一種基于自適應控制模式切換的upfc交替迭代潮流計算方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于自適應控制模式切換的UPFC交替迭代潮流計算方法，其包括：設定UPFC串聯模塊首端控制功率值、串聯模塊首端節點i和末端節點j電壓相量初值、并聯模塊節點電壓相量初值、串聯模塊初始控制模式；進行UPFC模塊求解和交流網絡方程求解；判斷是否滿足潮流退出條件，滿足則退出；判斷是否切換UPFC串聯模塊的控制模式；更新UPFC串聯模塊首末端節點電壓相量、并聯模塊節點電壓相量，串聯模塊控制方式；令k＝k+1再次進行UPFC網絡方程求解。本發明解決了包含UPFC的電力系統潮流計算問題，能夠實現UPFC對線路潮有功功率、無功功率。方法自適應的調整UPFC的控制方式，在保證UPFC控制精度的同時提高了交替迭代的收斂性。
【專利說明】
一種基于自適應控制模式切換的UPFC交替迭代潮流計算方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電力系統領域，具體涉及一種基于自適應控制模式切換的UPFC交替迭 代潮流計算方法。
【背景技術】
[0002] UPFC是綜合型靈活交流輸電系統(FACTS)設備中最有代表性的裝置，是由并聯補 償的靜止無功補償器(STATC0M)和串聯補償的靜止同步串聯補償器(SSSC)相結合組成的新 型潮流控制裝置。UPFC并聯模塊可以控制節點電壓，也可以控制節點的注入無功功率；串聯 端可以控制線路傳輸的有功功率和無功功率，也可以控制注入電壓的幅值和相角，從工程 應用的角度看來講，控制線路的有功和無功功率更為直觀有效。
[0003] UPFC的主要應用領域是潮流控制，系統中安裝UPFC裝置后，潮流計算方法需要修 改。已有技術對該問題的研究大致可分為兩類，一種是將UPFC的參數及其控制方程加入網 絡參數中，將UPFC參數同網絡參數統一求解;另一種是將UPFC等效為節點功率注入，交替求 解。前者考慮了網絡方程與UPFC變量之間的耦合關系，對各種網絡及運行條件的計算，均呈 現良好的收斂特性。但是統一迭代法需要修改導納陣及雅克比矩陣，并考慮UPFC自身的各 種控制模式及約束條件，需要對潮流程序進行較大修改。后者對網絡方程和UPFC求解是分 開進行的，在求解網路方程的時候將UPFC等效為節點功率注入，求解UPFC時由網絡方程的 結果提供接入節點的電壓和相角，因此整個程序可以利用現有的任何一種潮流程序再加上 UPFC求解模塊即可構成。另外，后者也易與在計算中考慮UPFC多種控制模式切換和控制變 量約束。
[0004] 然而目前的交替求解方法的收斂性不及統一求解方法，控制精度方面無法保證， 如何既保證控制精度又能提高收斂性是一個亟待解決的難題。

【發明內容】

[0005] 為克服上述現有技術的不足，本發明提供一種基于自適應控制模式切換的UPFC交 替迭代潮流計算方法，首先，將UPFC的串聯模塊、并聯模塊等效為節點功率注入，進行網絡 方程求解；然后，根據交替迭代的節點偏差量，自適應的調整UPFC的控制方式，依次進行 UPFC串聯模塊求解，并聯模塊求解;最后，更新UPFC串聯模塊、并聯模塊的等效節點注入并 再次進行網絡方程求解;網絡方程和UPFC模塊求解交替迭代，直至收斂或退出。本發明解決 了包含UPFC的電力系統潮流計算問題，能夠實現UPFC對線路潮有功功率、無功功率。方法自 適應的調整UPFC的控制方式，在保證UPFC控制精度的同時提高了交替迭代的收斂性。
[0006] 實現上述目的所采用的解決方案為：
[0007] -種基于自適應控制模式切換的UPFC交替迭代潮流計算方法，所述計算方法包 括：
[0008] (1)設定UPFC串聯模塊首端控制功率值、串聯模塊首端節點i和末端節點j電壓相 量初值、并聯模塊節點電壓相量初值、串聯模塊初始控制模式；
[0009] (2)進行UPFC模塊求解，得到UPFC串聯模塊節點的等效注入功率，并聯模塊節點的 等效注入功率；
[0010] (3)進行交流網絡方程求解，得到串聯模塊所在線路首端節點電壓相量和末 端節點電壓相量匕/'并聯模塊節點電壓相量;
[0011] (4)判斷是否滿足潮流退出條件，滿足則退出，不滿足則進入步驟(5);
[0012] (5)根據前后兩次節點電壓相量的變化量和節點功率偏差量判斷是否切換UPFC串 聯模塊的控制模式；
[0013] (6)更新UPFC串聯模塊首末端節點電壓相量、并聯模塊節點電壓相量，串聯模塊控 制方式;令k = k+l轉步驟(2)再次進行UPFC網絡方程求解。
[0014] 優選的，所述步驟(1)包括：
[0015] (1_1)設定迭代次數1^ = 1;
[0016] (1-2)定義UPFC串聯模塊控制模式C:
[0018]并設定UPFC串聯模塊的初始控制模式C(1) = 0;
[0019] (1-3)根據線路傳輸功率控制值設定UPFC串聯模塊首端的線路控制功率次(11，按照 潮流迭代初值給定串聯模塊所在線路首端節點電壓相量6 (1)和末端節點電壓相量$(1)，并 聯模塊節點電壓相量KU);
[0020] (1-4)設置UPFC串聯模塊i端等效注入功率初值t(B)=0，j端等效注入功率〇° )=G。
[0021] 優選的，所述步驟(2)包括：
[0022] (2-1)如果第k次迭代，UPFC串聯模塊控制方式C(k) = 0,求出UPFC串聯模塊的注入 電壓相量P/1，流過UPFC串聯模塊的電流
[0023] 如果C(k) = l，則已知UPFC串聯模塊的注入電壓相量，求出流過UPFC串聯模塊 的電流4 (? > 5
[0024] (2-2)求出UPFC串聯模塊i端等效注入功率夂"1，j端等效注入功率乂
[0025] (2-3)求出UPFC串聯模塊從直流側吸收的功率PSSSCtclDC;
[0026] (2-4)求出UPFC并聯模塊節點注入系統功率式(U .〇
[0027] 優選的，所述步驟(4)中，所述退出條件包括：
[0028] a、| APmax，AQmax| <ε，則潮流收斂退出；式中| APmax，AQmax|表示所有節點有功、 無功注入偏差量最大值的絕對值，ε為收斂常數；
[0029] b、迭代次數k達到上限值，則退出，此時潮流不收斂。
[0030] 優選的，所述步驟(5)包括：
[0031] (1)如果UPFC串聯模塊控制方式為:控制線路傳輸的有功功率和無功功率，即C(k) =〇,如果"|<%且心⑴-毛/-"|<&，則將UPFC串聯模塊控制方式改為:控制串聯模 塊注入電壓的幅值和相角，即c*(k) = l;否則不改變UPFC串聯模塊控制方式，C*(k) = 0;
[0032]式中：|矣，表示第k次迭代和第k-1次迭代，串聯模塊首端節點等效注入功 率有功、無功分量差值最大值的絕對值;表示第k次迭代和第k-Ι次迭代，串聯模 塊末端節點等效注入功率有功、無功分量差值最大值的絕對值；es表示功率偏差量切換門 檻值，為預先給定的正常數；
[0033] (2)如果UPFC串聯模塊控制方式為:控制串聯模塊注入電壓的幅值和相角，即C(k) =1，如果> %且p/'O命，則將upfc串聯模塊控制方式改為:控制線路傳輸 的有功功率和無功功率，即c*(k) = 0;否則不改變UPFC串聯模塊控制方式，C*(k) = 1;
[0034] 式中：|4(?ι4(?ι|表示第k次網絡方程求解后，串聯模塊首端節點電壓實部、虛部差 值最大值的絕對值;表示第k次網絡方程求解后，串聯模塊末端節點電壓實部、虛 部差值最大值的絕對值;εν表示節點電壓變化量切換門檻值，為預先給定的正常數。
[0035] 與最接近的現有技術相比，本發明提供的技術方案具有以下有益效果：
[0036] (1)根據前后兩次節點電壓相量的變化量自適應的切換UPFC串聯模塊的控制模 式，實現了當注入節點電壓變化較大時，自動重啟串聯模塊定線路有功、無功控制模式，保 證了控制精度。
[0037] (2)根據前后兩次節點等效功率注入量的變化量自適應的切換UPFC串聯模塊的控 制模式，實現了當節點等效功率注入量變化較小時，自動切換串聯模塊定注入量控制模式， 提高了交替迭代的收斂性。
【附圖說明】
[0038]圖1是本發明的UPFC結構示意圖；
[0039] 圖2是本發明的UPFC串聯模塊原始等效電路圖；
[0040] 圖3是本發明的UPFC串聯模塊等效注入電路圖；
[00411圖4是本發明的UPFC串聯模塊等效注入電路圖；
[0042]圖5是本發明的UPFC并聯模塊等效電路圖；
[0043]圖6是本發明提供的基于自適應控制模式切換的UPFC交替迭代潮流計算方法流程 圖。
【具體實施方式】
[0044]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做進一步的詳細說明。
[0045]基于自適應自適應控制模式切換的UPFC潮流計算方法技術方案的總體思路為： (1)初始化，設定UPFC串聯模塊首端控制功率值、首末端節點電壓相量初值、并聯模塊節點 電壓相量初值，串聯模塊控制方式；（2)進行UPFC模塊求解，得到UPFC串聯模塊的等效注入 功率，并聯模塊的等效注入功率；（3)進行交流網絡方程求解，得到串聯模塊和并聯模塊節 點的電壓相量；（4)判斷是否滿足潮流退出條件；（5)如果不滿足退出條件，根據前后兩次節 點電壓相量的變化量和節點功率偏差量判斷是否切換UPFC串聯模塊的控制模式，（6)更新 UPFC串聯模塊首末端節點電壓相量、并聯模塊節點電壓相量，串聯模塊控制方式;轉第(2) 步再次進行UPFC絡方程求解。
[0046] UPFC可分為串聯模塊，并聯模塊，二者通過直流耦合，其基本結構如圖1
[0047] UPFC串聯模塊，其原始等效電路如圖2，等效注入電路如圖3、圖4。對于原始等效電 路，有如下公式：
[0052]其中：^和^分別為UPFC串聯模塊所在線路首端和末端節點電壓相量，ZL為UPFC串 聯模塊所在線路阻抗，t為UPFC串聯模塊的注入電壓相量，為流過UPFC串聯模塊的電 流;Psssc為UPFC注入交流系統的有功功率;P SSSCtclDCSUPFC串聯模塊從直流側吸收的功率， Rtsssc為串聯模塊涉及到的變壓器電阻與換流電阻之和；&為UPFC串聯模塊首端的線路功 率。
[0053]對于原始等效電路進行諾頓等值，有如下公式：
[0057] 其中：/e#UPFC串聯模塊等效注入電流，瓦為UPFC串聯模塊i端等效入，^為UPFC 串聯模塊j端等效注入。
[0058] UPFC并聯模塊的等效電路如圖5所示。有如下公式：
[0061 ]其中:我為UPFC并聯模塊注入交流系統的時在功率，Ps和Qs分別為UPFC并聯模塊注 入系統的有功和無功功率，6為UPFC并聯模塊節點的電壓相量，SUPFC并聯模塊的注入電 流，RtP為并聯模塊涉及到的變壓器電阻與換流電阻之和；其中Q s為已知量，可直接給定，也 可給定并聯模塊節點電壓幅值后由交流系統網絡方程計算得到。
[0062] 本實施方案的整體流程圖如圖6所示，具體步驟為：
[0063] 步驟1:初始化，包括設定UPFC串聯模塊首端控制功率值、串聯模塊首末端節點電 壓相量初值、并聯模塊節點電壓相量初值、串聯模塊初始控制模式。
[0064] (1)設定迭代次數1^ = 1。
[0065] (2)定義UPFC串聯模塊控制模式：
[0067]并設定UPFC串聯模塊的初始控制模式C(1) = 0。
[0068] (3)根據線路傳輸功率控制值設定UPFC串聯模塊首端的線路功率於1>，按照潮流迭 代初值給定串聯模塊所在線路首端節點電壓相量^U)和末端節點電壓相量6(1>，并聯模塊 節點電壓相量6 (1)。
[0069] (4)設置UPFC串聯模塊i端等效入功率初值矣廣=〇，j端等效注入功率S/1=0。 [0070]步驟2:進行UPFC模塊求解，得到UPFC串聯模塊節點的等效注入功率，并聯模塊節 點的等效注入功率。
[0071] (1)如果第k次迭代，UPFC串聯模塊控制方式C(k) = 0,則已知次("和0A)根據公式(1) (4)求出UPFC串聯模塊的注入電壓相量以41，流過UPFC串聯模塊的電流m ;如果C(k) = 1， 則已知UPFC串聯模塊的注入電壓相量匕(?|，根據公式（1)求出流過UPFC串聯模塊的電流 f m L時 q
[0072] (2)根據公式（5~7)求出UPFC串聯模塊i端等效入功率矣/;)，j端等效注入功率
[0073] (3)根據公式(2) (3)求出UPFC串聯模塊從直流側吸收的功率PSSSCtclDC。
[0074] (4)根據公式(8) (9)求出UPFC并聯模塊節點注入系統功率次。
[0075] 步驟3:進行交流網絡方程求解，得到串聯模塊所在線路首端節點電壓相量&α:)和 末端節點電壓相量，并聯模塊節點電壓相量;
[0076] 步驟4:判斷是否滿足潮流退出條件，滿足則退出，不滿足則進行步驟五。
[0077]退出條件包括：
[0078] ①：| Δ Pmax，Δ Qmax | < ε，則潮流收斂退出；式中| Δ Pmax，Δ Qmax |表示所有節點有功、 無功注入偏差量最大值的絕對值，ε為收斂常數。
[0079] ②:迭代次數達到上限值k = kmax，潮流不收斂退出。
[0080] ε和k的選取和普通潮流計算無異。
[0081] 步驟五:根據前后兩次節點電壓相量的變化量和節點功率偏差量判斷是否切換 UPFC串聯模塊的控制模式。
[0082] (1)如果UPFC串聯模塊控制方式為:控制線路傳輸的有功功率和無功功率，即C(k) =〇,如果|次廣⑴，則將UPFC串聯模塊控制方式改為:控制串聯模 塊注入電壓的幅值和相角，即C*(k) = l;否則不改變UPFC串聯模塊控制方式，C*(k) = 0。
[0083] 式中：u|表示第k次迭代和第k-1次迭代，串聯模塊首端節點等效注入功 率有功、無功分量差值最大值的絕對值。U|表示第k次迭代和第k-Ι次迭代，串聯模 塊末端節點等效注入功率有功、無功分量差值最大值的絕對值。es表示功率偏差量切換門 檻值，為預先給定的正常數，本案中取〇. 005標幺值。
[0084] (2)如果UPFC串聯模塊控制方式為:控制串聯模塊注入電壓的幅值和相角，即C(k) =1，如果卜彳> 士且匕產弋(叫 > ~，則將UPFC串聯模塊控制方式改為:控制線路傳輸 的有功功率和無功功率，即c*(k) = 0;否則不改變UPFC串聯模塊控制方式，C*(k) = 1。
[0085] 式中表示第k次網絡方程求解后，串聯模塊首端節點電壓實部、虛部差 值最大值的絕對值;表示第k次網絡方程求解后，串聯模塊末端節點電壓實部、虛 部差值最大值的絕對值；εν表示節點電壓變化量切換門檻值，為預先給定的正常數，本案中 取0.005標幺值。
[0086] 步驟六:更新UPFC串聯模塊首末端節點電壓相量、并聯模塊節點電壓相量，串聯模 塊控制方式;轉第(2)步再次進行UPFC絡方程求解。
[0087] (1)更新UPFC串聯模塊首末端節點電壓相量、并聯模塊節點電壓相量 、匕⑷，疒⑴=匕⑷，并聯模塊節點電壓相量以)=匕…。
[0088] (2)更新UPFC串聯模塊的控制方式C(k) = C*(k)。
[0089] (3)令 k = k+l，轉步驟二。
[0090]最后應當說明的是：以上實施例僅用于說明本申請的技術方案而非對其保護范圍 的限制，盡管參照上述實施例對本申請進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當 理解;本領域技術人員閱讀本申請后依然可對申請的【具體實施方式】進行種種變更、修改或 者等同替換，但這些變更、修改或者等同替換，均在申請待批的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于自適應控制模式切換的UPFC交替迭代潮流計算方法，其特征在于，所述計 算方法包括： (1) 設定UPFC串聯模塊首端控制功率值、串聯模塊首端節點i和末端節點j電壓相量初 值、并聯模塊節點電壓相量初值、串聯模塊初始控制模式； (2) 進行UPFC模塊求解，得到UPFC串聯模塊節點的等效注入功率，并聯模塊節點的等效 注入功率； (3) 進行交流網絡方程求解，得到串聯模塊所在線路首端節點電壓相量<>和末端節 點電壓相量:，并聯模塊節點電壓相量; (4) 判斷是否滿足潮流退出條件，滿足則退出，不滿足則進入步驟(5); (5) 根據前后兩次節點電壓相量的變化量和節點功率偏差量判斷是否切換UPFC串聯模 塊的控制模式； (6) 更新UPFC串聯模塊首末端節點電壓相量、并聯模塊節點電壓相量，串聯模塊控制方 式;令k = k+l轉步驟(2)再次進行UPFC網絡方程求解。2. 如權利要求1所述的潮流計算方法，其特征在于，所述步驟(1)包括： (1-1)設定迭代次數1^=1; (1-2)定義UPFC串聯模塊控制模式C: _|0，控制線路傳輸的有功功率和無功功率 控制串聯模塊注入電壓的幅值和相角 并設定UPFC串聯模塊的初始控制模式C(1) = O; (1-3)根據線路傳輸功率控制值設定UPFC串聯模塊首端的線路控制功率矣(1)，按照潮流 迭代初值給定串聯模塊所在線路首端節點電壓相量#:1)和末端節點電壓相量6(1)，并聯模 塊節點電壓相量6 (1); (1-4)設置UPFC串聯模塊i端等效注入功率初值》，j端等效注入功率i/1=0 iL J 〇'3. 如權利要求1所述的潮流計算方法，其特征在于，所述步驟(2)包括： (2-1)如果第k次迭代，UPFC串聯模塊控制方式C(k) = 0,求出UPFC串聯模塊的注入電壓 相量^@，流過UPFC串聯模塊的電流& % 如果C(k) = 1，則已知UPFC串聯模塊的注入電壓相量Liii，求出流過UPFC串聯模塊的電 流乙_ > (2-2)確定UPFC串聯模塊i端等效注入功率之":>，j端等效注入功率C ; (2-3)確定UPFC串聯模塊從直流側吸收的功率PsssctciDc; (2-4)確定UPFC并聯模塊節點注入系統功率次(A 1。4. 如權利要求1所述的潮流計算方法，其特征在于，所述步驟(4)中，所述退出條件包 括： &、|八？_，八9_|<￡，則潮流收斂退出；式中|八？_，八9_|表示所有節點有功、無功 注入偏差量最大值的絕對值，ε為收斂常數； b、迭代次數k達到上限值，則退出，此時潮流不收斂。5.如權利要求1所述的潮流計算方法，其特征在于，所述步驟(5)包括： (1) 如果UPFC串聯模塊控制方式為:控制線路傳輸的有功功率和無功功率，即C(k) = O， 如果ItuAl < &且4，則將UPFC串聯模塊控制方式改為:控制串聯模塊注 入電壓的幅值和相角，即C*(k) = l;否則不改變UPFC串聯模塊控制方式，C*(k) = 0; 式中：-久表示第k次迭代和第k-1次迭代，串聯模塊首端節點等效注入功率有 功、無功分量差值最大值的絕對值;表示第k次迭代和第k-Ι次迭代，串聯模塊末 端節點等效注入功率有功、無功分量差值最大值的絕對值;es表示功率偏差量切換門檻值， 為預先給定的正常數； (2) 如果UPFC串聯模塊控制方式為:控制串聯模塊注入電壓的幅值和相角，即C(k) = l， 如果|4(i-1-^1|>%且|匕("-〇巧，則將1^(：串聯模塊控制方式改為 :控制線路傳輸的有 功功率和無功功率，即C*(k) = O;否則不改變UPFC串聯模塊控制方式，C*(k) = 1; 式中表示第k次網絡方程求解后，串聯模塊首端節點電壓實部、虛部差值最 大值的絕對值;表示第k次網絡方程求解后，串聯模塊末端節點電壓實部、虛部差 值最大值的絕對值;εν表示節點電壓變化量切換門檻值，為預先給定的正常數。
【文檔編號】H02J3/18GK106026120SQ201610439649
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】王毅, 董毅峰, 李海峰, 侯俊賢, 李鵬, 鄒燕, 劉林, 王鐵柱, 孫大雁, 王虹富, 仲悟之, 湯涌, 宋新立, 劉濤, 葉曉暉, 張志強, 劉燕嘉
【申請人】中國電力科學研究院, 國家電網公司, 國網江蘇省電力公司