專利名稱：電力系統中的阻尼機電振蕩的制作方法
技術領域：
本發明涉及與多個發電機和用戶互連的電力系統中的阻尼機電振蕩的領 域。本發明從權利要求1的前序中所述的控制電力系統中功率流的方法出發。
背景技術：
繼現在正在進行中的對電力市場的解除管制之后，從腳巨離處的發電機向 本地用戶傳輸負荷和輸送電力已成為通常的做法。由于電力公司之間的競爭和
逐漸出現的對優化資產的需要，大量增加的電力ilil現有電網傳輸，從而必然 導致了部分電力傳輸系統的擁堵、傳輸瓶頸和/或振蕩。從這方面說，電力傳輸 網絡是高度動態的，而響應于電網狀態的改變，就需要重新分配由發電單元所 注入的負載或電能、不同傳輸路徑上的功率流。這樣的調節根據傳輸電網的現 有拓撲和電流瞎況而作出，^iMil所謂的功率流控制體(PFD， Power Flow Control Devices)而作出。這些裝置被安裝在輸電線站以用于調節各條傳輸線中 的功率流，從而導引電能以安全、穩定和均衡的方式在傳輸電網內的很多條輸 電線中傳輸。PFD —般可以包括機械構件且其設定值隨小時時標來更新。
作為實例，未公布的國際專利申請PCT/CH2005/000125涉及傳輸電網中功 率流管理的課題，其由橫跨具有不同價格和減需求等級的多個區域的電力系統 的整合而引起。例如串聯電容，相角調節器，移相M器(PST)或柔性交流傳 輸系統(FACTS)裝置的PFD增進了傳輸電網的動態特性。這些設備被設計用 來輸出無功功率以保持電壓和增強穩定性，從而使得傳輸線能夠承擔接近其臨 界熱容量的負荷。
基于功率電子半導 件且不含機械開關的快速網絡控制器或功率流控制 裝置(PFD)使得響應時間可以在毫秒的范圍以內。它們包括前述的柔性交流 傳輸系統(FACTS)裝置和高壓直流(HVDC)裝置，但除了這些裝置還可包 括其它裝置。HVDC裝置包括用于生成或消耗有源功率的功,換器或電壓源 轉換器，這些轉換器基于由控制信號分別單獨控制的眾多半導體器件或模塊而 構成，其中控制信號由轉換器控制單元的門極驅動或其它控制硬件而生成。
通常，互連數臺交流發電機的傳輸電網中的機電振蕩具有小于數赫茲的頻 率且只要其是衰減的就能被接受。其由系統負荷的正常小幅改變而起動，并且 是任一電力系統都具有的特性。頻繁的小幅振蕩將導致發電廠設備特別是調速 器伺服設備的磨損和，。當電力系統的運行點例如由于緊隨發電機，負載和/ 或傳輸線的連接或斷開的新功率流分配而改變時，可能會發生不充分的阻尼振 蕩。同樣地，數個現有電網的互連也會引起不充分的阻尼振蕩，即使在其互連
之前后者未單獨出現任何不好的阻尼振蕩。在這些情況下，數MW的傳輸功率 的增加都將導致穩態振蕩和非穩態振蕩之間的差別，該差別有可能弓l起系統崩 潰或導致失步，失去關聯并最終導致不能向用戶供電。不斷監視電力系統有助 于電網運行人員準確評估電力系統狀態并通過采取適當動作例如連接特殊設計 的阻尼設備 免全黑。
在專利申請EP-A 1 489 714中，系統量或信號例如電網選定節點處電壓或 電流的幅值或相角被采樣，且代表電力傳輸系統行為或其特定方面的參數模型 的參數被估算。該戰呈以適應方式執行，艮卩，每次當檢測至噺的系統量的值時， 該模型的參數就被回歸(recursively)更新。最終，由估算得至啲該模型的參數， 計算振蕩模式下的參數，并量化其振蕩頻率和阻尼特性，并將振蕩頻率和阻尼 特性呈現給運行人員。與依賴于對在數^H中的時間窗口中所采集的并僅在該時 間窗口結束時計算得到的采樣數據的分析的非適應性識別過程相比，該過程能 夠幾乎即時的分析電力系統的振蕩狀態。
在M. Larsson等人的文章"Improvement of Cross-border Trading Capabilities through Wide-area Control of FACTS (通過FACTS的廣域控制提高跨界交易能 力)"(Proceedings of Bulk Power System Dynamics and Control VI^ 22-27 August^ Cortina D 'Ampezzo， Italy, 2004)中，提出了多個FACTS裝置的協同工作。次 級控制環基于全局,域信息生鵬于初級FACTS控制器的設定值。后者包括 來自包含較大數量的相量測量單元(PMU)的廣域測量系統的狀態快照 (snapshot).隨后對FACTS設定值的數學優化相對于載荷能力標準，電壓安全
評估和/繊確穩定裕度而實時發生。
E. Lerch等人的文章"Advanced SVC control for damping power system oscillations"(正EE Transactions on Power Systems, Vol. 6, No. 2, May 1991， pages:524-535， ISSN: 0885-8950)提出艦弓l入反映電力系統振蕩的信號，利用
由對靜止無功,M嘗器本身所在位置處的局部狀態^S (電壓和功率)的測量所 估算得到的相位角信號來改進靜止無功補償(SVC)控制。通過采用開關控制 (bang-bang control)和附加的濾波器從具有預知振蕩頻率的機電振蕩信號中消 除干擾信號，可以超ij最大阻尼。
S.G Johansson等人在Cigre General session 2004, Paper B4-204, Paris上的文 章"Power System Stability Benefit With Vsc Dc-Transmission Systems"中探討了 電壓源換流器(VSC) HVDC傳輸可控性的不同方面。特別地，該鄉裝置的 有功和無功功率控制的自由度，以及其對傳輸系統的影響被論述。

發明內容
因此，本發明的目的Jiil31魯棒方式和少量的外加設備來阻尼電力傳輸網 絡中的機電功率振蕩。這些目的ilil根據權利要求1和7的用于控制電力系統 中功率流的方法和控制裝置來實現。更優選的實施例通過從屬專利權利要求而 變f號楚。
根據本發明，通過功率流控制裝置(PFD)或相似的基于快速動作電力電 子半導體元件的，^^執行或完成電力系統中的電壓或功率流控制和功率振蕩 阻尼。換句話說，就阻尼機電振蕩和控制功率流來說后者被同時控制。為達到 該目的，根據適當的第二系統信號，系統量或系統輸出變量生成關于系統狀態 或系統運行點的信息。根據該信息，導出功率振蕩控制參數或PFD控制器的運 行點。該功率振蕩控制參數和第一系統信號或控制輸入被用于計算限定該PFD 的設置的控制命令，控制輸出或系統輸入變量。該功率振蕩控制參數4 來自 電力系統的額外的反饋信息，該信息被輸送給PFD控制器，輸送給PFD控制器 的還有通常與第一系統信號相比較的常規功率流控制參數或PFD控制器設定 值。
包括傳輸網絡的電力系統的狀態，即其運行點，取決于多個例如斷路器和 傳輸線的網絡元件的狀態，即網絡的實際拓撲，和流經網絡的電流和功率流， 即網絡的實際電氣參數。在發生意外事故的情況下，變化的運行點可能導致弱 阻尼或者甚至不穩定振蕩，這是因為對一個運行點產生滿意阻尼的一組控制參 數對另一個運行點可能不再有用。本發明通過以自適應方式恰當地再調節功率 振蕩控制參數考慮了運行點的變化或電力系統的新系統狀態。與靜態判定功率 振蕩控制參數相比，爐終增強了電力系統穩態過程的魯棒性。
在本發明的第Hti^變型中，至少以期望的系統運行點變化的頻率，如每
5秒，對有關網絡狀態的信息進行定期判定和對功率振蕩控制參數進行適應性判
定或更新。這確保了該功率振蕩阻尼控制在任何時候都是有效的。由于并存功 率流控制的新的設定值通常會導軀行條件的變化，因此還需在所述設定值的 最新變化和功率振蕩控制參數的下一次定期更新之間施加有用的短暫延時。
在本發明的第二雌^M中，相量測量單元(PMU)以典型的10Hz鞭 高的頻率提供作為定時相量信號的第二系統信號。在該情況下功率振蕩控制參 數的自適應判定也以相i腿率發生。如前所述，根據時變電力系統的實際像快 也可以以提前或在運行中指定的斷氐的速率對后者進行更新。
對即使單個相量信號也可以提供電力系統運行點的必要信息的發現為選擇 PMU的位置提供了空前的靈活性。由此，不再需要使用在PFD自身所在位置 處測量得到的第二系統信號^iS行操作。特別地，該PMU可，戯爐在，或該相 量信號可被選擇產生自，適當選擇的電力系統的節點處，其顯著增強了該推薦 進程的精確度。
在本發明的有利實施例中，更新后的功率振蕩控制參數取自由模型參數的 實際值所表征的網絡模型。后者可以是完整的系統模型的一部分，其中該完整 的系統模型可以是任意復雜的模型并可提供包括其對控制命令的響應的電力系 統動作的準確情況，從而啟動基于模型的控制。另一方面，可以先將該模型參 數壓縮至例如主要或最弱阻尼功率振蕩的頻率和阻尼的振蕩參數。這大大簡化 了對實際功率振蕩控制參數值的后續推導。


本發明的主題將參考在附圖中所述的優選示范性實施例而在下文中更詳細 J^tfiW釋，其中
圖1示出了根據本發明的電力系統控制設備，
圖2描述了具有兩個FACTS裝置的電力系統，
圖3示出了Mil振蕩參數測定實現的直接適應性控制方法，
圖4示出了MS于模型的控制器設計實現的間接適應性控制方法，
圖5敘述了在具有和不具有POD控制的測試線中的功率流仿真，禾口
圖6敘述了在具有和不具有適應性POD控制參數情況下的功率流仿真。
附圖中所使用的附圖標記及其含義以概要的形式在附圖標記列表中列出。原則上，附圖中相同的部分其附圖標記也相同。
具體實施例方式
盡管本節集中在柔性交流傳輸系統(FACTS)裝置上，但也應明白不同結 構的VSC高壓直流(HVDC)傳輸裝置也可用作快^制裝置并同樣十皿用 于本發明的目的。
圖1描述了用于功率流控制裝置(PFD)的控制器1，該控制器1包括用 于設定值3鵬和/或功率流控制的穩態調節器10和功率振蕩阻尼器(POD) 11。 控制器1產生并發出控帝倫令u來確定PFD或FACTS驢20的設置，其又作 用于電力系統2。從表征電力系統2的多個可觀測系統量y中，選擇器211和 212分別選擇第一和第二系統信號y,和y2。第一系統信號y,和相應的設定值n 間的差被m給穩態調節器10，該穩態調節器10負責例如優化電力系統2的傳 輸能力和通過對如電壓或功率流的量的慢設定值S鵬來最小化運行成本。被恰 當選擇的第二系統信號y2被饋送給參數適配器3并由后者進行在線分析。該參 數適配器3實時地確定與電力系統2的當前狀態相關的必要信息。該信息被用 來在線改編PODll的至少一個控制參數cp以,電力系統2中機電振蕩的阻 尼。
適用于所提到的t皿控制的典型FACTS裝置由功率半導皿件構成并包 括，例如靜止無功補償器(SVC)，統一功率流控制器(UPFC)，晶閘管控制串 聯電容器(TSCS)，晶閘管控制移相變壓器(TCPST)，阻抗調制器，和串聯補 償電容器。電力系統控偉蜷l的雙重功能,常用由控制器的硬##1行的計算 豐;i^呈序來實現，其中穩態調節器10和功率振蕩阻尼器(POD) 11分別涉及不同 的算法。第二系統信號y2優先根據主要功率振蕩模式的可觀測性來lfe^擇，從 而信號y2通常不同于第一系統信號y!。后者一般為局部性的，艮P,在控制器l 自身所在處測量得到，而第二系統信號y2可以是鄉巨離的，即，在由選擇器212 所選擇的節點處測量得到，其中該節點位于在遠離控制器1的電力系統2的遠 距離處。 1〗來說，廣 測和控制(WAMC)系統包括不ilf共下文詳述的遠 距離系統信號y的相量測量單元(PMU)。在典型實施方式中，相M據y2至 少每100毫秒被測量一次，然而根據所使用的硬件平臺和所投入的計算能力， 以較低頻率對控制參數cp進行更新。設定值r! 一般每一刻鐘或更少時間被更新 一次。
圖2示出了包括電力傳輸網(粗線)，兩臺FACTS裝置20， 20'，兩臺發 電機22， 22'及廣域監測(WAM)系統的電力系統2的M1。典型的FACTS裝 置包括代表變量導納的靜止無功補償器(SVC) 20和晶閘管控制串聯電容器 (TCSC) 20'。該WAM系統包括位于例如變電站間隔層的饋線g沿電力系 統傳輸線的支點處的三個相量測量單元(P而)21， 2F, 21"。這些P固以 例如電壓或電流的系統量y的幅值或相角的形式提供電力系統的快皿樣相量 抽樣。這^ft號在與選擇器212和參數適配器3相連的廣域監測中心(未示出) 中被集中傳輸和采集。在發電機22'的附近還描繪有電力系統穩定器(PSS) 23， 該PSS基于電力系統的局m態提供反嫩發電豐鵬偉幡。但是，PSS23不能 檢測傳輸電網中的區域間機電振蕩。
圖3示出了如前述歐洲專利申請EP-A 1 489 714所述的基于對振蕩檢觀啲 實時算法來改進電力系統振蕩阻尼的所謂"直接"適應性控制，在此并入該申 請的全部公開內容作為參考。該算法實時地產生有關于當前系統狀態的必要信 息，特別是主要功率振蕩模式，即具有最低相對阻尼比的模式的實際阻尼^和 頻率v 。該信息被直接用于在線修改控制參數cp以使得所識別的功率振蕩消失。 與其對應的控制參數適配器3包括用于Mii至少一個模型參數mp估計電力系統 2的線性模型的模型估算器30。后者的值通過卡爾曼(Kalman)、搶波技術而被 在線修正，從而為電力系統模型估計第二系統信號的值》，該值從二次準則的 意義上來說最WI近測量值y2。該估計信號和測量信號之間的任何差值均被 參數適配器31所利用并導致模型參數mp的更新。換句話說，各時間步長中估 ^^莫型參數mp(t)的回歸計算基于新的測量信號y2(t)的值和前一次估算模型參數 mp(t-l)的值，其中延時元件32防止新的測量信號y2(t)的值被即時發g模型估 算器30。
該更新或修正后的模型參數mp隨后作為由振蕩參數提取器33所進行的主 要振蕩模式的振蕩參數〖，v的提取或計算的基礎。這些振蕩參數最后基于下 文詳述的適當的邏 卩/或法則而由參數轉換器34轉換為改編的控制參數cp。 參數mp， cp的更新周期根據傳輸網絡的狀態，即其運行點的變化頻率而提前或 在運行中指定。例如，當以相同或更低的速率發出控制命令u時，每5秒更新 一次就已足夠，而不需每信號采樣周期更新一次，其中信號采樣周期通常為O.l 秒。
控制參數修正的詳細內容在R. Sadikovic等人的文拿^ Application of FACTS Devices for Damping of Powe System Oscillations" (proceedings of the Power Tech conference2005,June27-30, St. PeteiburgRU)中指出，^fc并入該文章的內容作 為參考。該文章提出了在運行情況改變時對適當反饋信號的選擇和隨后對功率 振蕩阻尼(POD)的參數的適應性調節。它基于線性化系統模型，其傳遞函數 G(s)被擴展為N個留數(residue)的總和
該N個本征值A,對應于系統的N種振蕩模式，而特定模式下的留數R給 出了該模式的本征IW系統輸出y和輸入u間的反饋的靈敏度。當運用反饋控 制H(s)時，初始系統G(s)的本征值義,.改變，由控制器弓胞的改變與留數R,成比 例。為了改進優化阻尼，該本征值的改變必須朝向復平面的左半部分。由期望 的改變后的本征值位置^u，可以計算控制器增益K， K反比于留數R,。在本 發明的標記中，反饋控制H和系統G對應于控制器1和電力系統2 。
圖4示出了戶;fi胃的"間接"適應性控制。適配器3的模型估算器30被提供 給用于實際控制命令u的附加輸AJffiiM。這使得育瀕估算出電力系統2的完整 的和非常精確的動態模型，其中電力系統2包括控制命令u和系統信號y間的 關系，即在u和y控制下電力系統的實際動作行為。ilil該信息，識的系統 模型可在線《柳在由控制器設計器35執行的基于模型的設計過程中，Itmi也 涉及在新運行點Pf逝的完整模型的線性化。最后控制器設計器35確定控制參數 cp。該控制參數適應化方案的詳細內容可參見R. Sadikovic等人的文章 "Self-tuning Controller for Damping of Power System Oscillations with FACTS Devices " (Proceedings of the正EE PES General Meeting 2006, June 18-22， Montreal CA)，在此并入其公開的內容作為參考。
圖5示出了在30秒的周期內在電力系統結構的特定測試線路中的有功功率 流，其中該電力系統結構基于現有的實際網絡，因此比圖2所示的網絡更復雜 一點。該仿真示出了具有(實線)和不具有(虛線)POD控制的情況下，當t =1秒時向相鄰線施加三相故障并在100ms后清除該故障后的有功功率流響應。 該魏FACTS執行機構為晶閘管控制串聯W嘗器(TCSC)。顯然，當4頓POD 控制時頻率為約1Hz的有功功率流振蕩的衰減比沒有j頓POD控制時更決速。
最后圖6示出了所提出的過程的有效性。所示仿真與圖5中的電力系統具 有POD控制時的情況相對應，但其處于略微改變的運行點處，該變化的運行點 與由未工作的第三線路所引起的不同網絡拓撲有關。再次向測試線路的相鄰線 路施加三相故障，并記錄下在90秒的周期內測試線路中的有功功率流。在該情 況下當釆用以前的或舊的控制參數cp的值時，不會產生振蕩的阻尼衰減(虛線)。 另一方面，當隨著網絡拓撲的改變而對控制參數進行適應性調節并采用新的值 時，可以獲得令人滿意的功率振蕩的衰減(實線)。
本發明還提出了一種控制電力系統(2)的方法，其包括步驟(a)到(g): (a)測Sm—系統信號(y》，(b)基于第一系統信號(yi)計算控制命令(u)， (c)對柔性交流傳輸系統(FACTS)裝置(20)施加控制命令(u)以控制電 力系統(2)中的功率流，(d)測量第二系統信號(y2)， (e)基于第二系統信號 (y2)確定控制參數(cp)， (f)基于控制參數(cp)計算控制命令(u)，以及 (g)對FACTS裝置(20)施加控偉i倫令(u)以阻尼電力系統(2)中的機電 振蕩。
雌地，控偉'偷令(u)的計算基于第一系統信號(yi)和設定值(r》間 的m，且控制參數(cp)的確定至少與設定值(r。的更新一樣頻繁地被重復。 有利地，該方,括 巨離相量測量單元(PMU)測量第二系統信號(y2)。
本令頁域技術人員應清楚在前述中參考優選實施例描述的本發明還可包括一 個以上的控制參數和一個以上的模型參數來用于對重要的電力系統進行任何合 理的控制。
參考標記列表
1控偉幡
10穩態調節器
11功率振蕩阻尼器
2電力系統
20，20,FACTS裝置
21，21，， 21"相量測量單元
211，212選蹄
22，22,發電機
23電力系統穩定器
3參數適配器
30模型估算器
31模型參數適配器
32延時元件
33振蕩參數提取器
34參數轉換器
35控制器設計器
權利要求
1、一種控制電力系統(2)中的功率流的方法，包括-測量第一系統信號(y1)，-基于該第一系統信號(y1)和功率流控制參數(r1)計算控制命令(u)，和-施加控制命令(u)給基于功率電子半導體器件的功率流控制裝置(PFD)(20)以控制電力系統(2)中的功率流，其特征在于該方法包括-重復測量第二系統信號(y2)，-基于該第二系統信號(y2)適應性地確定功率振蕩控制參數(cp)，-基于該功率振蕩控制參數(cp)計算控制命令(u)，和-施加控制命令(u)給PFD(20)以阻尼電力系統(2)中的機電振蕩。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中控制命令(u)的計算基于第一系統 信號(y,)和作為功率流控律慘數的PFD的設定值(n)之間的差，其特征在于 該方飽括一至少以電力系統的運行點變化的頻率特性適應性地確定功率振蕩控制參 數(cp)。
3、 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于它包括—通過相量觀懂單元(21)重復觀懂加時間戳的相量信號作為第二系統信 號(y2)，禾口一只要進行了相量測量就適應性地確定功率振蕩控制參數(cp)。
4、 根據權利要求l至3中的一項所述的方法，其特征在于確定功率振蕩控 制參數(cp)包括根據第二系統信號(y2)確定電力系統(2)的模型的模型參 數(mp)。
5、 根據權利要求4所述的方法，其特征在于確定功率振蕩控制參數(cp) 包括根據模型參數(mp)確定主要功率振蕩模式的振蕩參數U,O。
6、 根據權禾腰求4所述的方法，其特征在于根據第二系統信號(y2)確定 模型參數(mp)包括生麟二系統信號(y2)的一系列測量值(y2， y2，，…)， 根據所述系列值估算參數模型的模型參數(mp)，以及每當測量到第二系統信號(y2)的新值時就更新所述參數(mp)。
7、 一種包括控制器(1)的控制設備，該控制器用于艦施加控制命令(u) 給基于功率電子半導，件的功率流控制裝置(PFD) (20)在電力系統(2) 中控制功率流和阻尼機電振蕩，其中該控制命令(u)是基于第一系統信號(yi) 和功率流控制參數(r》計算的，其特征在于該控制設備進一步包括用于基于第二系統信號(y2)改編功率 振蕩控制參數(cp)的參ifci配器(3)，以及在于該控庫i勝0)包括用于基于 控制參數(cp)計算控制命令(u)的功率振蕩阻尼器(11)。
8、 根據權利要求8所述的控制設備，其特征在于PFD (20)錢性交流 傳輸系統(FACTS)裝置或高壓直流(HVDC)裝置。
9、 根據權利要求8所述的控制設備，其特征在于其包括在遠離PFD的位 置的電力系統的位置處用于測量第二系統信號(y2)的相量測量單元(PMU)(21)。
10、 根據權利要求8所述的控制設備，其特征在于參數適配器(3)包括用 于基于第二系統信號(y2)確定電力系統(2)的模型的模型參數(mp)的模型 估算器(30)，和用于根據模型參數(mp)確定控制參數(cp)的裝置(33， 34， 35)。
11、 一種用于在電力系統(2)中控制功率流和阻尼機電振蕩的計算，/Lli^， 該計算t/Lf呈序可載入數字計算機的內 儲器中并包括計算機程序代碼裝置， 以便當所述禾歸被^A所述內鵬儲器時，使計^a執行根據權利要求7所述 的控庫螺(1)的功能。
全文摘要
本發明涉及通過柔性交流傳輸系統(FACTS)裝置(20)或高壓直流(HVDC)傳輸裝置在電力系統(2)中控制電壓或功率流并阻尼機電振蕩。為達到該目的，根據適當的第二系統信號(y₂)生成關于電力系統狀態或運行點的信息并由此導出FACTS控制器(1)的控制參數(cp)。控制參數和第一系統信號(y₁)被用于計算限定FACTS裝置的設置的控制命令(u)。隨著電力系統狀態的改變，例如傳輸網絡拓撲的改變，弱阻尼或者甚至不穩定的振蕩可以通過適當調節阻尼或穩定設備的控制參數而避免。
文檔編號H02J3/24GK101194404SQ200680020198
公開日2008年6月4日 申請日期2006年6月8日 優先權日2005年6月8日
發明者A·奧達洛夫, J·A·林德伯格, M·拉森, P·科巴, S·G·約翰森 申請人:Abb研究有限公司