CN106026120A - 一种基于自适应控制模式切换的upfc交替迭代潮流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于自适应控制模式切换的UPFC交替迭代潮流计算方法，其包括：设定UPFC串联模块首端控制功率值、串联模块首端节点i和末端节点j电压相量初值、并联模块节点电压相量初值、串联模块初始控制模式；进行UPFC模块求解和交流网络方程求解；判断是否满足潮流退出条件，满足则退出；判断是否切换UPFC串联模块的控制模式；更新UPFC串联模块首末端节点电压相量、并联模块节点电压相量，串联模块控制方式；令k＝k+1再次进行UPFC网络方程求解。本发明解决了包含UPFC的电力系统潮流计算问题，能够实现UPFC对线路潮有功功率、无功功率。方法自适应的调整UPFC的控制方式，在保证UPFC控制精度的同时提高了交替迭代的收敛性。

Description

一种基于自适应控制模式切换的UPFC交替迭代潮流计算方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种基于自适应控制模式切换的UPFC交替迭代潮流计算方法。

背景技术

UPFC是综合型灵活交流输电系统(FACTS)设备中最有代表性的装置，是由并联补偿的静止无功补偿器(STATCOM)和串联补偿的静止同步串联补偿器(SSSC)相结合组成的新型潮流控制装置。UPFC并联模块可以控制节点电压，也可以控制节点的注入无功功率；串联端可以控制线路传输的有功功率和无功功率，也可以控制注入电压的幅值和相角，从工程应用的角度看来讲，控制线路的有功和无功功率更为直观有效。

UPFC的主要应用领域是潮流控制，系统中安装UPFC装置后，潮流计算方法需要修改。已有技术对该问题的研究大致可分为两类，一种是将UPFC的参数及其控制方程加入网络参数中，将UPFC参数同网络参数统一求解；另一种是将UPFC等效为节点功率注入，交替求解。前者考虑了网络方程与UPFC变量之间的耦合关系，对各种网络及运行条件的计算，均呈现良好的收敛特性。但是统一迭代法需要修改导纳阵及雅克比矩阵，并考虑UPFC自身的各种控制模式及约束条件，需要对潮流程序进行较大修改。后者对网络方程和UPFC求解是分开进行的，在求解网路方程的时候将UPFC等效为节点功率注入，求解UPFC时由网络方程的结果提供接入节点的电压和相角，因此整个程序可以利用现有的任何一种潮流程序再加上UPFC求解模块即可构成。另外，后者也易与在计算中考虑UPFC多种控制模式切换和控制变量约束。

然而目前的交替求解方法的收敛性不及统一求解方法，控制精度方面无法保证，如何既保证控制精度又能提高收敛性是一个亟待解决的难题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于自适应控制模式切换的UPFC交替迭代潮流计算方法,首先，将UPFC的串联模块、并联模块等效为节点功率注入，进行网络方程求解；然后，根据交替迭代的节点偏差量，自适应的调整UPFC的控制方式，依次进行UPFC串联模块求解，并联模块求解；最后，更新UPFC串联模块、并联模块的等效节点注入并再次进行网络方程求解；网络方程和UPFC模块求解交替迭代，直至收敛或退出。本发明解决了包含UPFC的电力系统潮流计算问题，能够实现UPFC对线路潮有功功率、无功功率。方法自适应的调整UPFC的控制方式，在保证UPFC控制精度的同时提高了交替迭代的收敛性。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种基于自适应控制模式切换的UPFC交替迭代潮流计算方法，所述计算方法包括：

(1)设定UPFC串联模块首端控制功率值、串联模块首端节点i和末端节点j电压相量初值、并联模块节点电压相量初值、串联模块初始控制模式；

(2)进行UPFC模块求解，得到UPFC串联模块节点的等效注入功率，并联模块节点的等效注入功率；

(3)进行交流网络方程求解，得到串联模块所在线路首端节点电压相量和末端节点电压相量并联模块节点电压相量

(4)判断是否满足潮流退出条件，满足则退出，不满足则进入步骤(5)；

(5)根据前后两次节点电压相量的变化量和节点功率偏差量判断是否切换UPFC串联模块的控制模式；

(6)更新UPFC串联模块首末端节点电压相量、并联模块节点电压相量，串联模块控制方式；令k＝k+1转步骤(2)再次进行UPFC网络方程求解。

优选的，所述步骤(1)包括：

(1-1)设定迭代次数k＝1；

(1-2)定义UPFC串联模块控制模式C：

并设定UPFC串联模块的初始控制模式C⁽¹⁾＝0；

(1-3)根据线路传输功率控制值设定UPFC串联模块首端的线路控制功率按照潮流迭代初值给定串联模块所在线路首端节点电压相量和末端节点电压相量并联模块节点电压相量

(1-4)设置UPFC串联模块i端等效注入功率初值j端等效注入功率

优选的，所述步骤(2)包括：

(2-1)如果第k次迭代，UPFC串联模块控制方式C^(k)＝0，求出UPFC串联模块的注入电压相量流过UPFC串联模块的电流

如果C^(k)＝1，则已知UPFC串联模块的注入电压相量求出流过UPFC串联模块的电流

(2-2)求出UPFC串联模块i端等效注入功率j端等效注入功率

(2-3)求出UPFC串联模块从直流侧吸收的功率P_SSSCtoDC；

(2-4)求出UPFC并联模块节点注入系统功率

优选的，所述步骤(4)中，所述退出条件包括：

a、|ΔP_max，ΔQ_max|＜ε，则潮流收敛退出；式中|ΔP_max，ΔQ_max|表示所有节点有功、无功注入偏差量最大值的绝对值，ε为收敛常数；

b、迭代次数k达到上限值，则退出，此时潮流不收敛。

优选的，所述步骤(5)包括：

(1)如果UPFC串联模块控制方式为：控制线路传输的有功功率和无功功率，即C^(k)＝0，如果且则将UPFC串联模块控制方式改为：控制串联模块注入电压的幅值和相角，即C_* ^(k)＝1；否则不改变UPFC串联模块控制方式，C_* ^(k)＝0；

式中：表示第k次迭代和第k-1次迭代，串联模块首端节点等效注入功率有功、无功分量差值最大值的绝对值；表示第k次迭代和第k-1次迭代，串联模块末端节点等效注入功率有功、无功分量差值最大值的绝对值；ε_S表示功率偏差量切换门槛值，为预先给定的正常数；

(2)如果UPFC串联模块控制方式为：控制串联模块注入电压的幅值和相角，即C^(k)＝1，如果且则将UPFC串联模块控制方式改为：控制线路传输的有功功率和无功功率，即C_* ^(k)＝0；否则不改变UPFC串联模块控制方式，C_* ^(k)＝1；

式中：表示第k次网络方程求解后，串联模块首端节点电压实部、虚部差值最大值的绝对值；表示第k次网络方程求解后，串联模块末端节点电压实部、虚部差值最大值的绝对值；ε_V表示节点电压变化量切换门槛值，为预先给定的正常数。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

(1)根据前后两次节点电压相量的变化量自适应的切换UPFC串联模块的控制模式，实现了当注入节点电压变化较大时，自动重启串联模块定线路有功、无功控制模式，保证了控制精度。

(2)根据前后两次节点等效功率注入量的变化量自适应的切换UPFC串联模块的控制模式，实现了当节点等效功率注入量变化较小时，自动切换串联模块定注入量控制模式，提高了交替迭代的收敛性。

附图说明

图1是本发明的UPFC结构示意图；

图2是本发明的UPFC串联模块原始等效电路图；

图3是本发明的UPFC串联模块等效注入电路图；

图4是本发明的UPFC串联模块等效注入电路图；

图5是本发明的UPFC并联模块等效电路图；

图6是本发明提供的基于自适应控制模式切换的UPFC交替迭代潮流计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

基于自适应自适应控制模式切换的UPFC潮流计算方法技术方案的总体思路为：(1)初始化，设定UPFC串联模块首端控制功率值、首末端节点电压相量初值、并联模块节点电压相量初值，串联模块控制方式；(2)进行UPFC模块求解，得到UPFC串联模块的等效注入功率，并联模块的等效注入功率；(3)进行交流网络方程求解，得到串联模块和并联模块节点的电压相量；(4)判断是否满足潮流退出条件；(5)如果不满足退出条件，根据前后两次节点电压相量的变化量和节点功率偏差量判断是否切换UPFC串联模块的控制模式，(6)更新UPFC串联模块首末端节点电压相量、并联模块节点电压相量，串联模块控制方式；转第(2)步再次进行UPFC络方程求解。

UPFC可分为串联模块，并联模块，二者通过直流耦合，其基本结构如图1

UPFC串联模块，其原始等效电路如图2，等效注入电路如图3、图4。对于原始等效电路，有如下公式：

${\stackrel{\·}{V}}_i+{\stackrel{\·}{V}}_{se}={\stackrel{\·}{I}}_{se}*Z_L+{\stackrel{\·}{V}}_j---\left(1\right)$

$P_{SSSC}=real\left({\stackrel{\·}{V}}_{se}{{\stackrel{\·}{I}}_{se}}^{*}\right)---\left(2\right)$

$P_{SSSCtoDC}=P_{SSSC}+I_{se}^2{R}_{tSSSC}---\left(3\right)$

${\stackrel{\·}{S}}_i={\stackrel{\·}{V}}_i*{{\stackrel{\·}{I}}_{se}}^{*}---\left(4\right)$

其中：和分别为UPFC串联模块所在线路首端和末端节点电压相量，Z_L为UPFC串联模块所在线路阻抗，为UPFC串联模块的注入电压相量，为流过UPFC串联模块的电流；P_SSSC为UPFC注入交流系统的有功功率；P_SSSCtoDC为UPFC串联模块从直流侧吸收的功率，R_tSSSC为串联模块涉及到的变压器电阻与换流电阻之和；为UPFC串联模块首端的线路功率。

对于原始等效电路进行诺顿等值，有如下公式：

${\stackrel{\·}{I}}_{eq}={\stackrel{\·}{V}}_{se}/Z_L---\left(5\right)$

${\stackrel{\·}{S}}_{ic}=-{\stackrel{\·}{V}}_i*{{\stackrel{\·}{I}}_{eq}}^{*}---\left(6\right)$

${\stackrel{\·}{S}}_{jc}={\stackrel{\·}{V}}_j*{{\stackrel{\·}{I}}_{eq}}^{*}---\left(7\right)$

其中：为UPFC串联模块等效注入电流，为UPFC串联模块i端等效入，为UPFC串联模块j端等效注入。

UPFC并联模块的等效电路如图5所示。有如下公式：

${\stackrel{\·}{S}}_s=P_s+{\mathrm{jQ}}_s={\stackrel{\·}{V}}_s*{{\stackrel{\·}{I}}_s}^{*}---\left(8\right)$

$P_S=-P_{SSSCtoDC}-I_s^2{R}_{tP}---\left(9\right)$

其中：为UPFC并联模块注入交流系统的时在功率，P_s和Q_s分别为UPFC并联模块注入系统的有功和无功功率，为UPFC并联模块节点的电压相量，为UPFC并联模块的注入电流，R_tP为并联模块涉及到的变压器电阻与换流电阻之和；其中Q_s为已知量，可直接给定，也可给定并联模块节点电压幅值后由交流系统网络方程计算得到。

本实施方案的整体流程图如图6所示，具体步骤为：

步骤1：初始化，包括设定UPFC串联模块首端控制功率值、串联模块首末端节点电压相量初值、并联模块节点电压相量初值、串联模块初始控制模式。

(1)设定迭代次数k＝1。

(2)定义UPFC串联模块控制模式：

并设定UPFC串联模块的初始控制模式C⁽¹⁾＝0。

(3)根据线路传输功率控制值设定UPFC串联模块首端的线路功率按照潮流迭代初值给定串联模块所在线路首端节点电压相量和末端节点电压相量并联模块节点电压相量

(4)设置UPFC串联模块i端等效入功率初值j端等效注入功率

步骤2：进行UPFC模块求解，得到UPFC串联模块节点的等效注入功率，并联模块节点的等效注入功率。

(1)如果第k次迭代，UPFC串联模块控制方式C^(k)＝0，则已知和根据公式(1)(4)求出UPFC串联模块的注入电压相量流过UPFC串联模块的电流如果C^(k)＝1，则已知UPFC串联模块的注入电压相量根据公式(1)求出流过UPFC串联模块的电流

(2)根据公式(5～7)求出UPFC串联模块i端等效入功率j端等效注入功率

(3)根据公式(2)(3)求出UPFC串联模块从直流侧吸收的功率P_SSSCtoDC。

(4)根据公式(8)(9)求出UPFC并联模块节点注入系统功率

步骤3：进行交流网络方程求解，得到串联模块所在线路首端节点电压相量和末端节点电压相量并联模块节点电压相量

步骤4：判断是否满足潮流退出条件，满足则退出，不满足则进行步骤五。

退出条件包括：

①：|ΔP_max，ΔQ_max|＜ε，则潮流收敛退出；式中|ΔP_max，ΔQ_max|表示所有节点有功、无功注入偏差量最大值的绝对值，ε为收敛常数。

②：迭代次数达到上限值k＝k_max，潮流不收敛退出。

ε和k的选取和普通潮流计算无异。

步骤五：根据前后两次节点电压相量的变化量和节点功率偏差量判断是否切换UPFC串联模块的控制模式。

(1)如果UPFC串联模块控制方式为：控制线路传输的有功功率和无功功率，即C^(k)＝0，如果且则将UPFC串联模块控制方式改为：控制串联模块注入电压的幅值和相角，即C_* ^(k)＝1；否则不改变UPFC串联模块控制方式，C_* ^(k)＝0。

式中：表示第k次迭代和第k-1次迭代，串联模块首端节点等效注入功率有功、无功分量差值最大值的绝对值。表示第k次迭代和第k-1次迭代，串联模块末端节点等效注入功率有功、无功分量差值最大值的绝对值。ε_S表示功率偏差量切换门槛值，为预先给定的正常数，本案中取0.005标幺值。

(2)如果UPFC串联模块控制方式为：控制串联模块注入电压的幅值和相角，即C^(k)＝1，如果且则将UPFC串联模块控制方式改为：控制线路传输的有功功率和无功功率，即C_* ^(k)＝0；否则不改变UPFC串联模块控制方式，C_* ^(k)＝1。

式中：表示第k次网络方程求解后，串联模块首端节点电压实部、虚部差值最大值的绝对值；表示第k次网络方程求解后，串联模块末端节点电压实部、虚部差值最大值的绝对值；ε_V表示节点电压变化量切换门槛值，为预先给定的正常数，本案中取0.005标幺值。

步骤六：更新UPFC串联模块首末端节点电压相量、并联模块节点电压相量，串联模块控制方式；转第(2)步再次进行UPFC络方程求解。

(1)更新UPFC串联模块首末端节点电压相量、并联模块节点电压相量并联模块节点电压相量

(2)更新UPFC串联模块的控制方式C^(k)＝C_* ^(k)。

(3)令k＝k+1，转步骤二。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解；本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于自适应控制模式切换的UPFC交替迭代潮流计算方法，其特征在于，所述计算方法包括：

(1)设定UPFC串联模块首端控制功率值、串联模块首端节点i和末端节点j电压相量初值、并联模块节点电压相量初值、串联模块初始控制模式；

(2)进行UPFC模块求解，得到UPFC串联模块节点的等效注入功率，并联模块节点的等效注入功率；

(3)进行交流网络方程求解，得到串联模块所在线路首端节点电压相量和末端节点电压相量并联模块节点电压相量

(4)判断是否满足潮流退出条件，满足则退出，不满足则进入步骤(5)；

(5)根据前后两次节点电压相量的变化量和节点功率偏差量判断是否切换UPFC串联模块的控制模式；

(6)更新UPFC串联模块首末端节点电压相量、并联模块节点电压相量，串联模块控制方式；令k＝k+1转步骤(2)再次进行UPFC网络方程求解。

2.如权利要求1所述的潮流计算方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：

(1-1)设定迭代次数k＝1；

(1-2)定义UPFC串联模块控制模式C：

并设定UPFC串联模块的初始控制模式C⁽¹⁾＝0；

(1-3)根据线路传输功率控制值设定UPFC串联模块首端的线路控制功率按照潮流迭代初值给定串联模块所在线路首端节点电压相量和末端节点电压相量并联模块节点电压相量

(1-4)设置UPFC串联模块i端等效注入功率初值j端等效注入功率

3.如权利要求1所述的潮流计算方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

(2-1)如果第k次迭代，UPFC串联模块控制方式C^(k)＝0，求出UPFC串联模块的注入电压相量流过UPFC串联模块的电流

如果C^(k)＝1，则已知UPFC串联模块的注入电压相量求出流过UPFC串联模块的电流

(2-2)确定UPFC串联模块i端等效注入功率j端等效注入功率

(2-3)确定UPFC串联模块从直流侧吸收的功率P_SSSCtoDC；

(2-4)确定UPFC并联模块节点注入系统功率

4.如权利要求1所述的潮流计算方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述退出条件包括：

a、|ΔP_max，ΔQ_max|＜ε，则潮流收敛退出；式中|ΔP_max，ΔQ_max|表示所有节点有功、无功注入偏差量最大值的绝对值，ε为收敛常数；

b、迭代次数k达到上限值，则退出，此时潮流不收敛。

5.如权利要求1所述的潮流计算方法，其特征在于，所述步骤(5)包括：

(1)如果UPFC串联模块控制方式为：控制线路传输的有功功率和无功功率，即C^(k)＝0，如果且则将UPFC串联模块控制方式改为：控制串联模块注入电压的幅值和相角，即C_* ^(k)＝1；否则不改变UPFC串联模块控制方式，C_* ^(k)＝0；

式中：表示第k次迭代和第k-1次迭代，串联模块首端节点等效注入功率有功、无功分量差值最大值的绝对值；表示第k次迭代和第k-1次迭代，串联模块末端节点等效注入功率有功、无功分量差值最大值的绝对值；ε_S表示功率偏差量切换门槛值，为预先给定的正常数；

(2)如果UPFC串联模块控制方式为：控制串联模块注入电压的幅值和相角，即C^(k)＝1，如果且则将UPFC串联模块控制方式改为：控制线路传输的有功功率和无功功率，即C_* ^(k)＝0；否则不改变UPFC串联模块控制方式，C_* ^(k)＝1；

式中：表示第k次网络方程求解后，串联模块首端节点电压实部、虚部差值最大值的绝对值；表示第k次网络方程求解后，串联模块末端节点电压实部、虚部差值最大值的绝对值；ε_V表示节点电压变化量切换门槛值，为预先给定的正常数。