CN102403728B - 基于可控变压器的功率振荡抑制器及其抑制方法 - Google Patents

Abstract

基于可控变压器的功率振荡抑制器，由可控变压器、功率单元、控制模块、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构成，其输入端接母线相连，输出端经输电线路与母线2相连。功率振荡抑制器的抑制方法是通过控制可控变压器分接头的电力电子开关导通与关断，通过改变电力电子开关脉宽调制信号中的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的有功功率和无功功率；当电网出现功率振荡时，根据控制规律，动态调节功率振荡抑制器输出的有功功率和无功功率，使电网尽快地恢复稳定；具有成本低、可靠性高的特点，改善了电网的稳定性、提高了系统的阻尼。

Description

基于可控变压器的功率振荡抑制器及其抑制方法

技术领域

本发明涉及柔性输电技术领域，特别是一种基于可控变压器的功率振荡抑制器及其抑制方法。

背景技术

电力系统稳定是电网安全运行的关键，一旦遭到破坏，必将造成巨大的经济损失和灾难性后果。为实现国家总体能源发展及布局方针，“西电东送、南北互供、全国联网、厂网分开”己成为21世纪前半叶我国电力工业发展的方向。电网互联技术可以合理利用能源资源，提供相互支援，极大地提高了发电和输电的经济可靠性，但它同时也带来了一些新的问题。随着电力网络互联程度的不断提高，系统越来越庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使电网的安全稳定问题越来越突出。在现代大电网中，各区域、各部分互相联系、密切相关、在运行过程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全措施，一个局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大面积的系统瓦解。近年来世界范围的电力工业改革日益加快，逐步建立了竞争机制下的电力市场。电网的开放和商业化运营使得电力系统运行越来越接近系统极限。这些都对稳定分析与控制提出了新的挑战。因此安全稳定问题已成为发展大型电力系统需认真研究并解决的问题之一。

系统的稳定问题即系统在受到各种扰动后能否恢复到可以容许的平衡状态。扰动包括负荷突变、发电机故障或出力突然变化、输电线路发生故障等。在扰动下，系统会出现功角振荡、功率振荡、电压振荡、频率不稳定等。

功率振荡问题通常为系统振荡阻尼不足的问题，目前采取的方法主要有利用电力系统稳定器（PSS）以控制发电机励磁以提高系统振荡的阻尼，另外还有利用附加稳定信号调制高压直流（HVDC）输电的换流器控制和柔性输电装置FACTS（如可控串补、静止无功补偿器等）控制等措施。

在本发明申请中，我们提出了基于可控变压器的功率振荡抑制器，它是一种基于控制可控变压器分接头的电力电子开关的导通与关断，通过改变电力电子开关脉宽调制信号中的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的有功功率和无功功率；当电网出现功率振荡时，根据控制规律，动态调节功率振荡抑制器输出的有功功率和无功功率，使电网尽快地恢复稳定；控制可控变压器分接头的电力电子功率管容量仅为可控变压器容量的一部分，因而成本低、可靠性高，改善了电网的稳定性、提高了系统的阻尼。

所设计的基于可控变压器的功率振荡抑制器，利用已有传输线路的多分头变压器，通过快速的电力电子开关对变压器分接头输出电压幅值和相角进行动态控制，调节有功功率和无功功率，达到抑制功率振荡的作用；而功率振荡对电网的危害是巨大的，抑制功率振荡对电网尤其是大型电网是非常迫切和重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于可控变压器的功率振荡抑制器及其抑制方法，达到抑制功率振荡对电网的危害。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于可控变压器的功率振荡抑制器，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、控制模块、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的一端接所述的可控变压器副边的正分接头，第二组功率管的一端接所述的可控变压器副边的负分接头，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，电压信号输出端与所述的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控制模块的电流信号输入端口相连；

所述的控制模块包括第一PI控制模块、第二PI控制模块、第一比较模块、第二比较模块、第一加法模块和第二加法模块构成，所述的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，该控制模块与上位机相连。

电网由输电线路、可控变压器构成，可控变压器的输入与母线1相连，可控变压器的输出经输电线路与母线2相连，功率振荡时，基于可控变压器的功率振荡抑制器的输出功率的具体的调节步骤如下：

步骤1.初始化，即在该控制器中设定以下参数，所有功率与电压参数采用标么值：

功率振荡抑制器输出的有功功率初始值P₀；

功率振荡抑制器输出的无功功率初始值Q₀；

可控变压器分接头变比N；

ω₀为50或60Hz所对应的角频率；

第一PI控制模块控制系数k_p1和k_i1，1≤k_p1≤100,1≤k_i1≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；

第二PI控制模块控制系数k_p2和k_i2，1≤k_p2≤100,1≤k_i2≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；

按照电网运行状况，进行无功功率和/或有功功率调节；

通过改变可控变压器分接头开关的调制信号，调节其输出的有功功率和无功功率；

步骤2.电网有功功率调节按以下步骤执行：

步骤21.通过第一比较模块按下式计算第一PI控制模块的输入值μ_S1：

μ_S1＝P₀-P，其中P为第一比较模块输入的有功功率值；

步骤22.第一PI控制模块在接收到所述第一比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μ_C1，计算公式如下：μ_C1＝k_p1μ_S1+k_i1∫μ_S1dt，

其中，k_p1和k_i1是第一PI控制模块的控制系数；

步骤23.通过第一加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的相角θ：

θ＝θ₀+μ_C1，其中，θ₀为可控变压器输出电压基波的输入相角

步骤3.电网无功功率调节按以下步骤执行：

步骤31.通过第二比较模块按下式计算第二PI控制模块的输入值μ_S2：

μ_S2＝Q₀-Q，其中Q为第一比较模块输入的无功功率值；

步骤32.第二PI控制模块在接收到所述第二比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μ_C2，计算公式如下：

μ_C2＝k_p2μ_S2+k_i2∫μ_S2dt，

其中，k_p2和k_i2是第二PI控制模块的控制系数；

步骤33.通过第二加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的幅值

其中，

为可控变压器输出电压基波的输入幅值；

步骤4.通过公式计算得到调制系数和相位初值：

实时采集可控变压器输入电压V_in＝V₁sin(ω₀t)，其中V₁为输入电压V_in的幅值；

将上述计算得到的可控变压器输出电压基波的相角θ和幅值

代入下述公式，求得

其中， $A=\frac{1+N-{2\mathrm{NK}}_0}{1-N^2},$ $B=\frac{{\mathrm{NK}}_2}{1-N^2};$

于是可得到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

步骤5.通过公式计算得到调制占空比D：

步骤6.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；

步骤7.重复步骤2至步骤6，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。

所述第一PI控制模块和所述第二PI控制模块的控制规律是比例积分微分控制方式。

多倍频信号为二倍频、四倍频甚至更高次倍频。

可控变压器分接头在输入侧， $A=\frac{1+N-{2\mathrm{NK}}_0}{1-N^2},$ $B=\frac{{\mathrm{NK}}_2}{1-N^2}.$

功率开关为集成门极换向晶闸管（IGCT）、栅极导通晶闸管（GTO）、金氧半场效晶体管（MOSFET）或其他电力电子开关。

本发明的技术效果及特点如下：

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．利用可控变压器对有功功率和无功功率的动态控制，当电网故障出现功率振荡时，能有效抑制电网的振动，提高系统的稳定性。

附图说明

图1.基于可控变压器的功率振荡抑制器的示意图。

图2.基于可控变压器的功率振荡抑制器的结构图。

图3.基于可控变压器的功率振荡抑制器的控制规律图。

图4.基于可控变压器的功率振荡抑制器的程序流程图。

图5.基于光伏电池的电网功率振荡抑制器的应用例子仿真结果图。

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2，图2是基于可控变压器的功率振荡抑制器的结构图，如图所示，一种基于可控变压器的电网功率振荡抑制器，包括可控变压器1、功率单元2、控制模块3、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：

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的一端接所述的可控变压器1副边的正分接头13，第二组功率管S₂的一端接所述的可控变压器1副边的负分接头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的控制端与所述的控制模块3的相应控制端相连；

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控制模块3的电流信号输入端口相连；

所述的控制模块3包括第一PI控制模块、第二PI控制模块、第一比较模块、第二比较模块、第一加法模块和第二加法模块构成，所述的控制模块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。

旁路开关，连接上述可控变压器的主抽头和输入电源，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。

将结构如图2所示的基于可控变压器的功率振荡抑制器应用于图1所示电网，根据图3所示的控制规律所编写的程序流程图（图4）进行编程，实现功率振荡抑制的功能；通过图5的仿真结果可知，基于光伏电池的电网功率振荡抑制器能有效抑制功率振荡，提高了系统的稳定性。

利用电网功率振荡抑制器进行电网功率振荡抑制的方法，包括如下步骤：

1）将所述电网功率振荡抑制器的输入端接母线1相连，该电网功率振荡抑制器的输出端经输电线路与母线2相连；

2）功率振荡时，所述功率振荡抑制器输出功率的具体的调节步骤如下：

步骤1.初始化，即在该控制器中设定以下参数，所有功率与电压参数采用标么值：

功率振荡抑制器输出的有功功率初始值P₀；

功率振荡抑制器输出的无功功率初始值Q₀；

可控变压器分接头变比N；

ω₀为50或60Hz所对应的角频率；

第一PI控制模块控制系数k_p1和k_i1，1≤k_p1≤100,1≤k_i1≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；

第二PI控制模块控制系数k_p2和k_i2，1≤k_p2≤100,1≤k_i2≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；

按照电网运行状况，进行无功功率和/或有功功率调节；

通过改变可控变压器分接头开关的调制信号，调节其输出的有功功率和无功功率；

步骤2.电网有功功率调节按以下步骤执行：

步骤21.通过第一比较模块按下式计算第一PI控制模块的输入值μ_S1：

μ_S1＝P₀-P，其中P为第一比较模块输入的有功功率值；

步骤22.第一PI控制模块在接收到所述第一比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μ_C1，计算公式如下：μ_C1＝k_p1μ_S1+k_i1∫μ_S1dt，

其中，k_p1和k_i1是第一PI控制模块的控制系数；

步骤23.通过第一加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的相角θ：

θ＝θ₀+μ_C1，其中，θ₀为可控变压器输出电压基波的输入相角；

步骤3.电网无功功率调节按以下步骤执行：

步骤31.通过第二比较模块按下式计算第二PI控制模块的输入值μ_S2：

μ_S2＝Q₀-Q，其中Q为第一比较模块输入的无功功率值；

步骤32.第二PI控制模块在接收到所述第二比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μ_C2，计算公式如下：

μ_C2＝k_p2μ_S2+k_i2∫μ_S2dt，

其中，k_p2和k_i2是第二PI控制模块的控制系数；

步骤33.通过第二加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的幅值

其中，为可控变压器输出电压基波的输入幅值；

步骤4.通过公式计算得到调制系数和相位初值：

实时采集可控变压器输入电压V_in＝V₁sin(ω₀t)，其中V₁为输入电压V_in的幅值；

将上述计算得到的可控变压器输出电压基波的相角θ和幅值

代入下述公式，求得

其中， $A=\frac{1+N-{2\mathrm{NK}}_0}{1-N^2},$ $B=\frac{{\mathrm{NK}}_2}{1-N^2};$

于是可得到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

步骤5.通过公式计算得到调制占空比D：

步骤6.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；

步骤7.重复步骤2至6，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。

所述第一PI控制模块和所述第二PI控制模块的控制规律是比例积分微分控制方式。

Claims (3)

1.一种基于可控变压器的电网功率振荡抑制器，其特征在于包括：可控变压器（1）、功率单元（2）、控制模块（3）、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)：

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）的一端接所述的可控变压器（1）副边的正分接头（13），第二组功率管（S₂）的一端接所述的可控变压器（1）副边的负分接头(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）的另一端接输出电源，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）的控制端与所述的控制模块（3）的相应控制端相连；

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）和输出电源之间；所述功率单元（2）工作时，所述旁路开关（4）关断，所述功率单元（2）退出工作时，所述旁路开关（4）导通；

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控制模块（3）的电流信号输入端口相连；

所述的控制模块（3）包括第一PI控制模块、第二PI控制模块、第一比较模块、第二比较模块、第一加法模块和第二加法模块构成，所述的控制模块（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，该控制模块（3）与上位机相连。

2.利用权利要求1所述的电网功率振荡抑制器进行电网功率振荡抑制的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）将所述电网功率振荡抑制器的输入端接母线1相连，该电网功率振荡抑制器的输出端经输电线路与母线2相连；

2）功率振荡时，所述功率振荡抑制器输出功率的具体的调节步骤如下：

步骤1.初始化，即在该控制器中设定以下参数，所有功率与电压参数采用标么值：

功率振荡抑制器输出的有功功率初始值P₀；

功率振荡抑制器输出的无功功率初始值Q₀；

可控变压器分接头变比N；

ω₀为50或60Hz所对应的角频率；

第一PI控制模块控制系数k_p1和k_i1，1≤k_p1≤100,1≤k_i1≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；

第二PI控制模块控制系数k_p2和k_i2，1≤k_p2≤100,1≤k_i2≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；

按照电网运行状况，进行无功功率和/或有功功率调节；

通过改变可控变压器分接头开关的调制信号，调节其输出的有功功率和无功功率；

步骤2.电网有功功率调节按以下步骤执行：

步骤21.通过第一比较模块按下式计算第一PI控制模块的输入值μ_S1：

μ_S1＝P₀-P，其中P为第一比较模块输入的有功功率值；

步骤22.第一PI控制模块在接收到所述第一比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μ_C1，计算公式如下：μ_C1＝k_p1μ_S1+k_i1∫μ_S1dt，

其中，k_p1和k_i1是第一PI控制模块的控制系数；

步骤23.通过第一加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的相角θ：

θ＝θ₀+μ_C1，其中，θ₀为可控变压器输出电压基波的输入相角；

步骤3.电网无功功率调节按以下步骤执行：

步骤31.通过第二比较模块按下式计算第二PI控制模块的输入值μ_S2：

μ_S2＝Q₀-Q，其中Q为第一比较模块输入的无功功率值；

步骤32.第二PI控制模块在接收到所述第二比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μ_C2，计算公式如下：

μ_C2＝k_p2μ_S2+k_i2∫μ_S2dt，

其中，k_p2和k_i2是第二PI控制模块的控制系数；

步骤33.通过第二加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的幅值

其中，

为可控变压器输出电压基波的输入幅值；

步骤4.通过公式计算得到调制系数和相位初值：

实时采集可控变压器输入电压V_in＝V₁sin(ω₀t)，其中V₁为输入电压V_in的幅值；

将上述计算得到的可控变压器输出电压基波的相角θ和幅值

代入下述公式，求得

其中， $A=\frac{1+N-2{\mathrm{NK}}_0}{1-N^2},$ $B=\frac{{\mathrm{NK}}_2}{1-N^2};$

于是可得到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

步骤5.通过公式计算得到调制占空比D：

步骤6.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；

步骤7.重复步骤2至步骤6，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。

3.根据权利要求2所述的进行电网功率振荡抑制的方法，其特征在于，所述第一PI控制模块和所述第二PI控制模块的控制规律是比例积分微分控制方式。

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