CN106410821A - 基于含双向功率管的功率振荡抑制器及其抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于含双向功率管的宽范围可控变压器的功率振荡抑制器，由可控变压器、功率单元、测量与控制模块、交叉相转换模块、滤波电容、输入输出电压互感器和输出电流互感器构成，其输入端与母线1相连，输出端经输电线路与母线2相连。功率振荡抑制器的抑制方法是利用迅速导通、关断的电力电子开关，控制宽范围可控变压器输出侧(副边)分接头的导通与关断，在宽范围可控变压器每相分接头侧串入另外两相绕组，同时增加四组双向功率管改变交叉相绕组导通方向，从而最大范围改变可控变压器输出电压的相位、幅值，实现有功功率和无功功率的调节；当电网出现功率振荡时，根据控制规律，动态调节功率振荡抑制器输出的有功功率和无功功率，使电网尽快地恢复稳定；具有成本低、可靠性高的特点，改善了电网的稳定性、提高了系统的阻尼。
Description
技术领域
本发明涉及柔性交流输电技术领域，特别是一种基于含双向功率管的宽范围可控变压器的功率振荡抑制器及其抑制方法。
背景技术
电力系统稳定是电网安全运行的关键，一旦遭到破坏，必将造成巨大的经济损失和灾难性后果。为实现国家总体能源发展及布局方针，“西电东送、南北互供、全国联网、厂网分开”己成为21世纪前半叶我国电力工业发展的方向。电网互联技术可以合理利用能源资源，提供相互支援，极大地提高了发电和输电的经济可靠性，但它同时也带来了一些新的问题。随着电力网络互联程度的不断提高，系统越来越庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使电网的安全稳定问题越来越突出。在现代大电网中，各区域、各部分互相联系、密切相关、在运行过程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全措施，一个局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大面积的系统瓦解。近年来世界范围的电力工业改革日益加快，逐步建立了竞争机制下的电力市场。电网的开放和商业化运营使得电力系统运行越来越接近系统极限。这些都对稳定分析与控制提出了新的挑战。因此安全稳定问题已成为发展大型电力系统需认真研究并解决的问题之一。
系统的稳定问题即系统在受到各种扰动后能否恢复到可以容许的平衡状态。扰动包括负荷突变、发电机故障或出力突然变化、输电线路发生故障等。在扰动下，系统会出现功角振荡、功率振荡、电压振荡、频率不稳定等。
功率振荡问题通常为系统振荡阻尼不足的问题，目前采取的方法主要有利用电力系统稳定器(PSS)以控制发电机励磁以提高系统振荡的阻尼，另外还有利用附加稳定信号调制高压直流(HVDC)输电的换流器控制和柔性输电装置FACTS(如可控串补、静止无功补偿器等)控制等措施。
发明专利CN 102801160 B，提出基于电压幅值与相角控制的动态潮流控制器及其控制方法，虽可解决部分问题，但其相角调节范围只能超前不能滞后，故只能单向调节系统潮流，不具有双向调节能力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于宽范围可控变压器的功率振荡抑制器，当电网出现功率振荡时，它根据控制规律，利用已有传输线路的多分头变压器，通过快速的电力电子开关对变压器分接头输出电压幅值和相角进行动态控制，从而动态调节功率振荡抑制器输出的有功功率和无功功率，使电网尽快地恢复稳定；控制可控变压器分接头的电力电子功率管容量仅为可控变压器容量的一部分，因而成本低、可靠性高。它将提高电力系统的系统稳定性和可靠性，使我国电网真正成为坚强的智能电网。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于含双向功率管的宽范围可控变压器的电网功率振荡抑制器，其特点在于包括：宽范围可控变压器、测量与控制模块、第一功率单元和第二功率单元、交叉相转换模块、第三滤波电容和第四滤波电容、输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器：
所述的宽范围可控变压器的副边包含主接头“1”、正分接头“1+N”、负分接头“1-N”；
所述的第一功率单元由第一组功率管、第二组功率管、第一滤波电感和第一滤波电容组成，所述的第一组功率管和第二组功率管均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第一组功率管的一端与所述的宽范围可控变压器副边的正分接头“1+N”相连，第二组功率管的一端与所述的宽范围可控变压器副边的负分接头“1-N”相连，所述的第一组功率管和第二组功率管的另一端均与所述的第一滤波电感的一端相连，该第一滤波电感的另一端与所述的交叉相转换模块的输入端相连，所述的第一滤波电容接在所述的宽范围可控变压器副边的正分接头“1+N”和负分接头“1-N”之间；
所述的第二功率单元由第三组功率管、第四组功率管、第二滤波电感和第二滤波电容组成，所述的第三组功率管和第四组功率管均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第三组功率管的一端与所述的交叉相转换模块的第一输出端相连，第四组功率管的一端与所述的交叉相转换模块的第二输出端，即交叉相转换模块的输入端相连，所述的第三组功率管和第四组功率管的另一端均与所述的第二滤波电感的一端相连，该第二滤波电感的另一端与所述的输出电流互感器的一端相连，所述的第二滤波电容接在所述的交叉相转换模块的第一输出端与第二输出端之间；
所述的交叉相转换模块由所述的宽范围可控变压器的副边正分接头、负分接头组成的绕组和第一双向功率管、第二双向功率管、第三双向功率管、第四双向功率管组成，所述的第一双向功率管、第二双向功率管、第三双向功率管、第四双向功率管均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成；
A/B/C相的接法分别如下，所述的交叉相转换模块由C/A/B相串入的NVcin/NVAin/NVBin绕组、B/C/A相串入的NVbin/NVcin/NVAin绕组和四组双向功率管组成，该交叉相串入模块的双向功率管一端与所述的滤波电感的另一端相连，另一端与所述的C/A/B相NVcin/NVAin/NVBin绕组负分接头相连，C/A/B相NVcin/NVAin/NVBin绕组正分接头与所述的B/C/A相NVbin/NVcin/NVAin绕组负分接头相连，B/C/A相NVbin/NVcin/NVAin绕组正分接头与所述的第三双向功率管的一端相连，所述的第三双向功率管的另一端与第二功率单元的第三组功率管对应的输入端相连；所述的第二双向功率管的一端与所述的第一双向功率管的一端相连，另一端与所述的第三双向功率管的一端相连；所述的第四双向功率管的一端与所述的第一双向功率管的另一端相连，另一端与所述的第三双向功率管的另一端相连；
所述的第三滤波电容一端和所述的宽范围可控变压器的副边的主接头“1”连接，另一端和所述的第一滤波电感连接；
所述的第四滤波电容一端和所述的第一滤波电感连接，另一端和所述的第二滤波电感(Lf2)连接；
所述的输入电压互感器，一侧与所述的宽范围可控变压器的原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；
所述的输出电压互感器，一侧与所述的宽范围可控变压器的副边输出电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；
所述的输出电流互感器串接在所述的宽范围可控变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块的电流信号输入端口相连；
所述的测量与控制模块的控制信号的输出端分别与所述的第一功率单元的第一组功率管和第二组功率管的控制端、第二功率单元的第三组功率管和第四组功率管的控制端及所述的第一双向功率管、第二双向功率管、第三双向功率管、第四双向功率管的控制端相连，控制所述的第一组功率管和第二组功率管交替导通，第三组功率管和第四组功率管交替导通，该测量与控制模块与上位机相连。
所述的交叉相转换模块中包含的转换开关为双向功率管。
所述的测量与控制模块是数字信号处理器、单片机或计算机。
利用所述的电网功率振荡抑制器进行电网功率振荡抑制的方法，包括下列具体步骤：
步骤1)将所述的电网功率振荡抑制器的输入端与母线1相连，该电网功率振荡抑制器的输出端经输电线路与母线2相连；
步骤2)设宽范围可控变压器三相输入电压分别为：
Vain＝V1sin(ω0t)
Vbin＝V1sin(ω0t+120°)
Vcin＝V1sin(ω0t-120°)
其中，Vain为A相输入电压，Vbin为B相输入电压，Vcin为C相输入电压，后文所述电压、电流均为单相值。
功率振荡时，所述的功率振荡抑制器的的测量与控制模块对输出功率的具体调节如下：
①初始化，即在该控制器中设定以下参数，所有功率与电压参数采用标幺值：
功率振荡抑制器输出的有功功率初始值P0；
功率振荡抑制器输出的无功功率初始值Q0；
可控变压器分接头变比N；
ω0为50或60Hz所对应的角频率；
第一PI控制模块的控制系数kp1和ki1，1≤kp1≤100,1≤ki1≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；
第二PI控制模块的控制系数kp2和ki2，1≤kp2≤100,1≤ki2≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；
②实时采集可控变压器的输入电压、输出电压与输出电流，由输出电压和输出电流计算输出的有功功率和无功功率；
③按照电网运行状况，通过改变可控变压器分接头开关的调制信号，调节其输出的有功功率和无功功率；
1、输出的有功功率调节按以下步骤执行：
步骤311.通过第一比较模块按下式计算第一PI控制模块的输入值μS1：
μS1＝P0-P，
其中，P为第一比较模块输入的有功功率值；
步骤312.第一PI控制模块在接收到所述第一比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μC1，公式如下：
μC1＝kp1μS1+ki1∫μS1dt；
步骤313.第一加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的相角θ：
θ＝θ0+μC1，
其中，θ0为可控变压器输出电压相角设定初值；
2、输出的无功功率调节按以下步骤执行：
步骤321.通过第二比较模块按下式计算第二PI控制模块的输入值μS2：
μS2＝Q0-Q，
其中，Q为第一比较模块输入的无功功率值；
步骤322.第二PI控制模块在接收到所述第二比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μC2，计算公式如下：
μC2＝kp2μS2+ki2∫μS2dt；
步骤323.通过第二加法模块按以下公式计算可控变压器的输出电压基波的幅值
其中，为可控变压器输出电压基波的初始幅值；
④计算第一功率单元的占空比控制信号D1和第二功率单元的占空比控制信号D2：
设实时采集的可控变压器的输入电压为Vin＝V1sin(ω0t)，其中V1为输入电压Vin的幅值；
将上述步骤中得到的可控变压器输出电压基波的相角θ和幅值代入下述公式，求得
设K1为第一双向功率管和第三双向功率管开关信号，K2为第二双向功率管和第四双向功率管开关信号，此控制信号有两种工作状态：
(1)当电压相角θ取“+”时，K1＝1，K2＝0，第一双向功率管和第三双向功率管导通，第二双向功率管和第四双向功率管关断，两相绕组正向导通，；
(2)当电压相角θ取“-”时，K1＝0，K2＝1，第一双向功率管和第三双向功率管关断，第二双向功率管和第四双向功率管导通，两相绕组反向导通；
⑤根据脉宽调制占空比D1和D2，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通；
⑥重复步骤②至步骤⑤，根据所获得的脉宽调制占空比D1和D2，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对电网的动态潮流的调节控制。
所述第一PI控制模块和所述第二PI控制模块的控制规律是比例积分微分控制方式。
功率开关为集成门极换向晶闸管(IGCT)、栅极导通晶闸管(GTO)、金氧半场效晶体管(MOSFET)或其他电力电子开关。
本发明的技术效果及特点如下：
1.功率管只需对可控变压器分接头的导通进行控制，因而成本低，克服了已有FACTS装置高成本的问题；
2.利用可控变压器对有功功率和无功功率的动态控制，当电网故障出现功率振荡时，能有效抑制电网的振动，提高系统的稳定性。
3.本发明可控变压器电压相角具有超前及滞后调节能力，对系统潮流能够双向调节。
附图说明
图1.基于含双向功率管的宽范围可控变压器的功率振荡抑制器的示意图。
图2.基于含双向功率管的宽范围可控变压器的功率振荡抑制器的结构图(A相)。
图3.基于含双向功率管的宽范围可控变压器的功率振荡抑制器的控制规律图。
图4.基于含双向功率管的宽范围可控变压器的功率振荡抑制器的程序流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明基于含双向功率管的宽范围可控变压器的功率振荡抑制器的示意图，图2.基于含双向功率管的宽范围可控变压器的功率振荡抑制器的结构图(A相)。由图可见，一种基于含双向功率管的宽范围可控变压器的电网功率振荡抑制器，包括：宽范围可控变压器1、测量与控制模块2、第一功率单元3和第二功率单元4、交叉相转换模块5、第三滤波电容6和第四滤波电容7、输入电压互感器8、输出电压互感器9和输出电流互感器10：
所述的宽范围可控变压器1的副边包含主接头“1”、正分接头“1+N”、负分接头“1-N”；
所述的第一功率单元3由第一组功率管S1、第二组功率管S2、第一滤波电感Lf1和第一滤波电容Cf1组成，所述的第一组功率管S1和第二组功率管S2均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第一组功率管S1的一端与所述的宽范围可控变压器1副边的正分接头“1+N”相连，第二组功率管S2的一端与所述的宽范围可控变压器1副边的负分接头“1-N”相 连，所述的第一组功率管S1和第二组功率管S2的另一端均与所述的第一滤波电感Lf1的一端相连，该第一滤波电感Lf1的另一端与所述的交叉相转换模块5的输入端相连，所述的第一滤波电容Cf1接在所述的宽范围可控变压器1副边的正分接头“1+N”和负分接头“1-N”之间；
所述的第二功率单元4由第三组功率管S3、第四组功率管S4、第二滤波电感Lf2和第二滤波电容Cf2组成，所述的第三组功率管S3和第四组功率管S4均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第三组功率管S3的一端与所述的交叉相转换模块5的第一输出端相连，第四组功率管S4的一端与所述的交叉相转换模块5的第二输出端，即交叉相转换模块5的输入端相连，所述的第三组功率管S3和第四组功率管S4的另一端均与所述的第二滤波电感Lf2的一端相连，该第二滤波电感Lf2的另一端与所述的输出电流互感器10的一端相连，所述的第二滤波电容Cf2接在所述的交叉相转换模块5的第一输出端与第二输出端之间；
所述的交叉相转换模块5由所述的宽范围可控变压器1的副边正分接头11、负分接头12组成的绕组和第一双向功率管Sa1、第二双向功率管Sa2第三双向功率管Sa3、第四双向功率管Sa4组成，所述的第一双向功率管Sa1、第二双向功率管Sa1、第三双向功率管Sa1、第四双向功率管均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成；
A/B/C相的接法分别如下，所述的交叉相转换模块由C/A/B相串入的NVcin/NVAin/NVBin绕组、B/C/A相串入的NVbin/NVcin/NVAin绕组和四组双向功率管组成，该交叉相串入模块的双向功率管一端与所述的滤波电感的另一端相连，另一端与所述的C/A/B相NVcin/NVAin/NVBin绕组负分接头相连，C/A/B相NVcin/NVAin/NVBin绕组正分接头与所述的B/C/A相NVbin/NVcin/NVAin绕组负分接头相连，B/C/A相NVbin/NVcin/NVAin绕组正分接头与所述的第三双向功率管的一端相连，所述的第三双向功率管的另一端与第二功率单元的第三组功率管对应的输入端相连；所述的第二双向功率管的一端与所述的第一双向功率管的一端相连，另一端与所述的第三双向功率管的一端相连；所述的第四双向功率管的一端与所述的第一双向功率管的另一端相连，另一端与所述的第三双向功率管的另一端相连；
所述的第三滤波电容6一端和所述的宽范围可控变压器1的副边的主接头“1”连接，另一端和所述的第一滤波电感Lf1连接；
所述的第四滤波电容7一端和所述的第一滤波电感Lf1连接，另一端和所述的第二滤波电感Lf2连接；
所述的输入电压互感器8，一侧与所述的宽范围可控变压器1的原边输入电压主电路相连，电压信号输出端Vain与所述的测量与控制模块2的电压信号输入端口相连；
所述的输出电压互感器9，一侧与所述的宽范围可控变压器1的副边输出电压主电路相连，电压信号输出端Vaout与所述的测量与控制模块2的电压信号输入端口相连；
所述的输出电流互感器10串接在所述的宽范围可控变压器1的输出主电路中，其电流信号输出端Iaout与所述的测量与控制模块2的电流信号输入端口相连；
所述的测量与控制模块2的控制信号的输出端分别与所述的第一功率单元3的第一组功率管S1和第二组功率管S2的控制端、第二功率单元4的第三组功率管S3和第四组功率管S4的控制端及所述的第一双向功率管Sa1、第二双向功率管Sa2第三双向功率管Sa3、第四双向功率管Sa4的控制端相连，控制所述的第一组功率管S1和第二组功率管S2交替导通，第三组功率管S3和第四组功率管S4交替导通，该测量与控制模块2与上位机相连。
所述的测量与控制模块2由控制器和外围电路实现测量和控制功能，一个电压测量输入端口与所述的输入电压互感器8的电压信号输出端相连，另一个电压测量输入端口与所述的输出电压互感器9的电压信号输出端相连，电流测量输入端口与所述的输出电流互感器10的电流信号输出端相连。所述的交叉相转换模块5中包含的转换开关为双向功率管。所述的测量与控制模块2是数字信号处理器、单片机或计算机。
将结构如图2所示的基于可控变压器的功率振荡抑制器应用于图1所示电网，根据图3所示的控制规律所编写的程序流程图(图4)进行编程，实现功率振荡抑制的功能；基于光伏电池的电网功率振荡抑制器能有效抑制功率振荡，提高了系统的稳定性。
利用电网功率振荡抑制器进行电网功率振荡抑制的方法，包括如下步骤：
步骤1.设宽范围可控变压器三相输入电压分别为：
Vain＝V1sin(ω0t)
Vbin＝V1sin(ω0t+120°)
Vcin＝V1sin(ω0t-120°)
其中，Vain为A相输入电压，Vbin为B相输入电压，Vcin为C相输入电压，后文所述电压、电流均为单相值。
初始化，即在该控制器中设定以下参数，所有功率与电压参数采用标幺值：
功率振荡抑制器输出的有功功率初始值P0；
功率振荡抑制器输出的无功功率初始值Q0；
可控变压器分接头变比N；
ω0为50或60Hz所对应的角频率；
第一PI控制模块控制系数kp1和ki1，1≤kp1≤100,1≤ki1≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；
第二PI控制模块控制系数kp2和ki2，1≤kp2≤100,1≤ki2≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；
按照电网运行状况，进行无功功率和/或有功功率调节；
通过改变可控变压器分接头开关的调制信号，调节其输出的有功功率和无功功率；
步骤2.实时采集可控变压器输入电压、输出电压与输出电流，由输出电压和输出电流计算输出的有功功率和无功功率；
步骤3.输出的有功功率调节按以下步骤执行：
步骤31.通过第一比较模块按下式计算第一PI控制模块的输入值μS1：
μS1＝P0-P，其中P为第一比较模块输入的有功功率值；
步骤32.第一PI控制模块在接收到所述第一比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μC1，计算公式如下：μC1＝kp1μS1+ki1∫μS1dt，
其中，kp1和ki1是第一PI控制模块的控制系数；
步骤33.通过第一加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的相角θ：
θ＝θ0+μC1；
步骤4.输出的无功功率调节按以下步骤执行：
步骤41.通过第二比较模块按下式计算第二PI控制模块的输入值μS2：
μS2＝Q0-Q，其中Q为第一比较模块输入的无功功率值；
步骤42.第二PI控制模块在接收到所述第二比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μC2，计算公式如下：
μC2＝kp2μS2+ki2∫μS2dt，
其中，kp2和ki2是第二PI控制模块的控制系数；
步骤43.通过第二加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的幅值 其中，为可控变压器输出电压基波的初始幅值；
步骤5.通过公式计算得到调制系数和相位初值：
设实时采集的可控变压器输入电压为Vin＝V1sin(ω0t)，其中V1为输入电压Vin的幅值；
将上述计算得到的可控变压器输出电压基波的相角θ和幅值代入下述公式，求得
设K1为双向晶闸管Sa1和Sa3开关信号，K2为双向晶闸管Sa2和Sa4开关信号，此控制信号有两种工作状态：
(1)当电压相角θ取“+”时，K1＝1，K2＝0，双向功率管Sa1和Sa3导通，双向功率管Sa2和Sa4关断，两相绕组正向导通，；
(2)当电压相角θ取“-”时，K1＝0，K2＝1，双向功率管Sa1和Sa3关断，双向功率管Sa2和Sa4导通，两相绕组反向导通；
于是可得到绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制信号中的第一功率单元3占空比控制信号D1和第二功率单元4占空比控制信号D2；
步骤6.根据脉宽调制占空比D1和D2，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通；
步骤7.重复步骤2至步骤6，根据所获得的脉宽调制占空比D1和D2，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对电网的动态潮流的调节控制。
所述第一PI控制模块和所述第二PI控制模块的控制规律是比例积分微分控制方式。
Claims (6)
1.一种基于含双向功率管的宽范围可控变压器的电网功率振荡抑制器，其特征在于包括：宽范围可控变压器(1)、测量与控制模块(2)、第一功率单元(3)和第二功率单元(4)、交叉相转换模块(5)、第三滤波电容(6)和第四滤波电容(7)、输入电压互感器(8)、输出电压互感器(9)和输出电流互感器(10)：
所述的宽范围可控变压器(1)的副边包含主接头“1”、正分接头“1+N”、负分接头“1-N”；
所述的第一功率单元(3)由第一组功率管(S1)、第二组功率管(S2)、第一滤波电感(Lf1)和第一滤波电容(Cf1)组成，所述的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第一组功率管(S1)的一端与所述的宽范围可控变压器(1)副边的正分接头“1+N”相连，第二组功率管(S2)的一端与所述的宽范围可控变压器(1)副边的负分接头“1-N”相连，所述的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)的另一端均与所述的第一滤波电感(Lf1)的一端相连，该第一滤波电感(Lf1)的另一端与所述的交叉相转换模块(5)的输入端相连，所述的第一滤波电容(Cf1)接在所述的宽范围可控变压器(1)副边的正分接头“1+N”和负分接头“1-N”之间；
所述的第二功率单元(4)由第三组功率管(S3)、第四组功率管(S4)、第二滤波电感(Lf2)和第二滤波电容(Cf2)组成，所述的第三组功率管(S3)和第四组功率管(S4)均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，所述的第三组功率管(S3)的一端与所述的交叉相转换模块(5)的第一输出端相连，第四组功率管(S4)的一端与所述的交叉相转换模块(5)的第二输出端，即交叉相转换模块(5)的输入端相连，所述的第三组功率管(S3)和第四组功率管(S4)的另一端均与所述的第二滤波电感(Lf2)的一端相连，该第二滤波电感(Lf2)的另一端与所述的输出电流互感器(10)的一端相连，所述的第二滤波电容(Cf2)接在所述的交叉相转换模块(5)的第一输出端与第二输出端之间；
所述的交叉相转换模块(5)由所述的宽范围可控变压器(1)的副边正分接头(11)、负分接头(12)组成的绕组和第一双向功率管(Sa1)、第二双向功率管(Sa2)第三双向功率管(Sa3)、第四双向功率管(Sa4)组成，所述的第一双向功率管(Sa1)、第二双向功率管(Sa1)、第三双向功率管(Sa1)、第四双向功率管均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成；
所述的第三滤波电容(6)一端和所述的宽范围可控变压器(1)的副边的主接头“1”连接，另一端和所述的第一滤波电感(Lf1)连接；
所述的第四滤波电容(7)一端和所述的第一滤波电感(Lf1)连接，另一端和所述的第二滤波电感(Lf2)连接；
所述的输入电压互感器(8)，一侧与所述的宽范围可控变压器(1)的原边输入电压主电路相连，电压信号输出端(Vain)与所述的测量与控制模块(2)的电压信号输入端口相连；
所述的输出电压互感器(9)，一侧与所述的宽范围可控变压器(1)的副边输出电压主电路相连，电压信号输出端(Vaout)与所述的测量与控制模块(2)的电压信号输入端口相连；
所述的输出电流互感器(10)串接在所述的宽范围可控变压器(1)的输出主电路中，其电流信号输出端(Iaout)与所述的测量与控制模块(2)的电流信号输入端口相连；
所述的测量与控制模块(2)的控制信号的输出端分别与所述的第一功率单元(3)的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)的控制端、第二功率单元(4)的第三组功率管(S3)和第四组功率管(S4)的控制端及所述的第一双向功率管(Sa1)、第二双向功率管(Sa2)第三双向功率管(Sa3)、第四双向功率管(Sa4)的控制端相连，控制所述的第一组功率管(S1)和第二组功率管(S2)交替导通，第三组功率管(S3)和第四组功率管(S4)交替导通，该测量与控制模块(2)与上位机相连。
2.根据权利要求1所述的基于含双向功率管的宽范围可控变压器的电网功率振荡抑制器，其特征在于所述的测量与控制模块(2)是数字信号处理器、单片机或计算机。
3.根据权利要求1所述的基于宽范围可控变压器的电网功率振荡抑制器，其特征在于所述的第一组功率管(S1)、第二组功率管(S2)、第三组功率管(S3)和第四组功率管(S4)均是集成门极换向晶闸管(IGCT)、栅极导通晶闸管(GTO)、金氧半场效晶体管(MOSFET)或其他电力电子开关。
4.根据权利要求1所述的基于宽范围可控变压器的电网功率振荡抑制器，其特征在于，所述的交叉相转换模块的各相连接关系如下：
A相：所述的交叉相转换模块(5)由C相串入的NVcin绕组、B相串入的NVbin绕组和第一双向功率管(Sa1)、第二双向功率管(Sa2)、第三双向功率管(Sa3)和第四双向功率管(Sa4)组成，所述的第一双向功率管(Sa1)的一端与所述的第一滤波电感(Lf1)的另一端相连，另一端与所述的C相NVcin绕组的负分接头相连，C相NVcin绕组的正分接头与所述的B相NVbin绕组的负分接头相连，B相NVbin绕组的正分接头与所述的第三双向功率管(Sa3)的一端相连，所述的第三双向功率管(Sa3)的另一端与第二功率单元(4)的第三功率管(S3)的输入端相连；所述的第二双向功率管(Sa2)的一端与所述的第一双向功率管(Sa1)一端相连，另一端与所述的第三双向功率管(Sa3)的一端相连；所述的第四双向功率管(Sa4)的一端与所述的第一双向功率管(Sa1)的另一端相连，另一端与所述的第三双向功率管(Sa3)的另一端相连；
B相：所述的交叉相转换模块(5)由A相串入的NVAin绕组、C相串入的NVcinn绕组和第一双向功率管(Sa1)、第二双向功率管(Sa2)、第三双向功率管(Sa3)和第四双向功率管(Sa4)组成，所述的第一双向功率管(Sa1)的一端与所述的第一滤波电感(Lf1)的另一端相连，另一端与所述的A相NVAinn绕组的负分接头相连，A相NVAinn绕组的正分接头与所述的C相NVcin绕组的负分接头相连，C相NVcin绕组的正分接头与所述的第三双向功率管(Sa3)的一端相连，该第三双向功率管(Sa3)的另一端与所述的第二功率单元(4)的第三功率管(S3)的输入端相连；所述的第二双向功率管(Sa2)的一端与所述的第一双向功率管(Sa1)一端相连，另一端与所述的第三双向功率管(Sa3)一端相连；所述的第四双向功率管(Sa4)的一端与所述的第一双向功率管(Sa1)的另一端相连，另一端与所述的第三双向功率管(Sa3)的另一端相连；
C相：所述的交叉相转换模块(5)由B相串入的NVBin绕组、A相串入的NVAin绕组和第一双向功率管(Sa1)、第二双向功率管(Sa2)、第三双向功率管(Sa3)和第四双向功率管(Sa4)组成，所述的第一双向功率管(Sa1)的一端与所述的第一滤波电感(Lf1)的另一端相连，另一端与所述的B相NVBin绕组的负分接头相连，B相NVBin绕组的正分接头与所述的A相NVAin绕组的负分接头相连，A相NVAin绕组的正分接头与所述的第三双向功率管(Sa3)的一端相连，所述的第三双向功率管(Sa3)的另一端与第二功率单元(4)的第三功率管(S3)的输入端相连；所述的第二双向功率管(Sa2)的一端与所述的第一双向功率管(Sa1)一端相连，另一端与所述的第三双向功率管(Sa3)的一端相连；所述的第四双向功率管(Sa4)的一端与所述的第一双向功率管(Sa1)的另一端相连，另一端与所述的第三双向功率管(Sa3)的另一端相连。
5.利用权利要求1-4任一项所述的功率振荡抑制器进行功率振荡抑制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1)将功率振荡抑制器的输入端与第一母线(1)相连，该功率振荡抑制器的输出端经输电线路与第二母线(2)相连；
步骤2)设宽范围可控变压器三相输入电压分别为：
Vain＝V1sin(ω0t)
Vbin＝V1sin(ω0t+120°)
Vcin＝V1sin(ω0t-120°)
其中，Vain为A相输入电压，Vbin为B相输入电压，Vcin为C相输入电压，后文所述电压、电流均为单相值；
功率振荡时，所述的功率振荡抑制器的测量与控制模块(2)对输出功率的具体调节如下：
①初始化，即在该控制器中设定以下参数，所有功率与电压参数采用标幺值：
功率振荡抑制器输出的有功功率初始值P0；
功率振荡抑制器输出的无功功率初始值Q0；
可控变压器分接头变比N；
ω0为50Hz或60Hz所对应的角频率；
第一PI控制模块的控制系数kp1和ki1，1≤kp1≤100,1≤ki1≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；
第二PI控制模块的控制系数kp2和ki2，1≤kp2≤100,1≤ki2≤100，初设值均为10，由操作员按电网运行状况设定，功率越大，系数取值越大，额定功率时取其最大值100；
②实时采集可控变压器的输入电压、输出电压与输出电流，由输出电压和输出电流计算输出的有功功率和无功功率；
③按照电网运行状况，通过改变可控变压器分接头开关的调制信号，调节其输出的有功功率和无功功率；
所述输出的有功功率调节按以下步骤执行：
步骤311.通过第一比较模块按下式计算第一PI控制模块的输入值μS1：
μS1＝P0-P，
其中，P为第一比较模块输入的有功功率值；
步骤312.第一PI控制模块在接收到所述第一比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μC1，公式如下：
μC1＝kp1μS1+ki1∫μS1dt；
步骤313.第一加法模块按以下公式计算可控变压器输出电压基波的相角θ：
θ＝θ0+μC1，
其中，θ0为可控变压器电压相角设定初值；
所述输出的无功功率调节按以下步骤执行：
步骤321.通过第二比较模块按下式计算第二PI控制模块的输入值μS2：
μS2＝Q0-Q，
其中，Q为第一比较模块输入的无功功率值；
步骤322.第二PI控制模块在接收到所述第二比较模块的输出后进行控制运算，输出相应的控制量μC2，计算公式如下：
μC2＝kp2μS2+ki2∫μS2dt；
步骤323.通过第二加法模块按以下公式计算可控变压器的输出电压基波的幅值
其中，为可控变压器输出电压基波的初始幅值；
④计算第一功率单元(3)的占空比控制信号D1和第二功率单元(4)的占空比控制信号D2：
设实时采集的可控变压器的输入电压为Vin＝V1sin(ω0t)，其中V1为输入电压Vin的幅值；
计算输出电压公式如下：
设K1为第一双向功率管(Sa1)和第三双向功率管(Sa3)开关信号，K2为第二双向功率管(Sa2)和第四双向功率管(Sa4)开关信号，此控制信号有两种工作状态：
(1)当电压相角θ取“+”时，K1＝1，K2＝0，第一双向功率管(Sa1)和第三双向功率管(Sa3)导通，第二双向功率管(Sa2)和第四双向功率管(Sa4)关断，两相绕组正向导通，；
(2)当电压相角θ取“-”时，K1＝0，K2＝1，第一双向功率管(Sa1)和第三双向功率管(Sa3)关断，第二双向功率管(Sa2)和第四双向功率管(Sa4)导通，两相绕组反向导通；
⑤根据脉宽调制占空比D1和D2，向绝缘栅双极型晶体管脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通；
⑥重复步骤②至步骤⑤，根据所获得的脉宽调制占空比D1和D2，通过控制绝缘栅双极型晶体管的导通实现对电网的动态潮流的调节控制。
6.根据权利要求4所述的进行电网功率振荡抑制的方法，其特征在于，所述第一PI控制模块和所述第二PI控制模块的控制规律是比例积分微分控制方式。
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| CN109412176A (zh) * | 2018-09-19 | 2019-03-01 | 华北电力大学 | 一种用于提高电力系统稳定性的控制方法 |
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