一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法

1.本发明属于电力系统运行与控制领域，具体涉及一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法。


背景技术：

2.分布式潮流控制器(distributed power flow controller，dpfc)是一种采取低压、高功率密度电力电子器件组成的新型柔性调控装置，其可分布式安装在线路或杆塔上，并根据电网规划需求进行分批分期建设，具备比传统集中式facts更佳的灵活性与经济性。通过特定的控制策略，dpfc可满足多种不同的电网调控需求，充分发挥线路走廊资源，增强系统网架结构和承载力，提升区域电网抵御故障及风险的能力，很好地体现了多元融合高弹性电网“降冗余促安全”的核心内涵。
3.分布式潮流控制器自2004年被提出以来，研究者众多，并已在国内外有工程示范应用。然而，dpfc作为facts家族中分布式的代表，其理应也具备抑制次同步振荡的作用，但国内外暂时没有相关研究，本发明拟提出一种dpfc对抑制次同步振荡的作用的分析方法，为充分发挥dpfc的优势，挖掘dpfc的潜能提供理论依据。


技术实现要素：

4.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
5.一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法，其特征在于，
6.采集分布式潮流控制器dpfc数据，并计算交轴暂态电动势δe
′q和和发电机电磁功率对交轴暂态电动势的偏导数k2；
7.根据计算计算结果基于以下公式进行判定：
[0008][0009]
(1)当k2δe
′q大于零时，且dpfc工作在感性时，上式成立或不成立；
[0010]
(2)当k2δe
′q大于零时，且dpfc工作在容性时，上式恒成立；
[0011]
(3)当k2δe
′q小于零时，且dpfc工作在感性时，上式一定不成立；(1)
[0012]
(4)当k2δe
′q小于零时，且dpfc工作在容性时，上式成立或不成立；
[0013]
当dpfc工作在感性时，为了增大系统的阻尼，减小调制深度和减少dpfc投入单元数量；
[0014]
当dpfc工作在容性时，为了增大系统的阻尼，增大调制深度和减加dpfc投入单元数量。
[0015]
在上述的一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法，以交轴暂态电动势e
′q为参考，得到含dpfc无穷大系统的回路方程式；
[0016][0017]
其中，i表示第i个dpfc单元的量；x
′
sd
为发电机d轴次暂态电抗，x
′
d∑
＝x
ld
x
′d，x
d∑
＝x
ld
xd，x
q∑
＝x
lq
xq。
[0018]
在上述的一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法，对回路方程式进行park变换，得到输出电压与直流电容电压的调制关系；
[0019][0020]
其中，mi为第i个dpfc单元的调制深度(控制输出电压幅值大小)，δ
sei
为第i个dpfc单元输出电压的相位，v
dci
为第i个dpfc单元的直流电容电压，c
dc
为dpfc单元的直流电容。
[0021]
在上述的一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法，定义n个dpfc单元协同工作时dq轴电流的表达式；
[0022][0023]
在上述的一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法，构建发电机内部电气部分表达式；
[0024][0025]
在上述的一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法，将(δ0,e
′
q0
,v
s0
,v
20
,v
dc10
,v
dc20
,...,v
dcn0
,δ
se10
,δ
se20
,...,δ
sen0
,m
10
,m
20
,...,m
n0
)作为特定运行点，进行线性化，得到含dpfc单机无穷大系统的phillips-heffron模型；
[0026][0027]
k1是发电机电磁功率对发电机电角度的偏导数，k2是发电机电磁功率对交轴暂态电动势的偏导数。
[0028]
在上述的一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法，将phillips-heffron模型进行线性化处理，得到含dpfc无穷大系统的线性化状态方程式；
[0029][0030]
在上述的一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法，定义表明dpfc具备阻尼转速变化能力的判据；
[0031][0032]
在上述的一种分布式潮流控制器阻尼控制特性的分析方法，定义2个简化条件将表明dpfc具备阻尼转速变化能力的判据等效为式(1)。
[0033]
因此，本发明具有如下优点：本发明构建了含发电机与dpfc的单机无穷大系统数学模型，进而推导出对应的线性化状态方程。基于对状态方程的分析可知：(1)通过调节dpfc输出电压的幅值和相角，可以影响电力系统的稳定性；(2)dpfc工作在容性状态时可使系统阻尼增大。基于本发明的分析方法，挖掘了dpfc对电力系统的调控功能，为电力系统稳定性的调控提供了一种可供选择的手段。
附图说明
[0034]
附图1是含dpfc的单机无穷大系统原理图；
具体实施方式
[0035]
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0036]
实施例：
[0037]
一、为方便说明dpfc对系统的阻尼作用，本发明将根据图1所示的含dpfc的单机无穷大系统进行分析。
[0038]
其中，dpfc单元以受控电压源表示，第i个dpfc单元的注入电压为x
l
为线路阻抗，分别是母线1、2的电压，其中是无穷大系统母线。该系统中的发电机非线性动态方程为
[0039][0040]
其中，δ为发电机电角度，ω为发电机电角速度，ω0为发电机电同步角度速度，pm为原动机机械功率，pe为发电机电磁功率，d为阻尼系数，tj为转子惯性时间常数，e
′q为交轴暂态电动势，e
fd
为强制空载电动势，v
s0
为励磁调节器设定电压，t
′
d0
为励磁绕组时间常数，id和iq分别为线路电流的d轴和q轴分量，xd和x
′d分别为发电机直轴电抗和暂态电抗，xq为发电机交轴电抗，ka为励磁系统放大倍数，ta为励磁系统时间常数。
[0041]
本发明提出以交轴暂态电动势e
′q为参考，得到含dpfc无穷大系统的回路方程为
[0042][0043]
其中，i表示第i个dpfc单元的量；x
′
sd
为发电机d轴次暂态电抗，x
′
d∑
＝x
ld
x
′d，x
d∑
＝x
ld
xd，x
q∑
＝x
lq
xq。
[0044]
同时，本发明提出对式(2)进行park变换，得到
[0045][0046]
其中，mi为第i个dpfc单元的调制深度(控制输出电压幅值大小)，δ
sei
为第i个dpfc单元输出电压的相位，v
dci
为第i个dpfc单元的直流电容电压，c
dc
为dpfc单元的直流电容。
[0047]
本发明提出，当线路上有n个dpfc单元协同工作时，有如下表达式，
[0048][0049]
因为发电机电磁功率pe、机端电压vs，以及空载电动势eq具有以下关系
[0050][0051]
所以，本发明将式(1)改写为
[0052][0053]
本发明提出将(δ0,e
′
q0
,v
s0
,v
20
,v
dc10
,v
dc20
,...,v
dcn0
,δ
se10
,δ
se20
,...,δ
sen0
,m
10
,m
20
,...,m
n0
)作为特定运行点，对式(6)进行线性化，得到含dpfc单机无穷大系统的phillips-heffron模型。
[0054][0055]
式中的系数表达式如下
[0056][0057]
为直观看出该模型各变量的关系，本发明将式(7)进行线性化处理，得到含dpfc无穷大系统的线性化状态方程为
[0058][0059]
由上式可知，每个dpfc单元逆变电压的调制深度mi与相角δ
sei
均为该系统的输入，通过改变mi与δ
sei
即可对发电机的电角速度增量δω、交轴暂态电动势δe
′q以及强制空载电动势δe
fd
起到影响。其中，电角速度增量δω是直接体现次同步振荡的关键参量，当δω发生变化时，若满足
[0060][0061]
则表明dpfc具备阻尼转速变化的能力。
[0062]
由于该式中存在多个变量与系数，难以分析dpfc对次同步振荡的作用。因此，本发
明提出了2个简化条件：
[0063]
(1)忽略发电机阻尼绕组的作用(即d＝0)，即考虑发电机工作在最严重的情况下dpfc能否起到抑制次同步振荡的作用。
[0064]
(2)因为dpfc只能工作在感性或容性状态，所以δ
sei
＝δ θ
±
π/2(容性为正，感性为负)；当潮流仅发生小的波动时，由于δ与θ基本不变，则δδ
sei
≈0，且满足0≤δ θ≤π/2。
[0065]
当dpfc工作在容性时，有
[0066][0067]
当dpfc工作在感性时，有
[0068][0069]
基于上述条件，本发明提出将式(10)的判据等效为
[0070][0071]
本发明提出分四种情况进行系统阻尼情况的分析：
[0072]
(1)当k2δe
′q大于零时，且dpfc工作在感性时，式(13)不一定成立；
[0073]
(2)当k2δe
′q大于零时，且dpfc工作在容性时，式(13)恒成立；
[0074]
(3)当k2δe
′q小于零时，且dpfc工作在感性时，式(13)一定不成立；
[0075]
(4)当k2δe
′q小于零时，且dpfc工作在容性时，式(13)不一定成立。
[0076]
由此可见，dpfc输出模式可直接影响到系统的稳定性，当其工作在感性时，随着调制深度mi以及投入单元数量n的增加，式(13)会逐渐由成立过渡到不成立，具体体现为系统的阻尼下降；相反，当其工作在容性时，只要增加调制深度或增加dpfc单元数量即可使(13)恒成立，可看作系统阻尼增大。由此表明，当dpfc总输出电压往容性电压方向增大时，系统阻尼也会随之增长。
[0077]
因此当dpfc工作在感性时，为了增大系统的阻尼，应该减小调制深度和减少dpfc投入单元数量；当dpfc工作在容性时，为了增大系统的阻尼，应该减大调制深度和减加dpfc投入单元数量。
[0078]
二、实施步骤
[0079]
步骤1：以交轴暂态电动势e
′q为参考，得到含dpfc无穷大系统的回路方程式(2)；
[0080]
步骤2：对式(2)进行park变换，得到输出电压与直流电容电压的调制关系如式(3)；
[0081]
步骤3：发明n个dpfc单元协同工作时dq轴电流的表达式(4)；
[0082]
步骤4：构建发电机内部电气部分表达式(5)；
[0083]
步骤5：根据式(5)将将式(1)改写为式(6)；
[0084]
步骤6：发明(δ0,e
′
q0
,v
s0
,v
20
,v
dc10
,v
dc20
,...,v
dcn0
,δ
se10
,δ
se20
,...,δ
sen0
,m
10
,m
20
,...,m
n0
)作为特定运行点，对式(6)进行线性化，得到含dpfc单机无穷大系统的phillips-heffron模型如式(7)；
[0085]
步骤7：将式(7)进行线性化处理，得到含dpfc无穷大系统的线性化状态方程式(9)；
[0086]
步骤8：发明表明dpfc具备阻尼转速变化能力的判据如式(10)；
[0087]
步骤9：提出2个简化条件将式(10)的判据等效为式(13)；
[0088]
步骤10：分四种情况进行系统阻尼情况的分析：
[0089]
(1)当k2δe
′q大于零时，且dpfc工作在感性时，式(13)不一定成立；
[0090]
(2)当k2δe
′q大于零时，且dpfc工作在容性时，式(13)恒成立；
[0091]
(3)当k2δe
′q小于零时，且dpfc工作在感性时，式(13)一定不成立；
[0092]
(4)当k2δe
′q小于零时，且dpfc工作在容性时，式(13)不一定成立。
[0093]
步骤11：当dpfc工作在感性时，为了增大系统的阻尼，应该减小调制深度和减少dpfc投入单元数量；当dpfc工作在容性时，为了增大系统的阻尼，应该减大调制深度和减加dpfc投入单元数量。
[0094]
本文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。