CN105262080B - 特种变压器型潮流控制装置的多级数分接头控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特种变压器型潮流控制装置的多级数分接头控制方法，首先给定线路有功和无功功率期望值或串联补偿电压向量的模和角度；其次由所处控制区、相轴投影获得初始分接头级数；然后借助分枝定界法确定最佳分接头置位；最后通过开关组件和有载调压分接头执行并实现线路潮流的四象限控制。本发明控制方法具有不限制分接头级数；机械调压分接头调整少；算法模型可靠，计算效率高的特点。本发明特别适用于利用晶闸管开关实现传统SEN Transformer（ST）串联变压器副边各相子绕组反相的多级数特征EST（Extended SEN Transformer）潮流控制装置。

Description

特种变压器型潮流控制装置的多级数分接头控制方法

技术领域

本发明属于智能电网领域，具体涉及一种特种变压器型潮流控制装置的多级数分接头控制方法。

背景技术

随着我国可再生能源比例的增长，其间歇性、多变性、不确定性特点为电力系统的发电调度、输配电网运行方式安排带来了挑战。针对实际交流输配系统中的潮流控制问题，确保更好的利用现有的输电线路资源，灵活地同时控制输配电线路的有功无功潮流或是最好的解决方案之一。

统一潮流控制器UPFC(Unified Power Flow Controller)是基于电压源换流器(VSC，Voltage Source Converter)的装备，具备灵活的电压和潮流控制能力，但安装和运行费用较高，限制了实际应用。此外，UPFC虽然可以提供极为快速的ms级快速响应能力，但多数的电力公司可以接受在相对较慢的时间框架下调节线路电压和潮流。相较于UPFC，SENTransformer(ST)是近年来出现的一种非换流器的改进型移相变压器技术，具备类似于UPFC的四象限潮流控制能力。同时成本预计约为前者的1/5，随着高压大功率电力电子开关器件、变压器分接开关技术、低耗高性能磁性材料以及高温超导变压器的发展，应用潜力极为可观。

最新研究显示，一种变压器副边绕组反相的少级数(如3～5级)特征潮流控制装置EST(Extended SEN Transformer)的结构设计和工作原理如图1所示，由ST一次侧星形联结，并联接入系统送端母线，构成励磁单元；励磁单元的副边每相由带抽头的绕组和配套电力电子开关组件TP组成，构成串联电压调整单元。其中，副边每相有三个带抽头的绕组，分别与自身相和另两相原边磁耦合，电力电子开关板TP由4对反相并联的晶闸管构成，其中两两开关组件同开同闭，实现对应绕组的同相接入或反相接入。A相副边抽头为aa、ab、ac，B相副边抽头为ba、bb、bc,C相副边抽头为ca、cb、cc。其中，对于A相来说，电力电子开关组件TPaa、TPba和TPca分别控制副边aa、ba、ca绕组，抽头aa、ba、ca进而组成A相串联补偿电压，即合成为串联补偿电压这样，A相的送端电压可调整为由于V_aa、V_ba、V_c1之间相位相差120°，通过对控制变压器抽头位置，进而改变这三个电压相量的组合方式，从而改变同理，亦可实现B相、C相串联补偿电压

可见，与传统ST运行原理相比，EST潮流控制装置改进性特征在于，利用电力电子开关组件TP实现串联变压器副边绕组反相，进而实现EST潮流控制，其原理如下：对于0°<β≤120°运行域的扩展域范围内，以A相为例，通过关闭TPba开关组件的1号和3号电力电子开关，并触发导通TPba开关组件的4号和2号电力电子开关，实现ba绕组反相连接，进而实现传统ST控制域的扩展，同理，B相和C相。

现有技术中，其副边抽头的数目往往不多，一般为4～5级，这或将导致其控制点难以精确地达到系统控制任务的需求。更为重要的是，对于少级数(如3～5级)EST装置来说，利用分接头调整策略表，可以简单、快速地查询获得分接头置位，但随着用户对于调节精度需求的增加，以及为缓解分接头步长过大引起的过电压问题，EST或将发展为多级数(如10级，甚至20级以上)，此时，原有的基于策略表法的分接头置位算法将难以适应需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述传统少级数(3～5级)ST SEN Transformer(ST)控制精度不足的缺点，展现了一种多级数特种变压器型潮流控制装置EST(Extended SENTransformer)的结构与工作原理，同时为满足该型装置的分接头置位灵活控制需求，从构建面向EST的分接头置位问题的非线性整数规划模型角度出发，提出了一种基于分枝定界法的特种变压器型潮流控制装置的多级数分接头控制方法。

本发明的一种特种变压器型潮流控制装置的多级数分接头控制方法，包括以下步骤：

步骤一、依据指令的线路有功功率期望值P和无功功率期望值Q，计算a相串联注入期望电压幅值|V_ss′|和超前相角β；或直接输入串联电压期望值；

步骤二、基于该相角β，辨识串联电压相量落入的区域；

步骤三、依据所在区域，计算a相、b相或c相轴上的投影{Vaa、Vba、Vca}；

步骤四、除以分接头步长，并做四舍五入取整处理，获得与最小间距的初始分接头档位{n_aa、n_ba、n_ca}；

步骤五、借助分枝定界法，求解以最小分接头绝对偏差目标函数，以abc坐标系与直角坐标系互换为等式约束，和以各相分接头级数限制为不等式约束的非线性整数规划INLP(Integral Nonlinear Programming)问题，从而确定a相最佳分接头调整方案，即{aa,ba,ca}及其对应串联电压调整值{Vaa、Vba、Vca}；

步骤六、相应地，获得b相和c相置位{cb,bb,ab},{ac,bc,cc}；

步骤七、通过TP开关组件和有载调压分接头，执行a、b和c相置位，即可。

上述步骤五中的非线性整数规划INLP问题的分枝定界求解方法，通过分枝定界法获得a相最佳分接头置位组合的具体步骤如下：

(1)初始化：设定目前最优解的值Z＝inf(无穷)等；

(2)原问题的松弛变换：变换为求松弛问题的最优解，定初界，即Z上_界＝Z₀，Z_下界＝-inf(无穷)；

(3)分枝：根据分枝法则，增加xi<＝[xi]和xi>＝[xi]+1到拟分解模型中构成两个规划问题，并利用连续变量非线性规划NLP(Nonlinear Programming)方法求分枝松弛问题的最优解；

(4)是否有解，若有解进入下一步，如无可行解，停枝；

(5)定界与更新：修改目标函数上界和下界：Z_上界＝max(Z_i)(其中Z_i为松弛问题最优值)，Z_下界＝max(Z_ip)(其中Z_ip为整数规划问题最优值)；

(6)比较：对分枝问题Z值进行比较判断，决定是再分枝或剪枝。如果Z_i≤Z_下界，则Z_i剪枝。如果Z_j≤Z_k，则Z_j分枝；

(7)回溯：Z_上界是否等于Z_下界？若相等，则进入下一步；如不等，则返回第(3)步骤；

(8)结束：演算停止，找到最优整数解，输出。

本发明与现有ST技术相比，具有明显的有益效果，由以上方案可知，借助分枝定界法，求解以最小分接头绝对偏差目标函数，以abc坐标系与直角坐标系互换为等式约束，和以各相分接头级数限制为不等式约束的非线性整数规划INLP(Integral NonlinearProgramming)问题，从而确定a相最佳分接头调整方案，即通过非线性整数规划INLP问题的分枝定界求解方法。实现多级数分接头控制，满足分接头置位灵活控制需求，提高控制精度。总之，本发明具有以下优点：

(1)相较于现有少级数的ST技术，本发明多级数特征EST的控制精度可以更高，以满足不同输配电网公司及用户需求。

(2)相较于基于组合策略表的少级数EST分接头置位算法，本发明方法不限制分接头级数，特别适用于5级以上的多级数装置。

(3)可实现机械调压分接头调整最少，分接头置位控制目标函数也可灵活调整。

(4)算法模型可靠，计算效率高。

附图说明

图1为本发明的多级(N级，一般N>5)EST的基本拓扑结构；

图2为本发明的多级(N级，一般N>5)EST的控制算法流程图；

图3为本发明的分枝定界法获取多级(N级，一般N>5)EST最佳分接头组合置位流程图；

图4为本发明的实施例中EST的PSCAD/EMTDC模型的电气系统和控制系统接口示意图；

图5为本发明实施例仿真等效电路图；

图6为本发明实施例中工况1下少级数(4级)与多级数(20级)EST的受端潮流对比图；

图7为本发明实施例中工况1下少级数(4级)与多级数(20级)EST的受端A相电流对比图；

图8为本发明实施例中工况1下少级数(4级)与多级数(20级)EST的串联注入电压对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细描述本发明的具体实施方式，但本发明不受所述具体实施例所限。

1、装置结构和工作原理

如图1所示，本发明的基于变压器副边绕组反相的多级数(N级，一般为大于5的整数)特征潮流控制装置(简称EST，Extended SEN Transformer)，由ST一次侧星形联结，并联接入系统送端母线，构成励磁单元。副边每相由三个带抽头的绕组和配套电力电子开关组件TP组成，构成串联电压调整单元。A相副边抽头为aa、ab、ac，B相副边抽头为ba、bb、bc，C相副边抽头为ca、cb、cc。其中，对于A相来说，电力电子开关组件TPaa、TPba和TPca分别控制副边aa、ba、ca绕组，抽头aa、ba、ca进而组成A相串联补偿电压，即合成为串联补偿电压这样，A相的送端电压可调整为由于V_aa、V_ba、V_ca之间相位相差120°，通过对控制变压器抽头位置，进而改变这三个电压相量的组合方式，从而改变同理，亦可实现B相、C相串联补偿电压多级数特征指大于或等于5级，特别是10级以上的副边绕组调压分接头正向级数。

2、控制方法实施

如图2所示，本发明的特种变压器型潮流控制装置的多级数分接头控制方法步骤如下：

(1)依据指令的线路有功功率期望值P和无功功率期望值Q，

V_ss′＝V_r+IZ-V_s＝V_r+I(R_L+jX_L)-V_s (2)

由式(1)和(2)，计算获得期望的串联注入电压，涉及幅值|V_ss′|以及超前相角β，或直接依据指令的期望|V_ss′|以及超前相角β。

(2)基于该相角β，辨识串联电压相量落入的区域。其中，区域I为0°<β≤120°，区域II为120°<β≤240°，区域III为240°<β≤360°。

(3)基于V_ss′，由式(3)，对于区域I计算a相、c相的投影V_aa、V_ca，对于区域II计算b相、c相的投影V_ba、V_ca，对于区域III计算a相、b相的投影V_aa、V_ba。

(4)将上述投影值V_aa、V_ba、V_ca除以分接头步长TapStep，并做四舍五入取整处理，获得初始分接头级数n_aa、n_ba、n_ca。

式中，NINT为Fortran语言中四舍五入取整函数。

(5)借助分枝定界法，求解以如式(5)所示最小分接头绝对偏差目标函数和如式(6)所示等式约束和不等式约束的非线性整数规划问题，从而确定a相最佳分接头调整方案，即{aa,ba,ca}。

min f＝||aa|-|aa₀||+||ba|-|ba₀||+||ca|-|ca₀|| (5)

式中aa₀为当前分接头档位,aa为期望分接头档位。N为各相正相最大调节档位且为整数。

(6)相应地，获得b相和c相最佳分接头调整方案{ab,bb,cb},{ac,bc,cc}。

(7)通过TPba、TPca、TPaa开关组件和有载调压分接头，执行ST中相应相(a相)的分接头置位。对于b和c相的串联补偿电压，同理，执行相应分接头置位，即可。

其中所述步骤(5)，通过构建一个关于EST分接头置位的非线性整数规划INLP(Integral Nonlinear Programming)模型，借助分枝定界法获得a相最佳分接头置位组合的具体步骤如图3所示：

(1)初始化。设定目前最优解的值Z＝inf(无穷)等。

(2)原问题的松弛变换。变换为求松弛问题的最优解，定初界，即Z_上界＝Z₀，Z_下界＝-inf(无穷)。

(3)分枝。根据分枝法则，增加xi<＝[xi]和xi>＝[xi]+1到拟分解模型中构成两个规划问题，并利用连续变量非线性规划NLP(Nonlinear Programming)方法求分枝松弛问题的最优解。

(4)是否有解？若有解进入下一步，如无可行解，停枝。

(5)定界与更新。修改目标函数上界和下界：Z_上界＝max(Z_i)(其中Z_i为松弛问题最优值)，Z_下界＝max(Z_ip)(其中Z_ip为整数规划问题最优值)

(6)比较。对分枝问题Z值进行比较判断，决定是再分枝或剪枝。如果Z_i≤Z_下界，则Z_i剪枝。如果Z_j≤Z_k，则Z_j分枝。

(7)回溯。Z_上界是否等于Z_下界？若相等，则进入下一步。如不等，则返回第(3)步骤。

(8)结束。演算停止，找到最优整数解，输出。

3、数字仿真模型

利用建立了一个EST(简称EST)的数字仿真模型。该模型包括两大部分，即电气系统(涉及系统等值模块、输电线路模块、EST主电路模块、EST开关逻辑控制模块以及测量模块)和控制系统(涉及基于FORTRAN的分接头置位算法模块)。图4展示了这两个部分的接口。

(1)电气系统说明

图5给出了该仿真系统的等效电路图。电气系统包括2个通过一条三相输电线路连接的两个交流等值系统。EST模型连接于该线路的送端系统侧，其中，EST的一次侧并联于送端，二次侧串联于送端。电气系统的主要参数见表1。

表1实施例中仿真系统主要元件参数和设置

a)系统等值模块

送端和受端等值系统电源均以受控功率的恒定电压源表示，送端和受端电压均为标幺值额定电压，相位差为20°。

b)输电线路模块

输电线路以集中参数的串联阻抗模型代表。

c)EST主电路模块

EST是一类带有多个分接头的多副边绕组的特种变压器。利PSCAD/自定义功能，通过9个可以有载调整分接头的单相变压器可以建立一个EST的原理性仿真模型。该变压器分接头的调整忽略了有载调节分接头的切换电路及其转换过程，但并不影响EST运行特性的模拟。此外，使用单相变压器，相间互感磁链以及相应的互感难以考虑，或对仿真结果造成一定的误差，但在可接受的范围内，不影响实施例中本发明的差异性技术和有益效果的展示。变压器饱和效应设置在副边绕组侧。有载分接头设置在变压器原边绕组侧。

基于FORTRAN编程的EST控制模块的9个输出(aa,ab,ac；ba,bb,bc；ca,cb,cc)将为9个对应的变压器提供分接头的设置值。这些输出值的变化，将同时引起相应变压器的分接头位置变化，进而在其二次侧产生所期望的串联补偿电压，进而引起送端电压V_s′变化，即继而实现输电线路上有功无功潮流控制。

d)EST逻辑控制模块

逻辑电路可以用来辨识和确定所需的补偿绕组的闭合或断开、正相(同名端连接)或反相(异名端连接)。逻辑电路的输出将发送给电力电子开关组件TPba的4个电路开关(模拟电力电子开关)。这些模拟开关连接在相应变压器绕组的二次侧，依据分接头置位算法的输出结果，可以实现同相接通、断开以及反相接通、断开相应的变压器二次绕组。

(2)控制系统

控制系统利用FORTRAN语言编程，并通过一个创建的接口链接到电气系统，如图4所示。接口模块的输入是期望补偿电压的幅值|V_ss′|和超前相角β，输出是EST模型的9个等效变压器补偿绕组的分接头位置。串联电压期望值的任何变化都会传递到FORTRAN程序中，该程序将执行本发明所述的控制算法，进而决定送至电气系统中EST的分接头位置，并通过相应的各等效变压器有载分接头和电力电子开关组件实现调整。该变压器分接头的调整是依据控制模块输出瞬时调整的，忽略了分接头机械开关部分和电力电子开关的部分的暂态过程，但不影响本发明工作原理的验证与展示。仿真步长选择为200us。

图4中，时间模块可以用于期望补偿电压幅值和相角与仿真时间的同步。2个表格模块可以用于实现上述|V_ss′|和β的表格输入功能。这样，可以通过这些表格模块方便的设定随时间变化的|V_ss′|和β。基于这些输入，利用图2和图3所示分接头组合置位算法，通过控制接口程序可以aa,ab,ac；ba,bb,bc；ca,cb,cc通过输出各分接头位置值。这些输出变量由两个字母构成，第一个字母表示贡献相，第二字母代表该电压串入的相，例如：图4中ba，表示b相为贡献相，a相为串入相，或者说b相为励磁相，a相为串联调压相。这些输出会传送给激磁变压器用于调整分接头位置，同时传给逻辑电路部分用于选择贡献相以及电力电子开关组件部分。

4、仿真分析

针对图5所示等效系统，开展2个实施例的仿真与计算。一个用于表明本发明多级数EST装置的控制精度提高能力。另一个用于展现基于分枝定界法多级数EST的分接头组合置位算法的有益性。

(1)实施例1：相较于传统ST或少级数EST，本发明的多级数EST装置的控制精度提高能力

为方便本发明EST的扩展潮流控制能力的展示，控制输入采用串联补偿电压幅值和相角作为直接输入量，时域函数如式(7)所示。仿真步长设定为500us，绘图步长1ms。

针对少级数(4级)与多级数(20级)EST，分别依据图2所示的多级EST的控制算法流程图，步骤(1)至(4)，获得初始分接头级数n_aa、n_ba、n_ca，再由步骤(5)，依据图3所示的分枝定界法，求解以最小分接头绝对偏差目标函数，以abc坐标系与直角坐标系互换为等式约束，和以各相分接头级数限制为不等式约束的非线性整数规划问题，从而确定获取多级EST的a相最佳分接头组合置位，即{aa,ba,ca}。进而由步骤(7)同理获得b相和c相置位。最后由步骤(8)，通过TPba、TPca、TPaa开关组件和有载调压分接头，执行ST中相应相(a，b和c相)的分接头置位。借助图4的电磁暂态仿真系统，可得实施例1中少级数(4级)与多级数(20级)EST的受端潮流对比如图6所示，其受端A相电流对比和串联注入电压对比如图7和图8所示。

图6中，P_20级和Q_20级分别为基于分枝定价法获得的多级数(20级)EST分接头逐级调节情况下的输电线路受端的有功功率和无功功率。；P_4级和P_4级分别为基于策略表法获得的少级数(4级)EST分接头逐级调节情况下的输电线路受端的有功功率和无功功率。可见，5～7s期间，指令串联电压由0∠0°向0.2∠240°调整过程中，P_20级与P_4级相比，电压调整步长相对更小，变化更为平滑，调节精度更高。Q_4级和Q_4级虽然幅值变化不大，但也与有功功率曲线有类似的特性。需要说明的是，图6中15s的阶跃性特征，主要是由于串联电压相位的快速变化造成的，这一点不影响本案例对于本发明的有益性特征的展现。同时，20级EST的分接头调节速度由4级时的500ms减少为100ms，这主要基于调节过程比较方便的考虑，并不影响本案例调节控制精度提高的模拟呈现。但随着级数的增加，其分接头的预计调节速度确存在随调压分接头空间距离的减少而减少的可能。

此外，观察图7和图8分别所示4.5s至7.5s受端A相电流Ia和EST的串联注入电压V_ss′对比结果，同样发现多级数EST装置具有更平滑的调节过程。总的来看，分接头级数的增多，提高了EST的控制精度。

(2)实施例2：本发明多级EST的分接头组合置位算法的有益性特征

为凸显本发明特种变压器型潮流控制装置的多级分接头控制模型与方法的有益性特征，针对3种不同级数(4级，10级，30级)，2个当前分接头位置{0,-4,0}、{0,0,1}，3个期望分接头位置，以及不同的算法初值选择，开展了基于分枝定界的分接头组合置位计算，结果如表2所示。同时亦给出了穷举法和传统的组合策略表法的计算结果。

由表2工况1和2的计算结果可见，对于少级数，如4级，相对于分枝定界法和穷举法的结果，分别为0.558s，0.521s，传统的组合策略表法耗时为0.318s，计算时间更短，效率更高。但对于多级数，如10级，甚至30级的情况来说，由于组合策略表中存在的组合爆炸问题，很难给出这两类多级数EST分接头置位的计算结果。对比工况1～12的计算结果，发现，基于分枝定界法的分接头置位算法均能给出最优解，即最佳分接头置位组合，且相较于穷举法消耗时间更少。综合来看，本发明使EST最小分接头调节的求解过程映射为一个非线性整数规划问题，采用分枝定界算法，通过对备选分接头组合集的分枝、定界以及剪支得到期望串联电压分接头置位的最优解，从而避免了穷举问题造成的搜索域过大以及组合策略表中存在的组合爆炸问题，可以满足任意级数EST控制的需要。

表2本发明多级EST的分接头置位算法的计算效率和性能

注1：表中{a,b,c}为A相对应的各分接头位置意味着N_aa＝a,N_ba＝b,N_ca＝c。

注2:计算机参数Intel Core I5-2450M 2.5GHz CPU，2.9GB RAM

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种特种变压器型潮流控制装置的多级数分接头控制方法，包括以下步骤：

步骤一、依据指令的线路有功功率期望值P和无功功率期望值Q，计算a相串联注入期望电压幅值|V_ss′|和超前相角β；或直接输入串联电压期望值；

步骤二、基于该相角β，辨识串联电压相量落入的区域；

步骤三、依据所在区域，计算a相、b相或c相轴上的投影{Vaa、Vba、Vca}；

步骤四、将投影值{Vaa、Vba、Vca}除以分接头步长，并做四舍五入取整处理，获得与最小间距的初始分接头档位{n_aa、n_ba、n_ca}；

步骤五、借助分枝定界法，求解以最小分接头绝对偏差目标函数，以abc坐标系与直角坐标系互换为等式约束，和以各相分接头级数限制为不等式约束的非线性整数规划问题，从而确定a相最佳分接头调整方案，即{aa,ba,ca}及其对应串联电压调整值{Vaa、Vba、Vca}；

步骤六、相应地，获得b相和c相置位{cb,bb,ab}，{ac,bc,cc}；

步骤七、通过TP开关组件和有载调压分接头，执行a、b和c相置位，即可。

2.如权利要求1所述特种变压器型潮流控制装置的多级数分接头控制方法，其特征在于：所述步骤五中的非线性整数规划INLP(Integral Nonlinear Programming)问题的分枝定界求解方法，通过分枝定界法获得a相最佳分接头置位组合的具体步骤如下：

(1)初始化：设定目前最优解的值Z＝inf(无穷)等；

(2)原问题的松弛变换：变换为求松弛问题的最优解，定初界，即Z_上界＝Z₀，Z_下界＝-inf(无穷)；

(3)分枝：根据分枝法则，增加xi<＝[xi]和xi>＝[xi]+1到拟分解模型中构成两个规划问题，并利用连续变量非线性规划NLP(Nonlinear Programming)方法求分枝松弛问题的最优解；

(4)是否有解，若有解进入下一步，如无可行解，停枝；

(5)定界与更新：修改目标函数上界和下界：Z_上界＝max(Z_i)(其中Z_i为松弛问题最优值)，Z_下界＝max(Z_ip)(其中Z_ip为整数规划问题最优值)；

(6)比较：对分枝问题Z值进行比较判断，决定是再分枝或剪枝；如果Z_i≤Z_下界，则Z_i剪枝；如果Z_j≤Z_k，则Z_j分枝；

(7)回溯：Z_上界是否等于Z_下界？若相等，则进入下一步；如不等，则返回第(3)步骤；

(8)结束：演算停止，找到最优整数解，输出。