CN108988345B - 一种分布式潮流控制器串联单元协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式潮流控制器串联单元协调控制方法，其中，DPFC串联单元协调控制系统包含一个协调控制器、多个串联单元控制器和PLC单向通信链路，该方法在协调控制器中计算出串联单元基频补偿电压的参考相量，并利用WAMS系统获取初始稳态对应的输电线路基频电流与末端电压之间的相位差以及串联单元就地采集的输电线路基频电流波形在串联单元中生成末端电压的波形，进而生成串联单元基频补偿电压参考相量的波形，控制串联单元实际输出的基频补偿电压相量逼近串联单元基频补偿电压的参考波形，无需高速通信链路即可实现DPFC串联单元的准确、快速控制。

Description

一种分布式潮流控制器串联单元协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种分布式潮流控制器的串联单元协调控制方法，应用于输电网柔性交流潮流控制。

背景技术

分布式潮流控制器(distributed power flow controller，DPFC)能够灵活有效地调节输电线路潮流，具有广阔的应用前景。虽然国内外学者针对DPFC的协调控制问题已进行了比较广泛的研究，但是，针对DPFC串联单元输出的基频电压控制，现有技术均以输电线路首端或末端电压为参考相位，并且需要通过高速通信链路将参考电压波形直接送至各个串联单元的控制器，才能使得串联单元输出合适的基频电压。这种协调控制方式不利于实际工程应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足之处，提出一种分布式潮流控制器串联单元协调控制方法，无需高速通信链路即可实现DPFC串联单元的准确、快速控制。

本发明的目的是通过以下技术措施实现的。

一种分布式潮流控制器串联单元协调控制方法，包括以下步骤：

(1)由协调控制器、电力线载波单向通信链路、DPFC串联单元控制器构成双层控制系统；

(2)通过广域测量系统(wide area measurement system，WAMS)获取被控输电线路两端电压相量参数以及被控输电线路电流与末端电压的相位差，并将其存储在协调控制器中；

(3)协调控制器负责根据调度中心下达的该输电线路末端的潮流指令值实时计算串联单元基频补偿电压参考相量；

(4)协调控制器的串联单元基频补偿电压参考相量经由电力线载波单向通信链路下达给各DPFC串联单元；

(5)协调控制器所储存的系统初始稳态对应的被控输电线路电流与末端电压的相位差经由电力线载波单向通信链路下达给各DPFC串联单元；

(6)假设在一个控制周期内，系统频率保持不变，根据DPFC串联单元就地采集的被控输电线路基频电流实时相位以及系统初始稳态对应的被控输电线路基频电流与末端电压的相位差，在所述DPFC串联单元中通过正弦波发生器产生能准确反映末端电压实时相位的波形，而无需高速通信链路将WAMS系统采集的输电线路末端电压相位实时下达给串联单元；

(7)根据协调控制器下达的串联单元基频补偿电压参考相量值、DPFC串联单元中正弦波发生器产生的实时末端电压参考波形，得到串联单元基频补偿电压参考相量的波形；

(8)在DPFC串联单元二次侧采集实际输出的基频补偿电压的波形，与所述串联单元基频补偿电压参考相量的波形比较，串联单元控制器通过采取有效值修正和相位补偿措施，使得串联单元实际输出的基频补偿电压的有效值和相位逼近参考值，无需高速通信链路即可实现DPFC串联单元的准确、快速控制。

本发明提供的分布式潮流控制器串联单元协调控制方法，应用于DPFC协调控制系统，采用的DPFC等效电路模型见图1：并联装置采用三次谐波电流源等效、串联装置(由多个拓扑结构和控制参数相同的串联单元构成)采用详细电力电子模型。DPFC串联单元的拓扑结构示意图见图2：DPFC串联单元包含1单匝变压器、2旁路开关K₁、3电流互感器、4单相变流器、5串联单元控制器以及6载波通信接收模块。DPFC串联装置由多个拓扑结构和控制参数相同的串联单元组成，每个串联单元根据协调控制命令给出的参考值进行本地闭环控制，向输电线路注入相应的基频补偿电压。

根据本发明方法实现的DPFC串联单元协调控制系统包含一个协调控制器、多个串联单元控制器和电力线载波(power line carrier，PLC)单向通信链路，DPFC串联单元协调控制系统的原理框图见图3。DPFC串联单元协调控制系统的工作原理为：协调控制器从WAMS获取被控输电线路的首、末端基频电压相量参数和输电线路基频电流相量参数，并根据调度中心下达的该输电线路末端的潮流指令值实时计算串联单元基频补偿电压的参考相量，将所计算得出的串联单元基频补偿电压参考相量以及系统初始稳态对应的被控输电线路电流与末端电压之间的夹角通过电力线载波单向通信链路下达给各个串联单元；串联单元控制器则控制串联单元吸收并联装置发出的三次谐波有功功率以维持串联单元直流电容电压的稳定，根据协调控制器下达的指令且对其采取相位补偿和系数修正措施使得串联单元注入到输电线路中的基频电压能够准确、快速地跟踪协调控制器下达的指令值，从而实现对输电线路有功功率和无功功率的灵活、有效控制。

以下介绍根据本发明实现的DPFC串联单元协调控制系统的工作过程。

[1]设DPFC串联装置包含n个串联单元，设输电线路首端电压相量为

末端电压相量为

令图1中

和

之间总的基频阻抗(以下简称为输电线路基频阻抗)为Z₀，每个串联单元变压器短路电抗X_Tse，则输电线路首、末端之间的总阻抗为Z₀+nX_Tse；在DPFC串联单元旁路开关K₁闭合情况下对应的输电线路初始电流为

[2]设调度中心下达的被控输电线路末端有功功率指令值和无功功率指令值分别为P_set、Q_set，对应于该潮流指令值的被控输电线路目标电流相量的有效值以及与被控输电电路末端电压相量之间的夹角分别为I_set、α，假设被控输电线路首、末端电压相量在一个控制周期内保持不变，协调控制器根据表达式

和

计算得到所述目标相量的有效值

及与末端电压相量的夹角α＝arctan(Q_set/P_set)。

[3]设对应于潮流指令值P_set、Q_set的各串联单元基频补偿电压参考相量为

其中，M_{se_ref}为各个串联单元基频补偿电压参考相量的有效值，θ_{se_ref}为各个串联单元基频补偿电压相量与被控输电线路末端电压相量之间的夹角，当被控输电线路中DPFC串联单元个数为n时，各串联单元往被控输电线路中注入的总的基频补偿电压相量为

如果各个串联单元输出基频补偿电压

则其效果可以看作每个串联单元都在被控输电线路中串联一个等效阻抗

此时被控输电线路电流亦可表示为

协调控制器根据上述被控输电线路电流的两个表达式

和

计算得到DPFC各串联单元基频补偿电压参考相量

[4]设系统初始稳态的t₀时刻，WAMS测得被控输电线路基频电流相量

超前输电线路末端电压相量

的角度为

并将其存储在协调控制器中。

[5]所述协调控制器通过PLC单向通信链路将各串联单元基频补偿电压参考相量的有效值M_{se_ref}、相角θ_{se_ref}以及t₀时刻被控输电线路电流相量超前末端电压相量的角度

下达给各个DPFC串联单元，经过串联单元载波通信模块接收并解调后送至数字信号处理器(digital signal processor，DSP)。

[6]DPFC串联单元控制器的控制程序包含基频电流单相锁相环控制模块和三次谐波电流单相锁相环控制模块，其控制原理框图见图5：基频电流单相锁相环控制模块和三次谐波电流单相锁相环控制模块均基于两相正交相量，分别对输电线路基频电流和三次谐波电流进行快速、精准锁相，它们锁相输出的输电线路基频电流相位和三次谐波电流相位分别为θ_pll＝ωt+θ_pll0、θ_pll3＝ω₃t+θ_pll30，其中，ω为基频角频率，ω₃为三次谐波角频率。

假设系统频率保持不变，记启动电流锁相环控制程序的时刻为t＝0时刻，记被控输电线路基频电流相量

的某个过零点时刻为t₁(可测)，测得

此时的相位为

则输电线路末端电压

在t₁时刻的相位为

因此，末端电压

的实时相位表达式为

假设在一个控制周期内，输电线路末端电压相量

保持不变，则串联单元基频补偿电压参考相量

的实时相位表达式为

[7]DPFC串联单元控制器的控制程序包含DPFC串联单元直流电容电压控制模块，该程序模块控制DPFC串联单元吸收三次谐波有功功率维持直流电容电压的稳定。需要指出的是，为了避免引起额外的电压变化或功率损耗，要求串联单元只与输电线路交换三次谐波的有功功率，因而串联单元注入到被控输电线路中的三次谐波电压的调制信号应与被控输电线路的三次谐波电流同相或者反相。

[8]DPFC串联单元控制器的控制程序包含DPFC串联单元基频补偿电压精准控制模块。在串联单元旁路开关K₁断开条件下，且在串联单元变流器的直流电容电压稳定后，串联单元控制器启动基频潮流控制程序，其控制原理框图见图6。该程序模块将协调控制器下达的指令值与串联单元实际输出的基频补偿电压相量比较，并分别采取有效值修正比例积分(Proportion Integration，PI)控制措施和相位补偿PI控制措施，生成有效值修正系数k_Me和相位补偿角度e，修改串联单元控制基频补偿电压的调制信号的调制比和触发相角，使得串联单元注入到输电线路中的基频补偿电压逼近目标值，从而使得输电线路末端有功功率和无功功率逼近目标值P_set、Q_set。

由于串联单元具有可以就地采集输电线路的基频电流相位的特点，因此本发明提出一种分布式潮流控制器串联单元协调控制方法，该方法在协调控制器中计算出串联单元基频补偿电压的参考相量，并利用WAMS系统获取初始稳态对应的输电线路基频电流与末端电压之间的相位差以及串联单元就地采集的输电线路基频电流波形在串联单元中生成末端电压的波形，进而生成串联单元基频补偿电压参考相量的波形，控制串联单元实际输出的基频补偿电压相量逼近串联单元基频补偿电压的参考波形，无需高速通信链路即可实现DPFC串联单元的准确、快速控制。

附图说明

图1 DPFC等效电路。

图2 DPFC串联单元拓扑结构框图。

图3 DPFC串联单元协调控制系统原理框图。

图4 DPFC串联单元控制器原理框图。

图5改进的单相锁相环控制器原理框图。

图6串联补偿电压控制原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征和目的易于了解，下面对本发明作进一步的阐述。

本实施例提供的分布式潮流控制器串联单元协调控制方法，应用于DPFC协调控制系统，采用的DPFC等效电路模型见图1：并联装置采用三次谐波电流源等效、串联装置(由多个拓扑结构和控制参数相同的串联单元构成)采用详细电力电子模型。DPFC串联单元的拓扑结构示意图见图2：DPFC串联单元包含1单匝变压器、2旁路开关K₁、3电流互感器、4单相变流器、5串联单元控制器以及6载波通信接收模块。DPFC串联装置由多个拓扑结构和控制参数相同的串联单元组成，每个串联单元根据协调控制命令给出的参考值进行本地闭环控制，向输电线路注入相应的基频补偿电压。

根据本实施例方法实现的DPFC串联单元协调控制系统包含一个协调控制器、多个串联单元控制器和PLC单向通信链路，DPFC串联单元协调控制系统的原理框图见图3，DPFC串联单元控制器的原理框图见图4。

本实施例的DPFC串联单元协调控制系统的具体工作过程为：

[1]令图1中

和

之间总的基频阻抗(简称为输电线路基频阻抗)为Z₀，n个串联单元变压器短路总电抗为nX_Tse，则输电线路首、末端之间的总阻抗为Z₀+nX_Tse；则在DPFC串联单元旁路开关K₁闭合情况下对应的输电线路初始电流为

假设被控输电线路的首、末端电压相量在一个控制周期内保持不变，则所述协调控制器可根据输电线路末端的有功功率和无功功率表达式

其中，式(2)和式(3)中的γ＝-α，可计算得到被控输电线路目标电流相量

的有效值I_set以及

超前输电线路末端电压相量

的角度α分别为

α＝-γ＝arctan(Q_set/P_set)(5)

[2]设对应于潮流指令值P_set、Q_set的各串联单元基频补偿电压参考相量为

其中，M_{se_ref}为各个串联单元基频补偿电压参考相量的有效值，θ_{se_ref}为各个串联单元基频补偿电压相量超前被控输电线路末端电压相量的角度。当被控输电线路中DPFC串联单元个数为n时，各串联单元往被控输电线路中注入的总的基频补偿电压相量为

若各串联单元输出的基频补偿电压相量为

则其效果可以看作每个串联单元都在被控输电线路中串联一个等效阻抗

此时被控输电线路电流亦可表示为

[3]设输电线路末端电压相量

的相位为0°，则所述协调控制器根据上述被控输电线路电流表达式(4)至式(6)可计算得到DPFC各个串联单元基频补偿电压参考相量

设系统初始稳态的t₀时刻，WAMS测得的被控输电线路基频电流相量

超前输电线路末端电压相量

的角度为

并将其存储在协调控制器中。

[4]所述协调控制器通过PLC单向通信链路将各串联单元基频补偿电压参考相量的有效值M_{se_ref}、相角θ_{se_ref}以及t₀时刻被控输电线路电流相量超前末端电压相量的角度

下达给各个DPFC串联单元。

[5]所述协调控制器下达的指令M_{se_ref}、θ_{se_ref}以及初始稳态对应的输电线路电流相量超前末端电压相量的角度

经DPFC串联单元载波通信模块接收并解调后送至DSP。

[6]所述DPFC串联单元中，被控输电线路电流由电流互感器(currenttransformer，CT)输出经过滤波后分别得到线路基频电流分量和三次谐波电流分量，并经过模数转换模块(analog digital converter,ADC)将模拟电流信号转换为数字电流信号，并送至DSP数字信号处理模块。

[7]所述串联单元控制器的单相锁相环(single-phase locked loop，SPLL)程序中采用基于两相正交变量的单相锁相环方法，分别对被控输电线路的基频电流和三次谐波电流锁相，其控制原理框图如图5所示。锁相过程如下：

i.通过对电流信号微分生成静止坐标系下的两相正交变量；

ii.再通过单相派克(park)变换生成以ω为角速度的dq旋转坐标系下的相量；

iii.以电流d轴为参考方向，设置q轴分量参考值为0，通过PI控制器实现对I_q的控制，设PI控制器输出为角频率偏差量Δω；设额定角频率为ω_ff，则实际角频率ω＝Δω+ω_ff；

iv.在角频率PI控制器设计中，额定角频率ω_ff对时间t的积分环节易导致积分器快速饱和；由于ω_ff是一个常量，因此对时间t的积分结果等于将其直接与时间t相乘的值；只对角频率偏差量Δω进行积分得到Δθ，将其累加至ω_ff与时间t的乘积，再将累加和对2π求余，即可得到被控输电线路的基频电流的相位和三次谐波电流的相位分别为θ_pll＝ωt+θ_pll0、θ_pll3＝ω₃t+θ_pll30，其中，ω为基频角频率，ω₃为三次谐波角频率。

v.假设系统频率保持不变，记启动电流锁相环控制程序的时刻为t＝0时刻，记被控输电线路基频电流相量

的某个过零点时刻为t₁(可测)，测得

此时的相位为

则输电线路末端电压

在t₁时刻的相位为

因此，末端电压

的实时相位表达式为

[8]断开DPFC串联单元的旁路开关，启动所述串联单元控制器的直流电容电压控制(三次谐波电压控制)程序：三次谐波电压调制信号v_mod3的调制比由直流电容电压PI控制程序生成，v_mod3的触发相角为被控输电线路三次谐波电流的相位θ_pll3。

[9]待直流电容电压稳定，启动所述串联单元控制器的基频补偿电压控制程序，假设在一个控制周期内，输电线路末端电压相量

保持不变，根据

的实时相位表达式

得到串联单元基频补偿电压参考相量

的实时相位表达式为

[10]所述串联单元实际输出的基频补偿电压相量

返回给ADC单元转换为数字电压信号再送至DSP模块，与所述串联单元基频补偿电压的参考相量

比较，采取有效值修正和相位补偿措施对基频补偿电压调制信号v_mod1的调制比和触发相角进行修正，实现串联单元基频补偿电压的精准控制，进而使串联单元实际输出的基频补偿电压

逼近目标值

以实现被控输电线路潮流的准确控制。

DPFC串联单元基频补偿电压的精准控制原理框图如图6所示：

i.所述串联单元的变流器采用正弦脉冲宽度调制方法，其逆变输出参考电压有效值与直流电容电压的关系为

其中，k_se为串联单元单相变压器的变比，m_{se_ref}为串联单元基频补偿电压调制比，E_dc为串联单元直流电容电压；

ii.所述串联单元在实际控制过程中，串联单元变流器功耗不可忽略，使得调制信号v_mod1经过开关管和串联单元变流器交流侧LC滤波环节后有效值发生改变，导致串联单元实际输出基频补偿电压的有效值M_se与指令值M_{se_ref}有偏差。进一步地，将所述有效值偏差量值通过PI控制生成有效值修正系数k_Me，用以修正串联单元基频补偿电压调制信号v_mod1的调制比，则v_mod1的调制比从m_{se_ref}修正为k_Mem_{se_ref}，以实现对串联单元基频补偿电压有效值的精准控制；

iii.所述串联单元在实际控制过程中，调制信号v_mod1经过开关管和串联单元变流器交流侧LC滤波环节后相位亦会发生改变，导致串联单元实际输出基频补偿电压的相位与指令值有偏差。进一步地，将所述相位偏差量通过PI控制生成补偿相位e，用以补偿串联单元基频补偿电压调制信号v_mod1的触发相角，则v_mod1的触发相角从θ_ref修正为(θ_ref+e)，以实现对串联单元基频补偿电压相位的精准控制；

iv.经过上述有效值修正PI控制和相位补偿PI控制后，所述串联单元基频补偿电压的调制信号变为v_mod1＝k_Mem_{se_ref}sin(θ_ref+e)；

v.串联单元直流电容电压控制是实现潮流有效控制的前提，因此直流电容电压控制程序和输电线路潮流控制程序需并行执行，串联单元变流器的控制为二者综合调制效果，因此，综合调制信号为v_mod＝v_mod1+v_mod3。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各的种变换或变型也应视为在本发明的保护范围之内，由各权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种分布式潮流控制器串联单元协调控制方法，其特征是该方法包括以下步骤：

(1)由协调控制器、电力线载波单向通信链路、DPFC串联单元控制器构成双层控制系统；

(2)通过WAMS获取被控输电线路两端电压相量参数以及被控输电线路电流与末端电压的相位差，并将其存储在协调控制器中；

(3)协调控制器负责根据调度中心下达的该输电线路末端的潮流指令值实时计算串联单元基频补偿电压参考相量；

(4)协调控制器的串联单元基频补偿电压参考相量经由电力线载波单向通信链路下达给各DPFC串联单元；

(5)协调控制器所储存的系统初始稳态对应的被控输电线路电流与末端电压的相位差经由电力线载波单向通信链路下达给各DPFC串联单元；

(6)假设在一个控制周期内，系统频率保持不变，根据DPFC串联单元就地采集的被控输电线路基频电流实时相位以及系统初始稳态对应的被控输电线路基频电流与末端电压的相位差，在所述DPFC串联单元中通过正弦波发生器产生能准确反映末端电压实时相位的波形；

(7)根据协调控制器下达的串联单元基频补偿电压参考相量值、DPFC串联单元中正弦波发生器产生的实时末端电压参考波形，得到串联单元基频补偿电压参考相量的波形；

(8)在DPFC串联单元二次侧采集实际输出的基频补偿电压的波形，与所述串联单元基频补偿电压参考相量的波形比较，DPFC串联单元控制器通过采取有效值修正和相位补偿措施，使得串联单元实际输出的基频补偿电压的有效值和相位逼近参考值，无需高速通信链路即可实现DPFC串联单元的准确、快速控制。

2.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器串联单元协调控制方法，其特征是：DPFC串联单元控制器的控制程序包含基频电流单相锁相环控制模块和三次谐波电流单相锁相环控制模块，基频电流单相锁相环控制模块和三次谐波电流单相锁相环控制模块均基于两相正交相量，分别对输电线路基频电流和三次谐波电流进行快速、精准锁相。

3.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器串联单元协调控制方法，其特征是：DPFC串联单元控制器的控制程序包含DPFC串联单元直流电容电压控制模块，该模块控制DPFC串联单元吸收三次谐波有功功率维持直流电容电压的稳定，为了避免引起额外的电压变化或功率损耗，要求串联单元只与输电线路交换三次谐波的有功功率，因而串联单元注入到被控输电线路中的三次谐波电压的调制信号应与被控输电线路的三次谐波电流同相或者反相。

4.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器串联单元协调控制方法，其特征是：DPFC串联单元控制器的控制程序包含DPFC串联单元基频补偿电压精准控制模块，该模块将协调控制器下达的指令值与串联单元实际输出的基频补偿电压相量比较，并分别采取有效值修正PI控制措施和相位补偿PI控制措施，生成有效值修正系数k_Me和相位补偿角度e，修改串联单元控制基频补偿电压的调制信号的调制比和触发相角，使得串联单元注入到输电线路中的基频补偿电压逼近目标值，从而使得输电线路末端有功功率和无功功率逼近目标值P_set、Q_set。

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