一种基于旋转潮流控制器有功和无功功率解耦控制方法与流程

1.本发明属于输配电及分布式电源并网技术领域，特别涉及新能源电网的潮流调控问题。


背景技术：

2.随着电力系统的互联，光伏、风电等间歇性新能源的接入以及各种电力电子设备的投入，加大了系统潮流分布的复杂度，使得电网运行在稳定极限边缘的可能性大幅增加，电力系统的运行灵活性、潮流可控性以及稳定性逐渐成为电网亟待解决的问题。
3.为了控制线路的潮流(即有功功率和无功功率)，通常的做法是利用离线的最优潮流计算和状态估计来调整发电机的励磁、原动机的输出、变压器分接头和无功补偿装置，来满足有功功率和无功功率的双重约束。但在一个复杂的网络里,这是一个非常具有挑战性的问题，以至于在实际过程中很难通过控制器实现复杂网络的实时控制。
4.直接调控潮流的装置有柔性交流输电系统(flexible ac transmission system, facts)设备,比如统一潮流控制器(unified power flow controller,upfc)和静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator,sssc)。目前的facts技术也存在很大的局限性： facts装置工程造价高，推广应用困难；facts装置和电力设备及其他控制器之间存在不良作用；facts装置自身的损耗大；facts装置的复杂控制结构以及对通信设施等相应附属设备的要求,对电网的运行和控制提出了更为严格的条件；装置故障所带来的额外问题；串联接入引起的系统稳定性问题等等使其在电网中的应用受到很大的限制。
5.固态变压器，又称为电力电子变压器，能够控制电压的幅值和相角，但是需要使用大量的大功率电力电子开关器件,电力电子开关控制灵活，调制方便、精确，可以很好地实现线路潮流的调控，但纯电力电子系统有热容量小、耐受性差、抗冲击能力弱，并且成本高等不足，另外，受限于复杂的负荷性质等条件，难以适应高压电网络及高压线路所面临的雷暴风雪灾害与酷暑严寒的大自然环境，目前技术仍停留在理论研究阶段。
6.低成本的可控网络变压器(controllable network transformer,cnt)，其所需电力电子开关容量远小于固态变压器容量。它能够控制输出电压的幅值和相角,但电压相角的控制范围较小，且电压幅值和相角难以实现解耦控制，此外该方法在消除低频谐波方面需要增加较大的成本。
7.sen transformer(st)也可以形成幅值、相位可控的补偿电压，但是st的有载分接开关动作时间较慢,调节过程很长，响应时间为秒级，且不能够实现连续的调节，控制精度不高，控制结果存在误差。
8.旋转潮流控制器(rotating tidal current controller,rpfc)通过改变合成矢量的转子位置角，从而调节rpfc注入线路的电压大小和相位，从而控制线路潮流，rpfc是连续可调的潮流控制器，可以灵活地补偿线路电压，精确实现潮流控制的目标，且响应速度较快，可靠性高，控制简单，成本造价较低，故障承受能力较强。因此rpfc再电力系统潮流控制中应用前景非常可观，但目前没有一种实现旋转潮流控制器解耦独立控制线路有功和无功
功率的方法。
9.因此，有必要发明一种基于旋转潮流控制器拓扑电路的线路有功和无功功率独立解耦控制的方法，实现线路潮流(即有功功率和无功功率)的精确控制。


技术实现要素：

10.本发明提供了一种基于旋转潮流控制器的有功、无功功率解耦控制方法，该控制方法基于可连续调节的旋转潮流控制器拓扑电路，通过测量潮流控制器输入、输出电压以及流过的电流，分别计算输入、输出电压和电流的d轴和q轴分量，以及瞬时有功和无功功率；将有功和无功功率作为反馈量，与期望值比较，形成闭环控制量，结合潮流控制器输入和输出电压，确定耦合到线路的附加电压的幅值和相角；再根据相量的分解与合成原理，求取分相量的相位角，调节潮流控制器中两个电压移相器的位置角，进而解耦控制所在线路上的有功和无功功率。同时，本发明也提供了一种低成本、强抗冲击能力、高可靠性的线路潮流控制新方案。
11.本发明通过以下技术方案得以实现：
12.所述的旋转潮流控制器拓扑电路包括一个并联变压器和两个三相电压移相器，其中，并联变压器的一次侧与线路并联，二次侧与两个电压移相器转子绕组并联相连；两台电压移相器的转子绕组并联、定子绕组串联。并联变压器由闭合铁心磁路、一次绕组以及外壳、配件等组成；三相电压移相器由闭合铁心磁路、滑环碳刷连接器，一次绕组、二次绕组以及移相机构、外壳、配件等组成。
13.本发明提供的一种基于旋转潮流控制器有功、无功功率解耦控制方法，它主要包括旋转潮流控制器功率变换主电路、测量模块、信号处理模块、功率解耦控制模块、中央处理模块以及相角控制模块六个模块。所述测量模块输入端与旋转潮流控制器功率变换主电路的三相输入、输出电压的测量电压互感器二次电压输出端以及线路三相电流的测量电流互感器二次电流输出端连接，所述测量模块处理结果传递给信号处理模块；所述信号处理模块计算结果数据传递给功率解耦控制模块，所述信号处理模块及功率解耦控制模块的计算结果数据同时传递给中央处理模块；所述中央处理模块的计算结果数据传递给相角控制模块，相角控制模块的结果数据分别传递给旋转潮流控制中两个电压移相器的伺服控制器。
14.所述测量模块采集建立基于旋转潮流控制器的三相有功和无功功率解耦闭环控制模型所需的电气物理量，包括：旋转潮流控制器接入处输入端三相瞬时电压u
1a
,u
1b
,u
1c
、输出端三相瞬时电压u
2a
,u
2b
,u
2c
、接入线路流过的三相瞬时电流ia,ib,ic，并传送给信号处理模块。
15.所述的信号处理模块将对测量模块传入的潮流控制器两侧三相电压和线路三相电流等电气物理量进行坐标变换，即从abc坐标系变换为dq0坐标系下，变换前后分别如下： u
1a
,u
1b
,u
1c
变为u
1d
,u
1q
；u
2a
,u
2b
,u
2c
变为u
2d
,u
2q
；ia,ib,ic变为id,iq；并选取输入端电压相量作为参考电压定位在d轴方向上；将计算得到的线路瞬时有功功率和无功功率p,q传送给功率解耦控制模块，并将变换坐标系后得到的电气物理量传送给中央处理模块。
16.所述的功率解耦控制模块将以信号处理模块传入的三相瞬时有功功率和无功功率作为反馈量，同时读取内部存储的参数与给定数据，包括期望的线路瞬时有功功率p
ref
和
无功功率q
ref
，通过比较反馈值与期望值，分别形成d,q轴功率闭环控制的补偿量，并传递给中央处理模块。
17.所述中央处理模块读取其内部存储的参数，包括旋转潮流控制器功率变换主电路的内电阻r和电感l、系统角速度的参考值ω；接收从信号处理模块传入的坐标变换后的输入端电压u
1d
,u
1q
和输出端电压u
2d
,u
2q
；接收从功率解耦控制模块传入的功率闭环控制补偿量；计算得到旋转潮流控制器耦合到线路附加控制电压的分量
△
ud和
△
uq，并将这两个电气物理量从dq0坐标变换到abc坐标下，变换前后如下：
△
ud,
△
uq变为根据 abc坐标下的三相附加控制电压可得到三相旋转潮流控制器输出附加控制电压的幅值
△
u和相角并将附加控制电压的幅值和相角传递给相角控制模块的输入量。
18.所述的相角控制模块读取其内部存储的附加电压相量额定电压un，根据中央处理模块传递的电压的幅值
△
u和相角计算得到旋转潮流控制器两个幅值相等、相角可变的旋转相量的转子角指令再分别传递给旋转潮流控制器中两个电压移相器的伺服控制器，通过伺服控制器调节电压移相器的位置角，从而，由两个电压移相器产生的幅值相等、相角可变的旋转电压分相量合成为一个幅值和相位均可调的电压相量，耦合到线路后形成相位和幅值均可无级调节的线路附加串联电压，进而实现旋转潮流控制器对线路的有功和无功功率的解耦精确控制。
19.本发明的有益效果在于：
20.1.本发明为旋转潮流控制器提供了一种线路有功和无功潮流的独立解耦控制方法，一方面，在调节中线路有功和无功潮流的相互作用影响小，调节过程收敛稳定更快；另一方面，潮流控制器在调节线路有功潮流时，无功潮流也同时按照预期值进行控制，不会出现首末两端的无功和电压受影响、不可控的现象，而需要额外的无功或电压补偿设备辅助调节。从而，提高了潮流控制器的适应性，省却了额外的无功或电压补偿设备的投入。因此，使用范围更广，应用前景更好。
21.2.本发明通过坐标变换以及旋转相量分解与合成的原理，求取两个相同幅值的分相量的相位角，以确定两个电压移相器的位置角，并合成旋转潮流控制器的输出调节电压，进而实现潮流控制器线路潮流解耦的复杂控制，这一方法解决了旋转潮流控制器推广应用的技术难题。
22.3.本发明在提供一种基于旋转潮流控制器有功和无功功率解耦控制方法的同时，也提供了一种成本低、抗冲击能力强、可靠性高、维护方便的线路潮流控制新方案。
附图说明
23.图1是本发明提供的一种基于旋转潮流控制器原理示意图。
24.图2是本发明提供的一种基于旋转潮流控制器有功、无功功率解耦控制方法较佳实施例的单相等值电路示意图。
25.图3是本发明提供的一种基于旋转潮流控制器有功、无功功率解耦控制方法较佳实施例的控制结构示意图。
26.图4是按本发明提供的一种基于旋转潮流控制器有功、无功功率解耦控制方法，设
定预期有功功率p
ref
＝3e5 w和无功功率q
ref
＝4e5 var的情况下，线路上三相瞬时有功功率和无功功率波形图。
27.附图中各部件的符号如下：附图中ps,qs为旋转潮流控制器接入处输入端等值负荷的有功功率和无功功率；p
l
,q
l
为旋转潮流控制器接入处输出端等值负荷的有功功率和无功功率；p,q为旋转潮流控制器接入线路流过的有功功率和无功功率；为单相等值电路系统输入端的电压；为单相等值电路系统输出端的电压；为线路电流，r为旋转潮流控制器功率变换主电路的内电阻，l为旋转潮流控制器功率变换主电路的内电感，r
l
为旋转潮流控制器所接入线路上的电阻，x
l
为旋转潮流控制器所接入线路上的电抗；分别为合成旋转潮流控制器附加控制电压的两个幅值相等、相角可变的旋转相量；分别对应两个旋转相量的相角，也分别对应旋转潮流控制器两个电压移相器的伺服控制器角度；k表示的是电压移相器的变比，使得的幅值都等于的幅值都等于表示旋转潮流控制器耦合到线路上等效的附加控制电压,是由叠加合成得到；
△
u为的幅值；为的相角； u
1d
,u
1q
分别为输入端电压在dq0坐标下的d轴分量和q轴分量；u
2d
,u
2q
分别为输出端电压在dq0坐标下的d轴分量和q轴分量；id,iq分别为线路电流在dq0坐标下的d轴分量和q轴分量；
△
ud,
△
uq分别为在dq0坐标下的d轴分量和q轴分量；p
ref
,q
ref
分别为旋转潮流控制器所在线路流过的有功功率和无功功率的期望值；p,q都表示旋转潮流控制器接入线路流过的瞬时有功功率和无功功率，也是功率解耦控制模块的反馈值；p',q'分别为经功率解耦控制模块传递的有功和无功功率形成的d,q轴功率闭环控制的补偿量。
具体实施方式
28.下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
29.先请参阅图1，图1是本发明提供的一种基于旋转潮流控制器原理示意图，它主要包括旋转潮流控制器功率变换主电路、测量模块、信号处理模块、功率解耦控制模块、中央处理模块、相角控制模块以及伺服控制器。所述测量模块输入端与测量旋转潮流控制器功率变换主电路的三相输入、输出电压的电压互感器二次电压输出端以及测量线路三相电流的电流互感器二次电流输出端连接，测量模块输出端与信号处理模块输入端连接；所述功率解耦控制模块输入端与信号处理模块输出端连接，所述中央处理模块输入端与信号处理模块及功率解耦控制模块的输出端连接；所述相角控制模块输入端与中央处理模块的输出端连接，相角控制模块输出端分别与旋转潮流控制器功率变换主电路的两个电压移相器的伺服控制器输入端连接。
30.参阅图2，图2是本发明提供的一种基于旋转潮流控制器有功、无功功率解耦控制方法较佳实施例的单相等值电路示意图。
31.参阅图3，图3是本发明提供的一种基于旋转潮流控制器有功、无功功率解耦控制方法较佳实施例的控制结构示意图，包括了旋转潮流控制器功率变换主电路、测量模块、信
号处理模块、功率解耦控制模块、中央处理模块以及相角控制模块，所述的一种基于旋转潮流控制器有功、无功功率解耦控制方法包括下列具体步骤：
32.a.所述测量模块采集建立旋转潮流控制器的三相瞬时有功功率和无功功率解耦闭环控制模型所需的电气物理量，包括：旋转潮流控制器接入处输入端母线三相电压u
1a
,u
1b
,u
1c
、输出端母线三相电压u
2a
,u
2b
,u
2c
、接入处线路上流过的三相电流ia,ib,ic，将测量到的输入端和输出端母线三相电压和线路三相电流传送给信号处理模块；通过信号处理模块间接测量接入线路上的三相瞬时有功功率和无功功率p,q；并将三相瞬时有功功率和无功功率传递给功率解耦控制模块。
33.b.所述信号处理模块将测量模块输出的输入端、输出端母线三相电压和线路三相电流这些电气物理量从abc坐标的变量变换为dq0坐标的变量，变换前后分别如下：u
1a
,u
1b
,u
1c
变为u
1d
,u
1q
；u
2a
,u
2b
,u
2c
变为u
2d
,u
2q
；ia,ib,ic变为id,iq；并让输入端电压相量作为参考电压定位在d轴方向上；将计算得到的线路瞬时有功功率和无功功率p,q传递给功率解耦控制模块；并将变换后得到的电气物理量传送给中央处理模块。
34.c.所述功率解耦控制模块将从信号处理模块间接测量的三相瞬时有功功率和无功功率作为反馈的输入信号，读取其存储的内部参量，包括旋转潮流控制器所接入系统线路的期望瞬时有功功率p
ref
和无功功率q
ref
，通过比较反馈值与期望值，分别形成d,q轴功率闭环控制的补偿量，并传递给中央处理模块，从而控制线路三相有功与无功功率与期望值的偏差在误差范围内，实现闭环控制和定功率控制。
35.d.所述中央处理模块读取其内部存储的参数，包括旋转潮流控制器功率变换主电路的内电阻r和电感l、系统角速度的参考值ω；接收从信号处理模块输入的坐标变换后的输入端电压u
1d
,u
1q
和输出端电压u
2d
,u
2q
；计及从功率解耦控制模块输入的功率闭环控制补偿量；计算旋转潮流控制器耦合到线路等效的附加控制电压的分量
△
ud和
△
uq，并将这两个物理量从dq0坐标变换到abc坐标下，变换前后如下：
△
ud,
△
uq变为根据abc坐标下的三相附加控制电压可得到旋转潮流控制器输出等效的附加控制电压的幅值
△
u和相角并将其传递给相角控制模块。
36.e.所述的相角控制模块读取预设的附加电压相量额定电压值un，根据中央处理模块输出的附加控制电压的幅值
△
u和相角计算得到旋转潮流控制器两个幅值相等、相角可变的旋转相量的转子角指令再分别传递给旋转潮流控制器中两个电压移相器的伺服控制器，通过伺服控制器调节电压移相器的位置角，从而，由两个电压移相器产生的幅值相等、相角可变的旋转电压分相量合成为一个幅值和相位均可调的电压相量，耦合到线路后形成相位和幅值均可无级调节的线路附加串联电压，进而实现旋转潮流控制器对线路的有功和无功功率的解耦精确控制。
37.f.所述测量模块、信号处理模块、功率解耦控制模块、中央控制模块、相角控制模块与旋转潮流控制器的电压互感器和电流互感器二次侧以及两个电压移相器构成一个闭合的基于三相瞬时有功、无功功率解耦独立控制潮流控制器的控制环路，分以下几步进行计算：
38.1)在abc坐标系下，旋转潮流控制器所接入系统的电路方程为：
[0039][0040]
2)派克变换后，将输入侧电压作为参考电压固定在d轴上，使得u
1q
＝0，u
1d
＝u1。当在实际电路中，ωl＞＞r，可以忽略r的作用，且电路处于稳态时，可计算线路电流的d轴分量id与q轴分量iq如下：
[0041][0042]
3)旋转潮流控制器所在线路的三相瞬时有功功率p与无功功率q可表示为：
[0043][0044]
将电流的d轴分量id与q轴分量iq式(2)代入式(3)可得到：
[0045][0046]
由此可看出，在忽略旋转潮流控制器功率变换主电路的内电阻r且系统处于稳态时，所在线路p只与
△
uq有关，q只与
△
ud有关，因此通过调节旋转潮流控制器的
△
uq、
△
ud就可以解耦且独立的分别控制线路瞬时有功功率和无功功率。由于在做dq变换时采用的是恒幅值变换，因此在计算时还需要添加一个修正系数1.5，故线路瞬时有功和无功功率的计算式为：
[0047][0048]
4)将式(5)进行整理后得：
[0049][0050]
由此说明可以分别通过p,q来调节
△
ud与
△
uq，进而调节旋转潮流控制器耦合到线路的附加控制电压的幅值和相角大小，实现解耦独立控制。
[0051]
中央处理模块通过读取其内部存储的参数，包括旋转潮流控制器功率变换主电路的内电阻r和电感l、同步角速度的参考值ω；接收从信号处理模块输入的坐标变换后的输入端电压u
1d
,u
1q
和输出端电压u
2d
,u
2q
；接收从功率解耦控制模块输入的功率闭环控制补偿量；调用微处理器；将所得物理量的值分别代入上式进行计算，计算得到的即为旋转潮流控制器所应控制的附加电压在dq0坐标系下的分量
△
ud和
△
uq，再经过坐标转换后即可得
到形成附加控制电压的幅值
△
u和相角
[0052]
5)最后，相角控制模块读取预设的附加电压相量额定电压值un，根据中央处理模块输出的附加控制电压的幅值
△
u和相角计算得到旋转潮流控制器两个幅值相等、相角可变的旋转相量的转子角指令再分别传递给旋转潮流控制器中两个电压移相器的伺服控制器，通过伺服控制器调节电压移相器的位置角，从而，由两个电压移相器产生的幅值相等、相角可变的旋转电压分相量合成为一个幅值和相位均可调的电压相量，耦合到线路后形成相位和幅值均可无级调节的线路附加串联电压，进而实现旋转潮流控制器对线路的有功和无功功率的解耦精确控制。
[0053]
6)仿真结果如下：
[0054]
当p
ref
＝3e5 w,q
ref
＝4e5 var时，线路上三相瞬时有功功率和无功功率变化参阅图4，图4是按本发明提供的一种基于旋转潮流控制器有功、无功功率解耦控制方法，设定预期有功功率p
ref
＝3e5 w和无功功率q
ref
＝4e5 var的情况下，线路上三相瞬时有功功率和无功功率波形图；从仿真结果中可知，通过给定期待的有功功率和无功功率p
ref
,q
ref
，能够动态解耦闭环精确控制旋转潮流控制器所接入线路的三相瞬时有功功率和无功功率。