CN103178514B - 增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法包括以下步骤：从局部系统级控制的角度，根据电网的本地量测量，形成等值模型；在上述等值模型的基础上，形成稳定域，进行稳定评估，得到稳定指标；根据稳定指标，计算出设备级的具体控制量；根据具体控制量对可控电抗器实施平滑调节，实现对电网的无冲击调节。本发明方法克服了以往不考虑可控电抗器接入点的电网状态及其调节量对电网影响控制粗糙性，实现了增强电网稳定性的控制方式。

Description

增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于高压电网的电抗器领域控制技术，具体的说是一种增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法。

背景技术

随着对环境保护的重视和大电网互联、电力市场的发展，电力系统越来越靠近其稳定边界运行。这给电力系统的稳定运行带来了新的挑战。当电力系统稳定运行的约束条件被破坏时，电网就可能失去稳定，甚至发生大面积停电事故。在这种形势下，研制新型的无功补偿设备及其新的控制方法实现增强系统稳定性势在必行。

阻抗分级式并联可控电抗器和磁控连续式并联可控电抗器(以下简称为可控电抗器，其输出无功功率的范围为[Q_{controllable.min} Q_{controllable.max}])，是一种新的用于超高压电网的无功补偿设备，该设备为电力电子技术、现代控制理论和电磁感应技术等融合而成，不仅可以直接并联接入超\特高压电网，而且具有阻抗可调等特性。可控电抗器通过接入点(或挂点)注入无功，改变电网的参数，实现对无功潮流的控制，不仅是一种可靠地抑制由于高压长线路对地电容引起的工频过电压、平衡非对称运行的冲击和抑制功率振荡等控制手段，而且在静态稳定的前提下，进一步提高系统最大传输容量、降低网损或者增加系统阻尼，提高暂态稳定性等。因此可控电抗器对系统的影响程度及其控制方式成为当前研究的重点和热点之一。其主要作用如下：

(1)降低轻负荷线路上的电容效应产生的容性无功功率，以降低工频过电压。

(2)改善长输电线路上的电压分布，抑制工频稳态过电压。

(3)使轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡，防止无功功率不合理流动，同时也减轻了线路上的功率损失。

(4)在大机组与系统并列时降低高压母线上工频稳态电压，便于发电机同期并列。

(5)防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。

(6)当采用电抗器中性点经小电抗接地装置时，还可用小电抗器补偿线路相间及相地电容，以加速潜供电流自动熄灭，便于线路重合闸。

针对可控电抗器的控制，目前可控电抗器的控制方式如下：

(1)自动恒电压

(2)自动恒无功

(3)手动恒触发角度

(4)手动恒励磁电流

不过，无论国内和国外的控制方式，均未能充分地利用可控电抗器的可控特性，没有考虑可控电抗器投入或者调节时间段内，电网的稳定状况和可控电抗器的调节是否影响电力系统的稳定性。

发明内容

针对现有技术中可控电抗器控制方法没有考虑可控电抗器投入或者调节时间段内，电网的稳定状况和可控电抗器的调节是否影响电力系统的稳定性等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法包括以下步骤：

从局部系统级控制的角度，根据电网的本地量测量，形成等值模型；在上述等值模型的基础上，形成稳定域，进行稳定评估，得到稳定指标；根据稳定指标，计算出设备级的具体控制量；根据具体控制量对可控电抗器实施平滑调节，实现对电网的无冲击调节。

等值模型的形成是在可控电抗器接入点的本地电气量测量的基础上进行基于戴维南原理的等值变换，包括以下步骤：

在可控电抗器的接入点导入实时数据，形成本地量测量的数据库；

根据本地量测量的实时数据，形成连续两次的本地量测量U_load.t，U_load.t-1；I_load.t，I_load.t-1；S_load.t，S_load.t-1，其中U_load.t表示t时刻负荷的电压量，U_load.t-1表示t-1时刻负荷的电压量；I_load.t表示t时刻负荷的电流量；I_load.t-1表示t-1时刻负荷的电流量；S_load.t表示t时刻负荷的功率值；S_load.t-1表示t-1时刻负荷的功率值；把电网分为等值电源和等值负荷，运用戴维南等值原理，形成等值数学方程，再运用参数跟踪辨识技术将等值数学方程的参数进行实时跟踪辨识，得到待求量即为戴维南等值内阻抗和等值电源，将等值内阻抗和等值电源代入等值数学方程，得到等值模型。

所述在上述等值变换的基础上，形成稳定域包括以下步骤：

在基于戴维南原理的等值模型的基础上，形成关于可控电抗器接入点的数学方程：

${\stackrel{\·}{S}}_{\mathrm{load}.t}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.t}{\left(\frac{{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{equ}.t}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.t}}{{\stackrel{\·}{Z}}_{\mathrm{equ}.t}}\right)}^{*}$

其中，为戴维南等值内阻抗和电压源；为负荷的实时功率的大小；为可控电抗器接入点的实时电压的矢量值，U_min为节点最低电压，U_max为节点最高电压；

根据可控电抗器接入点的数学方程，求解出可控电抗器的稳定域：

戴维南等值模型中，根据数学方程求出的稳定域为 $R_{\mathrm{stability}.t}=f({\stackrel{\·}{Z}}_{\mathrm{equ}.t},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{equ}.t},{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{equ}.t});$

在可控电抗器稳定域的基础上，根据当前等效负荷阻抗和当前等值模型中的参数形成的稳定域，进行比较，评估出当前运行点的稳定指标：

$I_{\mathrm{stability}.t}=f({\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{equ}.t},{\stackrel{\·}{Z}}_{\mathrm{load}.t},{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.i},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{equ}.t})$

其中I_stability.t为当前t时刻的稳定指标，为当前的负荷等值阻抗。

所述根据具体控制量对可控电抗器实施平滑调节，实现对电网的无冲击调节，包括以下步骤：

根据上级电网调度指令、开关位置和当前状态，在稳定域的范围内、边界及范围外控制可控电抗器直流励磁系统或者可控电抗器控制绕组的旁路开关来实现对可控电抗器的控制，具体为：

1)在稳定域的范围内，根据稳定指标的大小，进行恒电压、恒无功、恒功率角、稳定增强型控制以及优化控制；

2)在稳定域的边界上，进行预防性控制；

3)在稳定域范围外，进行校正型控制；

4)在线路故障或线路充电时，进行紧急控制方式。

所述优化控制为：

基于等值模型，建立局部网络潮流方程；基于电网约束条件和调度指令，以最小网损或电压质量为优化指标，在可控电抗器的可调阻抗的范围内进行控制。

所述预防型控制为：电网稳定指标已经在稳定域边界附近，通过计算可控电抗器当前可控量的大小和当前校正稳定指标到稳定域内所需要的可控量；根据上述可控量对可控电抗器进行调节。。

所述校正型控制为：电网稳定指标已经在稳定域边界附近，通过计算可控电抗器当前可控量的大小和当前校正稳定指标到稳定域内所需要的可控量；根据上述可控量对可控电抗器进行调节，使稳定指标调整到稳定域。

所述紧急控制方式为：通过可控电抗器接入点的本地电气量信息或者继电保护的信号，作为启动紧急控制的标示，通过可控电抗器阻抗值的调节达到迅速降低线路阻抗，增强系统的同步转矩。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明方法克服了以往不考虑可控电抗器接入点的电网状态及其调节量对电网影响控制粗糙性，实现了增强电网稳定性的控制方式，具体来讲，第一：充分考虑到电网的实时状态和可控电抗器的调节容量对系统的影响程度；第二：根据实时电网状态数据，建立戴维南等值或者诺顿等值模型，形成稳定域，进而评估出稳定指标；第三：在稳定指标、当前电网状态和辅助输入信息(比如说调度中心指令)等结合下，进行恒电压、恒无功、恒功率角、等值阻抗、稳定增强型控制、优化控制、校正控制和紧急控制等，最终形成设备级的控制指令。

附图说明

图1为本发明方法控制流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

可控电抗器，从本体上来看，可以看成为并联型可控阻抗，通过控制直流线圈中的磁场强度的大小，向系统输出对应的无功功率，从而实现对电网状态量的调节。从电力系统的角度来看，可控电抗器的功能和响应特性，在很大程度上还取决于控制方式。因此可控电抗器的控制方法分为：设备级的控制方法(与电力电子和磁阻效用关联起来的控制方法，实现可控电抗器为平滑地可调节的阻抗或者无功电源)和局部系统级的控制方法(以调度中心的指令为先导，从电网的当前状态和电网等值结构出发，基于一定的控制策略向设计级的控制提供一定的“阻抗值”或“无功功率值”为参考量)。

本发明一种可控电抗器的提高稳定性的控制方法包括以下步骤：

从局部系统级控制的角度，根据电网的本地量测量，形成等值模型；在上述等值模型的基础上，形成稳定域，进行稳定评估，得到稳定指标；根据稳定指标，计算出设备级的具体控制量；根据具体控制量对可控电抗器实施平滑调节，实现对电网的无冲击调节。

等值模型的形成是在可控电抗器接入点的本地电气量测量的基础上进行基于戴维南原理的等值变换，包括以下步骤：

在可控电抗器的接入点导入实时数据，形成本地量测量的数据库；

根据本地量测量的实时数据，形成连续两次的本地量测量U_load.t，U_load.t-1；I_load.t，I_load.t-1；S_load.t，S_load.t-1，其中U_load.t表示t时刻负荷的电压量，U_load.t-1表示t-1时刻负荷的电压量；I_load.t表示t时刻负荷的电流量；I_load.t-1表示t-1时刻负荷的电流量；S_load.t表示t时刻负荷的功率值；S_load.t-1表示t-1时刻负荷的功率值；把电网分为等值电源和等值负荷，运用戴维南等值原理，形成等值数学方程，再运用参数跟踪辨识技术将等值数学方程的参数进行实时跟踪辨识，得到待求量即为戴维南等值内阻抗和等值电源，将等值内阻抗和等值电源代入等值数学方程，得到等值模型。

在上述等值变换的基础上，形成稳定域包括以下步骤：

在基于戴维南原理的等值模型的基础上，形成关于可控电抗器接入点的数学方程：

${\stackrel{\·}{S}}_{\mathrm{load}.t}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.t}{\left(\frac{{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{equ}.t}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.t}}{{\stackrel{\·}{Z}}_{\mathrm{equ}.t}}\right)}^{*}$

其中，为戴维南等值内阻抗和电压源；为负荷的实时功率的大小；为可控电抗器接入点的实时电压的矢量值，U_min为节点最低电压，U_max为节点最高电压；

根据可控电抗器接入点的数学方程，求解出可控电抗器的稳定域：

戴维南等值模型中，根据数学方程求出的稳定域为 $R_{\mathrm{stability}.t}=f({\stackrel{\·}{Z}}_{\mathrm{equ}.t},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{equ}.t},{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{equ}.t});$

在可控电抗器稳定域的基础上，根据当前等效负荷阻抗和当前等值模型中的参数形成的稳定域，进行比较，评估出当前运行点的稳定指标：

$I_{\mathrm{stability}.t}=f({\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{equ}.t},{\stackrel{\·}{Z}}_{\mathrm{load}.t},{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.i},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{equ}.t})$

其中I_stability.t为当前t时刻的稳定指标，为当前的负荷等值阻抗。

根据具体控制量对可控电抗器实施平滑调节，实现对电网的无冲击调节，包括以下步骤：

根据上级电网调度指令、开关位置和当前状态，在稳定域的范围内、边界及范围外控制可控电抗器直流励磁系统或者可控电抗器控制绕组的旁路开关来实现对可控电抗器的控制，具体为：

1)在稳定域的范围内，根据稳定指标的大小，进行恒电压、恒无功、恒功率角、稳定增强型控制以及优化控制；

2)在稳定域的边界上，进行预防性控制；

3)在稳定域范围外，进行校正型控制；

4)在线路故障或线路充电时，进行紧急控制方式。

本发明在实施时，根据控制装置的本地量测量，建立网络等值模型，辨识等值模型参数，评估出当前电抗器挂点的稳定状态；再根据辅助信号或者自动控制逻辑，计算出控制目标对应的晶闸管合闸角的大小，输出到可控高亢起的整理环节，进行闭环控制，直至电抗器输出值达到控制目标。

如图1所示，本发明方法的总体步骤包括：

第一步：在可控电抗器的接入点导入实时数据；

第二步：根据可控电抗器接入点的实时数据和可控电抗器控制设备的本地量测量建立网络等值模型，辨识等值模型参数；

第三步：根据本地量测量的实时采样数据，形成大于或者等于2次的本地连续时刻量测量U_load.i.t，U_load.t-1；I_load.i.t，I_load.t-1；S_load.i.t，S_load.i.t-1；

第四步：判断可控电抗器挂入点的电网是否为故障；电网无故障，继续到第六步；

第六步：在本地量测量的数据库上，以可控电抗器的接入点为基点，把系统分为等值电源和等值负荷，运用戴维南或者诺顿等值原理，形成等值数学方程。运用参数跟踪辨识技术进行实时辨识，得到待求量即为戴维南等值内阻抗和等值电源(或者求取诺顿等值参数)。也可以采用大于连续2次的本地量测量，利用最小二乘法等参数辨识方法，求取戴维南等值参数和诺顿等值参数，这样可以进一步提高准确度；或者运用戴维南或者诺顿等值原理形成等值数学方程后，再运用参数跟踪辨识技术进行实时辨识，求取诺顿等值内导纳和等值电流源

在此基础上，结合可控电抗器的电压稳定运行范围和辅助信号，计算出此基点上的稳定裕度、稳定指标和实时安全稳定运行域(Real-timeSecurity Region，简写为RSR)，具体为：

在基于戴维南或者诺顿原理等值模型的基础上，形成关于可控电抗器接入点的数学方程：

${\stackrel{\·}{S}}_{\mathrm{load}.t}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.t}{\left(\frac{{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{equ}.t}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.t}}{{\stackrel{\·}{Z}}_{\mathrm{equ}.t}}\right)}^{*}$

其中，为戴维南等值内阻抗和电压源；为负荷的实时功率的大小；为可控电抗器接入点的实时电压的矢量值，U_min为节点最低电压，U_max为节点最高电压；

或者，其中，为诺顿等值内导纳和电流源。

以上公式中：另外，根据不同的电压等级和电能质量的要求的不同，必须满足 $U_{\min }\≤\left|{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.t}\right|\≤U_{\max }.$

根据可控电抗器接入点的数学方程，求解出可控电抗器的稳定域：

戴维南等值模型中，根据数学方程求出的稳定域为基于诺顿等值模型的稳定域为其中φ_equ.t为等值的内阻抗角，R_stability.t为稳定域；

在可控电抗器稳定域的基础上，通过判断当前的稳定运行点距离稳定边界的距离，评估当前出稳定指标：

为当前时刻t的稳定指标，其中I_stability.t为当前稳定指标，为当前的负荷等值阻抗。

第七步：根据第六步的指标，判断接入点是否稳定，如果为稳定，继续到第九步；

第九步：判断稳定指标的大小，从而得到稳定状态，如果稳定指标的大小或稳定状态不在稳定域的边界，即稳定裕度大，则接续第十一步；

第十一步：根据系统要求，可以进行恒电压、恒无功、恒功率角、稳定增强型控制或优化控制等控制方式；即在稳定域的范围内，根据稳定指标的大小，进行恒电压、恒无功、恒功率角、稳定增强型控制(调节可控电抗器，进一步增强稳定性，比如说：假如可控电抗器的接入点，电源端无变化，负荷侧或者具有受端特征侧的阻抗发生动态变化。在这种情况下，基于等值模型的可控电抗器的局部系统级控制量和设备级控制量，随着负荷阻抗的动态变化而平滑地调节可控电抗器)；以及优化控制(基于等值模型，建立潮流方程，以电压稳定域、热稳定等为约束条件，以最小网损或电压质量为优化指标，在可控电抗器的可调阻抗的范围内进行控制)。

第十三步：可控电抗器实时的运行状态信号和电网运行辅助信号等输入，作为一个重要的因素，评估出当前可控电抗器的无功输出余量和集控中心或本地控制的特殊要求等辅助信息，整合到控制流程中；

第十四步：结合以上结果，根据控制目标，形成稳定控制量并输出到直流励磁系统。

第九步中，如果稳定指标的大小或稳定状态在稳定域的边界，则接续第十二步，在稳定域的边界进行预防型控制，即为了避免失稳发生，向可控电抗器稳定域内调节，进一步提高稳定指标；

第七步中：根据第六步的指标，判断接入点是否稳定的结果如果为否，则接续第八步，判断可控电抗器是否实现校正型控制，即电电网稳定指标已经在稳定域外，通过计算可控电抗器当前可控量的大小和当前校正稳定指标到稳定域内所需要的可控量，进而进行校正型控制，防止失稳现象扩大。如果是，则接续第十步，进行校正型控制，转至第十四步；如果可控电抗器不实现校正型控制，则系统失稳，结束一次控制过程。

第四步判断可控电抗器挂入点的电网是否为故障的结果为是，则接续第五步进行紧急控制，然后转至第十四步。

所述优化控制为：

基于等值模型，建立局部网络潮流方程；基于电网约束条件和调度指令，以最小网损或电压质量为优化指标，在可控电抗器的可调阻抗的范围内进行控制。

所述预防型控制为：电网稳定指标已经在稳定域边界附近，通过计算可控电抗器当前可控量的大小和当前校正稳定指标到稳定域内所需要的可控量；根据上述可控量对可控电抗器进行调节，提高稳定性。

所述校正型控制为：电网稳定指标已经在稳定域边界附近，通过计算可控电抗器当前可控量的大小和当前校正稳定指标到稳定域内所需要的可控量；根据上述可控量对可控电抗器进行调节，使稳定指标调整到稳定域。

所述紧急控制方式为：通过可控电抗器接入点的本地电气量信息或者继电保护的信号，作为启动紧急控制的标示，通过可控电抗器阻抗值的调节达到迅速降低线路阻抗，增强系统的同步转矩，提高暂态稳定性的目的(属于开环控制方式)。

Claims (7)

1.一种增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

从局部系统级控制的角度，根据电网的本地量测量，形成等值模型；在上述等值模型的基础上，形成稳定域，进行稳定评估，得到稳定指标；根据稳定指标，计算出设备级的具体控制量；根据具体控制量对可控电抗器实施平滑调节，实现对电网的无冲击调节；

所述根据具体控制量对可控电抗器实施平滑调节，实现对电网的无冲击调节，包括以下步骤：

根据上级电网调度指令、开关位置和当前状态，在稳定域的范围内、边界及范围外控制可控电抗器直流励磁系统或者可控电抗器控制绕组的旁路开关来实现对可控电抗器的控制，具体为：

1)在稳定域的范围内，根据稳定指标的大小，进行恒电压、恒无功、恒功率角、稳定增强型控制以及优化控制；

2)在稳定域的边界上，进行预防性控制；

3)在稳定域范围外，进行校正型控制；

4)在线路故障或线路充电时，进行紧急控制方式。

2.按权利要求1所述的增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法，其特征在于：等值模型的形成是在可控电抗器接入点的本地电气量测量的基础上进行基于戴维南原理的等值变换，包括以下步骤：

在可控电抗器的接入点导入实时数据，形成本地量测量的数据库；

根据本地量测量的实时数据，形成连续两次的本地量测量U_load.t,U_load.t-1；I_load.t,I_load.t-1；S_load.t,S_load.t-1，其中U_load.t表示t时刻负荷的电压量，U_load.t-1表示t-1时刻负荷的电压量；I_load.t表示t时刻负荷的电流量；I_load.t-1表示t-1时刻负荷的电流量；S_load.t表示t时刻负荷的功率值；S_load.t-1表示t-1时刻负荷的功率值；把电网分为等值电源和等值负荷，运用戴维南等值原理，形成等值数学方程，再运用参数跟踪辨识技术将等值数学方程的参数进行实时跟踪辨识，得到待求量即为戴维南等值内阻抗和等值电源，将等值内阻抗和等值电源代入等值数学方程，得到等值模型。

3.按权利要求1所述的增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法，其特征在于：所述在上述等值变换的基础上，形成稳定域包括以下步骤：

在基于戴维南原理的等值模型的基础上，形成关于可控电抗器接入点的数学方程：

${\stackrel{\·}{S}}_{\mathrm{load}.t}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.t}{\left(\frac{{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{equ}.t}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.t}}{{\stackrel{\·}{Z}}_{\mathrm{equ}.t}}\right)}^{*}$

其中，为戴维南等值内阻抗和电压源；为负荷的实时功率的大小；为可控电抗器接入点的实时电压的矢量值，U_min为节点最低电压，U_max为节点最高电压；

根据可控电抗器接入点的数学方程，求解出可控电抗器的稳定域：

戴维南等值模型中，根据数学方程求出的稳定域为 $R_{\mathrm{stability}.t}=f({\stackrel{\·}{Z}}_{\mathrm{equ}.t},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{equ}.t},{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{equ}.t});$

在可控电抗器稳定域的基础上，根据当前等效负荷阻抗和当前等值模型中的参数形成的稳定域，进行比较，评估出当前运行点的稳定指标：

$I_{\mathrm{stability}.t}=f({\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{equ}.t},{\stackrel{\·}{Z}}_{\mathrm{load}.t},{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{load}.i},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{equ}.t})$

其中I_stability.t为当前t时刻的稳定指标，为当前的负荷等值阻抗，φ_equ.t为等值的内阻抗角。

4.按权利要求1所述的增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法，其特征在于：所述优化控制为：

基于等值模型，建立局部网络潮流方程；基于电网约束条件和调度指令，以最小网损或电压质量为优化指标，在可控电抗器的可调阻抗的范围内进行控制。

5.按权利要求1所述的增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法，其特征在于：所述预防型控制为：电网稳定指标已经在稳定域边界附近，通过计算可控电抗器当前可控量的大小和当前校正稳定指标到稳定域内所需要的可控量；根据上述可控量对可控电抗器进行调节。

6.按权利要求1所述的增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法，其特征在于：所述校正型控制为：电网稳定指标已经在稳定域边界外，通过计算可控电抗器当前可控量的大小和当前校正稳定指标到稳定域内所需要的可控量；根据上述可控量对可控电抗器进行调节，使稳定指标调整到稳定域。

7.按权利要求1所述的增强电网稳定性的可控电抗器的控制方法，其特片在于：所述紧急控制方式为：通过可控电抗器接入点的本地电气量信息或者继电保护的信号，作为启动紧急控制的标示，通过可控电抗器阻抗值的调节达到迅速降低线路阻抗，增强系统的同步转矩。