一种输电线路三相不平衡补偿方法

摘要

本发明涉及一种输电线路三相不平衡补偿方法，该方法通过统一潮流控制器UPFC实现输电线路的三相不平衡补偿，所述的统一潮流控制器UPFC包括相互连接的并联侧换流器和串联侧换流器，所述并联侧换流器通过并联变压器接入输电线路的送端母线S，所述串联侧换流器通过串联变压器接入输电线路的受端母线R，包括以下步骤：S1、判断输电线路三相是否均连接负载，若是，则执行步骤S2，若否，则执行步骤S3；S2、利用统一潮流控制器的串联侧换流器和串联变压器，进行串联侧三相不平衡补偿；S3、利用统一潮流控制器的并联侧换流器和并联变压器，进行并联侧三相不平衡补偿，与现有技术相比，本发明具有灵活性高、资源利用率高等优点。

权利要求

1.一种输电线路三相不平衡补偿方法，该方法通过统一潮流控制器UPFC实现输电线路的三相不平衡补偿，所述的统一潮流控制器UPFC包括相互连接的并联侧换流器和串联侧换流器，所述并联侧换流器通过并联变压器接入输电线路的送端母线S，所述串联侧换流器通过串联变压器接入输电线路的受端母线R，其特征在于，包括以下步骤：S1、判断输电线路三相是否均连接负载，若是，则执行步骤S2，若否，则执行步骤S3；

S2、利用统一潮流控制器的串联侧换流器和串联变压器，进行串联侧三相不平衡补偿；

S3、利用统一潮流控制器的并联侧换流器和并联变压器，进行并联侧三相不平衡补偿；

所述的并联侧电压补偿包括以下步骤：

101)建立并联侧换流器的正序控制系统和负序控制系统，所述的正序控制系统通过控制电流的正序有功分量和正序无功分量，控制交流母线电压和注入无功功率；

102)并联侧换流器正序控制系统控制交流母线电压和注入无功功率；

103)并联侧换流器产生负序电流；

104)负序电流通过并联变压器并联接入输电线路；

105)并联侧换流器负序控制系统控制负序电流用于抵消输电线路三相不平衡时所产生的负序电流分量；

106)送端母线S输出等效三相对称电流。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路三相不平衡补偿方法，其特征在于，所述的并联侧换流器采用内外环双闭环PI控制器。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路三相不平衡补偿方法，其特征在于，所述的串联侧电压补偿包括以下步骤：

201)串联侧换流器的正序控制系统和负序控制系统；

202)串联侧换流器正序控制系统控制输入正序参考电流；

203)串联侧换流器负序控制系统控制输入负序参考电流；

204)串联侧换流器输出负序电压；

205)负序电压通过串联变压器串联接入输电线路，抵消受端母线R的电压不平衡分量；

206)送端母线S输出三相平衡电流。

4.根据权利要求3所述的一种输电线路三相不平衡补偿方法，其特征在于，所述的串联侧换流器的正序控制系统为内外环双环控制，所述的串联侧换流器的负序控制系统为内环电流控制。

5.根据权利要求3所述的一种输电线路三相不平衡补偿方法，其特征在于，所述的正序参考电流通过功率外环PI控制得到。

6.根据权利要求3所述的一种输电线路三相不平衡补偿方法，其特征在于，所述的负序参考电流设定为0。

7.根据权利要求1所述的一种输电线路三相不平衡补偿方法，其特征在于，当对不平衡负载直接进行三相不平衡补偿时，采用并联侧补偿；当对不平衡负载传导至上级母线的三相不平衡补偿时，采用串联侧补偿。

说明书

一种输电线路三相不平衡补偿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及城市输配电系统，尤其是涉及一种输电线路三相不平衡补偿方法。

背景技术

[0002] 随着智能电网建设与未来能源互联网建设的快速推进，统一潮流控制器(UPFC)装置作为典型FACTS组件，必将在未来重要负荷中心，如超级现代城市的输配电系统中得到应
用。目前，全世界已有六套UPFC投入工程运行，分别是美国某地区UPFC，容量138kV/320MV·
A；韩国某地区UPFC，容量154kV/80MV·A；美国纽约某地区CSC，容量345kV/200MV·A；南京
西环网UPFC，容量220kV/180MV·A；上海蕴藻浜UPFC，容量220kV/100MV·A；苏州南部电网
UPFC，容量500kV/750MV·A。

[0003] UPFC作为第三代FACTS装置，具有强大而灵活的串、并联补偿与潮流调节控制功能，代表先进电力电子技术在电力系统中的最新应用。采用UPFC可以充分挖掘现有电网潜
力，节省输电走廊，推动电网建设向环境友好型发展。在实际运行中，UPFC仅在潮流重载、枯
水期大负荷等特定条件投入运行，设备利用率较低，如蕰藻浜UPFC运行时间在10％左右，苏
南UPFC运行时间在30％左右。随着电网的加强与发展，可能存在利用率更低的情况。

[0004] 目前UPFC工程主要功能为潮流调节功能，对电网三相不平衡治理的应用较少，没有充分发挥UPFC装置的补偿能力，中国CN201611196987.4公开了一种基于MMC‑UPFC的输电
线路三相不平衡治理方法，该方法通过三相不平衡控制策略在串联变压器侧注入一个可控
的电压到输电系统中去来抵消线路上的不平衡部分，从而实现输电线路上的三相平衡，并
联侧换流器从电网交流侧吸收有功来维持直流侧电压的恒定。该方法解决了输电线路的多
种不平衡问题，提出了一种解决输电线路三相不平衡的通用性方法。

[0005] 但是不同的输电线路，电网等效阻抗和线路阻抗以及并联侧和送端母线S的功率交换量均不相同，同时不同输电线路的负载率也存在区别，有些输电线路三相均连接负载，
而有些输电线路的某一相或两相无负载。在输电线路直接连接负载时，需要对不平衡负载
直接进行补偿，而当不平衡负载传导至上级母线后的三相不平衡补偿，则属于输电网内部
三相不平衡补偿。此时该通用的三相不平衡治理方法将导致由于针对性不强而出现治理效
果不明显，同时面对复杂多变的输电状况，灵活性较低。

发明内容

[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种输电线路三相不平衡补偿方法。

[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0008] 一种输电线路三相不平衡补偿方法，该方法通过统一潮流控制器UPFC实现输电线路的三相不平衡补偿，所述的统一潮流控制器UPFC包括相互连接的并联侧换流器和串联侧
换流器，所述并联侧换流器通过并联变压器接入输电线路的送端母线S，所述串联侧换流器
通过串联变压器接入输电线路的受端母线R，包括以下步骤：

[0009] S1、判断输电线路三相是否均连接负载，若是，则执行步骤S2，若否，则执行步骤S3；

[0010] S2、利用统一潮流控制器的串联侧换流器和串联变压器，进行串联侧三相不平衡补偿；

[0011] S3、利用统一潮流控制器的并联侧换流器和并联变压器，进行并联侧三相不平衡补偿。

[0012] 进一步地，所述的并联侧电压补偿包括以下步骤：

[0013] 101)建立并联侧换流器的正序控制系统和负序控制系统；

[0014] 102)并联侧换流器正序控制系统控制交流母线电压和注入无功功率；

[0015] 103)并联侧换流器产生负序电流；

[0016] 104)负序电流通过并联变压器并联接入输电线路；

[0017] 105)并联侧换流器负序控制系统控制负序电流用于抵消输电线路三相不平衡时所产生的负序电流分量；

[0018] 106)送端母线S输出等效三相对称电流。

[0019] 进一步地，所述的正序控制系统通过控制电流的正序有功分量和正序无功分量，控制交流母线电压和注入无功功率。

[0020] 进一步地，所述的并联侧换流器采用内外环双闭环PI控制器。

[0021] 进一步地，所述的串联侧电压补偿包括以下步骤：

[0022] 201)串联侧换流器的正序控制系统和负序控制系统；

[0023] 202)串联侧换流器正序控制系统控制输入正序参考电流；

[0024] 203)串联侧换流器负序控制系统控制输入负序参考电流；

[0025] 204)串联侧换流器输出负序电压；

[0026] 205)负序电压通过串联变压器串联接入输电线路，抵消受端母线R的电压不平衡分量；

[0027] 206)送端母线S输出三相平衡电流。

[0028] 进一步地，所述的串联侧换流器的正序控制系统为内外环双环控制，所述的串联侧换流器的负序控制系统为内环电流控制。

[0029] 进一步地，所述的正序参考电流通过功率外环PI控制得到。

[0030] 进一步地，所述的负序参考电流设定为0。

[0031] 进一步地，当对不平衡负载直接进行三相不平衡补偿时，采用并联侧补偿；当对不平衡负载传导至上级母线的三相不平衡补偿时，采用串联侧补偿。

[0032] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0033] 1)通过对并联侧三相不平衡补偿和串联侧三相不平衡补偿的研究分析，得到并联侧补偿所需要的补偿量与负载大小存在直接关联，受电网等效阻抗影响更大，更加适用于
对不平衡负载的直接补偿，而串联侧补偿在消除三相不平衡电流时，与线路负载率密切相
关，受电网等效阻抗和线路阻抗的影响较小，不适用于某一相或两相无负载时的情况，因此
本发明通过判断输电线路的负载率，选择性地使用并联侧补偿和串联侧补偿，针对不同情
况的输电线路，调整选择不同的三相不平衡补偿策略，补偿效果更好，针对性地根据不同的
输送电情况，完成最优的三相不平衡补偿；

[0034] 2)通过利用UPFC实现输电线路的三相不平衡补偿，提高UPFC的设备利用率，使得其在实现潮流调节功能的同时，灵活地进行三相不平衡补偿，更好的提升UPFC设备的综合
效益。

附图说明

[0035] 图1为利用UPFC进行三相不平衡补偿示意图；

[0036] 图2为本发明流程示意图；

[0037] 图3为并联侧拓扑结构图；

[0038] 图4并联侧三相不平衡补偿时的控制框图；

[0039] 图5串联侧三相不平衡补偿时的结构框图；

[0040] 图6为实施例中对铁路负载进行并联侧三相不平衡补偿的结果图，其中，图(6a)为负载三相电流，图(6b)为电网三相电流，图(6c)为母线三相电压；

[0041] 图7为实施例中对铁路负载进行串联侧三相不平衡补偿的结果图，其中，图(7a)为补偿前的三相电流波形，图(7b)为补偿后的三相电流波形，图(7c)为补偿后的母线三相电
压。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在
没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

[0043] 实施例

[0044] 当线路各相参数不对称或线路之间存在耦合作用时，线路阻抗三相不对称；负荷的不对称性可以通过负荷阻抗的三相不对称来表示，进一步引起受端母线R电压的三相不
对称；当受端交流系统发生不对称故障时，受端母线R电压会变得三相不平衡。这些问题均
可以导致输电线路电流的三相不平衡。如图1所示，为典型UPFC应用于三相不平衡补偿的方
法，该方法通过统一潮流控制器UPFC实现输电线路的三相不平衡补偿，统一潮流控制器
UPFC包括相互连接的并联侧换流器和串联侧换流器，所述并联侧换流器通过并联变压器接
入输电线路的送端母线S，所述串联侧换流器通过串联变压器接入输电线路的受端母线R。
串联换流器和并联换流器均可参与三相不平衡补偿，目标是通过UPFC的综合补偿，使得受
端母线R处出现的三相不平衡不会传导到送端母线S处，从而使得送端母线S不出现三相电
压不平衡的情况。

[0045] 通过并联侧三相不平衡补偿时，并联侧注入与线路电流中负序分量相等的负序电流，使得送端母线S不需要输出三相不平衡电流，从而达到补偿的效果。并联侧补偿方案的
思路为，向母线注入与线路同等的负序电流分量，使得送端母线S等效输出电流为三相平衡
电流。此时UPFC工作特点为：并联侧处于电压三相平衡，电流三相不平衡输出状态；串联侧
处于电压三相平衡，电流三相不平衡输出状态。并联侧的三相不平衡补偿为电流注入，因此
其补偿能力与电网等效阻抗和线路阻抗密切相关，达到UPFC装置输出极限之前，电网等效
阻抗越大，相同负序电流所产生的负序电压越大，其三相电压不平衡补偿能力越强。UPFC装
置补偿能力与并联侧和送端母线S的功率交换量(即并联侧注入母线的正序电流)有关，达
到UPFC装置输出极限之前，功率交换量越大，正序电流占用的系统容量越大，补偿能力越
弱。同时并联侧补偿方案主要受益方为送端母线S，当UPFC装置串并联侧均运行于三相不平
衡状态，线路以及受端电网运行状态与补偿前不变。

[0046] 通过串联侧三相不平衡补偿时，串联侧输出负序电压，抵消受端母线R处的电压不平衡分量，使得送端母线S输出到线路的电流为三相平衡电流，从而达到补偿效果。串联侧
补偿方案的思路为，在线路中串入相反的负序电压分量，使得线路负序电压为零，从而使线
路电流三相对称。此时UPFC工作特点为：并联侧处于电压三相平衡，电流三相平衡输出状
态；串联侧处于电压三相不平衡，电流三相平衡输出状态。串联侧三相不平衡补偿为电压串
入，其补偿能力与线路负载率密切相关，线路负载越重，所能用于不平衡补偿的容量余额越
小，三相不平衡补偿能力越弱。电网等效阻抗和线路阻抗均为无源元件，通过三相不平衡电
流间接产生三相不平衡电压，而当串联侧补偿消除线路三相不平衡电流时，电网等效阻抗
和线路阻抗将不会对串联侧造成影响，等效阻抗与串联侧补偿能力关联性较弱。

[0047] 因此，并联侧三相不平衡补偿所需要的补偿量与负载大小存在直接关联，受电网等效阻抗影响更大，更加适用于对不平衡负载的直接补偿。而串联侧三相不平衡补偿更适
用于三相均存在负载情况下的补偿，而不适用于某一相或两相无负载时的情况，更适用于
不平衡负载传导至上级母线后，输电网不对称时的补偿工作。

[0048] 当对不平衡负载直接进行三相不平衡补偿时，采用并联侧补偿；当对不平衡负载传导至上级母线的三相不平衡补偿时，采用串联侧补偿。

[0049] 如图2所示，本发明在结合传统UPFC进行三相不平衡补偿方法与上述研究分析后，提供一种输电线路三相不平衡补偿方法，包括以下步骤：

[0050] S1、判断输电线路三相是否均连接负载，若是，则执行步骤S2，若否，则执行步骤S3；

[0051] S2、利用统一潮流控制器的串联侧换流器和串联变压器，进行串联侧三相不平衡补偿；

[0052] S3、利用统一潮流控制器的并联侧换流器和并联变压器，进行并联侧三相不平衡补偿。

[0053] 如图3和图4所示，利用UPFC并联侧换流器进行线路三相不平衡补偿时，注入线路的负序电流由UPFC的并联侧换流器产生并通过并联变压器T1并联接入系统，从而抑制线路
电流的负序分量；建立EL模型的正负序无源滑模控制，正序控制系统通过控制电流i1的正
序有功、无功分量来进行交流母线电压U1控制或注入无功功率控制，同时为UPFC提供恒定
直流电压。负序控制系统通过控制线路三相不平衡时所产生负序电流分量，由MMC‑UPFC并
联侧换流器产生的负序电流来抵消。

[0054] 步骤S3中的并联侧电压补偿包括以下步骤：

[0055] 301)建立并联侧换流器的正序控制系统和负序控制系统，其中，并联侧换流器采用内外环双闭环PI控制器；

[0056] 302)并联侧换流器正序控制系统控制交流母线电压和注入无功功率，正序控制系统通过控制电流的正序有功分量和正序无功分量，控制交流母线电压和注入无功功率；

[0057] 303)并联侧换流器产生负序电流；

[0058] 304)负序电流通过并联变压器并联接入输电线路；

[0059] 305)并联侧换流器负序控制系统控制负序电流用于抵消输电线路三相不平衡时所产生的负序电流分量；

[0060] 306)送端母线S输出等效三相对称电流。

[0061] 本实施例中，模拟铁路负载下，并联侧三相不平衡补偿，220kV电压供电，VV接线，A相和C相负载为15MW，折合为3.2kΩ。B相负载为320kΩ，接近断线状态。此时补偿结果如图
(6a)、图(6b)和图(6c)所示，通过在母线处注入负序电流，能够有效补偿不对称负载为母线
注入的不对称电流，维持母线电压三相平衡。

[0062] 如图5所示，利用UPFC串联侧换流器进行三相不平衡补偿时，具体控制策略为：并联侧换流器的控制策略采用了定直流电压和定交流母线电压控制，串联侧换流器正序参考
电流由功率外环PI控制得到，负序参考电流直接给定为0。

[0063] 步骤S2中，串联侧电压补偿包括以下步骤：

[0064] 201)串联侧换流器的正序控制系统和负序控制系统，其中，串联侧换流器的正序控制系统为内外环双环控制，串联侧换流器的负序控制系统为内环电流控制；

[0065] 202)串联侧换流器正序控制系统控制输入正序参考电流，其中，正序参考电流通过功率外环PI控制得到；

[0066] 203)串联侧换流器负序控制系统控制输入负序参考电流，其中，负序参考电流设定为0；

[0067] 204)串联侧换流器输出负序电压；

[0068] 205)负序电压通过串联变压器串联接入输电线路，抵消受端母线R的电压不平衡分量；

[0069] 206)送端母线S输出三相平衡电流。

[0070] 本实施例中，模拟铁路负载下，串联侧的三相不平衡补偿，220kV电压供电，VV接线，A相负载为1.6kΩ，B相负载为0，C相负载为1.6kΩ。补偿结果如图(7a)、图(7b)和图(7c)
所示，由补偿结果可得，串联三相不平衡补偿能够维持三相电流对称，实现母线三相电压对
称。

[0071] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替
换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利
要求的保护范围为准。