本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)柔性輸配電
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種upfc直流側(cè)等效電容的選取分析方法。
背景技術(shù)：
：自1991年美國西屋科技中心的gyugyi博士提出統(tǒng)一潮流控制器upfc(unifiedpowerflowcontroller)的概念以來，不少學(xué)者開始致力于對(duì)它的研究。upfc作為柔性交流輸電家族中最復(fù)雜的也是最有吸引力的一種補(bǔ)償器，能夠?qū)﹄娏€路上的阻抗，相角及有功和無功進(jìn)行任意組合控制，集多種功能于一身，具有很強(qiáng)的靈活性。美國電力公司于1998年在肯塔基東部inez地區(qū)安裝了世界上第1臺(tái)upfc，它作為世界上最大的逆變器，具有640mva的控制能力，得到世界電力工業(yè)界的廣泛關(guān)注。作為最新一代的facts(flexiblealternativecurrenttransmissionsystems，柔性交流輸電系統(tǒng))裝置，統(tǒng)一潮流控制器upfc能夠?qū)崿F(xiàn)潮流的精確控制，對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性均有較大影響。如圖1所示，upfc由兩個(gè)背靠背的電壓源換流器構(gòu)成，兩個(gè)背靠背的換流器共用直流母線和直流電容，二者都通過換流變壓器接入系統(tǒng)，其中變流器2的換流變壓器以串聯(lián)形式接入；有功功率可以在兩個(gè)變流器之間在任一方向自由流動(dòng)，每個(gè)變流器的交流輸出端也可獨(dú)立地產(chǎn)生或吸收無功功率；upfc中變流器2的功能是通過串聯(lián)變壓器給線路注入幅值和相角均可控的電壓向量，即可同時(shí)或有選擇性地調(diào)節(jié)線路上的電壓、阻抗和相角；變流器1的主要功能是提供或吸收變流器2在公共直流母線上所需要的有功功率，以維持串聯(lián)注入電壓與線路之間的有功功率交換。現(xiàn)有工作大多致力于upfc潮流控制的效果及穩(wěn)定性的改善，鮮有研究upfc的暫態(tài)行為及裝置參數(shù)的選取。upfc快速潮流控制會(huì)引起直流側(cè)電壓的波動(dòng)，因?yàn)榇?lián)側(cè)注入的電壓與線路電流會(huì)產(chǎn)生一定的有功功率，這部分功率在暫態(tài)過程中會(huì)流入(或流出)直流側(cè)電容；若該功率數(shù)值較大，則會(huì)引起直流側(cè)電壓的驟升(或驟降)，而直流側(cè)的過電壓不利于upfc的安全運(yùn)行，因此有必要研究如何選取合適的電容值以避免其發(fā)生。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：鑒于上述，為了對(duì)upfc潮流控制的暫態(tài)過程進(jìn)行分析，本發(fā)明基于瞬時(shí)電壓、電流矢量理論，提出了一種upfc直流側(cè)等效電容的選取分析方法，從原理上討論了流經(jīng)串并聯(lián)側(cè)的有功功率及其構(gòu)成，分析結(jié)果表明暫態(tài)過程中流出串聯(lián)側(cè)的有功功率轉(zhuǎn)移至線路電感中，這部分功率若由直流側(cè)電容提供，則電容在暫態(tài)過程中釋放的電能等同于線路電感存儲(chǔ)的磁能，電容選擇的依據(jù)可由此獲得。一種upfc直流側(cè)等效電容的選取分析方法，包括如下步驟：(1)根據(jù)upfc基本結(jié)構(gòu)推導(dǎo)建立其數(shù)學(xué)模型以及upfc中兩個(gè)換流器的控制模型；(2)根據(jù)所述的數(shù)學(xué)模型和控制模型，通過分析upfc所串聯(lián)交流線路的等效電感以及upfc直流側(cè)等效電容在短路故障中的功率變化，從而推導(dǎo)出upfc直流側(cè)等效電容的計(jì)算公式如下，并依此確定其電容值c；其中：l為upfc所串聯(lián)交流線路的等效電感，il1為電力系統(tǒng)中其他線路發(fā)生短路故障后upfc所串聯(lián)交流線路的穩(wěn)態(tài)電流，il0為電力系統(tǒng)中其他線路發(fā)生短路故障前upfc所串聯(lián)交流線路的穩(wěn)態(tài)電流，udc0為電力系統(tǒng)中其他線路發(fā)生短路故障前upfc的直流電壓即upfc直流側(cè)等效電容兩端電壓，σ為upfc直流電壓的變化率。所述upfc直流電壓變化率σ的計(jì)算表達(dá)式如下：其中：udc1為電力系統(tǒng)中其他線路發(fā)生短路故障后upfc的直流電壓。所述步驟(1)的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：1.1以低頻動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出upfc的vsc(voltagesourceconverter，電壓源換流器)機(jī)電暫態(tài)模型；1.2通過將三相變量經(jīng)坐標(biāo)變換后得到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的物理量，從而獲得dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下vsc的數(shù)學(xué)模型；1.3對(duì)upfc直流側(cè)直接使用電容等效；1.4使upfc中的vsc采用電流解耦控制，通過內(nèi)環(huán)電流控制器調(diào)節(jié)vsc輸出電壓的d軸參考值vdref和q軸參考值vqref，使交流側(cè)電流的d軸分量isd和q軸分量isq跟蹤外環(huán)控制器輸出的d軸電流指令值isdref和q軸電流指令值isqref；1.5使upfc其中一個(gè)vsc采用定直流電壓控制，其外環(huán)控制器采用pi控制環(huán)節(jié)向內(nèi)環(huán)電流控制器提供d軸電流指令值isdref和q軸電流指令值isqref。所述步驟(2)中分析upfc所串聯(lián)交流線路的等效電感以及upfc直流側(cè)等效電容在短路故障中的功率變化，具體過程如下：2.1根據(jù)upfc的數(shù)學(xué)模型以及換流器的控制模型，考慮并聯(lián)側(cè)dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程并結(jié)合并聯(lián)側(cè)換流器功率方程，消去閥側(cè)電壓變量得到upfc并聯(lián)側(cè)功率方程新的表達(dá)式，該表達(dá)式包含由網(wǎng)側(cè)電壓電流表示的并聯(lián)側(cè)輸入功率以及連接電抗器暫態(tài)過程流經(jīng)的功率，并去掉了消耗在連接電阻上的損耗；2.2根據(jù)串聯(lián)側(cè)插入線路中等效電壓源產(chǎn)生的功率方程和串聯(lián)側(cè)線路電流狀態(tài)方程，消去等效電壓源電壓變量得到upfc串聯(lián)側(cè)功率方程新的表達(dá)式，該表達(dá)式包含線路電感暫態(tài)過程流經(jīng)的功率以及線路電阻損耗，并去掉了線路首末端功率差；2.3忽略直流損耗并將串聯(lián)變壓器損耗考慮到線路中，由功率平衡原理得到并聯(lián)側(cè)輸入功率等于直流電容吸收功率以及串聯(lián)側(cè)輸出功率，所述串聯(lián)側(cè)輸出功率中包含電流導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的為暫態(tài)功率，不包含電流導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的為穩(wěn)態(tài)功率；對(duì)于暫態(tài)功率，考慮從時(shí)刻t0到t1，對(duì)應(yīng)線路電感電流的d軸分量和q軸分量也分別從id0和iq0變化到id1和iq1，對(duì)暫態(tài)功率在該時(shí)間段積分，得到該時(shí)間段內(nèi)線路電感的能量變化，將坐標(biāo)變換運(yùn)用到電流變量上并帶回電感能量變化中，得到以線路電流有效值表示的電感能量變化t0和t1分別電力系統(tǒng)中其他線路發(fā)生短路故障前后所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；2.4考慮從時(shí)刻t0到t1，upfc直流電壓由udc0變?yōu)閡dc1，對(duì)該時(shí)間段電容功率進(jìn)行積分得到其釋放能量使δwdc與δwl相等，即可推導(dǎo)出upfc直流側(cè)等效電容的計(jì)算公式。優(yōu)選地，考慮直流電壓變化率在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)σ2＜＜2σ，則使upfc直流側(cè)等效電容的計(jì)算公式為：本發(fā)明結(jié)合瞬時(shí)功率理論，給出了upfc直流側(cè)等效電容的選取分析方法，說明了upfc潮流控制的暫態(tài)過程中，流經(jīng)串聯(lián)側(cè)變流器的有功功率和線路電感功率的關(guān)系。潮流控制在upfc中會(huì)產(chǎn)生一定的有功功率傳輸，當(dāng)直流側(cè)電容提供暫態(tài)功率而并聯(lián)側(cè)只提供穩(wěn)態(tài)功率時(shí)，并聯(lián)側(cè)容量可以較?。蝗绻麨榱朔€(wěn)定直流側(cè)電壓，那么并聯(lián)側(cè)變流器容量應(yīng)包括暫穩(wěn)態(tài)功率之和，由此本發(fā)明為upfc的電容選取分析提供了依據(jù)。附圖說明圖1為統(tǒng)一潮流控制器upfc的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明方法的流程示意圖。圖3為含電流內(nèi)環(huán)控制器的vsc控制結(jié)構(gòu)框圖。圖4(a)為定有功功率控制器的結(jié)構(gòu)框圖。圖4(b)為定直流電壓控制器的結(jié)構(gòu)框圖。圖4(c)為定無功功率控制器的結(jié)構(gòu)框圖。圖4(d)為定交流電壓控制器的結(jié)構(gòu)框圖。圖5為含upfc的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的示意圖。具體實(shí)施方式為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖2所示，本發(fā)明upfc直流側(cè)等效電容的選取分析方法，包括如下步驟：(1)根據(jù)upfc基本結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型和換流器控制模型。1.1以低頻動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出upfc的vsc機(jī)電暫態(tài)模型。1.2為便于分析和對(duì)各物理量獨(dú)立控制，將三相時(shí)變量變換進(jìn)行park變換得到相互垂直的兩相d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的物理量，獲得同步d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下vsc的數(shù)學(xué)模型。1.3對(duì)upfc直流側(cè)直接使用電容等效。1.4為消除d、q軸間的電流耦合和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，vsc換流器采用電流解耦控制；通過內(nèi)環(huán)電流控制器調(diào)節(jié)vsc輸出電壓參考值vdref和vqref，使交流側(cè)電流的d、q軸分量isd和isq跟蹤外環(huán)控制器輸出的電流指令值isdref和isqref，如圖3所示。1.5為達(dá)到upfc的控制目標(biāo)，變流站主要有定直流電壓控制、定交流電壓控制、定線路潮流有功分量控制、定線路潮流無功分量控制、定串聯(lián)電壓幅值控制、定串聯(lián)電壓相角控制的基本控制方式，對(duì)應(yīng)外環(huán)控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了保持系統(tǒng)有功平衡和直流電壓穩(wěn)定，須有一個(gè)變流站采用定直流電壓控制；設(shè)計(jì)的外環(huán)控制器使用常見的pi控制環(huán)節(jié)向內(nèi)環(huán)電流控制器提供交流側(cè)電流的d、q軸分量的指令值isdref和isqref。(2)upfc并聯(lián)和串聯(lián)側(cè)功率分析。2.1根據(jù)步驟(1)中upfc換流器數(shù)學(xué)模型考慮并聯(lián)側(cè)d-q坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程，結(jié)合并聯(lián)側(cè)換流器功率方程，消去閥側(cè)電壓變量得到功率方程的新表達(dá)式，包含網(wǎng)側(cè)電壓電流表示的并聯(lián)側(cè)輸入功率、連接電抗器暫態(tài)過程流經(jīng)的功率，并去掉消耗在連接電阻上的損耗。2.2接著根據(jù)串聯(lián)側(cè)插入線路的等效電壓源產(chǎn)生的功率方程和串聯(lián)側(cè)線路電流狀態(tài)方程，消去等效電壓源電壓變量得到功率方程的新表達(dá)式，包含線路電感暫態(tài)過程流經(jīng)的功率、線路電阻損耗，并去掉首末端功率差。2.3忽略直流損耗并將串聯(lián)變損耗等考慮到線路中，由功率平衡得到并聯(lián)側(cè)輸入功率提供直流電容吸收的功率和串聯(lián)側(cè)輸出功率。串聯(lián)側(cè)輸出功率中包含電流導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的為暫態(tài)功率，不包含電流導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的為穩(wěn)態(tài)功率。對(duì)于暫態(tài)功率，考慮從時(shí)刻t0到t1，對(duì)應(yīng)線路電感電流d、q分量也分別從id0和iq0變化到id1和iq1，對(duì)暫態(tài)功率在該時(shí)間段積分，得到該時(shí)間段內(nèi)線路電感的能量變化。將park變換運(yùn)用到電流變量上并帶回電感能量變化中，得到以線路電流有效值表示的電感能量變化δwl：其中，il0和il1分別為t0和t1時(shí)的電流有效值。(3)直流側(cè)等效電容選取分析。3.1由暫態(tài)過程的功率構(gòu)成分析可知，傳輸?shù)骄€路電感的功率包括直流側(cè)電容暫態(tài)過程放電和暫態(tài)時(shí)并聯(lián)側(cè)的換流器從系統(tǒng)母線獲得的額外功率。如果線路電感暫態(tài)過程的功率全部由并聯(lián)側(cè)換流器向串聯(lián)側(cè)換流器傳輸獲得，那么此時(shí)直流側(cè)由于功率變化不大而電壓幾乎不會(huì)波動(dòng)?？紤]暫態(tài)功率需要全部從并聯(lián)側(cè)換流器流過，若暫態(tài)過程劇烈時(shí)，流過的功率相對(duì)也較大，這就要求并聯(lián)側(cè)換流器容量和換流變?nèi)萘枯^大。這對(duì)于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)的upfc而言是不經(jīng)濟(jì)的。3.2最差情況下，線路電感暫態(tài)過程的功率全部由直流側(cè)電容放電獲得，顯然并聯(lián)側(cè)換流器和換流變?nèi)萘恐恍铦M足穩(wěn)態(tài)功率值即可?？紤]從時(shí)刻t0到t1，直流側(cè)電壓由udc0變?yōu)閡dc1，對(duì)該時(shí)段電容功率進(jìn)行積分得到釋放的能量δwdc：使此能量δwdc與步驟(2)中的線路電感能量變化δwl相等，并定義直流電壓變化率σ：綜合以上各式得到電容大小為：考慮直流電壓變化率在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)有σ2＜＜2σ，故電容值近似正比于線路電感。以下我們搭建了一個(gè)含upfc的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的仿真模型，發(fā)電機(jī)、變壓器經(jīng)雙回220kv，100km輸電線路與無窮大母線相連，發(fā)電機(jī)發(fā)出功率為100mw，upfc安裝在其中1條輸電線路上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖5所示，相關(guān)參數(shù)及取值如表1所示：表1參數(shù)物理意義取值sb/(mv·a)容量基準(zhǔn)值100vb/kv線路電壓基準(zhǔn)值230fb/hz電網(wǎng)基準(zhǔn)頻率50l/h(0.1p.u.)線路電感0.1684r/ω(0.01p.u.)線路電阻5.29vdc/kvupfc直流側(cè)電壓20sse/(mv·a)upfc串聯(lián)側(cè)容量10由表1可推得，線路電流的基準(zhǔn)值ib＝0.251ka，假設(shè)線路有功潮流受upfc控制，由50mw增至80mw，則upfc所在線路的電流有效值由0.1255ka變?yōu)?.2008ka。為了使電容電壓在暫態(tài)過程的變化率不超過10％，可知所需的電容為：仿真參數(shù)取c＝200μf，假設(shè)由并聯(lián)側(cè)變流器向線路電感提供所有能量，所需的并聯(lián)側(cè)容量較大，取并聯(lián)側(cè)變流器傳輸?shù)娜萘縮sh＝5mva，即串聯(lián)側(cè)容量sse的一半。仿真10s時(shí)upfc進(jìn)行潮流控制，由原來的自然功率50mw增至80mw，暫態(tài)過程中流經(jīng)串聯(lián)側(cè)的有功功率約為0.9mw，穩(wěn)態(tài)之后為0.68mw，而選取的并聯(lián)側(cè)變流器容量為5mva，可提供串聯(lián)側(cè)注入系統(tǒng)中所有有功功率，故直流側(cè)電容電壓波動(dòng)很小。假設(shè)由直流側(cè)電容提供暫態(tài)功率，并聯(lián)側(cè)變流器只提供穩(wěn)態(tài)功率(即前兩項(xiàng)之代數(shù)和，約0.68mw)，將其容量ssh改為0.7mw?？砂l(fā)現(xiàn)，其他變量波形與之前基本相同，只有直流側(cè)電壓波形不同，暫態(tài)過程中直流側(cè)電壓由20kv降至18.4kv，可解得：δwdc＝0.5×200×10-6×[(20×103)2-(18.4×103)2]＝6144jδwl＝1.5×0.1684×(200.82-125.52)＝6220jδwdc≈δwl，與理論分析吻合，即暫態(tài)過程中直流側(cè)電容存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)移并存儲(chǔ)為線路電感的磁能。上述分析驗(yàn)證了本發(fā)明upfc直流側(cè)等效電容選取分析方法的有效性。上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12