CN113078631A - 分布式潮流控制器多单元协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式潮流控制器多单元协调控制方法。本发明采用的技术方案为：所有DPFC单元的出力分配由协调控制器承担，其每隔一个控制周期T更新一次控制目标，然后通过判断控制目标是否发生改变，对于控制目标不变的情况下，DPFC单元的个数和出力也保持不变；而当控制目标发生改变时，协调控制器需根据新的控制目标重新制定DPFC单元分配方案，求出所需投入工作的DPFC单元个数和各DPFC单元的出力量。本发明能保证每个工作中的DPFC单元处于高效运行状态，且充分利用线路上的冗余单元，提高所有DPFC单元的平均利用率，降低单个DPFC单元的故障率，大幅度延长整个DPFC串联系统的寿命。

Description

分布式潮流控制器多单元协调控制方法

技术领域

本发明属于智能电网运行与稳定控制技术领域。具体涉及一种基于交替工作方式的分布式潮流控制器多单元协调控制方法。

背景技术

分布式潮流控制器(DPFC)是未来FACTS技术的发展方向之一，可将输电线路上采用的传统FACTS装置小型化、低成本化、可移动化，使其功能更全面，结构更简单，维护和应用更方便。DPFC可应用于输电网，可分布式地安装于变电站内，具有系统运行优化、均衡优化潮流分布、限制潮流断面过载、抑制功率振荡和次同步谐振的功能，对降低我国输配电网输电损耗，提高电网运行的可控性具有积极的作用。

目前，对系统中多个DPFC的控制方式主要以平均分配法为主，在工作时，整个串联系统的DPFC单元根据控制目标平均出力，但在DPFC总出力需求较小的情况下，每个DPFC单元出力远低于额定值，工作效率极低；而且由于所有DPFC单元始终处于工作状态，每个DPFC单元的开关管也在不断地耗损，这将导致由DPFC组成的整个串联系统寿命大大缩短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，综合考虑影响DPFC运行效率、故障率以及整体系统寿命的因素，提供一种基于交替工作方式的分布式潮流控制器多单元协调控制方法，以保证线路上的DPFC能长期高效可靠地运行。

为此，本发明采用如下的技术方案：分布式潮流控制器多单元协调控制方法，其内容如下：协调控制器获得当前支路的最优潮流控制目标，并判断最优潮流控制目标的变化情况；

当判断得知最优潮流控制目标不变时，每过一个工作周期T，协调控制器读取历史数据，获取原先工作中的DPFC单元数k和出力量X_se,i；协调控制器向所有DPFC单元下达获取可靠性请求，所有DPFC单元均对协调控制器的请求进行应答，同时，各DPFC单元将可靠性ρ_i提交给协调控制器，协调控制器将可靠性ρ₁,ρ₂,...,ρ_n进行由低到高排序，n为DPFC单元总数，取可靠性高的前k个DPFC单元作为下一轮工作的DPFC单元，协调控制器向这些DPFC单元下达投入工作控制指令，其中，若k个DPFC单元中存在正处于工作状态的DPFC单元，该DPFC单元保持原先的工作状态；所述的DPFC单元根据控制指令形成新的集群，开始跟踪新的目标；

当判断得知最优潮流控制目标发生变化时，协调控制器启动中断，获取当前支路有功功率P_L、线路首末端电压V₁，V₂、相角以及线路阻抗X_L，再重新计算DPFC单元数k及出力量X_se,i；所述的DPFC单元数k与原先工作的DPFC单元数进行比较，再制定相应的分配方案；制定好分配方案后，更新工作中DPFC单元的控制指令；所述的DPFC单元根据控制指令形成新的集群，开始跟踪新的目标。

进一步地，制定相应分配方案的具体内容如下：

A.若DPFC单元数k大于原先工作的DPFC单元数的情况下，计算出需要增加的DPFC单元个数x，然后向非工作中的DPFC单元发出获取可靠性请求，该部分DPFC单元将计算出的可靠性提交至协调控制器，最后，协调控制器将提交的可靠性由低到高依次排序，向可靠性高的前x个DPFC单元数下达投入工作控制指令；

B.若DPFC单元数k等于原先工作的DPFC单元数的情况下，则无需发起获取可靠性请求，协调控制器向DPFC单元数下达出力指令；

C.若DPFC单元数k小于原先工作的DPFC单元数的情况下，计算需要减少的DPFC单元个数y，然后向工作中的DPFC单元发出获取可靠性请求，该部分DPFC单元将计算出的可靠性提交至协调控制器，最后，协调控制器将提交的可靠性由高到低依次排序，向可靠性低的前y个DPFC单元数下达退出工作控制指令，剩下的DPFC单元维持原先工作。

进一步地，DPFC串联系统可靠性的评估步骤如下：

若每个DPFC单元的平均无故障工作时间均为1/λ，则其故障概率F(t)符合指数分布：

F(t)＝P{X≤t}＝1-e^-λt,t≥0 (1)

假设线路上有n个DPFC单元，只有k个DPFC单元处于工作状态，则评价整个串联系统可靠性的公式为：

假设线路上有n-1个DPFC单元，只有k个DPFC单元处于工作状态，则评价整个串联系统可靠性的公式为：

当k不变时，线路上含n个DPFC单元串联系统与含n-1个DPFC单元串联系统可靠度之差为：

由此可见，增加的冗余度越多，整个DPFC的可靠性更高。

进一步地，当判断得知最优潮流控制目标发生变化时，重新计算DPFC单元数k及出力量X_se,i的步骤如下：

若DPFC安装在第一节点与第二节点之间的支路上，

为线路阻抗，X_L,i表示线路上一小段的线路阻抗，q表示线路阻抗个数；V₁、V₂分别是第一节点电压与第二节点电压，δ₁、δ₂分别为第一节点电压相角与第二节点电压相角；

由此可知，若线路的控制目标为有功功率P_L，则

式中，δ₁₂表示第一节点电压相角与第二节点电压相角的差；

所有工作中的DPFC单元的等效阻抗X_se为：

此时，线路电流有效值|I_L|为：

由此计算所有工作中的DPFC单元注入的总电压V_se

V_se＝|I_L|X_se (8)

设单个DPFC单元的额定输出电压为V_o,i，为保证每个DPFC处于高效的状态，每个DPFC单元的逆变电压不得小于额定电压的80％；

需要投入的DPFC单元个数k的计算方法为：

且应满足：

V_se-k×V_o,i≤0 (10)

由上式可得，控制所需的总注入电压V_se始终小于k个DPFC单元输出的额定电压之和，因此，单个DPFC单元的注入电压为：

将单个DPFC单元的注入电压转化为单个DPFC单元的阻抗指令，即DPFC单元出力量X_se,i：

由此可见，当控制目标改变后，协调控制器通过公式(9)-(12)计算出DPFC单元数以及对应的出力量。

进一步地，DPFC单元可靠性是一个与变流器运行总时长相关的函数：

ρ(t)＝1-F(t)＝e^-λt (13)

其中，F(t)为DPFC单元的故障概率。

本发明具有的有益效果如下：本发明能保证每个工作中的DPFC单元处于高效运行状态，且充分利用线路上的冗余单元，提高所有DPFC单元的平均利用率，降低单个DPFC单元的故障率，大幅度延长整个DPFC串联系统的寿命。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的DPFC结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中分布式潮流控制器多单元协调控制方法的流程图；

图3是本发明具体实施方式中含DPFC的电力线路图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式，对本发明的技术进行详细描述。应当知道的是，以下具体实施方式仅用于帮助本领域技术人员理解本发明，而非对本发明的限制。

DPFC结构如图1所示，此处忽略单匝耦合变压器，L_se为滤波电感(计及变压器漏感)，C_se为滤波电容，V_se,i为单个DPFC单元的注入电压。

由于DPFC为电压源型变流器，在直流侧电压恒定的情况下，若调制比很小，则其单个DPFC单元的注入电压V_se,i的谐波成分将与基波成分相近，波形畸变严重，工作效率不高。因此，为提高每个DPFC单元的工作效率，需保证每个DPFC单元的逆变电压为额定电压的80％以上。

考虑到线路上DPFC单元的配置一般略有冗余，如果线路长期不是以全部DPFC单元投入作为主要工作模式，这将使部分DPFC单元长期处于待机状态，而部分DPFC单元处于持续工作状态。

若每个DPFC单元的平均无故障工作时间均为1/λ，则其故障概率F(t)符合指数分布：

F(t)＝P{X≤t}＝1-e^-λt,t≥0 (1)

假设线路上有n个DPFC单元，只有k个DPFC单元处于工作状态。则评价整个DPFC串联系统可靠性的公式为：

假设线路上有n-1个DPFC单元，只有k个DPFC单元处于工作状态。则评价整个DPFC串联系统可靠性的公式为：

当k不变时，线路上含n个DPFC单元串联系统与含n-1个DPFC单元串联系统可靠度之差为：

由此可见，增加的冗余度越多，整个DPFC的可靠性更高。

为了减少整条线路的DPFC单元出现故障的概率，本发明提出一种分布式潮流控制器单元间歇性交替工作的协调控制方法，该方法能充分调配冗余单元来承担调控工作，在保证了串联系统可靠性的前提下进一步降低单个DPFC单元出故障的概率，具体流程图如图2所示。

所有DPFC单元的出力分配由协调控制器承担，其每隔一个控制周期T更新一次控制目标，然后通过判断控制目标是否发生改变，从而选择对应的DPFC单元分配流程。

对于控制目标不变的情况下，DPFC单元的个数和出力也保持不变，因此，协调控制器无需重新制定DPFC单元分配方案，可直接读取历史方案。而当控制目标发生改变时，所需DPFC单元的个数及出力量均可能发生变化，因此，协调控制器需根据新的控制目标重新制定DPFC单元分配方案，求出所需投入工作的DPFC单元个数和各DPFC单元的出力量。

图3为含DPFC的电力线路图，DPFC安装在节点1与节点2之间的支路上，

为线路阻抗，X_L,i表示线路上一小段的线路阻抗，q表示线路阻抗个数；V₁、V₂分别是第一节点电压与第二节点电压，δ₁、δ₂分别为第一节点电压相角与第二节点电压相角。

由此可知，若线路的控制目标为有功功率P_L，则

所有工作中的DPFC单元的等效阻抗X_se为

此时，线路电流有效值|I_L|为

由此可计算所有工作中的DPFC单元注入的总电压V_se

V_se＝|I_L|X_se (8)

设单个DPFC单元的额定输出电压为V_o,i，为保证每个DPFC处于效率较高的状态，因此每个DPFC单元的逆变电压不得小于额定电压的80％。

需要投入的DPFC单元个数k的计算方法为

且应满足

V_se-k×V_o,i≤0(10)

由上式可得，控制所需的总注入电压始终小于k个DPFC单元输出的额定电压之和，因此，单个DPFC单元的注入电压为：

将注入电压转化为阻抗指令X_se,i(即DPFC单元出力量)

由此可见，当控制目标改变后，协调控制器可通过公式(9)-(12)计算出DPFC单元个数以及对应的出力量。

图2分配流程中的筛选是协调控制器制定出DPFC单元分配方案后，通过对每个DPFC单元可靠性进行评估与排序，最终筛选出可靠性高的DPFC单元组成下一轮工作的DPFC串联系统。

DPFC单元可靠性ρ(t)是一个与变流器运行总时长相关的函数：

ρ(t)＝1-F(t)＝e^-λt (13)

其中，F(t)为DPFC单元的故障概率。在该函数的约束下，DPFC单元随着运行时间的增加，其可靠性越小，即在下一次分配任务中，累积工作时长越大的DPFC单元更不容易分配到任务，这使得运行时间较少的DPFC单元有更多投入工作的机会，保证线路全部DPFC单元的使用率相对平均，同时减少单个DPFC发生故障的概率。

下面将以控制目标改变与否两种情况来叙述具体的筛选流程。

一、当判断得知最优潮流控制目标不变时，每过一个工作周期T，协调控制器读取历史数据，获取原先工作中的DPFC单元数k和出力量X_se,i。协调控制器向所有DPFC单元下达获取可靠性请求，所有DPFC单元均对协调控制器的请求进行应答，根据公式(13)计算出各DPFC单元可靠性，同时，各DPFC单元可靠性ρ_i提交给协调控制器，协调控制器将可靠性ρ₁,ρ₂,...,ρ_n进行由低到高排序，n为DPFC单元总数，取可靠性高的前k个DPFC单元作为下一轮工作的DPFC单元，协调控制器向这些DPFC单元下达投入工作控制指令，其中，若k个单元中存在正处于工作状态的DPFC单元，该DPFC单元保持原先的工作状态；所述的DPFC单元根据控制指令形成新的集群，开始跟踪新的目标。

二、当判断得知最优潮流控制目标发生变化时，协调控制器启动中断，获取当前支路有功功率P_L、线路首末端电压V₁，V₂、相角以及线路阻抗X_L，再根据公式(5)-(12)重新计算DPFC单元数k及出力量X_se,i；所述的DPFC单元数k与原先工作的DPFC单元数进行比较，再制定相应的分配方案。

制定相应分配方案的具体内容如下：

A.若DPFC单元数k大于原先工作的DPFC单元数的情况下，计算出需要增加的DPFC单元个数x，然后向非工作中的DPFC单元发出获取可靠性请求，该部分DPFC单元将通过公式(13)计算出的可靠性提交至协调控制器，最后，协调控制器将提交的可靠性由低到高依次排序，向可靠性高的前x个DPFC单元数下达投入工作控制指令；

B.若DPFC单元数k等于原先工作的DPFC单元数的情况下，则无需发起获取可靠性请求，协调控制器向DPFC单元数下达出力指令；

C.若DPFC单元数k小于原先工作的DPFC单元数的情况下，计算需要减少的DPFC单元个数y，然后向工作中的DPFC单元发出获取可靠性请求，该部分DPFC单元将通过公式(13)计算出的可靠性提交至协调控制器，最后，协调控制器将提交的可靠性由高到低依次排序，向可靠性低的前y个DPFC单元数下达退出工作控制指令，剩下的DPFC单元维持原先工作。

制定好分配方案后，更新工作中DPFC单元的控制指令(包括投入、切除指令以及出力指令)；所述的DPFC单元根据控制指令形成新的集群，开始跟踪新的目标。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.分布式潮流控制器多单元协调控制方法，其特征在于，协调控制器获得当前支路的最优潮流控制目标，并判断最优潮流控制目标的变化情况；

当判断得知最优潮流控制目标不变时，每过一个工作周期T，协调控制器读取历史数据，获取原先工作中的DPFC单元数k和出力量X_se,i；协调控制器向所有DPFC单元下达获取可靠性请求，所有DPFC单元均对协调控制器的请求进行应答，同时，各DPFC单元将可靠性ρ_i提交给协调控制器，协调控制器将可靠性ρ₁,ρ₂,...,ρ_n进行由低到高排序，n为DPFC单元总数，取可靠性高的前k个DPFC单元作为下一轮工作的DPFC单元，协调控制器向这些DPFC单元下达投入工作控制指令，其中，若k个DPFC单元中存在正处于工作状态的DPFC单元，该DPFC单元保持原先的工作状态；所述的DPFC单元根据控制指令形成新的集群，开始跟踪新的目标；

当判断得知最优潮流控制目标发生变化时，协调控制器启动中断，获取当前支路有功功率P_L、线路首末端电压V₁，V₂、相角以及线路阻抗X_L，再重新计算DPFC单元数k及出力量X_se,i；所述的DPFC单元数k与原先工作的DPFC单元数进行比较，再制定相应的分配方案；制定好分配方案后，更新工作中DPFC单元的控制指令；所述的DPFC单元根据控制指令形成新的集群，开始跟踪新的目标。

2.根据权利要求1所述的分布式潮流控制器多单元协调控制方法，其特征在于，制定相应分配方案的具体内容如下：

A.若DPFC单元数k大于原先工作的DPFC单元数的情况下，计算出需要增加的DPFC单元个数x，然后向非工作中的DPFC单元发出获取可靠性请求，该部分DPFC单元将计算出的可靠性提交至协调控制器，最后，协调控制器将提交的可靠性由低到高依次排序，向可靠性高的前x个DPFC单元数下达投入工作控制指令；

B.若DPFC单元数k等于原先工作的DPFC单元数的情况下，则无需发起获取可靠性请求，协调控制器向DPFC单元数下达出力指令；

C.若DPFC单元数k小于原先工作的DPFC单元数的情况下，计算需要减少的DPFC单元个数y，然后向工作中的DPFC单元发出获取可靠性请求，该部分DPFC单元将计算出的可靠性提交至协调控制器，最后，协调控制器将提交的可靠性由高到低依次排序，向可靠性低的前y个DPFC单元数下达退出工作控制指令，剩下的DPFC单元维持原先工作。

3.根据权利要求1或2所述的分布式潮流控制器多单元协调控制方法，其特征在于，DPFC串联系统可靠性的评估步骤如下：

若每个DPFC单元的平均无故障工作时间均为1/λ，则其故障概率F(t)符合指数分布：

F(t)＝P{X≤t}＝1-e^-λt,t≥0 (1)

假设线路上有n个DPFC单元，只有k个DPFC单元处于工作状态，则评价整个串联系统可靠性的公式为：

假设线路上有n-1个DPFC单元，只有k个DPFC单元处于工作状态，则评价整个串联系统可靠性的公式为：

当k不变时，线路上含n个DPFC单元串联系统与含n-1个DPFC单元串联系统可靠度之差为：

由此可见，增加的冗余度越多，整个DPFC的可靠性更高。

4.根据权利要求1或2所述的分布式潮流控制器多单元协调控制方法，其特征在于，当判断得知最优潮流控制目标发生变化时，重新计算DPFC单元数k及出力量X_se,i的步骤如下：

若DPFC安装在第一节点与第二节点之间的支路上，

为线路阻抗，X_L,i表示线路上一小段的线路阻抗，q表示线路阻抗个数；V₁、V₂分别是第一节点电压与第二节点电压，δ₁、δ₂分别为第一节点电压相角与第二节点电压相角；

由此可知，若线路的控制目标为有功功率P_L，则

式中，δ₁₂表示第一节点电压相角与第二节点电压相角的差；

所有工作中的DPFC单元的等效阻抗X_se为：

此时，线路电流有效值|I_L|为：

由此计算所有工作中的DPFC单元注入的总电压V_se

V_se＝|I_L|X_se (8)

设单个DPFC单元的额定输出电压为V_o,i，为保证每个DPFC处于高效的状态，每个DPFC单元的逆变电压不得小于额定电压的80％；

需要投入的DPFC单元个数k的计算方法为：

且应满足：

V_se-k×V_o,i≤0 (10)

由上式可得，控制所需的总注入电压V_se始终小于k个DPFC单元输出的额定电压之和，因此，单个DPFC单元的注入电压为：

将单个DPFC单元的注入电压转化为单个DPFC单元的阻抗指令，即DPFC单元出力量X_se,i：

由此可见，当控制目标改变后，协调控制器通过公式(9)-(12)计算出DPFC单元数以及对应的出力量。

5.根据权利要求3所述的分布式潮流控制器多单元协调控制方法，其特征在于，DPFC单元可靠性是一个与变流器运行总时长相关的函数：

ρ(t)＝1-F(t)＝e^-λt (13)

其中，F(t)为DPFC单元的故障概率。

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