CN103701131A - 改进型sen变压器的拓扑结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型SEN变压器的拓扑结构及控制方法，由SEN变压器和统一潮流控制器串联构成，SEN变压器串联入输电线路；统一潮流控制器的并联变化器VSC1并联在配电网传输系统的等效首端，统一潮流控制器的并联变化器VSC2并联在配电网传输系统的等效末端。SEN变压器通过控制普通的有载调压开关实现360°离散可调串联电压；统一潮流控制器通过电力电子开关实现360°连续可调的串联电压。本发明具有电压连续可调、补偿精确度高、且能避免投切振荡问题等优点，可用于调控输电线路潮流分布。

Description

改进型SEN变压器的拓扑结构及控制方法

技术领域

本发明属于柔性交流输电系统技术领域，尤其是涉及一种改进型SEN变压器的拓扑结构及控制方法。

背景技术

随着全球经济一体化进程加剧，电力工业面临来自各行各业越来越多的挑战。工业用电需求不断上升，环境能源方面压力不断加大，正促使电力系统向更坚强、更高效、更清洁的方向发展。而近年发生的一些大的停电事故表明，电力系统输电效率和系统安全稳定运行是尤其需要重点解决的问题。目前，世界上电能的生产、输电和分仍以集中式发电、远距离输电和大电网互联为主。由于一次能源的分布不平衡，导致了我国电网不得不向大容量、远距离输电的方面发展。当前，我国电网正逐渐向大机组、超高压、远距离输送和跨区域互联的方向深入发展，在这种大规模的电网运行下保证整个系统的灵活可控、安全稳定是现在关注和研究的热点与难点。其中最为关键的几个问题就是系统潮流控制、改善系统稳定性和提高线路传输容量。

电力网络中对输电方面的控制相较于配电网和发电端要复杂一些，线路中的潮流分布会随着自然负荷的变化而实时产生变化，不仅会造成较大的电能损失、降低输电效率，同时还会影响电能质量。而区域电网的互联使电网规模越来越大，会造成潮流的分布不均衡。假设从甲地到乙地有两条输电线路，在潮流传输不均衡极其严重时，就可能会造成一条输电线接近或超过其输电约束边缘，而另一条输电线路却只达到了它能传输容量的几分之一，这不仅会造成设备的利用不合理（有的过负荷、有的却轻载），更可能影响整个系统的安全运行。在互联的电力系统区域间的功率交换过程中，也需要对潮流的控制作用来改善功率交换能力。故对整个系统的潮流控制，使传输、分配更加合理是至关重要的。

由于区域电网的相互联接，系统网架越来越复杂，就会造成在大系统中系统的阻尼特性变得越来越低，电磁环网和过负载情况严重，更有可能诱发系统发生低频振荡。为此，需要有效的控制手段来调节系统运行参数，抑制功率振荡。同时在系统运行过程中，为减小由于系统无功不足而造成的电压崩溃问题，也需要寻求一定的控制方法和有效的控制手段来调节系统的节点电压和无功分布。从而改善系统的稳定性。

电能的产生和利用是通过电网来连接起来的，故而发电和用电的水平与效率和电网的输电能力密切相关。当前电力系统大多运行在重载情况下，电力网络的损耗很大，系统的可用输电能力比较有限。同时，由于受到系统稳定性的限制，交流远距离输电的传输功率远低于输电线路发热所能允许的极限值，线路的输电容量并没有得到充分的利用。以往，为了增加两个区域网络的传输容量通常采用假设新输电线路的方法，但由于环境保护、输电成本、输电走廊等一系列因素的限制，新建电源和输电线路的方法越来越难以成行。为此，需要寻求在不改变现有网络架构的情况下，通过一些装置的调控作用来提高输电线路的传输容量。

采用大功率电力电子技术的灵活交流输电系统（Flexible AC TransmissionSystem，FACTS）是目前和未来解决这些问题的一条重要途径。SEN变压器是一种用于调控输电线路传输容量的常用灵活交流输电系统，但SEN变压器的输出电压是一系列离散点，补偿精确度受限于二次侧抽头数目，在抽头投切过程中可能因寻不到最优位置点而发生投切振荡问题。

发明内容

针对现有SEN变压器存在的不足，本发明提供了一种可实现电压连续可调、提高补偿精确度、且能避免投切振荡问题、用于调控输电线路潮流分布的改进型SEN变压器的拓扑结构及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

改进型SEN变压器的拓扑结构，由SEN变压器和统一潮流控制器串联构成，SEN变压器串联入输电线路；统一潮流控制器的并联变化器VSC1并联在配电网传输系统的等效首端，统一潮流控制器的并联变化器VSC2并联在配电网传输系统的等效末端。SEN变压器通过控制普通的有载调压开关实现360°离散可调串联电压；统一潮流控制器通过电力电子开关实现360°连续可调的串联电压。

上述改进型SEN变压器的控制方法，包括步骤：

步骤1，对输电网传输系统进行潮流分析，确定输电线路实时功率；

步骤2，根据实时功率和目标功率，获得需补偿功率；

步骤3，根据需补偿功率进行功率容量分配，分别获得SEN变压器和统一潮流控制器的补偿功率；

步骤4，计算根据SEN变压器和统一潮流控制器的补偿功率补偿后输电线路是否符合目标功率，若符合，执行步骤5；否则，SEN变压器和统一潮流控制器分别根据各自的控制策略重新进行功率容量分配，直到输电线路符合目标功率，然后，执行步骤5；

步骤5，根据SEN变压器和统一潮流控制器的当前补偿功率，分别将SEN变压器和统一潮流控制器分别置为各自的补偿位置，进行输电线路功率补偿。

上述SEN变压器的控制策略为滑模变结构的闭环控制。

上述统一潮流控制器的控制策略为PI结构的闭环控制。

步骤3中所述的根据需补偿功率进行功率容量分配，具体为：

统一潮流控制器最大输出电压幅值

其中，V_ST为SEN变压器的最大输出电压，M为SEN变压器的抽头数量。

SEN变压器控制简单、成本低、容量大、可靠性高，但是其二次侧抽头数目有限，在调节系统潮流时，其离散调节的特征可能导致控制点无法精确达到系统控制任务的需求，而且响应速度慢。在运行过程中，SEN变压器只能改善系统的无功分布却不能向系统提供无功功率，若是在系统无功不足的情况下，则更加有可能给系统带来极大的负担。统一潮流控制器虽然功能强大，但是其设备成本、运行费用都非常高，而且控制系统极其复杂，功率又比较有限，这些问题都极大的束缚了它在实际系统中的推广应用。统一潮流控制器可以补偿一定的系统无功，但是受限于其容量，它所能补偿的无功功率是比较有限的。如果用大容量的SEN变压器辅以小容量的统一潮流控制器，那么在调节系统潮流的时候，不仅可以充分发挥SEN变压器的大容量、稳定性高的功能，也可以用统一潮流控制器实现快速灵活、连续平滑的调节，而且其设备成本相对来说，又是比较经济实惠的。

为充分利用SEN变压器的经济性和潮流调控能力，并解决SEN变压器补偿不精确问题，本发明提供了改进型SEN变压器（简称为：IST），IST由SEN变压器和统一潮流控制器串联组成，且IST以串联形式接入输电线路中。SEN变压器通过控有载调压开关，实现360°离散可调的串联电压；统一潮流控制器利用电力电子开关实现360°连续可调的串联电压；SEN变压器和统一潮流控制器共同工作起到控制系统潮流的作用。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1、通过在SEN变压器ST侧串连统一潮流控制器UPFC来调节输电线路潮流分布，避免了输出的电压是一系列离散点，使输电线路电压连续可调。

2、提高输电线路补偿精确度，实现了精确补偿。

3、解决了抽头投切过程中因可能寻不到最优位置点而发生的投切振荡问题，使得统一潮流控制器稳定不至于过度切换。

附图说明

图1为本发明改进型SEN变压器的拓扑结构图；

图2为本发明改进型SEN变压器调节的电压向量图；

图3为本发明改进型SEN变压器等效的桥臂单元分解结构；

图4为本发明改进型SEN变压器的电流和电压控制框图；

图5为本发明改进型SEN变压器控制策略流程图；

图6为仿真模型示意图；

图7为输电线路传输潮流图；

图8为输电线路首端输出功率图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步说明本发明的技术方案。

见图1，本发明改进型SEN变压器由大容量的ST和小容量的UPFC串联构成，UPFC的并联变化器VSC1并联接在配电网传输系统的等效首端电压处。配电网传输系统的首端和末端电源电压为

首端和末端电源的内阻抗为X_s、X_r；改进型SEN变压器补偿后的等效首端电压为

等效末端电压为

输电线路阻抗等效为X_L，忽略线路电阻。

ST和UPFC配合起来调节配电网传输系统潮流，UPFC的并联变换器VSC1配合起来补偿系统无功，ST串接一幅值和相位均离散可调的电压

即ST的输出电压；UPFC通过串联部分串接一幅值和相位均连续可调的电压

即UPFC的输出电压。当需要改善系统潮流时，由

和

配合实现：

提供离散的、较大的电压，

提供精确的、余下的较小电压，两者配合实现连续的、大容量的潮流控制。UPFC并联变换器VSC1可提供连续的、可调的，从感性区域到容性区域的无功功率。

在调控线路潮流时，假设配电网传输系统首端和末端电压保持不变。由图1可知，ST和UPFC补偿后的等效首端电压

改变，

也随之改变，即

分别表示

的变化量。由于输电线路参数通常是不变的，即X_L保持不变，那么根据：

$P_r=\frac{V_s{V}_r}{X_L}\sin \mathrm{\δ}---\left(1\right)$

$Q_r=\frac{V_s{V}_r}{X_L}(\cos \mathrm{\δ}-\frac{V_r}{V_s})---\left(2\right)$

其中，V_s、V_r、X_L表示

的标量；X_L为输电线路等效阻抗。

由式（1）和（2）可知，线路传输的有功功率P_r、无功功率Q_r的变化量由

的变化量

以及线路首端电压与末端电压的相角差δ确定，也就是由

和确定。由此可见，调节ST和UPFC串联接入系统的电压，也就等效的调节了系统线路传输的潮流。

由于IST调控潮流的作用是由ST和UPFC配合实现的，ST提供大部分容量，起主要作用；UPFC提供小部分容量，起辅助作用。那么，必然存在ST和UPFC的容量配合问题。如何配置容量能保证在较大范围内调节系统的潮流同时又具有经济性和可靠性，是一个不得不深究的问题。

在ST输出容量一定时，若UPFC容量太小，则会存在潮流调节的盲区，不能连续平滑的控制潮流；若UPFC容量过大，虽然可以连续平滑的调控潮流，但是设备成本增加，从经济角度考虑显然也是不可取的。图2直观地给出了ST和UPFC的容量配合关系，图中是以电压作为参考量。

SEN变压器的功率容量分配优选方案参见图2，图中，小实点是ST自身能输出的一系列离散电压点，以小实点为中心的正圆（以下称：与小实点配合的正圆）为UPFC能输出的电压范围。显然，小实点周围都配上UPFC输出的正圆时，能覆盖到的范围就是IST调控潮流时能调节的电压范围。ST与UPFC的配合问题就是能组成三角形的三个相邻小实点和其周围正圆的配合问题。若配合的正圆半径太小，即UPFC容量太小，则三个正圆间会有覆盖不到的地方，也就是存在潮流调节的盲区；若正圆半径过大，即UPFC容量过大，虽然都能覆盖到但是会存在重叠部分，即不具备经济性。由几何关系可知，当三个配合的正圆相交于一点时，能覆盖到所有范围而正圆半径又最小，即UPFC的容量最合理。

假设带一个抽头的ST（见图2所示）的最大输出电压V_ST为0.1pu，即图2中小三角形边长为0.05pu，由几何关系可知，UPFC的最大输出电压幅值V_upfc为：

$V_{\mathrm{upfc}}=\frac{V_{\mathrm{SF}}}{2\sqrt{3}}---\left(3\right)$

若ST的抽头数量增多，但其最大输出电压V_ST保持不变时，UPFC的最大输出电压幅值会随着抽头增多而减小，如下式（4）所示：

$V_{\mathrm{upfc}}=\frac{V_{\mathrm{ST}}}{(M+1)\sqrt{3}}---\left(4\right)$

式（4）中，M表示ST的抽头数量。

虽然ST抽头数量增多，会使UPFC的最大容量减小，但当抽头数量增加到一定时，UPFC最大容量的减小并不太明显，而ST的控制却会变得更加复杂。故选择合适抽头数量的ST配以合理容量的UPFC，可以极大容量且能快速灵活、平滑连续的调节系统潮流。

IST在调控线路潮流时，为便于控制，通常需要将首端接入端

点处的电压稳定住。由于线路的无功消耗，ST转移无功的时候需要从并联侧吸收大量的无功功率，通常会造成

点处电压的波动，仅靠UPFC并联变换器VSC1的补偿作用，难以稳定

点电压。若是连接在点的负荷的无功需求增加，则并联变换器更加难以为继。

UPFC并联变换器VSC1补偿无功功率是靠其控制逆变器发出与

成90°的电流

来实现的，是容性功率还是感性功率则由超前

90°还是滞后

90°来决定。

补偿系统容性无功时，假设负荷所需的无功功率为Q_LD，UPFC并联变换器VSC1发出的无功功率为Q_upfc（有限可调的，此时电流

超前电压

90°），则系统供给节点i的无功功率Q_i应满足下式要求，即

Q_i＝Q_LD-Q_upfc   （5）

负荷无功功率变化ΔQ_LD所引起的节点i的无功功率变化ΔQ_i为：

ΔQ_i＝ΔQ_LD-ΔQ_upfc   （6）

如果保持Q_i为常数，系统不向节点i补偿额外的无功功率，即ΔQ_i＝0，则必须满足ΔQ_LD＝-ΔQ_L+ΔQ_upfc。也就是说，只要使Q_i恒定，从而使节点i电压U_i保持常数或在允许的电压偏移范围内。

在需要消耗系统过剩的容性无功功率时，即补偿感性无功功率，M-SVC的电容器组通常不需要投入，调节磁控电抗器使其吸收的无功功率Q_L与UPFC并联变换器吸收的无功功率Q_upfc（此时电流滞后电压

90°）之和等于系统过剩的容性无功功率Q_ic，即Q_ic＝Q_L+Q_upfc，就可以保证系统的无功平衡。

本发明改进型SEN变压器的控制主要分成两个部分，一个是以ST为大主体的潮流控制部分，一个是以UPFC为小主体的潮流控制部分。潮流控制部分是以输电线路的有功功率和无功功率为直接控制目标，通过调节ST和UPFC的输出来改变输电线路的传输功率，也就是改变输电线路的电压和电流。ST采用滑模变结构的闭环控制，UPFC采用PI结构的闭环控制，ST和UPFC组成双闭环控制。ST在内环，UPFC在外环，具体的控制框图见图3，图3中，P_ref、Q_ref分别指补偿前线路传输的有功功率和无功功率，P_n、Q_n指UPFC的额定有功功率和额定无功功率，P_ST、Q_ST指ST补偿的有功功率和无功功率，V_upfc指UPFC补偿的电压，P_upfc、Q_upfc指UPFC补偿的有功功率和无功功率，P、Q指改进型SEN变压器补偿之后传输线路的有功功率和无功功率

由目标功率和当前线路电压、电流（即当前线路传输功率）来决定内环ST的最佳输出点，并通过滑模控制器控制ST动作。鉴于ST的离散特性，通常不可能直接满足要求，那么剩下的微调部分就由UPFC来实现。ST可以用闭环控制，也就是滑模控制器实时调节ST的输出，使其永远处于最佳位置，即UPFC容量必然可以满足余下的功率需求；也可以直接确定其一个输出点，开环控制。UPFC采用PI闭环控制，根据目标电压和电流（有功和无功）与实时采集的去除掉ST输出量的线路电压和电流来实时控制UPFC的输出点，跟踪目标功率变化。若UPFC闭环已输到最大量，仍不能使系统稳定，则在最外环重新反馈给计算单元，重新确定ST的输出点（此处假定的ST为开环控制）。图4是具体的输出电压和电流的控制框图。

图5为本发明改进型SEN变压器的控制流程图，具体步骤如下：

步骤1，对系统进行潮流分析，确定输电线路的实时功率。

步骤2，比较实时功率和目标功率，并获得需补偿的功率。

步骤3，根据需补偿的功率，SEN变压器进行功率容量分配，计算ST和UPFC输出的补偿功率。

步骤4，根据ST和UPFC输出的补偿功率计算是否符合目标功率，若符合，执行步骤5；否则，SEN变压器中的ST和UPFC分别根据各自的控制策略重新进行功率容量分配，直到符合目标功率，然后，执行步骤5。本具体实施中，ST采用的控制策略为滑模变控制，UPFC采用的控制策略师PI控制。

步骤5，根据ST和UPFC输出的补偿功率，分别将ST和UPFC分别置为各自的补偿位置，进行输电线路功率补偿。

下面通过计算机仿真来进一步说明本发明的有益效果。

ST的离散补偿特性在调控潮流时往往显得比较粗糙，存在一定的误差，配以一定容量的UPFC后就可以实现平滑精准的潮流调控。建立图6所示的仿真模型，假设线路传输的目标潮流为有功500MW、无功为-300MVar，2s后ST开始投入，4s后UPFC投入，

图7线路传输潮流。2s之前是线路的自然传输状态；2s～4s间是ST处在补偿的过度电压时的潮流；4s后，ST投入到目标位置，同时UPFC也开始补偿，经过短暂过渡，线路潮流几乎处于稳定状态，由于UPFC的控制使得UPFC的输出电压会存在一定波动使得线路潮流会有点波动，此时线路传输的有功潮流为494.6MW（绝对误差-5.4MW，相对误差-1.08%）、无功潮流为-292.1MVar（绝对误差7.9MVar，相对误差-2.63%）。由此可见，相较ST较大的误差而言，通过ST和UPFC的配合补偿，可以满足线路的潮流控制要求。

图8是线路首端的输出功率。由于UPFC有一定的无功调节作用，在4s后UPFC投入补偿，首端吸收的无功功率（小于250MVar）较仅有ST时（270MVar左右）略有减小。稳定时，首端输出的有功功率为531.1MW、无功功率为-210.6MVar。可见，在ST和UPFC配合时虽然可以使线路潮流控制到很精确，但是限于ST自身不能产生功率仍需要向电源首端提出无功需求，而UPFC虽然可以提供一定的无功功率，但是也是极其有限。

为了更清晰的查看M-SVC和UPFC在完善ST调控潮流功能上的作用，在此将上述相关仿真结果综合在表1中进行对比分析。线路潮流的控制目标均为500MW、-300MVar，未投入任何设备时，线路传输的潮流为653.1MW、-107.9MVar，系统首端电源发出的功率为653.1MW、-4.527MVar。

表1仿真结果

由表1可知，单独ST调控潮流时，需要从首端电源处获取大量的无功功率（取决于它调控的无功范围），由于ST输出的离散特性，其调控潮流时误差很大（有功、无功均大于13%），配合以UPFC后，可以实现对潮流的精确控制（误差在3%以内），但仍需从首端获得大量无功。当用UPFC配合ST形成IST调控潮流时，不仅可以对线路所需的潮流实现精确控制（误差较UPFC和ST时略有增大，但都小于4%），同时也不再需要首端供给大量的无功功率，从而可以稳定首端处的电压（首端不看作是无穷大系统）。

本文中所描述的具体仿真实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.改进型SEN变压器的拓扑结构，其特征在于：

由SEN变压器和统一潮流控制器串联构成，SEN变压器串联入输电线路；统一潮流控制器的并联变化器VSC1并联在配电网传输系统的等效首端，统一潮流控制器的并联变化器VSC2并联在配电网传输系统的等效末端。

2.改进型SEN变压器的控制方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，对输电网传输系统进行潮流分析，确定输电线路实时功率；

步骤2，根据实时功率和目标功率，获得需补偿功率；

步骤3，根据需补偿功率进行功率容量分配，分别获得SEN变压器和统一潮流控制器的补偿功率；

步骤4，计算根据SEN变压器和统一潮流控制器的补偿功率补偿后输电线路是否符合目标功率，若符合，执行步骤5；否则，SEN变压器和统一潮流控制器分别根据各自的控制策略重新进行功率容量分配，直到输电线路符合目标功率，然后，执行步骤5；

步骤5，根据SEN变压器和统一潮流控制器的当前补偿功率，分别将SEN变压器和统一潮流控制器分别置为各自的补偿位置，进行输电线路功率补偿。

3.如权利要求2所述的改进型SEN变压器的控制方法，其特征在于：

所述的SEN变压器的控制策略为滑模变结构的闭环控制。

4.如权利要求2所述的改进型SEN变压器的控制方法，其特征在于：

所述的统一潮流控制器的控制策略为PI结构的闭环控制。

5.如权利要求2所述的改进型SEN变压器的控制方法，其特征在于：

步骤3中所述的根据需补偿功率进行功率容量分配，具体为：

统一潮流控制器最大输出电压幅值

其中，V_ST为SEN变压器的最大输出电压，M为SEN变压器的抽头数量。

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