CN115360692A - 基于线间潮流控制器的交流系统有功频率下垂控制方法 - Google Patents

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贾勇勇
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Abstract

本发明公开了一种基于线间潮流控制器的交流系统有功频率下垂控制方法，首先解锁线间潮流控制器辅控线路所连换流器，并设定辅控线路所连线间潮流控制器运行于定直流电压与定无功功率控制模式；在依次解锁线间潮流控制器各主控线路所连换流器，并依次设定各主控线路所连线间潮流控制器运行于定交流线路有功功率与定交流线路无功功率控制模式；然后提取主控线路受端交流系统频率差信号Δf ac；并将所提取频率差信号Δf ac乘以下垂系数K得到有功频率下垂信号；最后将有功频率下垂信号附加于各主控线路所连线间潮流控制器的有功功率控制指令中，实现基于线间潮流控制器的下垂控制。本发明可以精确控制指定线路有功功率，并可支撑交流系统频率稳定。

Description

基于线间潮流控制器的交流系统有功频率下垂控制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体为一种基于线间潮流控制器的交流系统有功频率下垂控制方法。
背景技术
为实现交流电网内部交流潮流的有效控制，利用柔性直流输电技术(Flexible ACTransmission Systems，FACTS)应对系统潮流分布不均引起关键断面阻塞问题成为当务之急。相比常规交流设备，基于电力电子器件的FACTS设备具备快速响应、连续调节、灵活控制等方面的优势，能够大幅提升电力系统的输电能力与效率。其中，以统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)为代表的柔性交流输电技术已经在江苏电网实际投产，其在潮流控制与电压稳定等方面做出了较大的贡献。但统一潮流控制器仅能针对指定线路进行潮流控制，且UPFC在控制自身安装的线路潮流时有可能会导致临近重载线路潮流越限。预计在“十四五”期间，冬季高峰风电光伏等新能源大发时，“北电南送”形势下的多个过江通道潮流较重，且均有N-1及N-2潮流过载等问题，此时依靠UPFC的单一潮流控制能力已经无法解决江苏电网的潮流不均衡与越限问题。。
与此同时，和UPFC同为第三代FACTS的代表性装置的线间潮流控制器(InterlinePower Flow Controller，IPFC)以其优异性能显示出了更强的潜力。IPFC结构示意图如图1所示，简化的IPFC结构示意图如图2所示。一方面，IPFC不仅能够像UPFC一样直接控制串联部分所安装输电线路上的潮流，还能够实现线路间的功率交换，从而控制不同线路之间的潮流。另一方面，UPFC在控制自身安装线路潮流时有可能会导致临近重载线路潮流越限，而IPFC控制潮流具有定向的特点，可将重载线路潮流“搬运”至临近轻载线路，减少对其他线路的潮流影响。总体而言，IPFC能够动态控制多条线路的有功、无功、电压、阻抗和功角，便于优化系统运行、提高系统暂态稳定性，具有非常广阔的应用前景。此外，IPFC还能够通过自身拓扑结构的切换在所控线路发生故障后利用剩余线路上的换流器继续对系统潮流的进行控制，避免故障后事态的进一步恶化，具备较高的可靠性。因此，IPFC对于解决已有负荷密集型电网中由潮流分布不均而引起的输电瓶颈问题以及提升电网柔性控制程度有着非常广阔的应用前景。
与UPFC的原理及特点相似，IPFC各换流器之间的有功交互处于动态平衡状态，即IPFC设备自身相对于整个系统而言，既不吸收有功功率，也不发出有功功率。IPFC正常运行时，选择某条线路作为其辅控线路，其余线路均为主控线路。主控线路换流器同时对其所在线路有功及无功功率进行控制，由于辅控线路换流器需要维持直流母线电压稳定，故仅对其所在线路有功或无功功率进行控制。通过这种控制方式，可以选择一条或数条重载线路作为主控线路，在确保主控线路的潮流不越限的前提下，将过载部分潮流合理分配至其他次优先级线路，这样即可有效均衡各输电通道潮流，避免潮流过载现象出现，极大地提升系统输电能力。
直流电压下垂控制策略主要应用于多端柔性直流(VSC-MTDC)系统。直流电压下垂控制策略的控制思路来源于交流系统中的调频控制器，可以有两种模式：直流电压-直流功率下垂控制和直流电压-直流电流下垂控制，两者工作原理并无差别。本小节以直流电压-直流功率下垂控制为例，其控制特性图和控制器结构分别如图3(a)和(b)所示。
现有措施：
(1)措施1：发电机一次调频，可以下参考文献：
[参考文献1]于达仁,郭钰锋.电网一次调频能力的在线估计[J].中国电机工程学报,2004(03):77-81..
但该措施发电机一次调频仅能调整发电机极端输出功率，无法针对指定交流线路进行功率调整。
(2)措施2：柔性直流电网下垂控制，可以下参考文献：
[参考文献2]朱珊珊,汪飞,郭慧,王奇丰,高艳霞.直流微电网下垂控制技术研究综述[J].中国电机工程学报,2018,38(01):72-84+344.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.171408..
但该措施直流电网下垂控制主要用于直流侧功率与直流电压的匹配调整，不针对交流功率进行下垂调整。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于线间潮流控制器的交流系统有功频率下垂控制方法，可以精确控制指定线路有功功率，并可支撑交流系统频率稳定。技术方案如下：
一种基于线间潮流控制器的交流系统有功频率下垂控制方法，包括以下步骤：
步骤1：解锁线间潮流控制器辅控线路所连换流器；
步骤2：设定辅控线路所连线间潮流控制器运行于定直流电压与定无功功率控制模式；
步骤3：依次解锁线间潮流控制器各主控线路所连换流器；
步骤4：依次设定各主控线路所连线间潮流控制器运行于定交流线路有功功率与定交流线路无功功率控制模式；
步骤5：提取主控线路受端交流系统频率差信号Δfac；
步骤6：将所提取频率差信号Δfac乘以下垂系数K得到有功频率下垂信号；
步骤7：将有功频率下垂信号附加于各主控线路所连线间潮流控制器的有功功率控制指令中，实现基于线间潮流控制器的下垂控制。
本发明的有益效果是：现有IPFC研究没有涉及下垂控制策略的设计，与发电机的一次调频相比，IPFC可以精确控制指定线路有功功率，与直流输电相比，IPFC下垂策略可支撑交流系统频率稳定。
附图说明
图1为IPFC结构示意图。
图2为简化的IPFC结构示意图
图3为直流电压下垂控制器；(a)控制特性；(b)控制器结构
图4为测试系统拓扑图。
图5为IPFC下垂控制策略图。
图6为有无下垂控制策略受端交流系统频率对比图。
图7为有无下垂控制策略受端交流系统频率对比局部放大图。
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详细说明。具体方案如下：
一种基于线间潮流控制器的交流系统有功频率下垂控制方法，包括以下步骤：
步骤1：解锁线间潮流控制器辅控线路所连换流器。
该步骤主要是为了启动线间潮流控制器，线间潮流控制器需要一个一个启动，之所以先解锁辅控线路上的线间潮流控制器，是因为辅控线路上的线间潮流控制器是用来控制直流电压的，需要先解锁。
步骤2：设定辅控线路所连线间潮流控制器运行于定直流电压与定无功功率控制模式。
设定直流电压控制模式，并让直流电压升高至额定值，这样即可建立直流侧的电压，保障线间潮流控制器的稳定运行。
步骤3：依次解锁线间潮流控制器各主控线路所连换流器。
直流电压建立后，即可解锁其他主控线路上的线间潮流控制器，因为其他主控上的线间潮流控制器主要用于控制该条线路的有功、无功功率，不能控制直流侧的电压。
步骤4：依次设定各主控线路所连线间潮流控制器运行于定交流线路有功功率与定交流线路无功功率控制模式。
该步骤是为了让各条线路运行于给定的有功无功功率值上。
步骤5：提取主控线路受端交流系统频率差信号Δfac。
因为各主控线间潮流控制器可以控制有功功率，因此考虑利用该控制能力来调节受端电网的频率稳定，故需要先提取频率差信号作为控制器输入。
步骤6：将所提取频率差信号Δfac乘以下垂系数K得到有功频率下垂信号。
将频率信号通过下垂系数转换为功率信号，用以主控的功率控制。
步骤7：将有功频率下垂信号附加于各主控线路所连线间潮流控制器的有功功率控制指令中，实现基于线间潮流控制器的下垂控制。
将转换后的功率信号附加于原有功率参考值，实现下垂控制效果。
以图4含IPFC交流输电系统为例进行验证：
验证方案：设定线间潮流控制器1(IPFC1)为辅控线路，IPFC2与IPFC3为主控线路相关控制方式如表1。
表1主控线路相关控制方式
Figure BDA0003742282040000041
根据图5所示框图，在IPFC2与IPFC3定有功功率环节设定下垂控制策略。图5中，f为受端交流系统测量的实时频率，50Hz为交流系统额定频率，Kdroop为下垂系数，设定为9000。Pset为IPFC2与IPFC3的有功功率设定值，分别为200MW与150MW。Pref为IPFC输出的最终功率指令。
在系统负荷波动情况下，有无上述下垂策略的频率波动对比图如图6与图7所示。可见下垂控制不仅可以改善系统频率稳定性，降低频率波动范围，而且可以提升IPFC对交流系统频率支撑能力，防治系统失稳。

Claims (1)

1.一种基于线间潮流控制器的交流系统有功频率下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：解锁线间潮流控制器辅控线路所连换流器；
步骤2：设定辅控线路所连线间潮流控制器运行于定直流电压与定无功功率控制模式；
步骤3：依次解锁线间潮流控制器各主控线路所连换流器；
步骤4：依次设定各主控线路所连线间潮流控制器运行于定交流线路有功功率与定交流线路无功功率控制模式；
步骤5：提取主控线路受端交流系统频率差信号Δf ac；
步骤6：将所提取频率差信号Δf ac乘以下垂系数K得到有功频率下垂信号；
步骤7：将有功频率下垂信号附加于各主控线路所连线间潮流控制器的有功功率控制指令中，实现基于线间潮流控制器的下垂控制。
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