本發(fā)明屬于變壓器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種統(tǒng)一潮流控制器中串聯(lián)變壓器直流偏磁下無(wú)功調(diào)整方案。

背景技術(shù)：

串聯(lián)變壓器作為統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，其網(wǎng)側(cè)繞組串接于輸電線路中，閥側(cè)繞組與換流閥相接。它的作用是基于換流閥輸出的電壓向輸電線路中注入一個(gè)幅值和相角均可控的同頻電壓源，與輸電線路進(jìn)行無(wú)功功率和有功功率的交換，補(bǔ)償輸電線路的電阻性壓降。

由于換流閥中的各相電力電子開(kāi)關(guān)觸發(fā)角度的不精確，會(huì)有直流分量的產(chǎn)生并流入變壓器中，且流入各相繞組中的直流分量的大小和方向可能不同，會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)變壓器三相不對(duì)稱直流偏磁現(xiàn)象的發(fā)生。不對(duì)稱直流偏磁現(xiàn)象主要有三種：1)單相偏磁，只有一相繞組中有直流偏置電流流入；2)兩相偏磁，有兩相繞組中有直流偏置電流流入，且大小和方向都可能不同；3)三相偏磁，三相繞組中都有直流偏置電流流入，且大小和方向可能不同。這種三相不對(duì)稱直流偏磁會(huì)引起各相繞組勵(lì)磁電流不規(guī)則的畸變，從而導(dǎo)致變壓器各相繞組無(wú)功損耗不同程度的增加，增大電壓調(diào)節(jié)的難度。且相對(duì)于由地磁感應(yīng)電流(GIC)和高壓直流輸電(HVDC)引起的直流電流經(jīng)接地中性點(diǎn)流入變壓器而產(chǎn)生的直流偏磁，串聯(lián)變壓器三相不對(duì)稱直流偏磁帶來(lái)的問(wèn)題更復(fù)雜，這為串聯(lián)變壓器實(shí)現(xiàn)電壓的精確調(diào)節(jié)增加了難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種統(tǒng)一潮流控制器中串聯(lián)變壓器直流偏磁下無(wú)功調(diào)整方案，其特征在于，包括：

一種統(tǒng)一潮流控制器對(duì)應(yīng)串聯(lián)變壓器直流偏磁的無(wú)功調(diào)整方案，其特征在于，包括：

步驟1：根據(jù)串聯(lián)變壓器的空間幾何結(jié)構(gòu)，建立串聯(lián)變壓器的磁路模型；

步驟2：考慮渦流效應(yīng)后，鐵磁材料的有效磁導(dǎo)率μ^*用復(fù)數(shù)表示，計(jì)算串聯(lián)變壓器鐵心區(qū)域的非線性磁阻；繞組間漏磁阻和氣隙磁阻用線性磁阻代替；列寫(xiě)磁路方程；

步驟3：結(jié)合串聯(lián)變壓器外部端口的電路列寫(xiě)外部電路方程；建立串聯(lián)變壓器電路與磁路的耦合方程；

步驟4：對(duì)耦合方程進(jìn)行離散化處理；求串聯(lián)變壓器三相不對(duì)稱直流偏磁下的勵(lì)磁電流；

步驟5：對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行諧波分解，得到各次諧波分量；

步驟6：計(jì)算基頻電壓與高頻諧波電流相互作用下產(chǎn)生的無(wú)功功率，疊加計(jì)算得到串聯(lián)變壓器不對(duì)稱直流偏磁狀態(tài)下總的無(wú)功功率；

步驟7：將串聯(lián)變壓器不對(duì)稱直流偏磁狀態(tài)下無(wú)功的變化反饋到換流閥，調(diào)節(jié)輸出的無(wú)功功率，提高電壓調(diào)節(jié)的精度。

所述計(jì)算串聯(lián)變壓器鐵心區(qū)域的非線性磁阻的具體過(guò)程為

式中，d為硅鋼片厚度，μ_r為其相對(duì)的直流磁導(dǎo)率，μ₀為真空磁導(dǎo)率，l為硅鋼片縱向長(zhǎng)度，w為硅鋼片的高度，n為硅鋼片的疊片數(shù)，其中中間變量σ為其電導(dǎo)率，ω為時(shí)諧磁場(chǎng)的角頻率。

串聯(lián)變壓器上下對(duì)稱，只需建立串聯(lián)變壓器上半部分的磁路模型。

施加在串聯(lián)變壓器各相繞組上的直流激勵(lì)的大小和方向是不同的，導(dǎo)致三相不對(duì)稱直流偏磁的發(fā)生。

需要對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行諧波分解，計(jì)算基頻電壓與高頻諧波電流相互作用下產(chǎn)生的瞬時(shí)無(wú)功功率q_1k；

q_1k(t)＝u(t)i_k(t)＝Q_c1kF_c(1,k)+Q_s1kF_s(1,k)

＝Q_c1k{cos[(k-1)ωt]-cos[(k+1)ωt]}+Q_s1k{sin[(k+1)ωt]-sin[(k-1)ωt]}

式中，中間變量Q_c1k＝V₁I_kcosα_k，中間變量Q_s1k＝V₁I_ksinα_k，中間變量F_c(1,k)＝cos[(k-1)ωt]-cos[(k+1)ωt]，中間變量F_s(1,k)＝sin[(k+1)ωt]-sin[(k-1)ωt]，V₁為繞組感應(yīng)電壓u(t)的有效值；

基頻的正弦電壓與k次諧波電流相互作用產(chǎn)生的無(wú)功功率表示為：

k為諧波次數(shù)，I₀為直流分量，I_k為k次諧波電流的幅值，α_k為k次諧波電流的初始角度；

串聯(lián)變壓器不對(duì)稱偏磁下某一相繞組產(chǎn)生的無(wú)功功率：

為感應(yīng)電壓與基頻諧波電流之間的功角；

將a相、b相和c相產(chǎn)生的無(wú)功功率疊加得到串聯(lián)變壓器不對(duì)稱直流偏磁狀態(tài)下的無(wú)功功率。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的一種統(tǒng)一潮流控制器中串聯(lián)變壓器直流偏磁下無(wú)功調(diào)整方案，充分考慮了鐵心和繞組的空間幾何結(jié)構(gòu)，鐵磁材料的渦流效應(yīng)和非線性飽和特性，通過(guò)對(duì)串聯(lián)變壓器直流偏磁狀態(tài)下無(wú)功的計(jì)算，把無(wú)功功率的變化信號(hào)及時(shí)反饋到換流閥，有助于實(shí)現(xiàn)各相電壓的精確調(diào)節(jié)，能準(zhǔn)確地計(jì)算串聯(lián)變壓器不對(duì)稱直流偏磁下和無(wú)功功率，適用性較強(qiáng)，對(duì)于研究不對(duì)稱偏磁對(duì)串聯(lián)變壓器產(chǎn)生的影響，提高電壓調(diào)節(jié)的精度，以及為串聯(lián)變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建議具有積極地意義。

附圖說(shuō)明

圖1為統(tǒng)一潮流控制器中串聯(lián)變壓器直流偏磁下無(wú)功調(diào)整方案的流程圖。

圖2為串聯(lián)變壓器鐵心和繞組的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖2中①為網(wǎng)側(cè)繞組，②為閥側(cè)繞組，③為第三繞組，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分別代表a相，b相和c相的鐵心柱區(qū)域，Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ分別代表a相、b相與c相的邊鐵軛區(qū)域，Ⅶ和Ⅷ分別代表a相與b相和b相與c相之間的中間鐵軛區(qū)域。

圖3為串聯(lián)變壓器的磁路模型。

圖3中F_ak，F(xiàn)_bk和F_ck(k＝1，2，3，分別表示網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)和第三繞組)分別為為a相，b相和c相的磁動(dòng)勢(shì)，和分別為鐵芯不同區(qū)域的磁阻，和為各次繞組間的漏磁阻。

圖4為硅鋼片的渦流效應(yīng)。

圖4中l(wèi)為硅鋼片縱向長(zhǎng)度，w為硅鋼片的高度，d為硅鋼片的厚度，H₀(t)為硅鋼片表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖5為串聯(lián)變壓器發(fā)生不對(duì)稱直流偏磁時(shí)的簡(jiǎn)化電路。

圖5中E_a、E_b和E_c分別為換流閥施加到串聯(lián)變壓器a相，b相和c相閥側(cè)繞組的交流電壓；U_a、U_b和U_c分別為串聯(lián)變壓器a相，b相和c相閥側(cè)繞組的感應(yīng)電壓；U_adc、U_bdc和U_cdc分別為與流入各相閥側(cè)繞組的直流電流等效的直流電壓；R_a，R_b，R_c以及L_a，L_b，L_c分別為各相繞組內(nèi)阻以及線路電感；I_a，I_b和I_c分別為流入各相閥側(cè)繞組的電流；R為中性點(diǎn)的接地電阻。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種統(tǒng)一潮流控制器中串聯(lián)變壓器直流偏磁下無(wú)功調(diào)整方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1給出了統(tǒng)一潮流控制器對(duì)應(yīng)串聯(lián)變壓器直流偏磁的無(wú)功調(diào)整方案的流程圖，具體包括：

步驟1：根據(jù)串聯(lián)變壓器的空間幾何結(jié)構(gòu)，建立串聯(lián)變壓器的磁路模型；

步驟2：考慮渦流效應(yīng)后，鐵磁材料的有效磁導(dǎo)率μ^*用復(fù)數(shù)來(lái)表示，如式(1)，

式中，μ_r為其相對(duì)的直流磁導(dǎo)率，μ₀為真空磁導(dǎo)率，其中

式中，d為硅鋼片厚度，σ為其電導(dǎo)率，ω為時(shí)諧磁場(chǎng)的角頻率。

計(jì)算鐵芯和繞組不同區(qū)域的磁阻，鐵心區(qū)域的磁阻可以表示為：

式中，l為硅鋼片縱向長(zhǎng)度，w為硅鋼片的高度，n為硅鋼片的疊片數(shù)。

不同繞組間漏磁阻和氣隙磁阻可以表示為：

式中，S為繞組區(qū)域和氣隙區(qū)域的橫截面面積。

步驟3：計(jì)算不同區(qū)域鐵心和繞組的磁阻，建立串聯(lián)變壓器等效的磁路模型，列寫(xiě)磁路方程：

式中，B₁和B₁^T為放電線圈等效磁路的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣及其轉(zhuǎn)置矩陣，B₂為放電線圈等效磁路繞組的關(guān)聯(lián)矩陣，Y_m為等效磁路的節(jié)點(diǎn)磁導(dǎo)納矩陣F_n、F_b分別為等效磁路的節(jié)點(diǎn)和支路磁位列向量,Ф_S為繞組所在支路磁通列向量，Ф_b為支路磁通列向量，I_c為繞組電流矩陣，G為單位陣。

結(jié)合串聯(lián)變壓器外部端口的電路列寫(xiě)外部電路方程。若外部電路中含有電感元件，其積分形式如式(6)，采用θ積分法(0≤θ≤1)，對(duì)式(6)進(jìn)行離散化處理，電感可以用一個(gè)等效電阻R_L和一個(gè)與上一時(shí)刻電感的電壓和電流相關(guān)的等效歷史電流源I_h并聯(lián)來(lái)表示，如式(7):

那么，式(5)可以轉(zhuǎn)化為：

式中，A₁和A₁^T分別為變壓器外部電路的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納關(guān)聯(lián)矩陣及其轉(zhuǎn)置矩陣，A₂為等效歷史電流源節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣，A₃為繞組節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣，Y_e為外部電路的支路導(dǎo)納矩陣，U_n為t時(shí)刻外部電路節(jié)點(diǎn)電位列向量，U_s為激勵(lì)列向量(包含交流激勵(lì)和直流偏磁分量)，I_h為t時(shí)刻各元件時(shí)域模型對(duì)應(yīng)的歷史電流源節(jié)點(diǎn)列向量。

串聯(lián)變壓器電路與磁路的耦合方程為：

A₃^TU_n＝NdΦ_S/dt (9)

式中N為繞組的匝數(shù)矩陣，A₃^T為A₃的轉(zhuǎn)置矩陣。采用θ積分法，對(duì)式(9)進(jìn)行離散化處理，得到

步驟4：選擇合適的積分參數(shù)θ，聯(lián)立方程(5)、(8)和(10)，采用牛頓-拉夫遜法進(jìn)行迭代計(jì)算，求得串聯(lián)變壓器三相不對(duì)稱直流偏磁下的勵(lì)磁電流。

步驟5：對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行諧波分解，得到各次諧波分量

式中，k為諧波次數(shù)，I₀為直流分量，I_k為k次諧波電流的幅值，α_k為k次諧波電流的初始角度。

步驟6：繞組的感應(yīng)電壓為基頻的正弦電壓，其與k(k為大于1的整數(shù))次諧波電流間的瞬態(tài)無(wú)功功率q_1k表示為：

式中Q_c1k＝V₁I_kcosα_k，Q_s1k＝V₁I_ksinα_k，V₁為感應(yīng)電壓u(t)的有效值。那么基頻的正弦電壓與k次諧波電流相互作用產(chǎn)生的無(wú)功功率可以表示為：

串聯(lián)變壓器直流偏磁狀態(tài)下某一相產(chǎn)生的無(wú)功功率可以寫(xiě)為：

式中，為感應(yīng)電壓與基頻諧波電流之間的功角。將a相、b相和c相產(chǎn)生的無(wú)功功率疊加即可獲得串聯(lián)變壓器不對(duì)稱直流偏磁狀態(tài)下的無(wú)功功率。

步驟7：將串聯(lián)變壓器不對(duì)稱直流偏磁狀態(tài)下無(wú)功的變化反饋到換流閥，調(diào)節(jié)輸出的無(wú)功功率，提高電壓調(diào)節(jié)的精度。

結(jié)合圖2中串聯(lián)變壓器鐵芯和繞組的幾何結(jié)構(gòu)，將其劃分為不同的區(qū)域；

由于串聯(lián)變壓器上下對(duì)稱，取其上半部分建立如圖3所示的串聯(lián)變壓器的等效磁路模型。

結(jié)合圖4，考慮渦流效應(yīng)后，鐵磁材料采用式(1)中的有效磁導(dǎo)率μ*，根據(jù)式(3)計(jì)算串聯(lián)變壓器鐵心不同區(qū)域的非線性磁阻。繞組間漏磁阻和氣隙磁阻采用式(4)計(jì)算得到。結(jié)合圖(3)得到如式(5)的磁路方程。

由串聯(lián)變壓器空載情況下發(fā)生不對(duì)稱直流偏磁時(shí)外部端口的簡(jiǎn)化電路，如圖5，列寫(xiě)其外部電路方程：

式中，U₀為閥側(cè)繞組中性點(diǎn)的電壓，U_a3、U_b3和U_c3分別為a相、b相和c相第三繞組的感應(yīng)電壓，r為第三繞組的內(nèi)阻，I_abc為流入第三繞組的電流。

根據(jù)式(15)的外部電路方程可以得到如式(8)的矩陣方程。

選擇合適的積分參數(shù)θ，聯(lián)立方程(5)、(8)和(10)，采用牛頓-拉夫遜法進(jìn)行迭代計(jì)算，求得串聯(lián)變壓器三相不對(duì)稱直流偏磁下的勵(lì)磁電流。

在得到串聯(lián)變壓器不對(duì)稱直流偏磁下的勵(lì)磁電流后，按照式(11)對(duì)其進(jìn)行諧波分解，結(jié)合式(14)計(jì)算某一相繞組在偏磁狀態(tài)下的無(wú)功功率，繞后將a相、b相和c相產(chǎn)生的無(wú)功功率疊加即可獲得串聯(lián)變壓器不對(duì)稱直流偏磁狀態(tài)下的無(wú)功功率；得到串聯(lián)變壓器偏磁狀態(tài)下無(wú)功功率的變化情況后，將信號(hào)反饋到換流閥，通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功功率的輸出來(lái)提高電壓調(diào)節(jié)的精度。

所描述的實(shí)施例僅是本申請(qǐng)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本申請(qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。