CN111509721B - 基于pet的电压无功协调控制区域图方法 - Google Patents

基于pet的电压无功协调控制区域图方法 Download PDF

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Abstract

一种基于PET的电压无功协调控制区域图方法，属于电力电子变压器控制技术领域。本发明的目的是在控制策略中对于PET设立了最高的优先级，在当电压无功波动超出PET的调节范围时，通过辅助电容器的投切来完成无功与电压调节的基于PET的电压无功协调控制区域图方法。本发明首先根据PET本身的装机容量与其线路阻抗限制，求取出PET所能调节的无功极限，然后根据PET的调节上限值求取PET的调节范围，确定PET优先动作区域,最终确定控制区域的划分，最后结合电容器的投切对于所区分的每个区域根据PET的调节特性具体实现不同的控制策略。本发明在接入电网后在面对电压和无功的偏差，能够迅速反应，快速调节，减少电网在死区区域外的运行时间，提升电网的电压稳定性，对于电网的稳定运行具有重要的意义。

Description

基于PET的电压无功协调控制区域图方法
技术领域
本发明属于电力电子变压器控制技术领域。
背景技术
电力电子变压器(PET)作为今年来新出现的新型变压器，其相较于传统变压器无论是在拓扑结构还是控制策略等方面都发生了颠覆性的变化，其增加了电力电子变换器环节，提高了变压器的频率，减少了变压器的体积，并且电力电子变换器的加入也使其不同于传统工频变压器利用分接头档位变换完成电压的调节，而是通过改变电力电子变换器PWM调制技术的占空比来完成电压的控制，并且PET的调节不仅可以完成电压的调节，而且可以在一定程度下进行无功的调节，这也使得其相较于传统的工频变压器具有了巨大的技术优势。因而加深对于PET的研究，尤其是对于其接入电网后的电压无功协调控制的研究对于PET的发展以及早日应用于电网具有重要意义。
电网中的电压无功呈现强相关的关系，因此变压器作为电压调节的重要元件，在接入电网后进行电压调节时不能仅仅考虑其对于电压的改变，需要综合考虑电网的电压和无功关系来进行协调控制。目前，国内外广泛应用的还是传统变压器与电容器协调控制的电压无功协调控制策略，对于PET的研究还是大多集中于基于其设备本身的控制策略的研究，对于其接入电网后电压无功协调控制的研究较少，而随着对PET研究的深入，对于其设备本身的控制技术目前已趋于成熟，通过研究传统变压器电压无功的协调控制策略结合PET的控制策略设计出一种基于PET的电压无功协调控制的控制策略。
发明内容
本发明的目的是在控制策略中对于PET设立了最高的优先级，在当电压无功波动超出PET的调节范围时，通过辅助电容器的投切来完成无功与电压调节的基于PET的电压无功协调控制区域图方法。
本发明的步骤是：
步骤1：首先根据PET本身的装机容量与其线路阻抗限制，求取出PET所能调节的无功极限。步骤101：如图1所示为PET简化模型，设电源输入电压为vs,电流为I，δ为调制相角，
Figure BDA0002444066850000017
为Is滞后Vs的功率因数角，M为调制度，Vdc为直流侧电压，变换器交流输入端电压矢量
Figure BDA0002444066850000018
的值以及其d轴分量和q轴分量分别为
Vi＝MVdc/√2 (1)
Vid＝Vicosδ＝Vs-XIq；Viq＝XId (2)
无功电流
Figure BDA0002444066850000011
Viq＝Visinδ＝XId (4)
有功电流
Figure BDA0002444066850000012
复数功率
Figure BDA0002444066850000013
的定义是：电压矢量
Figure BDA0002444066850000014
与电流共轭矢量
Figure BDA0002444066850000015
的乘积，
Figure BDA0002444066850000016
因此
Figure BDA0002444066850000021
步骤102：PET的输出端有功功率P无功功率Q公式为：
Figure BDA0002444066850000022
Figure BDA0002444066850000023
联立两式可得
Figure BDA0002444066850000024
因此其输出端无功界限为
Figure BDA0002444066850000025
当P＝0p.μ时，PET输出端的无功功率范围为
Figure BDA0002444066850000026
步骤103：通常PET受制于装机容量的限制，其最大视在功率存在定值，当PET的有功和无功功率达到视在功率限值时，其有功输出的升高会造成无功功率的相应减少，而PET的视在功率上限可以短时间允许在1.1倍的最大视在功率，因此可得其有功与无功的关系为 P2+Q2≤(1.1Smax)2 (13)
因此其无功功率界限为
Figure BDA0002444066850000027
在此限制条件下，当P＝1p.u.时，Qmax≤0.46p.μ；当P＝0p.μ时，Qmax≤1.1p.μ.
步骤104：PET无功调节的上下限：
Figure BDA0002444066850000028
Figure BDA0002444066850000029
步骤2：根据PET接入电网后所要求的电压无功的最佳区间值，确定PET不动作的死区电压无功界限值，然后根据PET的调节上限值求取PET的调节范围，确定PET优先动作区域,最终确定控制区域的划分。
步骤3：研究PET如何实现电压与无功的控制，然后结合电容器的投切对于所区分的每个区域根据PET的调节特性具体实现不同的控制策略。
对于PET如何进行电压无功调节，包含以下步骤：
步骤301：PET有功功率P无功功率Q公式为：
Figure BDA00024440668500000210
Figure BDA00024440668500000211
因而通过公式化简可得其输出端电压U2以及无功Q2的公式为
Figure BDA00024440668500000212
Figure BDA0002444066850000031
U2，q2分别对m2δ2求微分可得出
Figure BDA0002444066850000032
Figure BDA0002444066850000033
因此，PET输出电压U2可近似看作由δ2单调控制，副方无功Q2可近似看作由M2单调控制。当δ2的值增加U增大(反之亦然)，当M2的值增加Q增大，功率因数
Figure BDA0002444066850000037
减小(反之亦然)。
步骤302：当电压超出上限值时，根据公式(21)，降低输出端调制相角δ2来降低电压，当电压超出下限值时，提高输出端调制相角δ2来提高电压。
步骤303：当负荷所需无功低于下限值并且超出PET调节下限时通过切除电容器来提高无功值，当负荷所需无功低于上限值并且超出PET调节上限时通过切除电容器来提高无功值。
步骤304：当负荷所需无功低于下限值并且在PET调节范围之内时，根据公式(22)降低输出端调制度M2，来降低所能为负荷提供的无功值，当负荷所需无功高于下限值并且在PET 调节范围之内时，提高输出端调制度M2，来提高所能为负荷提供的无功值。
步骤4：对于调节后的PET输出端电压以及负荷所需无功值进行持续监控，当电压无功运行区域不在最优区域时再次进行电压无功调节。
本发明通过对PET的电压无功的协调控制，能够使PET在接入电网后充分发挥其具有的连续快速调节的特点，并且辅助电容器投切环节的加入增强了PET在接入电网后的调节范围，其相较于传统变压器的电压无功协调控制策略，在接入电网后在面对电压和无功的偏差，能够迅速反应，快速调节，减少电网在死区区域外的运行时间，提升电网的电压稳定性，对于电网的稳定运行具有重要的意义。PET由于具有一定的无功补偿能力，因此其接入电网后的无功补偿不需要完全由投切电容器来实现，并且该根据其调节特性，PET的电压调节优先级要高于投切电容器调压，本申请针对PET的调节特性，为了更好的发挥PET的连续快速调节的能力，提高其接入电网后的调节范围，充分发挥其调节能力。
附图说明
图1为PET的简化模型；
图2为本发明中PET的电压无功协调控制分区图；
图3为应用本发明后电网运行时域仿真图。
具体实施方式
本发明的步骤是：
步骤1：首先根据PET本身的装机容量与其线路阻抗限制，求取出PET所能调节的无功极限。
步骤101：如图1所示为PET简化模型，设电源输入电压为vs,电流为I，δ为调制相角，
Figure BDA0002444066850000034
为Is滞后Vs的功率因数角，M为调制度，Vdc为直流侧电压，变换器交流输入端电压矢量
Figure BDA0002444066850000035
的值以及其d轴分量和q轴分量分别为
Vi＝MVdc/√2 (1)
Vid＝Vicosδ＝Vs-XIq；Viq＝XId (2)
无功电流
Figure BDA0002444066850000036
Viq＝Visinδ＝XId (4)
有功电流
Figure BDA0002444066850000041
复数功率
Figure BDA0002444066850000042
的定义是：电压矢量
Figure BDA0002444066850000043
与电流共轭矢量
Figure BDA0002444066850000044
的乘积，
Figure BDA0002444066850000045
因此
Figure BDA0002444066850000046
步骤102：PET的输出端有功功率P无功功率Q公式为：
Figure BDA0002444066850000047
Figure BDA0002444066850000048
联立两式可得
Figure BDA0002444066850000049
因此其输出端无功界限为
Figure BDA00024440668500000410
当P＝0p.μ时，PET输出端的无功功率范围为
Figure BDA00024440668500000411
步骤103：通常PET受制于装机容量的限制，其最大视在功率存在定值，当PET的有功和无功功率达到视在功率限值时，其有功输出的升高会造成无功功率的相应减少，而PET的视在功率上限可以短时间允许在1.1倍的最大视在功率，因此可得其有功与无功的关系为 P2+Q2≤(1.1Smax)2 (13)
因此其无功功率界限为
Figure BDA00024440668500000412
在此限制条件下，当P＝1p.u.时，Qmax≤0.46p.μ；当P＝0p.μ时，Qmax≤1.1p.μ.
步骤104：PET无功调节的上下限：
Figure BDA00024440668500000413
Figure BDA00024440668500000414
步骤2：根据PET接入电网后所要求的电压无功的最佳区间值，确定PET不动作的死区电压无功界限值，然后根据PET的调节上限值求取PET的调节范围，确定PET优先动作区域,最终确定控制区域的划分。
步骤3：研究PET如何实现电压与无功的控制，然后结合电容器的投切对于所区分的每个区域根据PET的调节特性具体实现不同的控制策略。
对于PET如何进行电压无功调节，包含以下步骤：
步骤301：PET有功功率P无功功率Q公式为：
Figure BDA00024440668500000415
Figure BDA0002444066850000051
因而通过公式化简可得其输出端电压U2以及无功Q2的公式为
Figure BDA0002444066850000052
Figure BDA0002444066850000053
U2，q2分别对m2δ2求微分可得出
Figure BDA0002444066850000054
Figure BDA0002444066850000055
因此，PET输出电压U2可近似看作由δ2单调控制，副方无功Q2可近似看作由M2单调控制。当δ2的值增加U增大(反之亦然)，当M2的值增加Q增大，功率因数
Figure BDA0002444066850000056
减小(反之亦然)。
步骤302：当电压超出上限值时，根据公式(21)，降低输出端调制相角δ2来降低电压，当电压超出下限值时，提高输出端调制相角δ2来提高电压。
步骤303：当负荷所需无功低于下限值并且超出PET调节下限时通过切除电容器来提高无功值，当负荷所需无功低于上限值并且超出PET调节上限时通过切除电容器来提高无功值。
步骤304：当负荷所需无功低于下限值并且在PET调节范围之内时，根据公式(22)降低输出端调制度M2，来降低所能为负荷提供的无功值，当负荷所需无功高于下限值并且在 PET调节范围之内时，提高输出端调制度M2，来提高所能为负荷提供的无功值。
步骤4：对于调节后的PET输出端电压以及负荷所需无功值进行持续监控，当电压无功运行区域不在最优区域时再次进行电压无功调节。
本发明提出了一种PET的电压无功协调控制的区域图控制策略，通过对于PET装机容量以及线路阻抗的限制求取调节极限，通过PET接入电网后对电网电压无功的要求实际值确定不同区域调节界限值，通过PET与电容器的辅助投切实现电压与无功的协调控制。
PET的电压无功协调控制具体策略如下：
如图2所示区域，
当电网运行于区域9时，电网运行于符合运行要求区域PET不动作，电容器不投切。
当电网运行于区域7时，电网电压越下限，无功越下限，但在PET调节范围内，此时增大δ2，减小M2，电容器不投切。
当电网运行于区域6时，电网电压正常，无功越下限，但在PET调节范围内，此时δ2不变，减小M2，电容器不投切。
当电网运行于区域5时，电网电压越上限，无功越下限，但在PET调节范围内，此时减小δ2，增大M2，电容器不投切。
当电网运行于区域4时，电网电压越上限，无功正常，此时减小δ2，M不变，电容器不投切。
当电网运行于区域3时，电压越上限，无功越上限，但在PET调节范围内，此时减小δ2，增大M2，电容器不投切。
当电网运行于区域2时，电压正常，无功越上限，但在PET调节范围内，此时δ2不变，增大 M2，电容器不投切。
当电网运行于区域1时，电压越下限，无功越上限，但在PET调节范围内，此时减小δ2，增大M2，电容器不投切。
当电网运行于区域8时，电压越下限，无功正常，此时减小δ2，M2不变，电容器不投切。
当电网运行于区域13时，电压越上限，无功越过PET调节上限，此时投入电容器后视情况决定是否减小δ2，增大M2。
当电网运行于区域14时，电压正常，无功越过PET调节上限，此时投入电容器，视情况决定δ2是否不变。
当电网运行于区域15时，电压越下限，无功越过PET调节上限，此时投入电容器，视情况决定是否增大δ2，减小M2。
当电网运行于区域10时，电压越上限，无功越过PET调节下限，此时切除电容器，视情况决定减小δ2，增大M2。
当电网运行于区域11时，电压正常，无功越过PET调节下限，此时切除电容器，视情况决定是否δ2不变。
当电网运行于区域12时，电压越下限，无功越过PET调节下限，此时切除电容器，视情况决定是否增大δ2，减小M2。
当电网运行于区域16时，电压越上限，无功越过PET调节上限，投入电容器会进入强切区域，此时强切变压器。
当电网运行于区域17时，电压越下限，无功越过PET调节下限，切电容会进入强切区域，此时强切变压器。

Claims (1)

1.一种基于PET的电压无功协调控制区域图方法，其特征在于：其步骤是：
步骤1：首先根据PET本身的装机容量与其线路阻抗限制，求取出PET所能调节的无功极限；
步骤101：设电源输入电压为
Figure 935602DEST_PATH_IMAGE001
,电流为I，
Figure 756927DEST_PATH_IMAGE002
为调制相角，
Figure 168317DEST_PATH_IMAGE003
滞后
Figure 75093DEST_PATH_IMAGE004
的功率因数角，M为调制度，
Figure 230131DEST_PATH_IMAGE005
为直流侧电压，X为输入端等效电阻，变换器交流输入端电压矢量
Figure 922275DEST_PATH_IMAGE006
的值以及其d轴分量和q轴分量分别为
Figure 238986DEST_PATH_IMAGE007
（1）
Figure 633059DEST_PATH_IMAGE008
（2）
无功电流
Figure 326208DEST_PATH_IMAGE009
（3）
Figure 371393DEST_PATH_IMAGE010
（4）
有功电流
Figure 124586DEST_PATH_IMAGE011
（5）
复数功率
Figure 5954DEST_PATH_IMAGE012
的定义是：电压矢量
Figure 237215DEST_PATH_IMAGE013
与电流共轭矢量
Figure 653020DEST_PATH_IMAGE014
的乘积，
Figure 577114DEST_PATH_IMAGE015
（6）
因此
Figure 211358DEST_PATH_IMAGE016
（7）
步骤102：PET的输出端有功功率P无功功率Q公式为：
Figure 246310DEST_PATH_IMAGE017
（8）
Figure 508DEST_PATH_IMAGE018
（9）
联立两式可得
Figure 95503DEST_PATH_IMAGE019
（10）
因此其输出端无功界限为
Figure 951464DEST_PATH_IMAGE020
（11）
当P=0
Figure 524527DEST_PATH_IMAGE021
时，PET输出端的无功功率范围为
Figure 415123DEST_PATH_IMAGE022
（12）
步骤103：PET的视在功率上限可以短时间允许在1.1倍的最大视在功率Smax，因此可得其有功与无功的关系为
Figure 431752DEST_PATH_IMAGE023
（13）
因此其无功功率界限为
Figure 509429DEST_PATH_IMAGE024
（14）
在此限制条件下，当P = 1 p．u．时，
Figure 151763DEST_PATH_IMAGE025
≤0. 46 p．u．；当P=0 p．u．时，
Figure 631286DEST_PATH_IMAGE025
≤1. 1 p．u．
步骤104：PET无功调节的上下限：
Figure 317351DEST_PATH_IMAGE026
（15）
Figure 882325DEST_PATH_IMAGE027
（16）
步骤2：根据PET接入电网后所要求的电压无功的最佳区间值，确定PET不动作的死区电压无功界限值，然后根据PET的调节上限值求取PET的调节范围，确定PET优先动作区域,最终确定控制区域的划分；
步骤3：研究PET如何实现电压与无功的控制，然后结合电容器的投切对于所区分的每个区域根据PET的调节特性具体实现不同的控制策略；
对于PET如何进行电压无功调节，包含以下步骤：
步骤301：PET有功功率P无功功率Q公式为：
Figure 62770DEST_PATH_IMAGE028
（17）
Figure 662379DEST_PATH_IMAGE029
（18）
X2为其输出端等效电阻，因而通过公式化简可得其输出端电压U2以及无功Q2的公式为
Figure 17880DEST_PATH_IMAGE030
（19）
Figure 70150DEST_PATH_IMAGE031
（20）
U2，q2分别对M2
Figure 788707DEST_PATH_IMAGE032
求微分可得出
Figure 242822DEST_PATH_IMAGE033
（21）
Figure 270690DEST_PATH_IMAGE034
（22）
因此，PET输出电压U2可近似看作由
Figure 75835DEST_PATH_IMAGE032
单调控制，副方无功Q2可近似看作由M2单调控制；当
Figure 598083DEST_PATH_IMAGE032
的值增加U增大(反之亦然)，当M2的值增加Q增大，功率因数
Figure 906705DEST_PATH_IMAGE035
减小(反之亦然)；
步骤302：当电压超出上限值时，根据公式（21），降低输出端调制相角
Figure 856206DEST_PATH_IMAGE032
来降低电压，当电压超出下限值时，提高输出端调制相角
Figure 368221DEST_PATH_IMAGE032
来提高电压；
步骤303：当负荷所需无功低于下限值并且超出PET调节下限时通过切除电容器来提高无功值，当负荷所需无功低于上限值并且超出PET调节上限时通过切除电容器来提高无功值；
步骤304：当负荷所需无功低于下限值并且在PET调节范围之内时，根据公式（22）降低输出端调制度M2，来降低所能为负荷提供的无功值，当负荷所需无功高于下限值并且在PET调节范围之内时，提高输出端调制度M2，来提高所能为负荷提供的无功值；
步骤4：对于调节后的PET输出端电压以及负荷所需无功值进行持续监控，当电压无功运行区域不在最优区域时再次进行电压无功调节。
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