TWI270762B - Control method for enhancing dynamic model of power flow - Google Patents

Description

1270762 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種強化電力潮流動態模型控制方法。 【先前技術】 近年來，由於電力電子技術的成熟發展，將彈性交流系統用作電 力系統控制機制之方法已逐漸受到重視，使用彈性交流輸電系統 (Flexible AC Transmission System，FACTS)不僅提高輸電能力， 更可改善電力系統之穩定度。強化電力潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC)為所有FACTS元件中最新、功能最完整之電 力/朝流控制器’它不但能控制輸電線路上之實功與虛功，也能控制設 置於UPFC之匯流排的電壓。習知技術（厶分收以“Unified power flow control concept for flexible AC transmission systems”， IEEE Proceedings. Generation, Transmission & Distribution. Vol. 版么/卻之观忍?-观·）曾提出UPFC之控制觀念， 而世界第一套UPFC系統也業已成功地安裝在美國肯德基州東部AEP所 屬輸電網路中。 為瞭解事故發生時電力系統所發生之變化，系統規劃工程師必須執 行電力糸統時域動怨分析（Time Domain Dynamic Analysis)，以模擬 電力系統受到擾動後之動態響應（Dynamic Response);欲對電力系統 之暫態響應作準確之模擬，必須具備電力系統所有動態元件之模型及 參數’以建立該裝置動作所有之微分與代數方程式，因此若欲評估Upfc 對電力系統暫態之影響，必須建立完整而準確描述UPFC行為之動態模 型。 、 承上，欲評估UPFC對電力系統暫態之影響，必須根據UPFC之能力 與行為，建立完整而精確之動態模型，接著透過時域之動態模擬觀測 電力系統受到擾動後之響應。習知技術關於電力潮流計算所使用之 UPFC動態模型探討案例很多，例如： \·Ε· Hasanovic，C.A· Feliachi，and J· Reeve，“Fundamental

Frequency Model 〇f Static Synchronous Compensator, 1270762 '〜':,雜

Proceeding of the North American Power Symposium, NAPS, Larmi’e，fFyomi’ng，pp· 49-54，Oct. 1997·提出一楂該於静態同 步調相器之動態解耦模型，並成功應用於北美電網。 2. £ Schoder, A. Hasanovic, and A Feliachi, “Load-Flow and

Dynamic Model of the Unified Power Flow Controller, UPFC, within the Power System Toolbox, PST, " Proceeding of the 43rd IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems, Vol. 2, pp. 634-637, 洲提出同時結合UPFC動態、靜態及潮流模型分析之方 式，可同時達到優越之電壓及實功、虛功控制效果。 3. Zhengyu Huangy Yinxin Ni, Shen, C. Μ., Wu9 F. F. 9 Shousun Chen, Baolin Zhang, "Application of Unified Power Flow Controller m Interconnected Power Systems-Modehng, Interface, Control

Strategy，and Case Study, IEEE Transactions on Power Systems， 厂〇/· /5,观沿7-從提出一種UPFc動態解耦模型， 可達到優越之電壓及功率控制效果。 然後在討論UPFC動態模型之文獻中，大部分模型係直接以電壓換 流is之電壓大小及相角為狀態變數。可是串、並聯換流器之電壓大小 與相角、受控匯流排電壓及傳輸線實虛功潮流等控制目標間為高度之 非線性關係，變數繁多且控制變數相互偶合因此控制不易，欲建立穩

定電路則有一定之困難，是以催促更有效率11即(：動態模型之研究開發。 以下簡短列出相似先前技術，其係以專利號碼及年份呈現： X US5343139 (1994)、US5469044 (1995 )、US5698969 (1997)、US5734257 (1998)〇 【發明内容】 本發明之主要目的在提供一種強化電力潮流動態模型控制方法， 其係可對UPFC隨排之賴或輸電線路之實功、虛功，具優越控制效 果之強化電力潮流動態模型控制方法。 本發明之另-目的在提供-麵化電力麟動態翻控制方法， /、係可於卩UPFC絲礎之電力系統受到巨大擾動時，可有效改善暫態 卿，^^PWWP^pppp T.八㈣舞擎,_雜声嫩 1270762 響應之強化電力潮流動態模型控制方法。 為達上述之目的，本發明提出一具動態解耦特性之強化電力潮流 控制器模型，串聯換流器部份應用了電壓換流器實功一虛功解耦演算 法，分別以換流器之d-q座標軸來調節輸電線路之實功及虛功。並聯 換流器以q軸電流來調節匯流排端電壓；並聯換流器的實功控制方塊 與串聯換流器部份相同，由並聯換流器之d軸電流調節直流耦合電容 之電壓，藉以控制換流器間的實功交換量，並聯換流之實功命令值則 由串聯換流器的實功輸出及耦合電容動態共同決定。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本 發明之目的、技術内容、特點及其所達成之功效。 【實施方式】 本發明係提供一種強化電力潮流控制器動態模型控制方法，其係 可針對UPFC輸電線路匯流排電壓、實功或虛功作有效控制，同時在電 力系統受到巨大擾動時，可有效改善系統暫態響應之控制方法。 如第1圖所示，本發明提供之電力系統之強化電力潮流控制器的 動態模型控制方法，係在電力系統間定義並設置一傳送端之s匯流排 及接受端之r匯流排，並設置至一組串聯換流器（如圖式中的VsK)、 一組並聯換流器（如圖式中的Vsl-2)及一個直流耦合電容；值得注意 的是，UPFC設置於電力系、統匯流排上之位置並無特別限定，本發明僅 在闡述並釐清上述各元件發揮之作用，以及這些作用所產生之結果， 與實現本發明之目的之關係。 根據省知技術(C· D· Schauder，H. Metha，“Vector Analysis and

Control of Advanced Static Var Compensator，” IEEE Proceeding. C，Vol· 140’ No· 4 pp· 299-306，July 1993·所提出）三相電壓換流器 流入電力系統之電流，經過帕可轉換（Park Transform)為d-q轴向 ⑴ 座標系後可表示為：

did dt di — —一 i? " ΊΤ % 一 R 1 Η _dt · h xj L e 一 v L ^ ^ J 7

1270762 ^ ^ ^ 其中/、e、V分別為電壓換流器電流、電壓及與換流器相連接之 匯流排電壓；小寫字母的電壓電流變數代表交流瞬間值；下標d、分分 別代表d、g軸分量；/?、L分別為耦合變壓器之電阻與電感；％為電 源角頻率。 接著重新定義一組新的控制輸入變數： —1 ed ~^d 3. 一 L w "ωΒ^ά did dt '-R ~L 0 h diq 0 一 R Λ. + .dt _ L _ (2) 將(2)式代入(1)式中，得解耦系統如(3)式： (3) 第2圖為解耦控制架構圖，其中0201及0202部分為使用比例積 分控制器，再加上單位回饋控制即可分別對兩解搞系統的狀態變數心 及Q作命令追縱控制。 七及七是人為定義之輸入變數，而電壓換流器可以控制的變數是 ~及&，重新整理（2)式可得兩者間的關係如（4)式。 卜-μ] (4) 5」Ιλ」13+从」 由前面的推導可以看出，將電壓換流器電流變數以d—q軸座標來 表示後’經過控制輸入變數之代換可達到解耦控制效果。 在三相平衡下，電壓電流通常以極座標相量（phasor)來表示，在 此表示法下，d-q座標軸轉換為相量投影問題，即將極座標相量分別 投影至參考相量方向（以下簡稱(!軸）以及領先參考向量9〇度的方向（以 下簡稱q軸）。舉例說明，假設UPFC之s匯流排及r匯流排兩端的電壓分 別為及，若以r匯流排電壓為參考相量，如第3圖所示，則 s匯流排及r匯流排的d-q座標軸分量可分別以（5)-(6)式計算： vf = vs cos(er0r) y v/ = Vs sin(0rer) (5) ⑹ v^vr , f；=〇 h ΐΐΐ寫字母之電壓或電流變數敏财效值，上標d、q分別代 表相ϊ的d、q軸分量。 主要負責控制輸電線路上實功及虛功誠，本發明使 、心且藉由解_功虛功控制演算法來控制輸電線路潮流。 如=圖所示’若以Vr匯流排電壓為參考相量，串聯換流器所欲控制 ^輸電線路實功與虛功潮流可_ (7)_(8)換算祕流器d_q座標 流之控制命令： ^serj-ef : _ P! i ηβ· ef ⑺ il er、ref δ； inf-ef ⑻ 斤將第γ圖之控制方塊應用在串聯換流器之控制時，控制方塊圖如 第4圖所示之㈣減器實功控制及g 5 _示之串聯換流器虛功控 制。將⑸-⑹式代人⑷式可得串聯換流器電壓之d该標轴如下： (9)

①B n x_ ^2ser d s er (10) 將d-q座標軸表示之相量換算為極座標表示如(ii)_(i2)式 Θ, + VL· ：0Cser +^r V. (11)(12) 其中α 送出的實功率巧袅示為： ps 一 KeA^f -Kd)2 + Vf t an # °若假設串聯耦合變壓器的電阻為零，串聯換流器 sim. (13) 第6圖係為UP7C並聯換流器匯流排之電壓控制動態模型，並聯換 流器控制輸出之虛功用以調節受控匯流排上之電壓大小，此部份功能 類似靜態虛功補償器（STAC0M)，因此本發明採用pss/E所提供之 STATC0M動態模型CSTATC ’僅修改其電流方向之定義，使電流方向定 義與串聯換流器部份一致。 第7圖係為UPFC並聯換流器與串聯換流實功交換動態模型，並聯 換流器的實功控制主要為調節直軸合電容之儲能，使餘電壓維持 固定，其實功控制命令值/>_係由電容祕決定，本發明將在下一段 說明。為了控制並聯換流器使其輸出實功追隨u化，本發明 與串聯換流器相同之實功虛功解耦控制。 在並聯換流器實功控制時，本發明使用3频流排電壓為表 量，相關的相量之d-q座標軸表示法如第8圖所示，則並聯換流 電流控制命令值可表示為： Lg§d車由

(14) 、並聯換流器d-q座標軸電壓與換流器d—q座標軸電流間之關係可以 下式表示

Vsh + 7 ^ = Vf + (I^h + jO (Rsh + jXsh) (15) 經整理可得下式 (16) (Π) 並聯換流器電源之電壓大小及 (18) (19) vK+di:hxsk V^h ^IdshXsh ^-IqshRsh 與串聯換流器分析有類似的結果 相角為：

0sh =^ash +0S 其中 α5/ι ^taif1^·。 κ 並聯換流器輸出至電力系統的實功率為 (20) xsh sh D、直流耦合電容動態 办在換流器無損失之假設下，流入DC搞合電容之瞬時功 4，此功率值應等於由串聯及並聯換流器流出至電力系統工， 和之負值，因此直流耦合電容之電壓可以下列微分方程式來表示、·功率 1270762

dvac - (Pser + PJ ΠΛ (21) 其中^為電容電壓。 UPFC直流搞合電容器電壓必須要維持固定，串聯及並聯換流器方能 正常動作，本發明使用PI控制器來控制直流耦合電容之電壓，如第g圖 所不。在穩態時’並聯換流器的輸出實功率的設定值恰為串聯換流器輸 -出貫功率的負值，使電容電壓的微分為0，電容電壓固定；當直流電壓 4受到擾動而降低時，第9圖中〇9〇1之pi控制器將產生一負的修正 量’以降低並聯換流器所送出實功的設定值，使得電容電壓的微分 一為正，電容電壓上昇，回復到控制命令值。 φ 本說明書使用兩區域，其係包括四發電機之測試系統，用以驗證本 發明所提供之UPFC動態模型性能，系統架構如第1〇圖所示；未加入 UPFC前，穩態下有390MW實功率經由二組230KV之連絡線(Tie line)由第 - 1區流至第2區，各區域發電量及負載量如表1所示請一併參閱。 111>1?(：並聯分支並接在1〇1匯流排（或簡稱s端匯流排），用以調節該 匯流排電壓大小；串聯分支串接在一組連絡線上，用以控制該連絡線之 潮流；該連絡線原先連接至1〇1匯流排的一端改接到upFC的r端〇〇2 匯流排），以下簡稱連接1〇1-13匯流排間輸電線路為連絡線#1，連接 102-13匯流排間輸電線路為連絡線#2。 本發明使用PSS/E動態模擬程式來驗證UPFC動態模型性能；pss/E _ Θ建模型元件庫包含了各式電力設備的動II模型，同時亦具備自行定義 - 動態模型的擴充能力。目前PSS/E 28· 1版本僅提供UPFC靜態模型分析

功^，其係可供電力潮流計算使用，UPFC動態模型分析功能則該軟體尚 - 未提供；接著將提出之UPFC動態模型以傳統FORTRAN及較高階FLECS 語法撰寫conec· f lx及conet f lx檔，並將UPFC動態模型所需之微分方 程及代數方程加入PSS/E動態模擬程式中。 ,本發明提供三個具體實施例，展示模擬UPFC在控制命令變化或電力 系，受到擾動後之響應，以驗證即％動態模型性能。upFC動態模型及控 制器參數詳見附錄，各模擬案例分述如下： 具體實施例1，柃電線路實飭與虛功調節： 11 1270762 為展現UPFC控織電_實魏虛功能力，設别pFG控制命令值如 I : S端匯流排電壓維持固定％ = 1. 〇pu，連絡賴潮流在〇 至2秒時 ^Γ1 ’ a_/=1()MVAR;在2至4秒時’降低輸電線路潮流實功 卩令為MM，虛功控制命令值特不變；在4至6秒時繼續將 虛功控料令值降低至G麵，而實功㈣命令值維持 ZUUMW 〇 由模擬、、Ό果第11圖可看出，s端匯流排電壓及_合電容電壓只有潮 1i命令值變化的_，有短時間之暫態電壓變化，並很快地回復設 疋值。第11圖亦可看出並、串聯換流器之輸出實功之和幾乎為零，此 糸維縣合電谷電壓固定之條件；由換流器輸出功率的正負號變化亦可 說明串、並聯換流n透過直軸合電容進行實功交換是雙方向性的。 請參閱帛12圖，連絡線#2因受UPFC控制，輸電線路實功及虛功潮 &均追隨控制命令變化快速響應，而連絡線#1會因連絡線#2之潮流變 化’產生比連絡線#2更為明顯的潮流暫態變化。請繼續參閱帛13圖， 輸電線路實功控制命令變化主要係辟串聯換流制減流，虛功控制 令fe化主要影響串聯換流||q軸電流。並聯換流制―喊標軸電流為了 維持s端匯流排㈣及直流_合電容賴大小固定，亦配合潮流控制命 令變化。將d-q座標軸電賊人⑷式得職、串聯換流器電壓大小及相 角如第14圖所示。 具艘實施例2，匯流_電壓輝筇·· 為了展現UPFC調節匯流排電壓的能力，設定upFC控制命令值如 下·連絡線#2輸電線路潮流維持固定，分別為實#Ρ/_=22_，虛功 〜…/ = 10MVAR，s端匯流排電壓在〇至2秒時設定為&哮=1· 〇卯；在2 至4秒時降低電壓控制命令值為〇· 98pu ;在4至6秒時繼續降低控制命 令至0.96pu。模擬結果如第15圖所示，其中5端匯流排電壓追隨控制 命令快速響應，而直流耗合f容電壓、連絡線#2實功及虛功潮流維持 在設定值，只有在電壓控制命令變化的時刻，產生短時間的暫態變 化。由第16圖可看出匯流排電壓命令變化主要影響並聯換流器q軸電流 12

1270762 的變化，以改變並聯分路虛功注人量；d軸電流變化為調整換流器間的 實功交換量’以維持受控輸電線路潮流固定。 具越宜您M3，短路故陳下輸電線路潮流輿藤治_電壓控制： 為了展現UPFC在重大事故時控制能力，模擬事故如下：〇至}秒， 系統在穩態狀況下運轉，UPFC控制命令為：P/._ = 22〇mw、 e"_:-10MVAR ’ 0pu。h 〇秒時，3—1〇1匯流排間#1輸電線路在 匯流排3側時發生三相短路阻抗接地故障，故障持續6週波(〇1秒) 後，該輸電線路跳脫，故障清除。 清蒼閱第17圖，其係實具體實施例3之模擬結果，實線部份代表加 裝UPFC後之魏鶴響應，虛線部份代表未裝置獄航⑽c串聯分 支短路，並聯分支開路），由該圖中可以看丨，在加裝職之情形下， s端匯流排及搞合電容電壓和輪電線路潮流在電力系統發生短路 後，經過短時間的暫態變化，均能迅速恢復追隨控制命令。在未 下，S端匯流排電壓、連絡線#2實功及虛功潮流报明顯地變 il測試系始·之發電晉埤免

區域1 發電機#1 700MW 匯流排3 -500 MVAR 區域2 發電機#2

700MW 發電機#3

716MW 匯流排4 匯流排13

976 MW+100MVAR

-500 MVAR 發電機#4

700MW 匯流排14

1765 MW+100 MVAR 唯以上所騎，僅為本侧讀佳魏， 明實施之範圍。故即凡依本發明申嗜 义疋本發 變化纽1 “I 1騎奴特徵及精神所為之均等 次仏飾，均應包括於本發明之申請專利範圍内。 13

Claims (1)

1. • 1270762

   丨π:'· 〆:广儀正本 卜、申寿 jjhj · i—匕............... ’一 卜一種強化電力潮流動態模型控制方法，其係以電壓換流器實功虛功解耦 控制（Watt-Var Decoupled Control)為基礎之實功及虛功解耦控制 動態模型控制方法，其係包括以下步驟·· 在一電力系統輸電線路之兩匯流排間，分別建立一串聯換流器、一並 聯換流器及一直流|馬合電容； 利用該串聯換流器以d軸電流調節輸電線路實功，且以q軸電流調節 輸電線路虛功； 利用該並聯換流器以d軸電流調節該直流耦合電容之電壓，且以^軸 電流調節s傳送端匯流排電流； 利用該UPFC之直流耦合電容以維持該匯流排電壓固定；以及 將調整過之電流輸送至該電力系統。 -、如申請專利範圍第1項所述之強化電力潮流動態模型控制方法，其中該 串聯或並聯換流器係利用帕可轉換（park Transform)經過控制輸入變 數之代換，將三相電壓-電流變數以d—q座標軸表示。 丨、如申請專利範圍第1項所述之強化電力潮流動態模型控制方法，其中該 串聯換流器係控制輸電線路路之實功及虛功潮流，且藉由解麵實功及虛 功之演算法以控制該輸電線路潮流。 [、如申請專利範圍第1項所述之強化電力潮流動態模型控制方法，其中該 並聯換流器輸出之虛功係用以調節受控匯流排上的電壓大小，輸出之實 功係用以調節該UPFC直流耦合電容之儲能，實功控制命令值係由該UPFC 直流耦合電容之動態行為決定，且亦使用與該串聯換流器相同之實功及 虛功解麵控制方法。 >、如申請專利範圍第1項所述之強化電力潮流動態模型控制方法，其中該 UPFC直流耦合電容之電壓維持固定係用以使該串聯或並聯換流器正常 動作。 6、如申請專利範圍第5項所述之強化電力潮流動態模型控制方法，其中 該UPFC直流耦合電容之電壓係以一 pi控制器控制。 ㊈ 1270762

   8. ns ϋ正替換頁i修 正本 t-i i, s匯流排 |se「 r匯流排

   第1圖

   1270762

   第3圖

   第4圖

   第5圖

   第6圖 ⑧ 1270762 義義8日修(:¾正替換頁修正本

   第7圖

   第8圖

   dc Psh 第9圖 ㊈ 1270762 /4r -r 士 95. 8. 〇8 _」修正冬

   第10圖 1.005 3 1 Q- 0.995 1.02 Z) 1 α 0.98 0.05 〇 -0.05 0.05 0 Έ -0.05

   0 1 2 3 4 5 6 Time(Sec) 第11圖

   1270762

   炉修(更)正替換 018161 2 11 ΜΙΛΙ 2 0 1 2 2 ΜΙΛΙ υοιΛΙ nCL

   Tie Line#1 I — Tie Line#2

   5 ο 5 0-5 cvi ' ' ' ' I ····· ·· Tie Line#2 - - Time(Sec) 第12圖 05 ο· 05 -0. nQ. 3 CL

   2 3 4 5 -0 nd

   2 3 4 5

   2 3 4 5 -0.2 Tlme(Sec) 第13圖 0 1270762 ,/'Ί 1.01 Z) CL 0.99L 0 -34「 S -36 ： Q -38 -0.1 g 0.05 0 2 3 5 6 _|—... esh 0 5 6 11,1 —vse「 - L............ 0 2 3 5 6 S 50 0 0 3 4 Time(Sec) 第14圖 θ5β 1 5 5 1 9 0 °·1 fid nd 5 5 9 2 a 2 0 2 2 1 -. 716 >1 ec) (s e( m V 1270762

   吹日修(更)正替. 2.5 3 Q. 2 -0.08 g -0.1 -0.12 i 0.1 -0.1 1 2 3 'ser 一 'ser 4 5 4 5 2 3 4 Tlme(Sec) 第16圖 —!sh 5 6 °· o o o 0 5 0 2 11 ΜΙΛΙ 0 0 0 5 1 5 -1-2-31°· iJVAS fid 111,1 Η u ' Vs —w. UPFC ——w.o. UPFC 0 1 2 3 4 5 6 ...............................f — ·—— — - | / \ . ! f ^ Tie Line#2 Active Power 11 . , , .............w· UPFC w.o. UPFC 0 1 2 3 4 5 6 ---Ί Λ · ' ’ ——w. UPFC w.o. UPFC I Γ "" \ Tie Line#2 Reacti\e Power ' ! | \ ......,. 一........................... I I i 、......· 0 1 2 3 4 5 6 :______________________—…'________________________________ " Vdc -Vdc Time(Sec) 第17圖