs，末端电源电压为Vr，线路电感为X_L，线路电阻为R_L，等效阻抗为Z_L，单个变流器注入线路中电压为V_se；

步骤二、利用分布式潮流控制器的系统设计容量，确定分布式潮流控制器并联侧向线路中注入的三次谐波有功功率P_sh3，其中系统所能承受的调控潮流范围是一定的，分配到线路中串联侧每个变流器注入线路中的有功功率P_se也是固定的；

考虑到三相线路的对称性，只对一相线路进行仿真，变流器未投入到线路中，线路有功功率P_L为：

n个串联侧变流器投入到线路后，线路有功功率P_L'为：

n个串联侧变流器投入到线路后，线路有功功率的增量ΔP为：

n个变流器注入线路中基波有功功率之和等于线路有功功率的增量ΔP，则有：

其中，分布式潮流控制器并联侧向线路中注入的三次谐波有功功率P_sh3等于n个变流器吸收的三次谐波有功功率不考虑串联侧装置的损耗，n个变流器吸收的三次谐波有功功率等于n个变流器注入到线路中基波有功功率之和则有：

由公式(3)、(4)、(5)、(6)联立得到：

步骤三、已知分布式潮流控制器并联侧注入到线路的三次谐波功率P_sh3恒定，又考虑并联侧模块等效为一个额定容量的电流源，则注入线路中等效电流源容量S＝P_sh3；

步骤四、假设系统最大调节有功功率为P_S，从一个变流器对系统线路有功功率调节效果来分析投入系统变流器的个数N，将简化等效后的单相分布式潮流控制器仿真系统，串入一个变流器(串入一组变流器也适用步骤二中的推导公式，也就是将n个变流器中的n取值为1)，给入最小电压调节指令即最小有功功率调节指令P_semin，观察线路中有功功率的增量ΔP，计算出P_S和一个变流器注入线路中的有功功率P_semin的大小比值n₁，取整后为N₁；给入最大电压调节指令即最大有功功率调节指令P_semax计算出串联侧最少串入线路中变流器单元的个数N₂，则N₂的取值范围为：N₂≤N≤N₁，其中，N为串入变流器的数量；

步骤五、根据步骤四的结果，参考系统设计容量以及多组变流器交互影响最小，快速、有效、稳定的调节线路潮流指标，确定串入变流器的数量N的最优解N_S的大小，求出最优电压调控指令对应得到最优有功功率调节效果；

步骤六、确定串入变流器的数量N的最优解N_S后，针对N_S个变流器进行协调控制的验证，观察单相线路潮流调节的效果，从如下三种投切方案进行验证：

方案一，相邻变流器之间的电气距离固定且等间距，N_S个变流器给定同一目标参数，在t₁时同时投切到系统线路；

方案二，相邻变流器之间的电气距离固定且等间距，N_S个变流器给定同一目标参数，N_S个变流器依次在t_i＝t₁+(i-1)Δt时投切到系统线路；

方案三，改变相邻变流器之间的电气距离，观察线路潮流的变化以及相邻变流器之间的交互影响，之后，N_S个变流器给定同一目标参数，在t₁时同时投切到系统线路(按照方案一中的投切方式运行)；

上述三种投切方案中同一目标参数包括直流电容电压给定值U_dcref：和补偿器输出电压给定值U_seref；

最后，对比方案一、方案二、方案三下串入N_S个变流器得到的注入线路电压和线路有功功率的仿真结果，分析变流器之间的交互影响，确定最优的一种投切方式。

按上述方案，所述步骤一中首端电源电压Vs＝220V，相角为8°，末端电源电压Vr＝220V，相角为0°，分布式潮流控制器的并联侧等效为频率为150Hz，幅值为1.67A，相角为8°的电流源，注入到单相线路中，线路电感X_L＝0.0245H，线路电阻R_L＝0.2Ω，等效阻抗Z_L＝7.7∠88.5°。

按上述方案，所述步骤六的方案三中，假设第1个变流器布置在线路首端，第n个变流器布置在线路末端，则第1个变流器的位置相对整个线路的电气距离比值为0，第n个变流器的位置相对整个线路的电气距离比值为1，同时，前面相邻变流器的电气距离是后面相邻变流器的电气距离的2倍，依次类推，第n个变流器的位置相对整个线路电气距离的比值满足函数f(n)，且函数f(n)取值范围为[0,1]，函数f(n)的表达式如下：

由公式(8)得到，n的取值越大，越往后相邻变流器的电气距离越短，相反，前面相邻变流器的电气距离越长。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、将分布式潮流控制器并联侧简化等效后，直接用频率为150Hz的电流源等效，来研究单相的分布式串联耦合潮流控制器，通过采用本发明方法，忽略分布式潮流控制器并联侧控制目标对串联侧控制目标的影响，以及不同相间串联侧控制器的耦合影响，只考虑串联侧多组变流器的协调控制的交互影响，这不仅节省仿真计算量，也确定单相串联侧变流器的数量的最优值，为单相分布式串联侧多组变流器协调控制提供一种简单的仿真方法；

2、本发明可以大幅减少仿真时间，观察线路的潮流调节效果，也对研究多组单相串联补偿器的交互影响效果明显。

附图说明

图1是单相分布式潮流控制器在电力系统中简化后等效仿真结构示意图；

图2是图1中单相分布式潮流控制器在电力系统中的等值网络；

图3是单相分布式潮流控制器系统串联变流器单元的结构图；

图4是单相分布式潮流控制器系统串联变流器控制框图；

图5是在方案一下三组变流器注入线路电压和线路有功功率示意图；

图6是在方案二下三组变流器注入线路电压和线路有功功率示意图

图7是在方案三下三组变流器注入线路电压和线路有功功率示意图

图3中：1-控制器外舱，2-单匝变压器，3-电流互感器，4-电压互感器，5-变流器，6-直流电容器，7-防脱铰链螺栓。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

由步骤一到步骤五，假设系统最大调节有功功率为P_S＝1200W，当串入变流器的数量N_S＝3，则分配到每个变流器注入线路中的有功功率P_se＝400W，而变流器输出电压给定值U_seref＝40V时，单组变流器注入线路的有功功率为P_se＝334W，满足系统潮流调节的要求。综合考虑，选取三组变流器投入线路中仿真研究，U_seref＝40V为最优电压调控指令，对应得到最优有功功率调节效果(相应的有最优有功功率调控指令P_sebest)。

图1为单相分布式潮流控制器在电力系统中简化后等效模型，SE1，SE2，SE3分别是串入到系统的三个变流器，本发明所用仿真方法就是建立一个单相的分布式潮流控制器仿真系统，首端电源电压Vs＝220V，相角为8°，末端电源电压为Vr＝220V，相角为0°,两端电源等效内阻为rs＝rg＝1Ω，Xs＝Xg＝0.001H，而分布式潮流控制器的并联侧等效为频率为150Hz，幅值为1.67A，相角为8°的电流源，注入到单相线路中，线路中变流器SE1和变流器SE2、变流器SE2和变流器SE3之间线路阻抗分别为X_L1、R_L1和X_L2、R_L2，X_L1＝X_L2＝0.01225H，R_L1＝R_L2＝0.1Ω。

图2是以图1为基础，做出的等值网络，节点1、8分别是首、末端等效电源接入点，节点2是分布式潮流控制器并联侧接入点，串联侧等效的三组变流器所对应位置是节点3-4，节点4-5，节点6-7，节点2上的三次谐波电流是一定的，不受其它节点的影响，而节点3-4，节点4-5，节点6-7之间电源存在相互的影响；将三组变流器均看做一个电压源，各个电压源经诺顿定理等效后有电流源，控制三组变流器SE1、SE2、SE3的等效电流源I_se1、I_se2、I_se3的大小。最后，节点7-8中线路电流的会受I_se1，I_se2，I_se3的影响，可以观察节点8上电压V_L和电流I_L，确定线路的有功功率P_L的变化。

图3为单相分布式潮流控制器系统串联部分变流器单元的结构图，控制器包括控制器外舱1、单匝变压器2、电流互感器3、电压互感器4、变流器5、直流电容器6；控制器外舱1由上舱盖和下舱底组成，可以开启或闭合；上舱盖和下舱底一侧通过防脱铰链螺栓7紧固连接。分布式潮流控制器串联侧变流器单元的工作状态就是通过电流互感器3采集单相输电导线的电流信号送入到控制器，控制器计算出线路电流中基频以及三次谐波电流的幅值和相角，从而控制变流器5与单匝变压器2连接处的电压，该电压由电压互感器4采集进行闭环控制。控制的目标就是直流电容器6的电压维持在恒定值，并且通过单匝变压器2接入输电导线的电压包括指定幅值和相角的基频以及三次谐波分量。

如图4所示，变流器输出电压给定值U_seref和线路上实际的变流器输出电压U_se进行比较得到误差信号Δu_se，然后误差信号Δu_se通过PI控制器和晶闸管装置的传递函数处理之后生成变流器输出电压控制信号；相应的，直流电容电压给定值U_dcref和直流电容电压U_dc的比较结果经过控制器之后最终得到直流电容电压输出电压控制信号；θ₁是对线路电流信号I_L锁相得到的基波相位信号，θ₃为线路电流信号I_L锁相得到的三次谐波相位信号。

图5、图6、图7为步骤六从三种不同投切方案下，单相分布式潮流控制系统多组串联变流器注入线路电压和线路潮流，用于观察单相分布式潮流控制系统串联侧多个变流器交互影响，步骤六具体实施步骤如下：

主要从三个方案验证投入状况

方案一，3个变流器在时间4s同时投入，并给定同一目标参数，其中U_seref＝40V；

方案二，3个变流器在等时间间隔依次投入，选择起始时间还是t₁＝4s，三组变流器依次投入的时间为4s、8s、12s，并给定同一目标参数，其中U_seref＝40V；

方案三，前两个方案3个变流器都是均匀分布在线路中，相邻变流器之间的电气距离固定且等间距，方案三改变相邻变流器之间的电气距离，观察线路潮流的变化以及相邻变流器之间的交互影响，按照公式(7)计算，改变电气距离后，变流器SE1和变流器SE2电气距离为2Z_L/3，变流器SE2和变流器SE3电气距离为Z_L/3。

结合图5～图7，对比三个方案运行的验证的结果，采用方案二中等时间间隔依次投入，线路有功功率更加平稳，波动较小，而方案一同时投入和方案三不同电气距离投入，在线路有功功率趋近平稳过程中有一定的波动；对比分析采用方案二，更加适合分布式潮流控制器串联侧的协调控制，交互影响较小，而方案三中改变电气距离后，变流器之间不存在交互影响。

以上给出了本发明涉及的具体实施方法，但本发明不局限于所描述的实施方法。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式进行变换、替换、修改，并且起到作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，此种方案仍落入本发明的保护范围内。