CN106953320B - 一种基于upfc的输电线路过载控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UPFC的输电线路过载控制方法，其首先通过计算电网中各输电线路电流幅值对UPFC有功潮流设定值变化的敏感度，确定受监控保护的母线集合；然后在电网运行过程中监测集合中输电线路的电流幅值，当监测到输电线路过载时，通过本发明控制策略能够自动调节UPFC有功潮流设定值，将输电线路负载控制在安全稳定运行范围内。本发明线路过载控制策略可以自动解决由于故障或负荷/发电量波动带来的输电线路过载问题，保证输电线路的安全运行，对提高电力系统运行的灵活性，增强电力系统安全性是十分有必要的，对于UPFC的工程应用以及电网安全稳定运行具有重要意义。

Description

一种基于UPFC的输电线路过载控制方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性输配电技术领域，具体涉及一种基于UPFC的输电线路过载控制方法。

背景技术

随着电网的发展和负荷的日益加重，已有输电线路的运行裕度逐渐减少。关键输电断面的线路过载正成为限制区域间输电能力的关键因素之一，在现代电力系统，特别是人口密集的城市电网中，新建输电线路的投资成本较大、可行性较低。同时，已有输电线路的退出运行(N-1故障)和负荷/发电量的波动，可能会引起潮流的大规模转移，造成输电线路的过载。电力系统安全稳定运行受到了极大挑战。因此，输电线路的过载控制得到了越来越多关注。为迎合电力系统发展需要，柔性交流输电(Flexible AC Transmission System，FACTS)技术急速发展。统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)作为最新一代的FACTS装置，既能够实现潮流的精确控制，改善输电线路潮流分布、提高断面输送功率极限；又能提供动态电压支撑，提高系统电压稳定性；同时可以提高系统阻尼，改善系统动态特性。合理装设统一潮流控制器对我国电网的发展具有十分重要的意义。

如图1所示，UPFC由两个背靠背的电压源换流器构成，两个背靠背的换流器共用直流母线和直流电容，二者都通过换流变压器接入系统，其中变流器2的换流变压器以串联形式接入。有功功率可以在两个变流器之间在任一方向自由流动，每个变流器的交流输出端也可独立地产生或吸收无功功率。UPFC中变流器2的功能是通过串联变压器给线路注入幅值和相角均可控的电压向量；变流器1的主要功能是提供或吸收变流器2在公共直流母线上所需要的有功功率，以维持串联注入电压与线路之间的有功功率交换。在输电网中，UPFC通常运行在有功/无功潮流控制模式，即通过调节串联变压器注入电压向量的幅值和相角将线路有功/无功潮流控制在设定值。在确定工况下，有功/无功潮流的精确控制可以实现电网潮流分布的改善、运行指标的优化。然而当运行工况改变时，特别是由于运行工况的改变(如发生N-1故障)而导致输电线路过载时，需要改变UPFC的潮流设定值，以转移过载线路上的潮流，保证输电线路的安全运行。

因此，制定一套基于UPFC的输电线路过载控制策略，在输电线路过载时自动改变UPFC的潮流设定值，保证输电线路的安全运行，对提高电力系统运行的灵活性，增强电力系统安全性是十分有必要的。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于UPFC的输电线路过载控制方法，该方法只在输电线路过载时动作，在电网运行过程中监测输电线路的电流幅值，当输电线路过载时能够自动调节UPFC有功潮流设定值，将输电线路负载控制在安全稳定运行范围内，增强了电网运行的安全性。

一种基于UPFC的输电线路过载控制方法，包括如下步骤：

(1)通过计算电力系统中各输电线路电流幅值对UPFC串联侧换流器有功潮流设定值P₀ ^*变化的敏感度，确定所要监控保护的线路集合Λ；

(2)根据线路集合Λ中各输电线路的电流幅值确定线路过载偏差信号ΔR；当检测到ΔR＞0即系统有输电线路过载时，通过线路过载控制器生成UPFC串联侧换流器有功潮流设定值P₀ ^*的调节信号ΔP；

(3)使调节信号ΔP与有功潮流设定值P₀ ^*相加后得到UPFC串联侧换流器最终的有功潮流设定值P^*，将其作为UPFC串联侧换流器潮流控制模块的有功参考值并进行控制，以实现对系统输电线路过载控制。

所述步骤(1)中对于系统中的任一输电线路，则该输电线路电流幅值对UPFC串联侧换流器有功潮流设定值P₀ ^*变化的敏感度为G_k的实部，G_k＝Y_bk[(Z_mx-Z_my)-(Z_nx-Z_ny)]，x和y分别为UPFC安装所在线路两端母线节点的编号，m和n分别为该输电线路两端母线节点的编号，Y_bk为该输电线路的导纳，Z_mx为矩阵Z中第m行第x列元素，Z_my为矩阵Z中第m行第y列元素，Z_nx为矩阵Z中第n行第x列元素，Z_ny为矩阵Z中第n行第y列元素，矩阵Z为系统节点导纳矩阵的逆矩阵。

所述步骤(1)中对于系统中的任一输电线路，若该输电线路电流幅值对UPFC串联侧换流器有功潮流设定值P₀ ^*变化的敏感度为H_k且|H_k|＞H_set，则将该输电线路选入线路集合Λ中，H_set为给定的阈值参数。

所述步骤(2)中通过以下公式确定线路过载偏差信号ΔR：

其中：k为线路集合Λ中的任一输电线路，R_k＝I_k/I_k,limit，I_k为输电线路k的电流幅值，I_k,limit为输电线路k运行电流的上限值，R_k,set为输电线路k运行过程中负载率的上限值，H_k为输电线路k电流幅值I_k对UPFC串联侧换流器有功潮流设定值P₀ ^*变化的敏感度，I_kx为输电线路k电流相量的实部。

所述步骤(2)中的线路过载控制器基于以下传递函数：

其中：K_a为给定的积分系数，D为给定的下垂控制系数，s为拉普拉斯算子。

本发明通过计算电网中各输电线路电流幅值对UPFC有功潮流设定值变化的敏感度，确定受监控保护的母线集合；在电网运行过程中监测集合中输电线路的电流幅值，当监测到输电线路过载时，通过本发明控制策略能够自动调节UPFC有功潮流设定值，将输电线路负载控制在安全稳定运行范围内。本发明线路过载控制策略可以自动解决由于故障或负荷/发电量波动带来的输电线路过载问题，保证输电线路的安全运行，对提高电力系统运行的灵活性，增强电力系统安全性是十分有必要的，对于UPFC的工程应用以及电网安全稳定运行具有重要意义。

附图说明

图1为统一潮流控制器UPFC的结构示意图。

图2为含UPFC电力系统的结构示意图。

图3为输电线路过载控制器的结构示意图。

图4为某实际电网的简化结构示意图。

图5为输电线路BD的负载率波形示意图。

图6为UPFC串联侧换流器有功潮流设定值的波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于UPFC的输电线路过载控制策略，包括如下步骤：

(1)通过计算电网中各输电线路电流幅值对UPFC有功潮流设定值变化的敏感度，确定受过载控制策略监控并保护的母线集合Λ。

输电线路电流幅值对UPFC有功潮流设定值变化的敏感度计算方法如下：

对于一个含有a条交流母线和b条输电线路的电力系统，UPFC安装线路编号为线路1，两端所连母线编号为母线1和2，如图2所示。矩阵Z_n为电网络节点导纳矩阵的逆矩阵，其第i行第j列元素为Z_ij(i,j＝1,2,…,a)。假设输电线路k(k＝1,2,3,…,b)两端母线编号为m和n(m,n∈1,2,…,a)，其导纳为Y_bk，根据电网络理论可得，输电线路k上流过的电流相量对UPFC安装线路电流变化的灵敏程度可以用G_k刻画，G_k的计算公式为：

G_k＝[(Z_m2-Z_m1)-(Z_n2-Z_n1)]Y_bk A1

在实际输电网中，架空线路电阻的值远小于其电抗值，相比于虚部，Z_ij的实部可以忽略。同时，UPFC安装线路附近交流母线的电压相量相角都比较接近，幅值都在1.0pu附近。当输电线路重载时，其流过的电流相量实部的绝对值远大于虚部(重载线路有功分量远大于无功分量)。在此条件下，输电线路k(k＝2,3,…,b)电流幅值I_k的变化量与UPFC有功设定值P^*变化量的关系近似为：

ΔI_k＝H_kΔP^*

其中，H_k为G_k的实部，取H_k为输电线路k电流幅值对UPFC有功潮流设定值变化的的敏感系数，H_k的值反映了输电线路k的电流幅值对UPFC有功潮流设定值变化的敏感度。

集合Λ的确定方法如下：

敏感系数H_k是决定过载控制策略对输电线路k负载调节能力大小的关键指标，因此将H_k选为过载控制策略的控制敏感度指标。由于集合Λ被定义为受过载控制策略监控并保护的母线集合，集合中包含的输电线路应该是对UPFC有功设定值变化较为敏感的线路。H_set为给定的阈值参数，集合Λ的确定原则如下：当|H_k|＞H_set时，线路k被选入集合Λ。

(2)在电网运行过程中监测集合Λ中输电线路的电流幅值I_k，计算得到线路过载信号ΔR，当监测到输电线路过载(ΔR＞0)时，通过输电线路过载控制器生成UPFC有功潮流设定值的调节信号ΔY，ΔY与控制中心给定的有功设定值P₀ ^*叠加后得到最终UPFC有功设定值P^*。

输电线路过载控制器如图3所示，其中K_A为积分器增益，D为下垂控制系数，s为拉普拉斯算子。线路过载信号ΔR与输出信号ΔY的反馈信号DΔY叠加后经过积分环节后得到UPFC有功潮流设定值的调节信号ΔY。

线路过载控制器中的线路过载信号ΔR通过式A2计算得到：

其中，对于输电线路k(k＝1,2,…,b)，R_k为输电线路k的负载率，通过R_k＝I_k/I_k,limit计算(I_k,limit为输电线路k运行电流的上限)，R_k,set为输电线路k运行中负载率上限的设定值；Sgn_k由式A3计算得到；Max为取最大值的函数。

其中，I_kx为输电线路k电流相量的实部。

线路过载控制器中通过引入下垂控制系数D确保系统存在唯一稳定运行点，并能够实现电网在恢复正常运行状态(无需输电线路过载控制策略也能保证输电线路不过载)时，UPFC有功潮流设定值能够自动恢复到控制中心给定的有功设定值P₀ ^*。通过式A2可以实现多条输电线路同时过载时的处理。

(3)将P^*赋给UPFC串联侧换流器的潮流控制模块，便可实现基于UPFC的输电线路过载控制。

图4为某实际电网的简化结构(电压基值为220kV，容量基值为100MVA)，区域内负荷主要通过断面1和断面2供电，两个断面潮流分布不均匀，经常遭遇输电瓶颈。特别的，BD或BC两回线中任意一回线因故障退出运行后，非故障线路将过载运行，电网安全性收到极大的挑战。经过工程选址分析，选择在AB线路上加装UPFC装置对断面1功率进行控制。

首先，计算电网中各输电线路电流幅值对UPFC有功潮流设定值变化的敏感度H_k。输电线路电流幅值对UPFC有功潮流设定值变化的敏感度的仿真值H_sim(在仿真程序中改变UPFC有功设定值，观察输电线路电流幅值的变化量从而得到灵敏度)和计算值H_k(利用上述计算方法得到)在表1中进行了比较。

表1

由表1中数据可以看出，本发明提出的输电线路电流幅值对UPFC有功潮流设定值变化敏感度的计算方法所得结果与仿真值接近，能够作为输电线路过载控制的灵敏度指标。

在动态仿真中，UPFC串联侧换流器采用本发明线路过载控制策略时，所用参数如下：H_set＝0.3，K_a＝250，R_k,set＝0.95(k∈Λ)，D＝0.0005。采用输电线路过载控制策略前后，系统对因N-1故障引起的输电线路过载的动态响应情况如图5和图6所示。图5为输电线路BD的负载率R_k，图6为UPFC有功潮流设定值。仿真过程如下：2.0秒时，输电线路BC因故障退出运行；15.0秒时，故障排除，输电线路BC重新投入运行。

由图5和图6所示，输电线路BC因故障退出运行后，不采用本发明控制策略时，输电线路BD的负载率将达到约1.25，超过其安全稳定运行极限；采用本发明输电线路过载控制策略后，在输电线路BD过载后，控制器迅速动作调节UPFC有功设定值(降低UPFC安装线路传输功率从而降低输电线路BD负载)，输电线路BD负载率被控制在1.0以下，保证其不过载。当输电线路BC重新投入运行后，不需要继续调节UPFC有功设定值系统也可以保证各输电线路不过载。在下垂控制的作用下，UPFC有功设定值恢复到控制中心给定的P₀ ^*(87.6MW)。测量时延和控制器计算时延也在仿真中得到了考虑，由图5和图6所示，即使考虑了0.15秒的时延，本发明控制策略仍具有较好的控制效果，这验证了本发明输电线路过载控制策略在实际电网中应用的可行性。

采用输电线路过载控制策略前后，系统对不同时间段负荷波动引起的输电线路过载的响应情况如表2所示，其中P^*为UPFC有功潮流设定值的稳态值。

表2

由表2数据可以看出，本发明输电线路过载控制策略可以解决由负荷波动引起的输电线路过载问题，大大提高电力系统运行的灵活性，降低了电力系统运行的复杂性，增强了电力系统安全性。上述分析也验证了本发明基于UPFC输电线路过载控制策略的有效性。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于UPFC的输电线路过载控制方法，包括如下步骤：

(1)通过计算电力系统中各输电线路电流幅值对UPFC串联侧换流器有功潮流设定值P₀ ^*变化的敏感度，确定所要监控保护的线路集合Λ；

(2)根据线路集合Λ中各输电线路的电流幅值确定线路过载偏差信号ΔR；当检测到ΔR＞0即系统有输电线路过载时，通过线路过载控制器生成UPFC串联侧换流器有功潮流设定值P₀ ^*的调节信号ΔP；

(3)使调节信号ΔP与有功潮流设定值P₀ ^*相加后得到UPFC串联侧换流器最终的有功潮流设定值P^*，将其作为UPFC串联侧换流器潮流控制模块的有功参考值并进行控制，以实现对系统输电线路过载控制。

2.根据权利要求1所述的输电线路过载控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中对于系统中的任一输电线路i，则输电线路i电流幅值对UPFC串联侧换流器有功潮流设定值P₀ ^*变化的敏感度H_i为G_i的实部，G_i＝Y_bi[(Z_mx-Z_my)-(Z_nx-Z_ny)]，x和y分别为UPFC安装所在线路两端母线节点的编号，m和n分别为输电线路i两端母线节点的编号，Y_bi为输电线路i的导纳，Z_mx为矩阵Z中第m行第x列元素，Z_my为矩阵Z中第m行第y列元素，Z_nx为矩阵Z中第n行第x列元素，Z_ny为矩阵Z中第n行第y列元素，矩阵Z为系统节点导纳矩阵的逆矩阵。

3.根据权利要求1所述的输电线路过载控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中对于系统中的任一输电线路i，若|H_i|＞H_set，则将输电线路i选入线路集合Λ中，H_set为给定的阈值参数，H_i为输电线路i电流幅值对UPFC串联侧换流器有功潮流设定值P₀ ^*变化的敏感度。

4.根据权利要求1所述的输电线路过载控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式确定线路过载偏差信号ΔR：

其中：k为线路集合Λ中的任一输电线路，R_k＝I_k/I_k,limit，I_k为输电线路k的电流幅值，I_k,limit为输电线路k运行电流的上限值，R_k,set为输电线路k运行过程中负载率的上限值，H_k为输电线路k电流幅值I_k对UPFC串联侧换流器有功潮流设定值P₀ ^*变化的敏感度，I_kx为输电线路k电流相量的实部。

5.根据权利要求1所述的输电线路过载控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中的线路过载控制器基于以下传递函数：

其中：K_a为给定的积分系数，D为给定的下垂控制系数，s为拉普拉斯算子。