CN107482624A - 一种基于upfc的电网损耗控制策略 - Google Patents

一种基于upfc的电网损耗控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UPFC的电网损耗控制策略，其通过在电网运行过程中监测线路流过的电流相量，计算反映电网总网损的特征信号，并通过损耗控制器对电网损耗进行控制，以实现降低电网运行损耗的目的。本发明控制策略不依赖于特定负荷或发电水平，当负荷或发电量波动时仍具有较好的控制效果，对降低电力系统的运行损耗、减少化石能源消耗、降低CO2排放量具有十分重要的意义，对UPFC等柔性交流输电装置的应用和推广也具有积极作用。

Description

一种基于UPFC的电网损耗控制策略
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的电网损耗控制策略。
背景技术
随着全球气候变暖问题的日益严重，节能减排在各个领域得到了越来越多的关注。目前电力系统的主要发电方式还以传统的化石能源发电为主，利用化石能源的发电过程是温室气体CO2的主要来源之一，因此电力系统节能减排对降低CO2排放量有至关重要的作用。电力系统运行过程中，电能流过输电线路时产生的网络损耗是电力系统运行损耗的主要组成部分，因此降低电力系统运行过程中的网络损耗是电力系统节能减排的一个环节。在发达国家，电力系统运行网损一般不超过10％，然而在发展中国家损耗可达20％；研究电网损耗控制策略对于降低整个电力系统的运行损耗、实现节能减排具有十分重要的意义。
为迎合电力系统发展需要，柔性交流输电系统(Flexible AC TransmissionSystem，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，又能提供动态电压支撑，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。由于UPFC具有潮流精确控制的能力，可以通过UPFC改善输电线路潮流分布从而降低电网总损耗。
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，其中换流器2的换流变压器以串联形式接入，有功功率可以在两个换流器之间以任一方向自由流动。UPFC中换流器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，从而实现对系统运行参数的控制；换流器1的主要功能是提供或吸收换流器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。在电网运行过程中，UPFC安装线路的运行电流可以被快速控制到UPFC串联侧换流器(换流器2)的电流参考值。
由上述分析可见，制定一套基于UPFC的电网损耗控制策略，对降低电力系统的运行损耗、减少化石能源消耗、降低CO2排放量具有十分重要的意义。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于UPFC的电网损耗控制策略，通过在电网运行过程中监测线路流过的电流相量，计算反映电网总网损的特征信号并对其进行控制，以实现降低电网运行损耗的目的。
一种基于UPFC的电网损耗控制策略，包括如下步骤：
(1)在电网运行过程中监测电网系统中各条线路上的电流相量，并计算出用于反映电网系统总网损的特征信号PA和PB；
(2)使所述特征信号PA和PB通过损耗控制生成对应UPFC电流相量指令值实部和虚部的调节信号和
(3)使电流调节相量与正常工况下控制中心给定的UPFC电流相量指令值相叠加后的结果输入至UPFC串联侧换流器的电流控制模块，作为UPFC的控制指令以进行控制，j为虚数单位。
进一步地，所述特征信号PA和PB分别为电网系统总网损Ploss对UPFC所在安装线路上电流相量实部和虚部的偏导数，所述电网系统总网损Ploss的表达式如下：
其中：b为电网系统中的线路总数，Rk为电网系统中第k条线路的线路电阻，Ik为电网系统中第k条线路上的电流大小。
进一步地，所述步骤(1)中计算特征信号PA和PB的具体过程如下：
首先，令UPFC所在安装线路在电网系统中的编号为1，并根据以下公式计算电网系统中各条线路上的电流相量相对UPFC所在安装线路上电流相量变化的灵敏度：
其中：为电网系统中第k条线路上的电流相量相对UPFC所在安装线路上电流相量变化的灵敏度，Yb为电网系统的支路导纳矩阵，Zn为电网系统节点导纳矩阵的逆矩阵，A为电网系统的关联矩阵(节点总数为列数，支路总数为行数，支路电流流入节点则对应的元素值为-1，支路电流流出节点则对应的元素值1，支路与节点不相连则对应的元素值为0)，T表示矩阵转置，Ek＝[Ek1,Ek2,…,Ekb]且b为电网系统中的线路总数；
然后，根据以下公式计算特征信号PA和PB：
其中：Hkx和Hky分别为灵敏度的实部和虚部，Ikx和Iky分别为电网系统中第k条线路上电流相量的实部和虚部，Rk为电网系统中第k条线路的线路电阻。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算生成调节信号和
其中：KA和KB均为设定的放大增益系数，s为拉普拉斯算子。
本发明电网损耗控制策略通过在电网运行过程中监测线路流过的电流相量，计算反映电网总网损的特征信号，并通过损耗控制器对电网损耗进行控制，以实现降低电网运行损耗的目的。本发明控制策略不依赖于特定负荷或发电水平，当负荷或发电量波动时仍具有较好的控制效果，对降低电力系统的运行损耗、减少化石能源消耗、降低CO2排放量具有十分重要的意义，对UPFC等柔性交流输电装置的应用和推广也具有积极作用。
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的电力系统结构示意图。
图3为本发明控制策略的控制流程框图。
图4为某一实际电网系统的简化示意图。
图5为采用本发明损耗控制策略前后的系统总网损波形示意图。
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的电网损耗控制策略，步骤如下：首先，在电网运行过程中监测线路流过的电流相量，计算能够反映电网总网损的特征信号PA、PB；然后，得到的网损特征信号PA、PB经过损耗控制器分别生成UPFC电流参考值实部和虚部的调节信号最后，使与控制中心给定的UPFC电流设定值叠加后赋给UPFC串联侧换流器的电流控制模块，作为最终UPFC串联侧换流器的电流参考值
在UPFC的作用下，UPFC安装线路上的电流被快速控制到上述控制策略所产生的UPFC串联侧换流器的电流参考值，电网总网损将达到到最小值。
网损特征信号PA、PB的计算方法如下：
对于一个含有b条电力线路的电网，UPFC安装线路编号为线路1，该线路上流过的电流相量为如图2所示，线路k(k＝1,2,3,…,b)的线路阻抗为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刻画，的计算公式为：
其中：矩阵A是电网的关联矩阵，矩阵Yb是电网的支路导纳矩阵，矩阵Zn为电网节点导纳矩阵的逆矩阵，Ek＝[Ek1,Ek2,…,Ekb](k＝1,2,…,b)被定义为：
对所研究的电网，其总网损Ploss为：
网损特征信号PA、PB分别为Ploss对UPFC安装线路上电流相量实部和虚部IUx和IUy的偏导数。
其中：Hkx和Hky分别为的实部和虚部。
当PA、PB同时被控制在0时，整个电网的总网损最小，可以通过以下损耗控制器实现。损耗控制器如图3所示，其中KA和KB分别为PA和PB控制积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子，UPFC电流参考值实部和虚部的调节信号 分别由0与网损特征信号PA和PB的差经过积分环节得到；在积分器的作用下，PA、PB最终被控制在0，其设计思路可以通过PA和PB对IUx和IUy的偏导数得到。
图4为某一实际电网系统简化示意图，UPFC安装在线路4-5上靠近母线5的一侧，G1为变电站等效发电机，G2分布式新能源发电装置，线路和负荷参数如表1和表2所示，表中数据均为标幺值，电压基值为10KV，容量基值为100MVA。
表1
表2
本实施方式的控制效果如表3所示，表3中工况1表示电网在自然潮流分布下整个电网的有功损耗(网损)，工况2表示加装UPFC并采用所提出的电网损耗控制策略后整个电网的有功损耗(包括网损和UPFC损耗)。新能源的发电量波动也在表3中进行了考虑，渗透率为新能源的发电量与系统总负荷的比值，由表3中数据可以看出，在不同渗透率下，本发明电网损耗控制策略均具有较好的控制效果，电网总损耗大幅度减小。
表3
本实施方式的动作过程如图5所示，动态仿真的过程为：2秒时，本实施方式控制策略投入；动态仿真中，在UPFC中加装本实施方式控制策略时，所用参数如下：Ka＝Kb＝0.5，控制中心给定的UPFC电流设定值IUx,set+jIUy,set为自然潮流分布下线路4-5中的电流值。由图5可以看出，本实施方式控制策略投入后，电网总网损由360.1KW快速降为323.5KW，控制效果明显，响应较快。上述分析也验证了本发明电网损耗控制策略的有效性。
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 (4)

1.一种基于UPFC的电网损耗控制策略，包括如下步骤：
(1)在电网运行过程中监测电网系统中各条线路上的电流相量，并计算出用于反映电网系统总网损的特征信号PA和PB；
(2)使所述特征信号PA和PB通过损耗控制生成对应UPFC电流相量指令值实部和虚部的调节信号和
(3)使电流调节相量与正常工况下控制中心给定的UPFC电流相量指令值相叠加后的结果输入至UPFC串联侧换流器的电流控制模块，作为UPFC的控制指令以进行控制，j为虚数单位。
2.根据权利要求1所述的电网损耗控制策略，其特征在于：所述特征信号PA和PB分别为电网系统总网损Ploss对UPFC所在安装线路上电流相量实部和虚部的偏导数，所述电网系统总网损Ploss的表达式如下：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>b</mi> </munderover> <msub> <mi>R</mi> <mi>k</mi> </msub> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow>
其中：b为电网系统中的线路总数，Rk为电网系统中第k条线路的线路电阻，Ik为电网系统中第k条线路上的电流大小。
3.根据权利要求1所述的电网损耗控制策略，其特征在于：所述步骤(1)中计算特征信号PA和PB的具体过程如下：
首先，令UPFC所在安装线路在电网系统中的编号为1，并根据以下公式计算电网系统中各条线路上的电流相量相对UPFC所在安装线路上电流相量变化的灵敏度：
<mrow> <msub> <mover> <mi>H</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>k</mi> </msub> <msub> <mi>Y</mi> <mi>b</mi> </msub> <msup> <mi>A</mi> <mi>T</mi> </msup> <msub> <mi>Z</mi> <mi>n</mi> </msub> <msup> <mi>A</mi> <mi>T</mi> </msup> <msubsup> <mi>E</mi> <mn>1</mn> <mi>T</mi> </msubsup> </mrow>
其中：为电网系统中第k条线路上的电流相量相对UPFC所在安装线路上电流相量变化的灵敏度，Yb为电网系统的支路导纳矩阵，Zn为电网系统节点导纳矩阵的逆矩阵，A为电网系统的关联矩阵，T表示矩阵转置，Ek＝[Ek1,Ek2,…,Ekb]且b为电网系统中的线路总数；
然后，根据以下公式计算特征信号PA和PB：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>b</mi> </munderover> <msub> <mi>R</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>b</mi> </munderover> <msub> <mi>R</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中：Hkx和Hky分别为灵敏度的实部和虚部，Ikx和Iky分别为电网系统中第k条线路上电流相量的实部和虚部，Rk为电网系统中第k条线路的线路电阻。
4.根据权利要求1所述的电网损耗控制策略，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式计算生成调节信号和
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Delta;I</mi> <mrow> <mi>U</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>A</mi> </msub> </mrow> <mi>s</mi> </mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>A</mi> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Delta;I</mi> <mrow> <mi>U</mi> <mi>y</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>B</mi> </msub> </mrow> <mi>s</mi> </mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>B</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中：KA和KB均为设定的放大增益系数，s为拉普拉斯算子。
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