CN103715689A - 分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法，利用分布式潮流控制器系统的设计容量，计算串联部分所需变流器单元的最低数量；将串联部分变流器单元的设计数量设定为最低数量加1个，形成冗余系统；逐步增加变流器单元的设计数量，利用串联部分单个变流器单元的故障率，使用可靠度模型得到串联部分整体的可靠性曲线，比对输电设备可靠寿命，判断串联部分整体的冗余设计是否合理，从而确定串联部分变流器单元的设计数量。

Description

分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法

技术领域

本发明属于柔性交流输电技术领域，涉及一种分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法。

背景技术

统一潮流控制器(Unified power flow controller,UPFC)到目前为止，是功能最为强大的潮流控制装置之一，它通过对电力系统的线路阻抗、电压相角和电压幅值进行调节可同时或独立地实现电力系统母线电压、线路有功功率潮流、无功功率潮流和系统稳定的控制。

在UPFC的研究背景下，一种分布式潮流控制器(DPFC)的概念应运而生，它去掉了UPFC中背靠背的两个变流器的直流耦合电容，引入DSSC概念将串联部分的变流器分布化，通过在输电线路上加载3次谐波频率电流来实现串并联侧变流器间的有功功率交换。DPFC与UPFC的控制能力相似，由于采用模块化以及分布式的设计，DPFC串联部分变流器每个单元的电压等级和制造成本大大降低。数量众多的串联部分单元可以起到冗余与备份的作用。

使用冗余部件结构的装置可以使用可靠度模型描述。可靠度模型描述的系统由n个模块组成，当系统中k个模块或者k个以上能够工作正常时，系统工作正常，当系统中少于k个模块正常工作时，系统故障。结合可靠度模型计算装置可靠寿命可以确定合适的冗余数量，从而降低系统的整体成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法，能够合理选取串联部分变流器单元的冗余数量。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一、利用分布式潮流控制器系统的设计容量以及串联部分变流器单元的设计容量，计算串联部分所需变流器单元的最低数量；

步骤二、根据实验数据和统计数据，分析得到串联部分单个变流器单元的故障率；

步骤三、将串联部分变流器单元的设计数量设定为最低数量加1个，串联部分成为冗余系统，由可靠度模型得到串联部分的整体的可靠性R随时间t变化的函数，绘制出冗余系统的可靠性曲线；

步骤四、利用绘制的可靠性曲线，判断分布式潮流控制器系统串联部分整体可靠性R等于指定值P所对应的时间点是否大于所在线路输电设备的可靠寿命，并且大于分布式潮流控制器系统的设计寿命，如果是则跳转到步骤六，否则进行步骤五；

步骤五、将串联部分变流器单元的设计数量再增加1个，重新绘制出冗余系统的可靠性曲线；若设计数量超过数量上限，则进行步骤六，否则进行步骤四。

步骤六、输出考虑冗余的串联部分变流器单元的设计数量。

按上述方案，所述的步骤一依据分布式潮流控制系统应用于电力系统时需要在串联部分和并联部分之间传输的有功功率容量，除以串联部分单个变流器单元的最大可控有功功率，得到满足控制能力所需变流器单元的最低数量。

按上述方案，所述的步骤二将串联部分变流器单元的故障率视为常数λ，该常数由变流器单元的制造者根据实验数据提供，单个变流器单元的可靠度函数为R(t)=e^-λt，e为自然对数的底。

按上述方案，当串联部分变流器单元的设计数量为N_i时，由可靠度模型得到串联部分的整体的可靠性R随时间t变化的函数为：

$R_{N_0,N_t}\left(t\right)=\underset{j=N_0}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N_i}^j{e}^{-\mathrm{j\λt}}{(1-e^{-\mathrm{\λt}})}^{N_i-j},$

式中N₀为串联部分所需变流器单元的最低数量，j表示第j个变流器单元。

按上述方案，所述的步骤四中所在线路输电设备的可靠寿命为：

MTTF=1/λ_p，

式中λ_p为统计得到的所在线路输电设备平均故障率。

本发明的有益效果为：通过采用本发明方法，逐步增加变流器单元的数量，使用可靠度模型得到分布式潮流控制器系统串联部分的可靠性曲线，并比对可靠寿命是否在合理范围内，从而合理选取串联部分变流器单元的冗余数量。

附图说明

图1为分布式潮流控制器在电力系统中的简化图。

图2为分布潮流控制系统串联部分变流器单元的结构图。

图3为分布式潮流控制系统串联部分变流器单元数量冗余设计的流程图。

图4为改变冗余数量后冗余系统的可靠性曲线。

图5为串联部分不同的变流器单元设计数量对应的冗余系统的可靠性曲线。

图2中：1-双向AC/DC变换电路，2-单匝变压器，3-电流互感器，4-电压互感器，5-输电导线，6-直流电容器。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

图1为分布式潮流控制器在电力系统中的简化图，并联侧变流器包含3次谐波电流源，通过Y-Δ型变压器Y侧的中性点将3次谐波电流注入到输电线路中。串联部分的变流器单元利用输电线路中的3次谐波电流交换有功功率，维持直流电容电压恒定并逆变出基波电压，改变自身的阻抗，控制线路的潮流。

图2为分布潮流控制系统串联部分单元变流器的结构图，电流互感器3采集流经输电导线5的电流信号送入控制器，控制器计算出线路电流中基频以及三次谐波电流的幅值和相角，并控制双向AC/DC变换电路1与单匝变压器2连接处的电压，该电压由电压互感器4采集进行闭环控制。控制的目标是直流电容器6的电压维持在恒定值，并且通过单匝变压器接入输电导线的电压包含指定幅值和相角的基频以及三次谐波分量。

本实施例提供的一种分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法如图3所示，它包括以下步骤：

步骤一、利用分布式潮流控制器系统的设计容量以及串联部分变流器单元的设计容量，计算串联部分所需变流器单元的最低数量。

依据分布式潮流控制系统应用于电力系统时需要在串联部分和并联部分之间传输的有功功率容量，除以串联部分单个变流器单元的最大可控有功功率，得到满足控制能力所需变流器单元的最低数量N₀。

分布式潮流控制器系统应用于电力系统时，在输电线中路注入的3次谐波形成有功功率传输通道，并联侧变流器与串联部分功率交换总量设计为P_sh。串联部分变流器可以吸收的有功功率P_se-3等于P_sh，串联部分单个变流器可以发出或吸收的功功率最大为p_se，P_se-3除以p_se，得到满足控制能力的最低数量N₀。系统中串联部分有N₀个变流器单元正常工作时，分布式潮流控制器系统可以按照设计容量正常工作。

$N_0=\frac{P_{\mathrm{se}-3}}{p_{\mathrm{se}}}=\frac{P_{\mathrm{sh}}}{p_{\mathrm{se}}}---\left(1\right).$

步骤二、根据实验数据和统计数据，分析得到串联部分单个变流器单元的故障率。

将串联部分变流器单元的故障率视为常数λ，该常数由变流器单元的制造者根据实验数据提供，单个变流器单元的可靠度函数为R(t)=e^-λt，e为自然对数的底。

步骤三、将串联部分变流器单元的设计数量设定为最低数量加1个，串联部分成为冗余系统，由可靠度模型得到串联部分的整体的可靠性R随时间t变化的函数，绘制出冗余系统的可靠性曲线，可靠性曲线的横坐标是时间、纵坐标是整个冗余系统的可靠性，如图4所示。

当串联部分变流器单元的设计数量为N_i时，由可靠度模型得到串联部分的整体的可靠性R随时间t变化的函数为：

$R_{N_0,N_t}\left(t\right)=\underset{j=N_0}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N_i}^j{e}^{-\mathrm{j\λt}}{(1-e^{-\mathrm{\λt}})}^{N_i-j}---\left(2\right),$

式中j表示第j个变流器单元。

步骤四、利用绘制的可靠性曲线，判断分布式潮流控制器系统串联部分整体可靠性R等于指定值P所对应的时间点是否大于所在线路输电设备的可靠寿命，并且大于分布式潮流控制器系统的设计寿命，如果是则跳转到步骤六，否则进行步骤五。

其中所在线路输电设备的可靠寿命为：

MTTF=1/λ_p，

式中λ_p为统计得到的所在线路输电设备平均故障率。

步骤五、将串联部分变流器单元的设计数量再增加1个，重新绘制出冗余系统的可靠性曲线；若设计数量超过数量上限，则进行步骤六，否则进行步骤四。

图5显示了N_i不断增加所对应的可靠性曲线，通过比较曲线上可靠性R等于常数0.9所对应的时间点和线路输电设备的可靠寿命以及设计寿命，可以确定是否要继续增加变流器单元的数量。

步骤六、输出考虑冗余的串联部分变流器单元的设计数量。

Claims (5)

1.一种分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一、利用分布式潮流控制器系统的设计容量以及串联部分变流器单元的设计容量，计算串联部分所需变流器单元的最低数量；

步骤二、根据实验数据和统计数据，分析得到串联部分单个变流器单元的故障率；

步骤三、将串联部分变流器单元的设计数量设定为最低数量加1个，串联部分成为冗余系统，由可靠度模型得到串联部分的整体的可靠性R随时间t变化的函数，绘制出冗余系统的可靠性曲线；

步骤四、利用绘制的可靠性曲线，判断分布式潮流控制器系统串联部分整体可靠性R等于指定值P所对应的时间点是否大于所在线路输电设备的可靠寿命，并且大于分布式潮流控制器系统的设计寿命，如果是则跳转到步骤六，否则进行步骤五；

步骤五、将串联部分变流器单元的设计数量再增加1个，重新绘制出冗余系统的可靠性曲线；若设计数量超过数量上限，则进行步骤六，否则进行步骤四。

步骤六、输出考虑冗余的串联部分变流器单元的设计数量。

2.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法，其特征在于：所述的步骤一依据分布式潮流控制系统应用于电力系统时需要在串联部分和并联部分之间传输的有功功率容量，除以串联部分单个变流器单元的最大可控有功功率，得到满足控制能力所需变流器单元的最低数量。

3.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法，其特征在于：所述的步骤二将串联部分变流器单元的故障率视为常数λ，该常数由变流器单元的制造者根据实验数据提供，单个变流器单元的可靠度函数为R(t)=e^-λt，e为自然对数的底。

4.根据权利要求3所述的分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法，其特征在于：当串联部分变流器单元的设计数量为N_i时，由可靠度模型得到串联部分的整体的可靠性R随时间t变化的函数为：

$R_{N_0,N_t}\left(t\right)=\underset{j=N_0}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N_i}^j{e}^{-\mathrm{j\λt}}{(1-e^{-\mathrm{\λt}})}^{N_i-j},$

式中N₀为串联部分所需变流器单元的最低数量，j表示第j个变流器单元。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的分布式潮流控制器系统串联部分数量冗余设计方法，其特征在于：所述的步骤四中所在线路输电设备的可靠寿命为：

MTTF=1/λ_p，

式中λ_p为统计得到的所在线路输电设备平均故障率。

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