CN102306935A - 带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置，由可控变压器、功率单元、测量与控制模块、旁路开关、陷波器、输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器构成，动态潮流的控制方法是利用迅速导通、关断的电力电子开关，控制可控变压器输出侧(副边)分接头的导通与关断，在脉宽调制信号中采取直流信号注入二倍频(或多倍频)信号，通过改变直流信号幅值和二倍频(或多倍频)信号的幅值与初始相位，从而改变可控变压器输出电压的相位、幅值，实现有功功率和无功功率的调节，通过陷波器，滤除可控变压器的动态潮流控制器输出电压的3次谐波(或与多倍频调制对应的奇次谐波)，使得输出电压无畸变，具有成本低，动态潮流的控制可靠性高的特点。

Description

带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及柔性输电技术领域，特别是一种带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置及其控制方法。

背景技术

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、高效的同时也增加了电力系统的规模和复杂性，电网运行在稳定极限边缘的可能性也大为增加。因此，电网运行的灵活性、潮流可控性以及电网稳定性成为越来越迫切需要解决的问题。

因此，21世纪的输电系统运行压力所产生的需求可以概括为以下3个方面：

(1)增大输电能力：由于用电的增加从而使得输送电能需求增大，另一方面线路建设缩减的局面使提高输电能力的要求更为突出。

(2)保持系统稳定：严重的电力系统事故会给广大供电区内的社会生活造成严重的损害，如交通中断、停水停电、通讯瘫痪、金融流通受到破坏、精密加工工艺过程受损、计算机信息丢失等，直接影响用户的正常用电。因此，如何在电力系统被迫更长距离输送更多电力的同时仍能保持系统稳定性，就成为调度运行人员的另一重要任务。

(3)优化系统运行：因运行条件变化和电力市场所决定的功率输送的变化次数快速增加，系统控制变得更为复杂，需要对整体系统的潮流进行优化。这种优化需要在越来越大的地区内综合考虑全局运行的情况。此外，电力市场要求系统通过一特定的“合同路径”去控制电力流向，要求电网对潮流控制有更高的驾驭能力，而这在交流输电系统中是很难做到的，因为其中每一“路径”的电力都是由其他所有输电线的电气特性决定的。

针对上述需求应运而生的柔性交流输电系统(Flexible Alternate CurrentTransmission System，FACTS)技术，从根本上改变了交流输电网过去基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制和优化技术措施的局面。FACTS装置同时或有选择性地控制传输线上的电压、阻抗和相角，实现有功和无功潮流控制，为交流输电网提供了快速、连续和精确的控制以及优化潮流的能力。在不改变系统发电模式和网络拓扑结构的前提下，可以利用FACTS装置来改善系统的稳定性，提高系统的输电能力，并在一定程度上缓解系统的阻塞状况。

目前的FACTS技术虽然具有以上许多优点，但是，也存在很大的局限性：FACTS装置工程造价高，推广应用困难；FACTS和电力设备及其他控制器之间存在不良作用；FACTS装置自身的损耗大；FACTS装置的复杂控制结构以及对通信设施等相应附属设备的要求，对电网的运行和控制提出了更为严格的要求；装置故障所带来的额外问题；串联接入引起的系统稳定性问题等等使其在电网中的应用受到很大的限制。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置及其控制方法，通过陷波器，滤除可控变压器输出的低次谐波，提高电力系统的潮流调节、输电能力、系统稳定性、可靠性。

本发明的技术解决方案如下：

一种带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置，其特点在于该动态潮流控制装置的构成包括可控变压器、功率单元、测量与控制模块、陷波器、旁路开关、输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器：

所述的可控变压器的副边包含主接头和正分接头负分接头；

所述的功率单元接在可控变压器副边的正分接头、负分接头与输出电源或负载之间，该功率单元由第一组功率管、第二组功率管、滤波电感和滤波电容组成，所述的第一组功率管和第二组功率管均由2个绝缘栅双极型晶体管(简称为IGBT)反向串联构成，所述的第一组功率管和第二组功率管的一端分别接所述的可控变压器副边的正分接头和负分接头，所述的第一组功率管和第二组功率管的另一端接所述的滤波电感的一端，该滤波电感的另一端接所述陷波器的输入端，该陷波器的输出端接所述的输出电源或负载，所述的滤波电容接在所述的可控变压器副边的正分接头和负分接头之间，所述的第一组功率管和第二组功率管的控制端与所述的测量与控制模块的相应控制端相连；

所述的陷波器由无源的电抗器与电容器构成；

所述的旁路开关连接在所述的可控变压器副边的主接头和输出电源或负载之间；

所述的输入电压互感器的一侧与可控变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；

所述的输出电压互感器的一侧与可控变压器副边输出电压主电路相连，输出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；

所述的输出电流互感器串接在可控变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块的电流信号输入端口相连；

所述的测量与控制模块的控制信号输出端分别与所述的功率单元的所述的第一组功率管和第二组功率管的控制端及所述的旁路开关的控制端相连，该测量与控制模块与上位机相连。

所述的测量与控制模块是数字信号处理器、单片机或计算机。

一种利用所述的基于输出侧开关的可控变压器的动态潮流控制装置进行动态潮流的控制方法，其特点在于该方法包括下列具体骤：

1)所述的测量与控制模块对测量与控制进行初始化，向旁路开关发出信号关断旁路开关，接收上位机给定的无功功率的给定值Q₀和有功功率的给定值P₀；

2)所述的测量与控制模块接收所述的输入电压互感器、所述的输出电压互感器和所述的输出电流互感器分别输入的输入电压V_in、输出电压V_out、输出电流I、输出电压与输出电流的夹角β，接收远方电网电压V_电网2的信息和输电线路电抗值L：

V_电网2＝V₂sin(ω₀t+α)，其中V₂为其幅值，α为其相角；

按下列公式计算实测的有功功率P、无功功率Q：

$P=\frac{1}{\sqrt{2}}{V}_{\mathrm{out}}I\cos \mathrm{\β}$

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}{V}_{\mathrm{out}}I\sin \mathrm{\β};$

3)根据有功功率P₀和无功功率Q₀，依据下式，计算可控变压器的输出电压相角θ和输出电压幅值V_out：

$P_0=\frac{V_2{V}_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{\ω}}_{0}L}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})$

$Q_0=\frac{V_2^2-V_2{V}_{\mathrm{out}}\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})}{{\mathrm{\ω}}_{0}L},$

其中：L为输电线路的电抗值；

      ω₀为50或60Hz所对应的角频率；

      V₂是远方电网电压V_电网2的幅值；

4)计算脉宽调制占空比D：

①、根据可控变压器输入电压V_in，输出电压相角θ和幅值V_out，按下列公式计算绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制信号中的直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂和初始相位

其中：V₁为可控变压器输入电压V_in的幅值，N为可控变压器分接头变比；

②、根据直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂及其初始相位

依据下式，计算脉宽调制占空比D：

5)根据脉宽调制占空比D，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通；

6)重复步骤2)至5)，根据所获得的脉宽调制占空比D，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对电网的动态潮流的调节控制。

上述功率单元工作时，旁路开关关断，上述功率管退出工作时，旁路开关导通。

本发明提出的带陷波器的可控变压器的动态潮流控制是一种根据电网需求对可控变压器所在输电线路的有功功率和无功功率进行控制的装置，并且提供无谐波的输出电压。通过IGBT控制可控变压器副边分接头的导通与关断，在IGBT的脉宽调制信号直流信号中注入二倍频信号，通过改变脉宽调制信号中的直流信号幅值和二倍频信号的幅值与初始相位，从而改变了可控变压器输出电压的相位、幅值，所产生的3次谐波，含量在7.3％左右，由陷波器滤除。陷波器滤除功率单元产生的低次谐波，对由直流信号与输入电源基波二倍频信号组成的调制信号，滤除由其所产生的3次谐波；对于多倍频调制信号，可相应滤除5次或其它奇次谐波。

本发明的特点如下：

1.功率管只需对可控变压器分接头的导通进行控制，因而成本低，克服了已有FACTS装置高成本的问题；

2.平常可控变压器只能通过调节其分接头进行电压幅值的控制，本发明通过对功率管IGBT脉宽调制信号注入二倍频信号，从而实现了输入电压角度的偏移，实现了有功功率的控制；

3.通过陷波器，使得变压器输出的电压跟平滑，滤除了3次谐波；

4.对于多倍频调制信号，陷波器可相应滤除5次或其它奇次谐波。

附图说明

图1是本发明带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置的结构示意图。

图2是不带有陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置的输入输出电压仿真图。

图3是不带有陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置的输出电压谐波分析图。

图4是本发明带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置的输入输出电压仿真图。

图5是本发明带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置的输出电压谐波分析图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置的结构示意图。由图可见，一种带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置，包括：可控变压器1、功率单元2、测量与控制模块3、旁路开关4、陷波器8、输入电压互感器5、输出电压互感器6和输出电流互感器7构成：

所述的可控变压器1的副边包含主接头12和正分接头13负分接头11；

所述的功率单元2由第一组功率管S₁、第二组功率管S₂、滤波电感L_f和滤波电容C_f组成，该功率单元2所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂的一端分别接所述的可控变压器1副边的正分接头13和负分接头11，所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂的另一端接所述的滤波电感L_f的一端，该滤波电感L_f的另一端接所述的陷波器8输入端，该陷波器8的输出端接所述的输出电源或负载，所述的滤波电容C_f接在所述的可控变压器1副边的正分接头13和负分接头11之间，所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂的控制端与所述的测量与控制模块3的相应控制端相连；

所述的陷波器8由无源的电抗器与电容器构成；

所述的旁路开关4连接在所述的可控变压器1副边的主接头12和输出电源或负载之间；

所述的输入电压互感器5的一侧与可控变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块3的电压信号输入端口相连；

所述的输出电压互感器6，一侧与可控变压器副边输出电压主电路相连，输出端与所述的测量与控制模块3的电压信号输入端口相连；

所述的输出电流互感器7串接在可控变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块3的电流信号输入端口相连；

所述的测量与控制模块3的控制信号输出端分别与所述的功率单元的所述的第一组功率管S₁和第二组功率管S₂的控制端及所述的旁路开关4的控制端相连，该测量与控制模块3与上位机相连。

所述的测量与控制模块3是数字信号处理器、单片机或计算机。

一种利用带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置进行电网动态潮流控制方法，包括下列具体步骤：

1)所述的测量与控制模块3对测量与控制进行初始化，向旁路开关4发出信号关断旁路开关，接收上位机给定的无功功率的给定值Q₀和有功功率的给定值P₀；

2)所述的测量与控制模块3接收所述的输入电压互感器5、所述的输出电压互感器6和所述的输出电流互感器7分别输入的输入电压V_in、输出电压V_out、输出电流I、输出电压与输出电流的夹角β，接收远方电网电压V_电网2的信息和输电线路电抗值L：

V_电网2＝V₂sin(ω₀t+α)，其中V₂为其幅值，α为其相角；

按下列公式计算实测的有功功率P、无功功率Q：

$P=\frac{1}{\sqrt{2}}{V}_{\mathrm{out}}I\cos \mathrm{\β}$

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}{V}_{\mathrm{out}}I\sin \mathrm{\β};$

3)根据有功功率P₀和无功功率Q₀，依据下式，计算可控变压器的输出电压相角θ和输出电压幅值V_out：

$P_0=\frac{V_2{V}_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{\ω}}_{0}L}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})$

$Q_0=\frac{V_2^2-V_2{V}_{\mathrm{out}}\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})}{{\mathrm{\ω}}_{0}L},$

其中：L为输电线路的电抗值；

      ω₀为50或60Hz所对应的角频率；

      V₂是远方电网电压V_电网2的幅值；

4)计算脉宽调制占空比D：

①、根据可控变压器输入电压V_in，输出电压相角θ和幅值V_out，按下列公式计算绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制信号中的直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂和初始相位

其中：V₁为可控变压器输入电压V_in的幅值，N为可控变压器分接头变比；

②、根据直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂及其初始相位

依据下式，计算脉宽调制占空比D：

5)根据脉宽调制占空比D，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通；

6)重复步骤2)至5)，根据所获得的脉宽调制占空比D，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对电网的动态潮流的调节控制。

图2是N＝0.15，K₀＝K₂＝0.5，

时不带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置的输入输出电压仿真波形，从输出电压波形可知，其含有3次谐波，虽然不高，但也达7.3％左右，输出电压谐波分析如图3所示。经过陷波器后，原输出所含3次谐波被滤除，波形光滑，如图4所示，另外，可控变压器输出波形的相移也清晰可见；图5是本发明带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置的输出电压谐波分析图，图中显示3次谐波被有效抑制。

Claims (3)

1.一种带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置，其特征在于该装置包括：可控变压器(1)、功率单元(2)、测量与控制模块(3)、陷波器(8)、旁路开关(4)、输入电压互感器(5)、输出电压互感器(6)和输出电流互感器(7)构成：

所述的可控变压器(1)的副边包含主接头(12)和正分接头(13)负分接头(11)；

所述的功率单元(2)由第一组功率管(S₁)、第二组功率管(S₂)、滤波电感(L_f)和滤波电容(C_f)组成，该功率单元(2)所述的第一组功率管(S₁)和第二组功率管(S₂)均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第一组功率管(S₁)和第二组功率管(S₂)的一端分别接所述的可控变压器(1)副边的正分接头(13)和负分接头11)，所述的第一组功率管(S₁)和第二组功率管(S₂)的另一端接所述的滤波电感(L_f)的一端，该滤波电感(L_f)的另一端接陷波器(8)的输入端，该陷波器(8)的输出端接所述的输出电源或负载，所述的滤波电容(C_f)接在所述的可控变压器(1)副边的正分接头(13)和负分接头(11)之间，所述的第一组功率管(S₁)和第二组功率管(S₂)的控制端与所述的测量与控制模块(3)的相应控制端相连；

所述的陷波器(8)由无源的电抗器与电容器构成；

所述的旁路开关(4)连接在所述的可控变压器(1)副边的主接头(12)和输出电源或负载之间；

所述的输入电压互感器(5)的一侧与可控变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块(3)的电压信号输入端口相连；

所述的输出电压互感器(6)，一侧与可控变压器副边输出电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块(3)的电压信号输入端口相连；

所述的输出电流互感器(7)，串接在可控变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块(3)的电流信号输入端口相连；

所述的测量与控制模块(3)的控制信号输出端分别与所述的功率单元的所述的第一组功率管(S₁)和第二组功率管(S₂)的控制端及所述的旁路开关(4)的控制端相连，该测量与控制模块(3)与上位机相连。

2.根据权利要求1所述的带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置，其特征在于所述的测量与控制模块(3)是数字信号处理器、单片机或计算机。

3.利用权利要求1所述的带陷波器的可控变压器的动态潮流控制装置进行电网动态潮流控制方法，其特征在于该方法包括下列具体步骤：

1)所述的测量与控制模块(3)对测量与控制进行初始化，向旁路开关(4)发出信号关断旁路开关，接收上位机给定的无功功率的给定值Q₀和有功功率的给定值P₀；

2)所述的测量与控制模块(3)接收所述的输入电压互感器(5)、所述的输出电压互感器(6)和所述的输出电流互感器(7)分别输入的输入电压V_in、输出电压V_out、输出电流I、输出电压与输出电流的夹角β，接收远方电网电压V_电网2的信息和输电线路电抗值L：

V_电网2＝V₂sin(ω₀t+α)，其中V₂为其幅值，α为其相角；

按下列公式计算实测的有功功率P、无功功率Q：

$P=\frac{1}{\sqrt{2}}{V}_{\mathrm{out}}I\cos \mathrm{\β}$

$Q=\frac{1}{\sqrt{2}}{V}_{\mathrm{out}}I\sin \mathrm{\β};$

3)根据有功功率P₀和无功功率Q₀，依据下式，计算可控变压器的输出电压相角θ和输出电压幅值V_out：

$P_0=\frac{V_2{V}_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{\ω}}_{0}L}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})$

$Q_0=\frac{V_2^2-V_2{V}_{\mathrm{out}}\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})}{{\mathrm{\ω}}_{0}L},$

其中：L为输电线路的电抗值；

      ω₀为50或60Hz所对应的角频率；

      V₂是远方电网电压V_电网2的幅值；

4)计算脉宽调制占空比D：

①、根据可控变压器输入电压V_in，输出电压相角θ和幅值V_out，按下列公式计算绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制信号中的直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂和初始相位

其中：V₁为可控变压器输入电压V_in的幅值，N为可控变压器分接头变比；

②、根据直流信号系数K₀、二倍频信号系数K₂及其初始相位

依据下式，计算脉宽调制占空比D：

5)根据脉宽调制占空比D，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通；

6)重复步骤2)至5)，根据所获得的脉宽调制占空比D，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对电网的动态潮流的调节控制。

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