CN111934329B - 一种计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法 - Google Patents

一种计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法，计及可再生能源的波动性，提出基于固有频率偏移的IPFC附加控制器，量化目标间的交互影响，选取附加控制器的叠加位置。通过补偿特定振荡模式的同步转矩系数，影响该模式的固有频率，破坏强迫振荡发生的条件。进一步地，将IPFC控制器改进为多通道附加控制器，在辨识定位振荡信号、确定扰动源影响因子的前提下，得出计及新能源波动的宽适应性强迫振荡抑制方法，为IPFC应对多机系统中多重扰动下的复杂功率振荡提供技术帮助。

Description

一种计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法
技术领域
本发明涉及电力系统控制领域，尤其涉及一种计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法。
背景技术
随着新能源技术的不断发展，大规模区外水/风/光等新能源持续接入电力系统，可能会引入不同频率的振荡扰动信号，增加了电力系统低频振荡扰动源的多样性和不确定性，从而可能引发不同振荡频率的电力系统强迫振荡问题。不仅增加电网的运行及控制难度，还给系统运行带来较大的安全隐患。
强迫振荡持续时间长，影响范围广，在振荡发生的动态过程中出现多重扰动的可能性更大。一方面，在强迫振荡过程中，由于系统自身故障，或者切机、合闸等操作，会带来负阻尼形式的低频振荡，另一方面，由于电力系统负荷的多样性，强迫功率振荡可能导致某些负荷发生新的周期性扰动，引发新的谐振。这就使得多机系统中强迫振荡可能伴随多个不同性质的主导模式，以及大量噪声，对控制器的宽适应性提出了更高的要求。因此，应当探索出一套具有宽适应性的强迫振荡抑制方法，应对大规模新能源并入多机系统后，含强迫振荡分量的不同类型低频振荡同时发生的情形。
柔性交流输电系统（FACTS）附加控制器可对系统提供额外的阻尼，有利于提升系统整体稳定性，是目前抑制电力系统低频振荡最为经济有效的手段之一。作为第三代FACTS器件的典型代表，线间潮流控制器（IPFC）能够大幅提升电网输电能力与柔性控制水平，增加电网输电线路利用率和系统运行效率，从而节约廊道资源与新建通道投资。相较于同为第三代FACTS装置的统一潮流控制器（UPFC），IPFC不仅能够灵活、准确地调控不同输电通道的潮流，而且可以避免其他临近重载的线路出现潮流越限的情况。除此之外，这种新型装置能够根据电力系统的运行状态，实时进行暂态稳定控制及阻尼振荡控制。因此，IPFC在负荷密集型的电力系统中有着广阔应用前景。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法，设计IPFC附加控制器，通过改变系统的同步转矩系数影响系统的固有频率，破坏强迫振荡发生的条件，实现基于频率偏移的强迫振荡抑制策略；并构建IPFC多通道附加控制器并结合智能算法优化，制定可应对多机系统中多重扰动的宽适应性振荡抑制策略。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法，包括步骤：
（1）计及可再生能源的波动性，利用IPFC进行振荡抑制；
（2）构建IPFC附加控制器，包括隔直环节、选通环节、相位补偿环节和限幅环节；
（3）量化不同控制方式下控制目标间的交互影响，选取附加控制器的叠加位置；
（4）构建IPFC多通道附加控制器，选通环节和相位补偿环节串联后的多个支路并联；
（5）提取主导振荡模式并判别振荡类型，定位扰动源并计算相应的影响因子；
（6）配置多通道附加控制器的参数，通过智能算法优化，制定多重扰动的宽适应性振荡抑制策略。
进一步地，步骤（2）具体步骤如下：
（2.1）设置隔直环节表达式为：
Figure 181729DEST_PATH_IMAGE001
其中，T w 为隔直时间常数；
（2.2）设置选通环节表达式为：
Figure 116187DEST_PATH_IMAGE002
其中，ω c 为中心频率， K R 为增益系数，ξ为阻尼系数；
（2.3）设置相位补偿环节表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，m为超前-滞后环节的个数， T 1、T 2为超前滞后环节时间常数；
（2.4）设置限幅环节。
进一步地，步骤（3）中附加控制器叠加位置的选择具体步骤如下：
（3.1）建立含IPFC控制器的状态方程，并转化为传递函数形式G(s)；
（3.2）取传递函数中的复变量s=0，结合相对增益矩阵，得到每种叠加方案下的相对增益；
（3.3）选择相对增益最接近l的作为最佳叠加方案。
进一步地，步骤（6）中，具体步骤：
（6.1）设置隔直环节参数和限幅环节参数；
（6.2）配置多通道附加控制器的选通环节参数，将其中心频率设为辨识得到的振荡频率，并根据影响因子设置对应通道的增益；
（6.3）对于不同振荡模式下的低频振荡，结合具体振荡类型给出补偿相位参数，并优化多通道附加控制器的相位补偿环节参数。
进一步地，步骤（6.3）中，优化多通道附加控制器的相位补偿环节参数具体步骤为：
将各通道的增益K R 及相位补偿时间常数T 1、T 2设为可调参数向量U，G K (U)和G D (U)分别表示同步转矩系数K和系统阻尼D的传递函数，有：
Figure 781654DEST_PATH_IMAGE004
优化目标函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，n为强迫振荡模式个数，γ l 表示第l个强迫振荡扰动源影响因子，K l0 与K l 分别表示第l个强迫振荡模式的初始同步转矩系数及同步转矩系数， m为负阻尼振荡模式个数，D j 表示负阻尼振荡模式的阻尼比。
有益效果：本发明计及可再生能源的波动性，提出基于固有频率偏移的IPFC附加控制器，量化目标间的交互影响，选取附加控制器的叠加位置；通过补偿特定振荡模式的同步转矩系数，影响该模式的固有频率，破坏强迫振荡发生的条件。进一步地，将IPFC控制器改进为多通道附加控制器，在辨识定位振荡信号和确定扰动源影响因子的前提下，得出宽适应性强迫振荡抑制方法，为IPFC应对多机系统中多重扰动下的复杂功率振荡提供技术帮助。
附图说明
图1是本发明所述的计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法流程图；
图2是本发明具体实施方式中IPFC的结构示意图；
图3是本发明具体实施方式中计及可再生能源的仿真波形图；
图4是本发明具体实施方式中所用IPFC附加控制器的传递函数框图；
图5为本发明具体实施方式中IPFC附加控制器的叠加位置选择；
图6为本发明具体实施方式中控制目标的叠加示意图；
图7为本发明具体实施方式中IPFC附加控制器的综合控制相位图；
图8为本发明具体实施方式中IPFC多通道附加控制器结构图；
图9为本发明具体实施方式中IPFC多通道附加控制器抑制效果仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法，具体包括以下步骤：
（1）如图2所示，线间潮流控制器（IPFC）由多个电压源换流器（VSC）组成，这些换流器共用直流母线，通过串联耦合变压器接入不同的输电线路，从而应用于多条通道的潮流调控、振荡阻尼和暂态稳定控制。计及可再生能源的波动性，在IPFC附近的局部电网内依次加入不同频率的低频振荡扰动分量，分析电网强迫低频振荡特性，如图3所示。
（2）基于步骤（1）中分析的多机系统，设计IPFC附加控制器，改变系统固有频率，IPFC附加控制器包括隔直环节、选通环节、相位补偿环节和限幅环节，传递函数框图如图4所示。具体步骤如下：
（2.1）设置隔直环节，过滤信号中的直流分量，阻止时间漂移信，表达式为：
Figure 208088DEST_PATH_IMAGE001
其中，T w 为隔直时间常数，一般取为3~10s，使得s=jω时，隔直环节全通，ω为系统频率。
（2.2）设置选通环节，对输入信号进行选择，实现针对特定振荡模式的控制效果，并使新的固有频率避开原始固有频率的高次谐波，表达式为：
Figure 210679DEST_PATH_IMAGE002
其中，ω c 为中心频率，设置为该振荡模式的原始固有频率ω n0。K R 为增益系数，决定该选通环节的增益，可设置得很小，使IPFC附加控制器在原始固有频率下有较小的增益。ξ为阻尼系数，决定该环节的带宽，适当的调节可增强IPFC附加控制器在固有频率发生微弱偏移时的鲁棒性。
（2.3）设置相位补偿环节，使其调节信号，补偿同步转矩系数，表达式为：
Figure 999643DEST_PATH_IMAGE003
其中，m为超前-滞后环节的个数，其取值由多机系统具体情况决定。T 1、T 2为超前滞后环节时间常数，其取值由下式决定：
Figure 334547DEST_PATH_IMAGE006
其中，θ IPFC为IPFC附加控制器补偿角，θ com由输入信号决定的量，与多机系统的同步转矩系数K有关，θ EX为振荡频率点处励磁系统引起的滞后角，主要由励磁系统的参数决定。
通过该式，使控制器尽可能补偿系统同步转矩，同时保证相位补偿环节的中心频率ω Tc 接近原始固有频率ω n0，从而使控制器在中心频率处具有最大的增益。
（2.4）设置限幅环节，选择合适的限幅环节参数，限制附加控制器输出信号的范围。
（3）基于步骤（2）中建立的附加控制器，结合改进相对增益矩阵理论，量化目标间的交互影响，选取附加控制器的叠加位置，通过改变系统的同步转矩系数影响系统的固有频率，破坏强迫振荡发生的条件，实现基于频率偏移的强迫振荡抑制策略。
控制器的叠加位置选择如图5所示。具体步骤如下：
（3.1）结合需要研究的多机系统，建立含IPFC控制器的状态方程，对模型线性化并转化为传递函数形式G(s)。
采用Phillips-Heffron线性化模型，将装有IPFC的系统表示为状态空间方程形式：
Figure 841752DEST_PATH_IMAGE007
转化为频域传递函数的形式有：
Figure 382455DEST_PATH_IMAGE008
其中，I为单位矩阵，ΔX=[Δδ，Δω，ΔE' q ，ΔE fd ，ΔV dc ] T ，为含IPFC系统的状态变量；ΔU=[Δm 1，Δθ 1，Δm 2，Δθ 2] T ，为IPFC控制器输入变量；ΔY=[ΔP ij ，ΔQ ij ，ΔP ik ，ΔV dc ，Δω]，为IPFC控制器输出变量；其中，Δδ为发电机转子q轴与以同步速度旋转的系统参考轴x间的电角度变量、Δω为同步电机的电角速度变量、ΔE’ q 为同步发电机暂态电势变量、ΔE fd 为同步发电机励磁电压变量、ΔV dc 为直流侧电压变量、ΔP ij 、ΔQ ij 、ΔP ik 为对应线路的有功变量和无功变量。
（3.2）依次量化分析附加控制信号的各种选择方案。取传递函数中的复变量s=0，得到系统稳态增益矩阵，得出每种叠加方案下的相对增益。
各叠加方案相对增益的具体推导过程如下：
如图6所示的反馈系统中，根据相对增益矩阵RGA基本原理可知，输入u 1对输出y 2的交互影响为：
Figure 291505DEST_PATH_IMAGE009
同样，输入u 2对输出y 1的交互影响为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
进一步地，可推导出：
Figure 298775DEST_PATH_IMAGE011
且有：
Figure 293276DEST_PATH_IMAGE012
以及：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
移项可得：
Figure 309774DEST_PATH_IMAGE014
代入可得出：
Figure 948697DEST_PATH_IMAGE015
从而得出：
Figure 985923DEST_PATH_IMAGE016
λ 12与λ 21即为求得的相对增益，可量化目标间的交互影响。若二者在数值上越接近1，则说明此时评估的通道间交互影响较小。反之，若二者取值较大，则表明此时评估的通道间交互影响很大。
（3.3）结合改进相对增益矩阵MRGA的物理意义，分析不同控制方式下控制目标间的交互影响大小，选择相对增益最接近l的最佳控制配对。
经分析，将附加控制器叠加于有功控制回路上。该控制器的附加转矩既可以影响该振荡模式的阻尼D，又可以影响该振荡模式的同步转矩系数K。
IPFC控制器的综合控制相位图如图7所示。假设系统存在负阻尼振荡模式，其对应的转矩变化量如ΔT e0所示，具有负的虚部。此时，可以通过IPFC主控侧附加阻尼控制器，产生附加转矩ΔT PCDC，该附加转矩与ΔT e0相叠加，产生新的附加转矩ΔT e1，具有正的虚部。此时，负阻尼低频振荡得到了抑制。而对于强迫振荡而言，由于系统存在持续的扰动，即使阻尼为正，也很难得到有效抑制。此时引入辅控侧附加控制器，该控制器可产生一个附加转矩ΔT RFC叠加于ΔT e1，从而得到ΔT e2，具有更大的实部，也就具有更大的同步转矩系数，此时该振荡模式的固有频率发生变化，强迫振荡将被有效抑制。
（4）基于步骤（3）所建的附加控制器，确定IPFC多通道附加控制器的结构，如图8所示，选通环节和相位补偿环节串联后的多个支路并联，实现对不同振荡模式不同的补偿策略。
（5）提取主导振荡模式并判别振荡类型，定位扰动源并计算相应的影响因子；
（6）根据步骤（5）中的振荡类型和影响因子，配置多通道附加控制器的参数；通过智能算法优化，制定应对多机系统中多重扰动的宽适应性振荡抑制策略，应对含强迫振荡分量的不同类型低频振荡同时发生的情形。
（6.1）设置隔直环节参数和限幅环节参数，选择合适的限幅环节参数，限制附加控制器输出信号的范围。
（6.2）配置多通道附加控制器的选通环节参数，将其中心频率设为辨识得到的振荡频率，并根据影响因子设置对应通道的增益，对影响因子较大的强迫振荡扰动源设置较大的增益。
（6.3）优化多通道附加控制器的相位补偿环节参数，对于不同振荡模式下的低频振荡，结合具体振荡类型给出补偿相位，实现对控制器的协调控制，使控制器对安装点处强迫振荡的抑制效果达到最佳，如图9所示。
具体地，将各通道对应的增益K R 及相位补偿时间常数T 1、T 2设为可调参数向量U，G K (U)和G D (U)分别表示相应的传递函数，有：
Figure 202140DEST_PATH_IMAGE004
对于各振荡模式，应在尽量提高系统阻尼D的同时确保对于同步转矩系数K的偏移量最大。优化目标函数为：
Figure 7284DEST_PATH_IMAGE005
其中，n为强迫振荡模式个数，γ l 表示第l个强迫振荡扰动源影响因子，K l0 与K l 分别表示第l个强迫振荡模式的初始同步转矩系数及同步转矩系数，该项确保对于强迫振荡而言，其关键模式的同步转矩系数偏移量更大。m为负阻尼振荡模式个数，D j 表示负阻尼振荡模式的阻尼比，该项确保对于负阻尼振荡模式而言，各模式阻尼比之和达到最大。

Claims (3)

1.一种计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法，其特征在于，包括步骤：
（1）计及可再生能源的波动性，利用IPFC进行振荡抑制；
（2）构建IPFC附加控制器，包括隔直环节、选通环节、相位补偿环节和限幅环节；
（3）量化不同控制方式下控制目标间的交互影响，选取附加控制器的叠加位置；
（4）构建IPFC多通道附加控制器，选通环节和相位补偿环节串联后的多个支路并联；
（5）提取主导振荡模式并判别振荡类型，定位扰动源并计算相应的影响因子；
（6）配置多通道附加控制器的参数，通过智能算法优化，制定多重扰动的宽适应性振荡抑制策略；具体步骤：
（6.1）设置隔直环节参数和限幅环节参数；
（6.2）配置多通道附加控制器的选通环节参数，将其中心频率设为辨识得到的振荡频率，并根据影响因子设置对应通道的增益；
（6.3）对于不同振荡模式下的低频振荡，结合具体振荡类型给出补偿相位参数，并优化多通道附加控制器的相位补偿环节参数；具体步骤为：
将各通道的增益K R 及相位补偿时间常数T 1、T 2设为可调参数向量U，G K (U)和G D (U)分别表示同步转矩系数K和系统阻尼D的传递函数，有：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
优化目标函数为：
Figure 79113DEST_PATH_IMAGE002
其中，n为强迫振荡模式个数，γ l 表示第l个强迫振荡扰动源影响因子，K l0 与K l 分别表示第l个强迫振荡模式的初始同步转矩系数及同步转矩系数， m为负阻尼振荡模式个数，D j 表示负阻尼振荡模式的阻尼比。
2.根据权利要求1所述的计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法，其特征在于，步骤（2）具体步骤如下：
（2.1）设置隔直环节表达式为：
Figure 34431DEST_PATH_IMAGE003
其中，T w 为隔直时间常数；
（2.2）设置选通环节表达式为：
Figure 122473DEST_PATH_IMAGE004
其中，ω c 为中心频率， K R 为增益系数，ξ为阻尼系数；
（2.3）设置相位补偿环节表达式为：
Figure 920664DEST_PATH_IMAGE005
其中，m为超前-滞后环节的个数， T 1、T 2为超前滞后环节时间常数；
（2.4）设置限幅环节。
3.根据权利要求1所述的计及新能源波动的线间潮流控制器振荡抑制方法，其特征在于，步骤（3）中附加控制器叠加位置的选择具体步骤如下：
（3.1）建立含IPFC控制器的状态方程，并转化为传递函数形式G(s)；
（3.2）取传递函数中的复变量s=0，结合相对增益矩阵，得到每种叠加方案下的相对增益；
（3.3）选择相对增益最接近l的作为最佳叠加方案。
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GR01 Patent grant
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