ok---1-40201-46--一种可调电感控制线路潮流的方法

江 渝等 一种可调电感控制线路潮流的方法1 一种可调电感控制线路潮流的方法 江 渝 王 恒 郑群英 张志刚 重庆大学电气工程学院 重庆 400044 摘要 在分析了与线路电流垂直和与母线电压平行的串联电压与线路电流关系的基础上 提 出了通过调节与线路电流垂直的串联电压来调节线路电流幅值 通过调节与母线电压平行的串联 电压来调节线路电流相位的控制策略 从而实现了对线路电流的有效控制 在此基础上提出了一 种新型的潮流控制方法 它通过调节可调电感 在三相静止坐标系中实现了线路有功潮流和无功 潮流的解耦控制 同时还提出了与该潮流控制方法对应的线路潮流调节装置 该装置提供的串联 电压等效于 2 个可以独立控制的电压分量之和 其中一个分量与母线电压平行 另一个分量与线 路电流垂直 该调节装置由变压器 可调电感和电容器等元件构成 这些元件均已成功应用于高 压系统或超高压系统 经过多年的研究 目前已有一些高性能的可调电感成功应用于电力系统中 这为该潮流控制装置以经济和可靠的方式应用于高压系统或超高压系统提供了条件 关键词 可调电抗器 潮流控制装置 线路等效参数控制 潮流解耦控制 中图分类号 TM464 The Control Method of Power Flow With Adjustable Inductor Jiang Yu Wang Heng Zhang Zhi gang Zheng Qun ying Chongqing University Chongqing 400044 China Abstract The relationship between the line current and the vertical inserting voltage vertical to the line current and the parallel inserting voltage parallel with the bus voltage is analyzed The amplitude and phase angle of the line current can be adjusted by adjusting the vertical inserting voltage and the parallel inserting voltage respectively on which a novel control strategy about power flow of the line is presented The active power and reactive power are controlled independently in the static reference frame by using the proposed power flow control strategy In addition a device suited for the proposed control strategy is also proposed and the voltage supplied the proposed device is equivalent to the sum of two controllable voltage components independently one of which is parallel to the bus voltage and another is vertical to the line current Furthermore the proposed device is composed of transformers adjustable inductors and the capacitor and many high performance adjustable inductors have been studying for many years and have been developed and some have been applied into the power system Therefore the proposed device may be applied in the power system in reliability and economic greatly Keywords adjustable reactors device for power flow control power flow decoupling control line current control 1 引言 优化电力系统的运行状态对电力系统的安全 经济 高效运行具有重要的影响 而有效控制线路 的潮流是优化电力系统运行状态的基础和关键 目 前 FACTS 家族中的静止同步补偿器 1 STATCOM 静止同步串联补偿器 2 SSSC 以及统一潮流控制 器 UPFC 等都能控制线路潮流 但是 国家自然科学基金资助项目 50777066 2第四届电工技术前沿问题学术论坛论文集 STATCOM 和 SSSC 均不能实现有功潮流和无功潮 流的解耦控制 只有 UPFC 能独立控制线路的有功 潮流和无功潮流 实现有功潮流和无功潮流的解耦 控制 3 但是 UPFC 不仅价格昂贵 4 而且在目前 的技术条件下也很难应用于高压系统和超高压系统 中 为此本文提出一种新型的线路潮流控制方法 它利用可调电感 在三相静止坐标系中实现线路有 功潮流和无功潮流的解耦控制 而与该方法对应的 潮流调节装置则由变压器 可调电感和电容器等元 件构成 这些元件在电力系统中已成功应用多年 经过多年的研究 目前已有多种快速 可连续调节 的电抗器的实现方案 其中许多方案已成功应用于 高压系统和超高压系统中 5 7 这为该潮流控制装 置以经济和可靠的方式应用于高压系统和超高压系 统提供了条件 2 线路电流的控制策略 图 1 为具有潮流调节装置的简单电力系统的结 构图 其中电感 L 表示线路 线路潮流调节装置则 由变压器 XB XC 可控电感 LB LC 电容器 C 和开关 K K1 K2组成 根据图 1 K1在闭合状态 而 K 在位置 1 时 则 XB 的副边电压与原边电 CS U 压 该电压也为线路 S 端的母线电压 同相 S U 当 K 在位置 2 时 则与反相 因此 CS U S U 1 CSS UnU 图 1 具有潮流调节装置的简单电力系统 Fig 1 Simple power system with power flow controller 其中 n 为 XB 的变比 K2在断开状态下 根据图 1 装置向线路提供 的等效串联电压为 C U 2 121 2 22 1 CS CCCBL CC MUM UUUjLLI LLLLC 2 SIL UU 其中 2 CS S C MU U LL 2 1 2 2 1 ILBL C M UjLLI LLC 式 2 中的为 LB和 C 构成的串联等效电 1C U 路的电压降 为 XC 的原边电压 L1 L2 M 2C U 分别为 XC 的原边绕组电感 副边绕组电感以及它 们之间的互感 根据式 1 和式 2 图 1 所示 装 置向线路提供的等效串联电压为和之和 IL U S U 其中与线路电流垂直 则与母线电压平 IL U S U 行 分量 根据式 2 调整电感 LB将改变分量而 IL U 对分量没有影响 调整 LC将改变 如果 S U S U 在调整的 LC同时也调整 LB 且 3 1 2 2 2 22 11 1 1 BB CC CCC n LLL nC n Ln LLM nLLLLL 则在不影响情况下实现了对的调节 IL U S U 在式 3 中 LC为 LC的调节量 其调节目标是 使分量达到希望值 LB为 LB的调节量 其 S U 调节目标是抵消因 LC的调节引起的幅值的变 IL U 化 以实现在不影响分量的情况下调节 IL U 分量 n 为调节后线路电流幅值与调节前线路 S U 电流幅值之比 由此可知 通过协调控制LB和 LC 可以实现和的独立控制 并实现连续调 S U IL U 节 根据图 1 和式 2 线路电流为 L I 4 SRSSILR L UUUUUU I j Lj L 其中为补偿后线路 S 端的母线电压 为 S U R U 线路 R 端的母线电压 当为 0 时 则式 4 S U 为 5 0 SILR LL UUU III j L 其中 为装置不工作 即潮流 0 SR L UU I j L 调节装置向线路提供的串联电压为 0 时的线路电 江 渝等 一种可调电感控制线路潮流的方法3 流 由于与垂直 因此相 IL IUj L IL U L I 量与平行 故调节将改变的幅值 但I L I IL U L I 不会改变的相位 当为 0 则式 4 为 L I IL U 6 1 1 SSRSR L UUUUnU I j Lj L 其中 根据式 6 和式 1 1 2 C nM n LL 当 开关 K 在位置 1 时 与同相 即 n1大于 S U S U 0 则将滞后 改变的值将改变滞后 L I 0L I S U L I 的角度 当开关 K 在位置 2 时 与反 0L I S U S U 相 即 n1小于 0 则将超前 改变的 L I 0L I S U 值将改变超前的角度 因此调节将改变 L I 0L I S U 的相位 但这个调节也将改变的幅值 然而 L I L I 调节引起的幅值的变化可以通过调节 S U L I 给予抵消 因此 通过控制开关 K 的位置及 IL U 协调控制和可以实现幅值和相位的解 S U IL U L I 耦控制 并实现线路电流的连续调节 综上所述 调节 LB将改变的幅值 不会改变 L I 的相位 调节 LC将改变的相位 同时也会改 L I L I 变的幅值 但是调整 LC引起的幅值变化可以 L I L I 通过调节 LB给予抵消 因此线路电流的控制策略为 在开关 K 位置正确的前提下 调整 LC以控制的 L I 相位 使其等于希望值 调整 LB以控制的幅值 L I 也使其等于希望值 因此通过正确控制开关K 的 位置 在此基础上协调控制可调电感 LB和 LC 图 1 中的调节装置能够有效地控制线路电流 在图 1 所示的调节装置中 无论是具有有载调 节开关的变压器 电容器 还是可控电抗器 均已 经成功应用于高压系统和超高压系统中 这为本装 置以可靠和经济的方式应用于高压系统和超高压系 统提供了条件 3 线路潮流的控制 要实现图 1 所示装置对线路潮流的控制 需要 2 层控制系统 其下层控制为可调电感 LB LC的 控制器 其控制目标为 控制 LB LC的电感值 使其等于给定值 在其他文献中对可调电感控制器 已经有详细的介绍 6 而第 2 层控制器的目标就是 根据系统需要的线路潮流 确定与之对应的 LB LC的电感值 在图 1 中 线路 S 端传输的视在功率相量 为 s S 7 L ss SU I 式中为线路电流相量的共轭 根据式 7 LI 线路电流的幅值 IL和相位分别为 L I 8 Ls S LsS IS U ISU 式 8 中的和为的幅值和相位 s S s S s S 和 S U 图 2 为第 2 层控制的原理图 图 2 中的 控制 LB 和 控制 LC 分别为电感 LB LC控制器的给 定值 如果控制器的工作状态选择为 线路潮流控 制 则控制器将控制图 1 中开关 K1闭合 K2断开 图 2 中的开关 KB在位置 1 根据 有功给定 Pref 和 无功给定 Qref构成视在功率相量的给定值 在图 2 中 R P 模块的作用是 srefrefref SPjQ 将直角坐标表示的相量转换为极坐标表示的相量 利用 R P 模块 将转化为极坐标形式 其幅 sref S 值和相位分别为 测量补偿后 S 端的 sref S sref S 母 线电压 利用快速傅里叶计算模块 FFT 计算其幅 值 和相位 根据式 8 确定线路电流的幅值 S U S U 和相位的给定值 将与进行 Lref I Lref I Lref I 0L I 比较 其中为线路电流的相位 如果 0L I 0L I 大于 将开关 K 的位置置于位置 2 则潮 Lref I 0L I 流控制装置投入后的线路电流将超前 如果 L I 0L I 小于 将开关 K 的位置置于位置 1 则潮 Lref I 0L I 流控制装 置投入后 图 2 线路潮流控制原理图 Fig 2 The control diagram of power flow 4第四届电工技术前沿问题学术论坛论文集 的线路电流将滞后 测量线路电流 利 L I 0L I 用快速傅里叶计算模块 FFT 计算其幅值和相位 L I 控制电感 LB将能够有效地控制线路电流的幅 L I 值 通过控制 LC将能够有效地控制线路电流的相位 因此在图 2 所示的控制系统中 将电流幅值的给定 值与实际电流幅值的误差作为 PI 控制器的输入信 号 该控制器的输出信号为 控制 LB 它将作为 LB电感控制器的给定信号 将电流相位的给定值与 实际电流相位值的误差作为另一个 PI 控制器的输 入信号 该控制器的输出信号 为 控制 LC 它将 作为 LC电感控制器的给定信号 在有效调节范围内 图 2 所示控制系统能有效地控制图 1 所示的潮流调 节装置以控制线路潮流 使线路上传输的有功功率 和无功功率等于给定值 因此图 1 所示的调节装置 能够连续调节线路潮流 并实现有功潮流和无功潮 流的解耦控制 图 1 所示的线路潮流控制装置除了能够有效地 控制线路潮流外 还能够直接调节线路的等效电感 如果控制器的工作方式选择为 线路参数调节 则 控制系统将控制图 1 中的 K1断开 K2闭合 同时 图 2 中的开关 KB在位置 2 根据图 1 该状态下 潮流控制器的拓扑结构等效于电感 LB和电容 C 的 串联 改变电感 LB的值等效地改变了线路电感 因 此图 2 中的开关 KB在位置 2 根据系统需要直接给 定 LB电感值 从而控制电感 LB使其等于给定值 以满足线路运行的要求 4 仿真分析 在 SABER 仿真软件中建立与图 1 所示结构相 同的简单电力系统模型 其中线路模型为RL 模型 每相线路的等效电阻和电感分别为 5 和 0 2H 线 路 S 端三相电源电压的幅值和频率分别为 90kV 和 50Hz 它们的初相位分别为 00 1200和 2400 线 路 R 端三相电源电压的幅值和频率也为 90kV 和 50Hz 它们的初相位分别为 200 1000和 2200 它 模拟 110kV 线路 潮流调节装置如图 1 所示 其 中可调电感 LB和 LC采用文献 7 中的模型 潮流控 制系统为图 2 所示模型 图 3 和图 4 为潮流控制的 仿真波形 在 1 秒以前 线路处于稳定运行状态 其有功 图 3 无功功率保持 2MVar 有功功率从 10MW 调整到 58 5MW 的仿真波形 Fig 3 Simulation result of the active power changing from 10MW to 58 5MW while reactive power keeping 2MVar 分别为的幅值和相位 S U S U 图 4 有功功率保持 58 5MW 无功功率从 2MVar 调整 到 7 5MVar 的仿真波形 Fig 4 Simulation result of the reactive power changing from 2MVar to 7 5MVar while active power keeping 58 5MW 功率和无功功率分别为 10MW 和 2MVar 大约在 1 秒 保持无功功率不变 将有功功率调整为 58 5MW 的仿真波形如图 3 所示 在 2 秒以前 线 路处于稳定运行状态 线路上传输的有功功率和无 功功率分别为 58 5MW 和 2MVar 在大约 2 秒时 保持有功功率不变 将无功功率从 2MVar 调整为 7 5MVar 的仿真波形如图 4 所示 对图 4 中的电压 和电流波形进行分析得 其电流幅值相量从 变为 补偿后的母线幅值 1 6434 439 3 j e 1 7487 429 37 j e 相量从变为 根据图 3 图 1 609 88831 j e 1 621 91575 j e 江 渝等 一种可调电感控制线路潮流的方法5 4 可知 图 1 所示的装置采用图 2 所示的控制系统 能够独立地控制线路的有功潮流和无功潮流 5 结论 线路潮流控制对电网安全 经济 高效运行具 有重要的影响 本文提出了一种新型的潮流控制装 置 它由变压器 电容器和可控电抗器构成 这些 元件均已成功应用在高压系统或超高压系统中 这 为本装置在高压系统或超高压系统中的应用提供了 条件 该装置向线路提供的串联电压等效于2 个分 量的叠加 其中一个分量与母线电压平行 平行分 量 另一个分量与线路电流垂直 垂直分量 本 文分析了独立控制串联电压这 2 个分量的条件以及 线路电流与串联电压这 2 个分量之间的关系 提出 了并联变压器副边绕组分接头开关位置正确的情况 下 通过控制平行分量以控制线路电流的相位 通 过控制垂直分量以控制线路电流的幅值的电流控制 策略 有效地控制了线路电流 在此基础上提出一 种新型线路潮流的控制方法 在三相静止坐标系实 现了线路有功潮流和无功潮流的解耦控制 经仿真 验证本文提出方法的正确性 参考文献 1 Schauder C D Development of a 100MVAR static condenser for voltage control of transmission system J IEEE Transactions on Power Delivery Vol 10 No 3 July 1995 2 Gyugyi L Schauder C D Sen K K Static synchronous series compensator a solid state approach to the series compensation of transmission lines C IEEE PES Winter Power Meeting Paper No 96WM 120 6 PWRD 1996 3 Schauder C D Hamai D M Edris A Operation of the unified power flow controller UPFC under practical constrants J IEEE Trans on Power Delivery 1998 13 2 630 639 4 Sen K K Sen M L