CN110299713A - 一种计及风电场影响的牵引供电系统三相电压不平衡补偿方法 - Google Patents

一种计及风电场影响的牵引供电系统三相电压不平衡补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计及风电场影响的牵引供电系统三相电压不平衡补偿方法，包括以下步骤：通过分析对同时接入牵引供电系统和风电场的电网拓扑结构分析，构建牵引供电系统－风电场－电网电压不平衡传播模型；建立牵引供电系统－电网电压不平衡传播模型；基于上述步骤，求解满足三相电压不平衡补偿目标的补偿装置参考电流；根据牵引供电系统拓扑结构，建立牵引供电系统三相电压不平衡补偿参考电流与牵引变压器支路和潮流控制器支路的数学关系，求解牵引变压器支路电流方程；根据功率平衡关系和牵引变压器支路电流方程，计算潮流控制器支路参考电流，设计相应控制器；本发明避免了既有补偿方法所带来的补偿效果不理想问题，能使牵引供电系统实际补偿效果与补偿补偿目标匹配，优化牵引供电系统补偿容量，同时能减小牵引供电系统补偿容量，节约投资。

Description

一种计及风电场影响的牵引供电系统三相电压不平衡补偿 方法
技术领域
本发明涉及电气化铁路牵引供电系统电能质量治理技术领域，特别是涉及一种涉及考虑 风电场影响的牵引供电系统三相电压不平衡补偿方法。
背景技术
我国将着力建设中国西部的电气化铁路网，25kV工频单相牵引供电系统作为高速动车组 和重载货运列车唯一的动力来源，以三相电压不平衡为代表的电能质量问题将影响电力系统 的安全、可靠和高效运行。另一方面，中国西部地区作为我国重要的风力发电基地，超过32GW 的风电机组安装在这片区域。这使得出现了大规模风力发电场和牵引供电系统共同接入同一 电网公共连接点(PCC)的情况。由于此时PCC的正负序阻抗不再相等，导致依据GB/T 15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中电压不平衡度近似计算公式计算得到的牵引供电 系统三相电压不平衡补偿指令的补偿方法效果不理想。同时，异步风力发电机具备消纳电力 系统中一部分三相电压不平衡的能力引起了越来越多的关注。因此在满足GB/T 19963-2011 《风电场接入电力系统技术规定》要求下，充分利用其消纳能力可有效降低牵引供电系统补 偿容量，节约投资。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题而提供一种计及风电场影响的牵引供电系统三相电压不 平衡补偿方法，旨在能使牵引供电系统实际补偿效果与补偿目标匹配，优化牵引供电系统补 偿容量，同时有效降低补偿装置容量，降低投资费用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案步骤如下：
步骤1：通过对如附图1所示的电网拓扑结构分析，构建牵引供电系统－风电场－电网电 压不平衡传播模型
步骤2：建立牵引供电系统－电网电压不平衡传播模型
步骤3：基于步骤1和步骤2，求解满足三相电压不平衡补偿目标εTPSS的补偿装置参考电 流
步骤4：根据如附图2示的牵引供电系统拓扑结构，建立牵引供电系统三相电压不平衡补 偿参考电流与牵引变压器支路和潮流控制器支路的数学关系，求解牵引变压器支路电流方 程。
步骤5，根据功率平衡关系和牵引变压器支路电流方程，计算潮流控制器支路参考电流， 设计相应控制器。
进一步的，所述步骤1中的牵引供电系统－风电场－电网电压不平衡传播模型为：
VUFPCC＝c1·c2·c3·c4·CUFTPSS (1)
公式(1)中，VUFPCC和CUFTPSS分别为PCC三相电压不平衡度和牵引供电系统电流不平 衡度。中间系数c1、c2、c3和c4系数由公式(2)得到：
公式(2)中，等效正负序阻抗由式(3)计算得到：
公式(3)中，和分别为电网正负序阻抗，和分别为牵引供电系统正负 序自阻抗，和分别为连接电网节点i和PCC的输电线路正负序自阻抗，和 为连接牵引供电系统节点k和PCC的输电线路正负序自阻抗。
公式(2)中，风电场正负序等效阻抗由式(4)计算得到：
公式(4)中，f为电网频率，s为转差率，Rs和Rr分别为n台异步风力发电机等效定子电 阻和转子电阻，Ls和Lr分别为n台异步风力发电机等效定子漏感和转子漏感，Lm为n台异步 风力发电机等效励磁电感，j为复数运算符号。
进一步的，所述步骤2中的牵引供电系统－电网电压不平衡传播模型为：
VUFTPSS＝k1·VUFPCC+k2·CUFTPSS (5)
公式(5)中，VUFTPSS为牵引供电系统三相电压不平衡度，中间系数k1、k2由公式(6)得到：
进一步的，所述步骤3中的满足三相电压不平衡补偿目标εTPSS的补偿装置参考电流为：
公式(7)中，εTPSS为三相电压不平衡补偿目标。为了实现跟踪控制，构造一个比例误差 跟踪环节Kp为比例系数，为牵引供电系统实时三相电压不平衡 度。
进一步的，所述步骤4中的牵引供电系统三相电压不平衡补偿参考电流与牵引变压器 支路和潮流控制器(PFC)支路的数学关系为：
进一步，根据p-q坐标系变换理论，各个端口电流可以分解到p轴和q轴两个方向上，如 公式(9)所示。
公式(9)中，为牵引变压器TT次边电流，为潮流控制器α端口电流，为潮流控制器 β端口电流，为牵引负荷电流。
联列公式(8)和(9)可得各方向上电流关系：
因此，牵引变压器支路电流方程如公式(11)所示：
进一步的，所述步骤5中的潮流控制器支路参考电流计算方法为：
因为潮流控制器支路的α端口存在如公式(12)所示的功率平衡关系。
公式(12)中，UT为牵引变压器TT次边电压，Uα为潮流控制器α端口电压，Uβ为潮流控制 器β端口电压，UL为牵引负荷端电压
所以，潮流控制器支路的α端口电网侧变流器参考电流Iαp_ref和Iαq_ref如公式(13)所示：
公式(13)中，N1为牵引变压器TT的原边与次变绕组变比，N2为Y/D变压器的原边与次边 绕组变比。
因为潮流控制器支路的β端口存在如公式(14)所示的功率平衡关系。
所以，潮流控制器支路的β端口牵引侧变流器参考电流Iβp_ref和Iβq_ref如公式(15)所示：
公式(15)中，N3为潮流控制器β端口变压器的原边与次边绕组变比。
本发明的有益效果是：
(1)本发明着重大规模风电场接入对三相电压不平衡度的影响，使得所提出的补偿方法 能使实际补偿效果与补偿目标匹配，避免了既有补偿方法所带来的补偿效果不理想问题；同 时能减小牵引供电系统补偿容量，节约投资。
(2)本发明通过对牵引供电系统－风电场－电网进行模型化处理，建立统一的电压不平 衡传播模型，便于利用计算机程序求解计算。
附图说明
图1为本法所构建牵引供电系统－风电场－电网电压不平衡传播模型的等效电路结构 (图中，1-等效电网；2-PCC；3-风电场)。
图2为本发明的采用的牵引供电系统拓扑和其控制器结构。
图3为本发明所提出的补偿方法的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。 本发明采用的技术方案包括步骤：
步骤1：通过对如附图1所示的电网拓扑结构分析，构建牵引供电系统－风电场－电网电压 不平衡传播模型如式(1)所示。
VUFPCC＝c1·c2·c3·c4·CUFTPSS (1)
公式(1)中，VUFPCC和CUFTPSS分别为PCC三相电压不平衡度和牵引供电系统电流不平 衡度。中间系数c1、c2、c3和c4系数由公式(2)得到：
公式(2)中，等效正负序阻抗由式(3)计算得到：
公式(3)中，和分别为电网正负序阻抗，和分别为牵引供电系统正负 序自阻抗，和分别为连接电网节点i和PCC的输电线路正负序自阻抗，和 为连接牵引供电系统节点k和PCC的输电线路正负序自阻抗。
公式(2)中，风电场正负序等效阻抗由式(4)计算得到：
公式(4)中，f为电网频率，s为转差率，Rs和Rr分别为n台异步风力发电机等效定子电 阻和转子电阻，Ls和Lr分别为n台异步风力发电机等效定子漏感和转子漏感，Lm为n台异步 风力发电机等效励磁电感，j为复数运算符号。
步骤2：建立牵引供电系统－电网电压不平衡传播模型如式(5)所示。
VUFTPSS＝k1·VUFPCC+k2·CUFTPSS (5)
公式(5)中，VUFTPSS为牵引供电系统三相电压不平衡度，中间系数k1、k2由公式(6)得到：
步骤3：基于步骤1和步骤2，求解满足三相电压不平衡补偿目标εTPSS的补偿装置参考电流如公式(7)所示。
公式(7)中，εTPSS为三相电压不平衡补偿目标。为了实现跟踪控制，构造一个比例误差 跟踪环节Kp为比例系数，为牵引供电系统实时三相电压不平衡 度。
步骤4：根据如附图2示的牵引供电系统拓扑结构，建立牵引供电系统三相电压不平衡补偿 参考电流与牵引变压器支路和潮流控制器(PFC)支路的数学关系，求解牵引变压器支路 电流方程。
其中，牵引供电系统三相电压不平衡补偿参考电流与牵引变压器支路和潮流控制器 (PFC)支路的数学关系如公式(8)所示。
进一步，根据p-q坐标系变换理论，各个端口电流可以分解到p轴和q轴两个方向上，如 公式(9)所示。
公式(9)中，为牵引变压器TT次边电流，为潮流控制器α端口电流，为潮流控制器 β端口电流，为牵引负荷电流。
联列公式(8)和(9)可得各方向上电流关系：
因此，牵引变压器支路电流方程如公式(11)所示：
步骤5，根据功率平衡关系和牵引变压器支路电流方程，计算潮流控制器支路参考电流，设 计相应控制器。
其中，潮流控制器支路的α端口存在如公式(12)所示的功率平衡关系。
公式(12)中，UT为牵引变压器TT次边电压，Uα为潮流控制器α端口电压，Uβ为潮流控制 器β端口电压，UL为牵引负荷端电压
因此，潮流控制器支路的α端口电网侧变流器参考电流Iαp_ref和Iαq_ref如公式(13)所示：
公式(13)中，N1为牵引变压器TT的原边与次变绕组变比，N2为Y/D变压器的原边与次边 绕组变比。
其中，潮流控制器支路的β端口存在如公式(14)所示的功率平衡关系。
因此，潮流控制器支路的β端口牵引侧变流器参考电流Iβp_ref和Iβq_ref如公式(15)所示：
公式(15)中，N3为潮流控制器β端口变压器的原边与次边绕组变比。
根据公式(13)和(15)即可设计相应的控制器,，即建立一种计及风电场影响的牵引供 电系统三相电压不平衡补偿方法。
实施例
本发明中实施例的拓补结构如图1所示。其牵引供电系统参数如表1所示。
表1.牵引供电系统参数
风电场装机100MVA，其中单台1.5MW风力发电机参数如表2所示。
表2.单台1.5MW风力发电机参数
电网输电线路单位阻抗矩阵如下所示。
为验证所提出方法的有效性，设置3种仿真案例，从Case 1到Case 2，三相电压不平衡 控制目标均为2％，牵引负载由15MVA阶跃到30MVA；从Case 2到Case 3，牵引负载均为30MVA，三相电压不平衡控制目标由2％阶跃到4％。
表3.仿真算例设置
图3(a)中给出了三种算例下牵引负荷正序视在功率、正序有功功率和正序无功功率的变化 情况，图3(b)中给出了三种算例下牵引负荷不平衡有功功率和不平衡无功功率的变化情况， 图3(c)中给出了三种算例下牵引变电所(TSS)、电网PCC和等效电网处的电压不平衡度分布 情况。通过图1可知，所提出的一种计及风电场影响的牵引供电系统三相电压不平衡补偿方 法是正确的和有效的。
表4以Case 2为例，对比了既有补偿方法和采用本发明所提出的补偿方法后潮流控制器 容量SPFC。可以发现采用本发明所提出的补偿方法后，潮流控制器能显著降低22％的容量， 节约投资
表4.潮流控制器补偿效果对比

Claims (4)

1.一种计及风电场影响的牵引供电系统三相电压不平衡补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过对电网拓扑结构分析，构建牵引供电系统－风电场－电网电压不平衡传播模型，该牵引供电系统－风电场－电网电压不平衡传播模型为：
VUFPCC＝c1·c2·c3·c4·CUFTPSS (1)
公式(1)中，VUFPCC和CUFTPSS分别为PCC三相电压不平衡度和牵引供电系统电流不平衡度；中间系数c1、c2、c3和c4由公式(2)得到：
公式(2)中，等效正负序阻抗由式(3)计算得到：
公式(2)(3)中，PCC是风电场和牵引供电系统共同接入同一电网公共连接点，和分别为电网正负序阻抗，和分别为牵引供电系统正负序自阻抗，和分别为连接电网节点i和PCC的输电线路正负序自阻抗，和为连接牵引供电系统节点k和PCC的输电线路正负序自阻抗，和分别为风电场正负序等效阻抗，和分别为连接风电场节点j和PCC的输电线路正负序自阻抗；
步骤2：建立牵引供电系统－电网电压不平衡传播模型，该牵引供电系统－电网电压不平衡传播模型为：
VUFTPSS＝k1·VUFPCC+k2·CUFTPSS (4)
公式(4)中，VUFTPSS为牵引供电系统三相电压不平衡度，中间系数k1、k2由公式(5)得到：
步骤3：基于步骤1和步骤2，求解满足三相电压不平衡补偿目标εTPSS的补偿装置参考电流
公式(6)中，为牵引供电系统实时正序电流；εTPSS为三相电压不平衡补偿目标；为了实现跟踪控制，构造一个比例误差跟踪环节Kp为比例系数，为牵引供电系统实时三相电压不平衡度；
步骤4：根据牵引供电系统拓扑结构，建立牵引供电系统三相电压不平衡补偿装置参考电流与牵引变压器支路和潮流控制器支路的数学关系，求解牵引变压器支路电流方程；
步骤5，根据功率平衡关系和牵引变压器支路电流方程，计算潮流控制器支路参考电流，设计相应潮流控制器。
2.根据权利要求1所述的一种计及风电场影响的牵引供电系统三相电压不平衡补偿方法，其特征在于，所述风电场正负序等效阻抗由式(7)计算得到：
公式(7)中，f为电网频率，s为转差率，Rs和Rr分别为n台异步风力发电机等效定子电阻和转子电阻，Ls和Lr分别为n台异步风力发电机等效定子漏感和转子漏感，Lm为n台异步风力发电机等效励磁电感，j为复数运算符号。
3.根据权利要求1所述的一种计及风电场影响的牵引供电系统三相电压不平衡补偿方法，其特征在于，所述步骤4中的牵引供电系统三相电压不平衡补偿参考电流与牵引变压器支路和潮流控制器PFC支路的数学关系为：
根据p-q坐标系变换理论，各个端口电流可以分解到p轴和q轴两个方向上，如公式(9)所示；
公式(9)中，为牵引变压器TT次边电流，为潮流控制器α端口电流，为潮流控制器β端口电流，为牵引负荷电流；
联列公式(8)和(9)得各方向上电流关系：
因此，牵引变压器支路电流方程表达为如公式(11)所示：
4.根据权利要求1所述的一种计及风电场影响的牵引供电系统三相电压不平衡补偿方法，其特征在于，所述步骤5中的潮流控制器支路参考电流计算方法为：
潮流控制器支路的α端口存在如公式(12)所示的功率平衡关系；
公式(12)中，UT为牵引变压器TT次边电压，Uα为潮流控制器α端口电压，Uβ为潮流控制器β端口电压，UL为牵引负荷端电压
潮流控制器支路的α端口电网侧变流器参考电流Iαp_ref和Iαq_ref如公式(13)所示：
公式(13)中，N1为牵引变压器TT的原边与次变绕组变比，N2为Y/D变压器的原边与次边绕组变比；
潮流控制器支路的β端口存在如公式(14)所示的功率平衡关系；
潮流控制器支路的β端口牵引侧变流器参考电流Iβp_ref和Iβq_ref如公式(15)所示：
公式(15)中，N3为潮流控制器β端口变压器的原边与次边绕组变比；
根据公式(13)和公式(15)设计相应的潮流控制器。
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