CN109038640B - 一种基于相量图解法的upfc串联侧换流器定容方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法，包括如下步骤：获取需装设UPFC装置的目标线路的初始参数；根据初始参数将目标线路所在除所述目标线路外的电网进行等效得到系统等效电路；根据目标线路和系统等效线路参数计算装设有UPFC装置的目标线路潮流参数和系统等效线路潮流参数；根据目标线路潮流参数计算目标线路首末端电压相角差，根据系统等效线路潮流参数计算所述系统等效线路首末端电压相角差；根据目标线路首末端电压相角差和系统等效线路首末端电压相角差计算串联换流器注入电压；最后计算UPFC串联侧换流器容量。本申请能够克服传统仿真软件计算方法模型搭建及计算工作量大以及最优算迭代法实际工程使用可行性差的技术缺陷。

Description

一种基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法

技术领域

本申请涉及电网规划技术领域，具体涉及一种基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法。

背景技术

随着电力负荷的不断增长，大容量机组的接入和区外来电的送入，电网运行特性日益复杂，对电网提高潮流控制能力的需求逐渐增加。同时，土地、环保等外部条件对电力建设的制约也越来越大，尤其是人口密集、负荷密度高的城市区域，单纯依靠新建输电线路来增加电网输送输电能力将会越来越困难。通过应用新技术、新设备来提高电网运行水平，进而提高电网输电能力，挖掘现有电网的潜力，是未来电网发展一个现实而理想的选择。

同时，在大规模电力系统中，电力运行和调度机构通常以输电断面作为实际系统分析与监控的对象，以实现对大规模电力系统的降维控制，输电断面集中体现了电网的薄弱环节，威胁电网的安全稳定运行。由于输电断面潮流分布不均匀导致的输电线路过载严重制约了断面的输电能力，进而威胁电网的安全稳定运行。因此，改善输电断面潮流分布，解决断面关键线路的过载问题对电网的安全稳定运行有重要意义。

UPFC的英文全称为Unified Power Flow Controller，中文名称为统一潮流控制器，UPFC是柔性交流输电技术家族中最复杂也是功能最强大，通用性最好的新一代柔性交流输电装置，其具备电压调节、串联补偿和移相调节等能力，能够合理控制线路潮流，实现输电线路及断面的安全经济运行，同时统一潮流控制器有助于实现无功优化，提高电力系统电压稳定性及功角稳定性。

目前现有技术大都采用解析迭代法或仿真软件分析法，具体而言：

所述解析迭代法通过将UPFC等效为电流源，建立网络节点导纳矩阵，通过求解网络方程计算UPFC容量，或通过以经济收益最大化为目标，利用鱼群算法寻找到UPFC的安装容量。

所述仿真软件分析法通过借助潮流仿真软件如PSASP等进行潮流分析计算，通过逐年不同运行方式下UPFC控制线路功率变化能力曲线定位曲线上临界点，从而得出UPFC串联侧换流器所需容量，该方法计算过程较为复杂，实际计算工作量较大。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下缺陷:

(1)采用最优算法迭代的方法，需要工程技术人员对理论知识有较深的理解和掌握，在实际工程应用仿真软件中集成难度大且过程较为复杂，仅适合于科研专题工作，在实际工程计算及应用的可行性较差。

(2)采用仿真软件分析的方法，对工程技术人员的技术水平有较高的要求，目前无系统性的指导方法，缺乏理论支撑。对于大型或复杂电网存在搭建网络工作量大，效率较低，对实际工程进度可能带来不利影响。

发明内容

本申请的目的在于提出一种基于UPFC典型应用场景的UPFC选址方法，以克服传统仿真软件计算方法模型搭建及计算工作量大以及最优算迭代法实际工程使用可行性差的技术缺陷。

为了实现本申请目的，本申请实施例提供一种基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法，包括如下步骤：

S100获取需装设UPFC装置的目标线路的初始参数；

S200根据所述初始参数将所述目标线路所在除所述目标线路外的电网进行等效得到系统等效电路，并求得相应的系统等效线路参数；

S300根据所述目标线路和所述系统等效线路参数计算装设有UPFC装置的目标线路潮流参数和系统等效线路潮流参数；

S400根据所述目标线路潮流参数计算所述目标线路首末端电压相角差，根据所述系统等效线路潮流参数计算所述系统等效线路首末端电压相角差；

S500根据所述目标线路首末端电压相角差和所述系统等效线路首末端电压相角差计算串联换流器注入电压；

S600根据所述串联换流器注入电压和所述目标线路最大热稳电流计算得到UPFC串联侧换流器容量。

其中，所述步骤S100中，所述目标线路的初始参数包括输电线路首端电压幅值V_s、输电线路首端相角∠θ_s、输电线路末端的电压幅值V_j、输电线路末端的相角∠θ_j和线路阻抗X₁。

其中，所述步骤S200中，所述系统等效电路包括送端网络节点、互联网络和受端网络节点的等值两节点网络，所述互联网络包括两个并联的等效支路，其中一支路设置有UPFC，另一支路为所述系统等效线路；

所述送端网络节点功率和受端网络节点功率为恒定值；

UPFC所在支路阻抗X₁保持不变；

所述系统等效线路阻抗为UPFC所在支路开路后送端网络节点和受端网络节点之间的等值阻抗X_eq。

其中，所述步骤S300具体包括依据以下公式进行计算装设有UPFC装置的目标线路潮流标幺值和系统等效线路潮流标幺值：

装设有UPFC装置的目标线路潮流P₁为：

系统等效线路潮流P_eq为：

令X₁＝X_B，U_s＝U_B，X_B＝1，U_B＝1，则目标线路潮流标幺值可表示为：

系统等效线路潮流标幺值可表示为：

U_j为目标线路首端电压，U_s为目标线路末端电压，δ为目标线路首末端电压相角差。

其中，所述步骤S400具体包括依据以下公式计算所述目标线路首末端电压相角差和所述系统等效线路首末端电压相角差：

UPFC投入运行后目标线路潮流P₁′为：

ΔP为UPFC投入后目标线路潮流减少量，U_j′为UPFC投入后目标线路受端电压，α为UPFC投入后目标线路首末端电压相角差；

系统等效线路潮流P_eq′为：

U_j″为UPFC投入后系统等效线路首端电压，β为UPFC投入后系统等效线路首末端电压相角差；

UPFC投入后目标线路潮流标幺值

表示为：

UPFC投入后系统等效线路潮流标幺值

表示为：

由上式推导得出UPFC投入后目标线路首末端电压相角差α和系统等效线路首末端电压相角差β分别为：

其中，所述步骤S500具体包括依据以下公式计算串联换流器注入电压U_se：

其中，所述步骤S600具体包括依据以下公式计算UPFC串联侧换流器容量S_se：

I_linemax为所述目标线路最大热稳电流。

本申请实施例至少具有如下有益效果：

本申请实施例提出一种基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法，该方法有效地解决了现有最优算法在实际工程计算模拟软件中集成难度大，使用复杂，实际工程应用中可操作性低的问题，本申请实施例能够通过对UPFC所装设线路及其所在断面的相关参数进行可视化分析，明确各参数在UPFC投入前及投入后的关系和变化，从而快速得出UPFC串联侧换流器的容量；同时解决了通过仿真软件计算来选取UPFC串联侧换流器容量导致的建模及计算工作量大，容易导致重复工作的缺点，提高实际工程计算的效率，加快整体工程推进速度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中一种基于UPFC典型应用场景的UPFC选址方法流程图。

图2为本申请实施例中区域电网源-网-荷等值电路示意图。

图3为本申请实施例中等值两节点网络示意图。

图4为本申请实施例中目标线路及等效线路潮流示意图。

图5为本申请实施例中UPFC投入运行后电压相量变化示意图。

具体实施例

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

另外，为了更好的说明本申请，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的技术手段未作详细描述，以便于凸显本申请的主旨。

本申请实施例提供一种基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法，包括如下步骤：

S100获取需装设UPFC装置的目标线路的初始参数；

S200根据所述初始参数将所述目标线路所在除所述目标线路外的电网进行等效得到系统等效电路，并求得相应的系统等效线路参数；

S300根据所述目标线路和所述系统等效线路参数计算装设有UPFC装置的目标线路潮流参数和系统等效线路潮流参数；

S400根据所述目标线路潮流参数计算所述目标线路首末端电压相角差，根据所述系统等效线路潮流参数计算所述系统等效线路首末端电压相角差；

S500根据所述目标线路首末端电压相角差和所述系统等效线路首末端电压相角差计算串联换流器注入电压；

S600根据所述串联换流器注入电压和所述目标线路最大热稳电流计算得到UPFC串联侧换流器容量。

具体而言，本申请实施例通过提供一种较为直观的向量分析法，明确UPFC装置投入前及投入后系统及目标线路及系统各参数之间的关系及UPFC发挥潮流控制功能时各参数的变化情况，通过将UPFC所在线路与其余系统等效为一个等值两节点网络，并给出UPFC支路和系统等效线路之间电压、功角、阻抗、有功关系相量图及其变化过程，利用经典功率传递函数由UPFC所在线路潮流控制的目标值并倒推求出UPFC注入电压和串联侧换流器容量计算公式。

本申请实施例能够解决传统仿真软件计算方法模型搭建及计算工作量大以及最优算迭代法实际工程使用可行性低的缺点，并且较为直观，适合在规划工作及具体工程初期工作中应用。

本实施例中，所述步骤S100中所述目标线路的初始参数包括输电线路首端电压幅值V_s、输电线路首端相角∠θ_s、输电线路末端的电压幅值V_j、输电线路末端的相角∠θ_j和线路阻抗X₁。

本实施例中，所述步骤S200具体包括以下内容：

对所述目标线路所在区域电网按照功能分区划分为三个部分，即送端电网、互联网络和受端网络，其中，区域电网等值模型如图2所示。

其中，图2的等值网络参数定义如下：

集合{S}—送端网络节点合集，节点数s-k；

集合{K}—互联网络节点合集，节点数2k；

集合{L}—受端网络节点合集，节点数l-k；

形成的网络方案：

考虑系统初始状态是已知的，送端、受端网络中节点向系统注入电流矩阵I_s和矩阵I_L元素(电源为“﹢”，负荷为“-”，其他为0)均为常数。UPFC投入运行后，并不会引起系统中功率元件向节点注入电流的变化。

进一步地，利用高斯消去法，即星网变换，将目标线路所在的区域电网简化成两节点网络，得到除目标线路外等值支路阻抗X_eq，等值两节点网络见图3所示。因此，所述系统等效电路具体被等效为包括送端网络节点、互联网络和受端网络节点的等值两节点网络，所述互联网络包括两个并联的等效支路，其中一支路设置有UPFC，另一支路为所述系统等效线路。

其中，所述送端网络节点功率和受端网络节点功率为恒定值；

其中，UPFC所在支路阻抗X₁保持不变；

其中，所述系统等效线路阻抗为UPFC所在支路开路后送端网络节点和受端网络节点之间的等值阻抗X_eq。

需说明的是，本文所提及的送端网络节点也是图3所示系统等效线路的首端，受端网络节点也是图3所示系统等效线路的末端。

本实施例中，所述步骤S300具体包括以下内容：

在得到目标线路及等效支路系统参数后，当以送端电压U_s为参考电压时，参与图4，画出目标线路末端电压U_j及其两者相角差δ，此时装设有UPFC装置的目标线路潮流P₁为：

系统等效线路潮流P_eq为：

其中，考虑同一电压等级送受端电网电压幅值相同，用标幺值表示，令X₁＝X_B，U_s＝U_B，X_B＝1，U_B＝1，则目标线路潮流标幺值可表示为：

系统等效线路潮流标幺值可表示为：

其中，U_j为目标线路首端电压，U_s为目标线路末端电压，δ为目标线路首末端电压相角差。

本实施例中，所述步骤S400计算所述目标线路首末端电压相角差和所述系统等效线路首末端电压相角差具体包括如下内容：

设定目标线路潮流目标值P₁′，UPFC投入后，通过串联侧换流器向目标线路注入相角为θ_se的电压U_se，此时目标线路末端电压与首端电压之间夹角减小至α，线路潮流减少量为ΔP。由于恒功率交换系统潮流交换量不变，故除目标线路外的系统等效支路潮流在UPFC装置投入后增加ΔP，相应末端电压与首端电压之间夹角增大至β，画出潮流变化后等值网络对应各参数的相量变化如图5所示，需说明的是，本实施例以降低目标线路潮流为例，提升目标线路潮流反之。

由于目标线路中UPFC注入电压U_se的作用，线路两端电压相位改变，UPFC投入运行后目标线路潮流P₁′为：

ΔP为UPFC投入后目标线路潮流减少量，U_j′为UPFC投入后目标线路受端电压，α为UPFC投入后目标线路首末端电压相角差；

系统等效线路潮流P_eq′为：

U_j″为UPFC投入后系统等效线路首端电压，β为UPFC投入后系统等效线路首末端电压相角差；

由于ΔP、U_s、U_j′、U_j″、X₁、X_eq均为已知分量，考虑相同电压等级电压线路首末端电压幅值相等，则UPFC投入后目标线路潮流标幺值

表示为：

而UPFC投入后系统等效线路潮流标幺值

则表示为：

由上式推导得出UPFC投入后目标线路首末端电压相角差α和系统等效线路首末端电压相角差β分别为：

本实施例中，所述步骤S500具体包括以下内容：

在得到目标线路及系统等效线路首末端电压相角差α及β后，计算UPFC串联侧换流器在目标潮流值P₁′下注入线路的电压U_se，U_se即为目标线路及系统等效线路的末端电压相量U_j′与U_j″之差(如图5中虚线部分所示)，考虑同一电压等级下U_j′与U_j′幅值相同，则自圆心向U_j′与U_j″相量差连线的中点做一条垂线后，由三角函数关系得出：

本实施例中，所述步骤S600具体包括以下内容：

计算得出串联换流器注入电压U_se后，与目标线路最大热稳电流(即线路上可能流过的最大电流)I_linemax的乘积得出UPFC串联侧换流器容量：

其中，I_linemax为所述目标线路最大热稳电流。

通过以上实施例的描述可知，本申请实施例提出了一种基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法，该方法有效地解决了现有最优算法在实际工程计算模拟软件中集成难度大，使用复杂，实际工程应用中可操作性低的问题，本申请实施例能够通过对UPFC所装设线路及其所在断面的相关参数进行可视化分析，明确各参数在UPFC投入前及投入后的关系和变化，从而快速得出UPFC串联侧换流器的容量；同时解决了通过仿真软件计算来选取UPFC串联侧换流器容量导致的建模及计算工作量大，容易导致重复工作的缺点，提高实际工程计算的效率，加快整体工程推进速度。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (5)

1.一种基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、获取需装设UPFC装置的目标线路的初始参数；所述目标线路的初始参数包括输电线路首端电压幅值V_s、输电线路首端相角∠θ_s、输电线路末端的电压幅值V_j、输电线路末端的相角∠θ_j和线路阻抗X₁；

S200、根据所述初始参数将所述目标线路所在除所述目标线路外的电网进行等效得到系统等效电路，并求得相应的系统等效线路参数；所述系统等效电路包括送端网络节点、互联网络和受端网络节点的等值两节点网络，所述互联网络包括两个并联的等效支路，其中一支路设置有UPFC，另一支路为所述系统等效线路；其中，所述送端网络节点功率和受端网络节点功率为恒定值；UPFC所在支路阻抗X₁保持不变；所述系统等效线路阻抗为UPFC所在支路开路后送端网络节点和受端网络节点之间的等值阻抗X_eq；

S300、根据所述目标线路和所述系统等效线路参数计算装设有UPFC装置的目标线路潮流参数和系统等效线路潮流参数；

S400、根据所述目标线路潮流参数计算所述目标线路首末端电压相角差，根据所述系统等效线路潮流参数计算所述系统等效线路首末端电压相角差；

S500、根据所述目标线路首末端电压相角差和所述系统等效线路首末端电压相角差计算串联换流器注入电压；

S600、根据所述串联换流器注入电压和所述目标线路最大热稳电流计算得到UPFC串联侧换流器容量。

2.如权利要求1所述的基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法，其特征在于，所述步骤S300具体包括依据以下公式进行计算装设有UPFC装置的目标线路潮流标幺值和系统等效线路潮流标幺值：

装设有UPFC装置的目标线路潮流P₁为：

系统等效线路潮流P_eq为：

令X₁＝X_B，U_s＝U_B，X_B＝1，U_B＝1，则目标线路潮流标幺值

可表示为：

系统等效线路潮流标幺值

可表示为：

其中，U_j为目标线路首端电压，U_s为目标线路末端电压，δ为目标线路首末端电压相角差，

为X_eq的标幺值。

3.如权利要求2所述的基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法，其特征在于，所述步骤S400具体包括依据以下公式计算所述目标线路首末端电压相角差和所述系统等效线路首末端电压相角差：

UPFC投入运行后目标线路潮流P′₁为：

其中，ΔP为UPFC投入后目标线路潮流减少量，U′_j为UPFC投入后目标线路受端电压，α为UPFC投入后目标线路首末端电压相角差；

系统等效线路潮流P′_eq为：

其中，U_j″为UPFC投入后系统等效线路首端电压，β为UPFC投入后系统等效线路首末端电压相角差；

UPFC投入后目标线路潮流标幺值P′₁ ^*表示为：

UPFC投入后系统等效线路潮流标幺值

表示为：

由上式推导得出UPFC投入后目标线路首末端电压相角差α和系统等效线路首末端电压相角差β分别为：

α＝arcsin P′₁ ^*

4.如权利要求3所述的基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法，其特征在于，所述步骤S500具体包括依据以下公式计算串联换流器注入电压U_se：

5.如权利要求4所述的基于相量图解法的UPFC串联侧换流器定容方法，其特征在于，所述步骤S600具体包括依据以下公式计算UPFC串联侧换流器容量S_se：

其中，I_linemax为所述目标线路最大热稳电流。

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