MMC-UPFC交叉解耦控制策略研究綜述

費駿韜，羅珊珊

（江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

MMC-UPFC交叉解耦控制策略研究綜述

費駿韜，羅珊珊

（江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

介紹了模塊化多電平-統(tǒng)一潮流控制器（MMC-UPFC）的基本結構，從3個方面歸納了MMC-UPFC交叉解耦控制策略的研究進展：傳統(tǒng)的MMC-UPFC交叉解耦控制策略、結合了智能算法的交叉解耦控制策略以及基于狀態(tài)反饋的控制策略最后，并比較了這3種控制策略的特點以及優(yōu)劣，總結了交叉解耦過程需要解決的問題。

MMC-UPFC；控制策略；交叉解耦；智能算法；狀態(tài)反饋

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是功能最為全面、系統(tǒng)潮流調(diào)節(jié)能力最為靈活的柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）元件［1］。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴大，對于接入FACTS裝置的容量和可靠性有更高的要求，傳統(tǒng)的UPFC裝置無法滿足現(xiàn)實情況下的運行需要。模塊化多電平技術（MMC）以其特殊結構和技術優(yōu)勢，滿足了系統(tǒng)對大容量、高功率和高可靠性的需求［2］。然而，MMC-UPFC是一個強耦合、多變量的FACTS元件，而且具有多種補償功能，其控制策略復雜且多樣，有必要對其進行整理從而在實際應用中可以根據(jù)需要選擇最合適的控制方案。

1　 MMC-UPFC基本結構

世界上第一臺UPFC裝置是美國電力公司（APE）、西屋公司（WESTING HOUSE）以及美國電力科學研究院（EPRI）于1998年在KENTUCKY東部的INZE變電站138 kV高壓輸電線路上安裝投運的［3］，其串聯(lián)部分為同步靜止串聯(lián)補償器（SSSC），并聯(lián)部分為靜止同步補償器（STATCOM）。近年來，UPFC的基本結構得到了統(tǒng)一，其結構如圖1所示。

圖1 UPFC結構

該裝置將1臺并聯(lián)換流器通過并聯(lián)變壓器與線路連接，另1臺為串聯(lián)換流器，通過串聯(lián)變壓器與線路連接，2臺換流器通過兩條直流母線背靠背連接，實現(xiàn)對線路潮流的控制［4］。其中，并聯(lián)換流器相當于一個受控電流源，向線路注入幅值可控的無功電流以實現(xiàn)無功補償，同時與系統(tǒng)進行有功交換，維持直流母線的電壓；串聯(lián)換流器相當于受控電壓源，通過控制傳入線路的電壓幅值以及相角來調(diào)節(jié)線路的潮流。

UPFC的換流器拓撲大致可分為三類：兩電平電壓源換流器（VSC）、多電平VSC以及MMC。從性能上看，兩電平VSC諧波大、換流器控制復雜、損耗大、體積大，但容量小且串聯(lián)技術難度大，需要耦合變壓器提高容量；多電平VSC體積大，可關斷器件串聯(lián)控制及電容均壓控制較為復雜，工程應用中通常不超過5個電平，需要耦合電壓器或者開關器件串聯(lián)技術提高容量。而MMC除了控制較為復雜外，體積較小，諧波小，損耗低，且使用模塊化設計，易于擴展。因此，通過MMC技術可更方便地實現(xiàn)對UPFC裝置擴容需求。

應用MMC技術使UPFC設備具有更強的系統(tǒng)潮流調(diào)節(jié)能力，其單側結構圖如圖2所示，MMC子模塊結構如圖3所示。

圖2 MMC-UPFC單側結構

圖3 MMC子模塊結構

2　 MMC-UPFC交叉解耦控制策略研究

傳統(tǒng)的UPFC控制方法有幅相控制和基于同步轉(zhuǎn)軸dq坐標系控制。由于UPFC設備的強耦合特性，目前工程應用較多的是基于同步轉(zhuǎn)軸dq坐標系控制。在此基礎上，控制方法又通常存在交叉耦合控制策略、交叉解耦控制策略以及協(xié)調(diào)控制策略?？紤]交叉解耦控制應用的廣泛性，針對解耦過程中的問題出現(xiàn)了多種控制方式，文中對交叉解耦控制進行進一步研究。

2.1傳統(tǒng)交叉解耦控制策略

在UPFC控制策略研究初期，出現(xiàn)了多種控制方式，然而實驗效果并不理想。隨著不斷研究，交叉解耦控制策略得到了廣泛認可。文獻［5］利用瞬時功率理論，建立了控制系統(tǒng)dq坐標系下的動態(tài)模型，對并聯(lián)換流器和串聯(lián)換流器分別進行控制。

對MMC-UPFC建立合理的動態(tài)模型是對其進行控制策略研究的基礎。根據(jù)圖2及圖3可以得到三相靜止坐標系下MMC-UPFC的數(shù)學模型，但是由于其交流側均為時變的交流量，不利于進行解耦控制。因此利用帕克變換將三相靜止坐標系轉(zhuǎn)換成為以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標系下的數(shù)學模型，即：

式中：UShd，UShq表示并聯(lián)側電壓；Uld，Ulq表示線路電壓；ilq，ild表示線路電流；ω，LSh表示并聯(lián)側電感；iShq，iShd表示并聯(lián)電流；USed，USeq表示串聯(lián)側電壓；LSe表示串聯(lián)側阻抗；iSeLd，iSeLq表示串聯(lián)側電流；U12d，U12q表示串聯(lián)變壓器電壓；CSe表示串聯(lián)側電容；U2d，U2q表示線路電壓；LR表示母線阻抗；URd，URq表示母線電壓。

對并聯(lián)側換流器采用雙環(huán)解耦控制，分別控制直流母線電壓和MMC-UPFC輸入端節(jié)點；對串聯(lián)側換流器采用三環(huán)解耦控制，由外向內(nèi)分別為功率環(huán)、電壓環(huán)和電流環(huán)［6，7］。

（1）串聯(lián)側換流器解耦控制策略。針對串聯(lián)側控制策略，首先研究其功率外環(huán)解耦方法，將潮流指令值轉(zhuǎn)化為電流指令值，通過給定的有功和無功指令值建立串聯(lián)補償電壓到受端電源的方程，經(jīng)過等量dq變換后得到狀態(tài)方程，而后基于PI控制實現(xiàn)。在控制功率外環(huán)的過程中，根據(jù)瞬時功率理論可以得到傳輸線路上的有功和無功功率：

式中：Pline表示線路有功功率；Qline表示線路無功功率。電壓內(nèi)環(huán)直接采用PI控制即可得到電流內(nèi)環(huán)的指令值。電流內(nèi)環(huán)也在得到非線性狀態(tài)方程的基礎上直接通過PI控制閥進行控制。

由于串聯(lián)側換流器電壓控制環(huán)控制的對象為線路電壓，結合式（4）、（5）可得串聯(lián)換流器交叉解耦控制框圖如圖4所示。

圖4串聯(lián)換流器交叉解耦控制

（2）并聯(lián)側換流器解耦控制策略。針對并聯(lián)側，可以建立起和串聯(lián)側電流內(nèi)環(huán)一樣的方程，建立相似的狀態(tài)方程，實現(xiàn)PI控制。由于其采用雙環(huán)控制，內(nèi)部控制結構相較串聯(lián)側換流器更簡單，分為內(nèi)外環(huán)控制，其控制策略結構如圖5所示。

圖5并聯(lián)換流器解耦控制策略

相較于其他的控制方法，交叉解耦方法可以較好地實現(xiàn)對UPFC系統(tǒng)的解耦控制，實現(xiàn)對線路潮流的穩(wěn)定控制。但是其參數(shù)適用范圍有限，而且控制器的反饋系數(shù)包含線路阻抗值，導致其魯棒性不強，當線路參數(shù)改變的時候就需要相應地改變控制器的參數(shù)。

2.2結合智能算法的傳統(tǒng)交叉解耦控制策略

在以上傳統(tǒng)的控制策略研究之外，傅仲佳、袁旺等學者還對智能算法在UPFC控制策略中的應用進行了研究和嘗試。

文獻［8］設計了基于模糊算法和遺傳算法的UPFC控制器。文獻在傳統(tǒng)PI控制的基礎上，基于模糊控制理論設計模糊算法PI控制器，它用語言變量描述系統(tǒng)特征，根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)信息和模糊控制規(guī)則進行推理從而獲得合適的控制量。這種算法適應性好，抗干擾能力強，魯棒性好，但是其控制精度不高。

在此基礎上，為了提高精度，文獻研究了基于遺傳算法的控制策略?；谀：齈I控制法的控制器中，量化因子和比例因子對系統(tǒng)的控制精度影響很大。而模糊控制法中由經(jīng)驗公式確定且是定值，當控制過程比較復雜時該定值無法達到預期的效果。因此，考慮采用遺傳算法對基于模糊算法的控制器進行優(yōu)化［9，10］。在模糊控制器的基礎上，使用遺傳算法以系統(tǒng)的性能指標為評價標準，通過遺傳算法計算得到量化因子和比例因子的最優(yōu)解，從而減少了主觀因素對系統(tǒng)控制帶來的影響，提高了控制過程的客觀性。

文獻［11］采用了將遺傳算法應用到PID控制的策略中，其控制如圖6所示。UPFC是具有2個輸入和輸出且強耦合的雙變量系統(tǒng)。在實際運行過程中由于電抗的不確定性導致控制解耦過程不能保證精確，從而無法得到精確的有、無功值。通過在PID控制器中加入神經(jīng)網(wǎng)絡算法，將采集到的量經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡處理后輸出，得到較為精確的值，提高了UPFC控制的準確度，通過仿真也驗證了該方法的有效性。

圖6結合遺傳算法的PID控制

總的來說，智能算法獨立應用于UPFC控制時效果不理想，存在計算速度慢，計算結果偏差大的問題。當智能算法與傳統(tǒng)經(jīng)典算法結合后可有效地提高UPFC控制的精確性和魯棒性。但仍然存在一定的局限性。

2.3引入反饋線性化方法的交叉解耦控制

針對傳統(tǒng)交叉解耦控制策略魯棒性較差的問題，文獻［12］將反饋線性化和變結構控制方法應用在非線性系統(tǒng)的交叉解耦控制方法中。其基本思路是首先通過反饋線性化方法對非線性系統(tǒng)進行解耦，然后引入變結構控制方法，對并聯(lián)側和串聯(lián)側分別設計控制器。

特別的，串聯(lián)側控制器包括功率外環(huán)、電壓內(nèi)環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。針對功率外環(huán)，在得到系統(tǒng)控制方程的基礎上，為增強魯棒性，引入反饋線性方法進行解耦。選取狀態(tài)變量輸入變量以及輸出變量代入原方程中，通過計算驗證其向量相對階等于系統(tǒng)階數(shù)，使系統(tǒng)實現(xiàn)精確反饋線性化，系統(tǒng)實現(xiàn)解耦的同時降階為一階線性系統(tǒng)，對其控制成為典型的跟蹤問題，同時可得到子系統(tǒng)滑模控制率為：

式中：Sat（s）表示飽和函數(shù)。至此，可以得到功率外環(huán)的控制輸出：

通過引入變結構控制方法優(yōu)化傳統(tǒng)交叉解耦控制魯棒性弱的問題。針對電壓內(nèi)環(huán)，由于其沒有三相全橋拓撲中濾波電容參數(shù)設定對控制性能的影響，因此采用PI控制對其實現(xiàn)控制。針對電流內(nèi)環(huán)，其輸出電壓方程經(jīng)dq變換后為非線性方程，采用與功率外環(huán)類似的設計思路，采用反饋線性化解耦后利用變結構控制方法設計控制器［10］。

同時，并聯(lián)側的控制目標是穩(wěn)定直流側的母線電壓并提供無功補償。其控制方程與串聯(lián)側電流內(nèi)環(huán)形式相同，因此也采用類似的方法，首先采用反饋線性化實現(xiàn)系統(tǒng)解耦以及非線性系統(tǒng)的線性化，接著采用指數(shù)趨近律設計控制器，實現(xiàn)對并聯(lián)側換流器的控制。

反饋線性化控制結構如圖7所示。通過采用反饋線性化方法，在保證控制系統(tǒng)快速性和解耦性的同時，也大大提高了系統(tǒng)的魯棒性。

圖7反饋線性化控制策略

2.4各類交叉解耦控制策略效果對比

在實際工程應用中，交叉解耦控制策略被廣泛的用于UPFC潮流控制中。通過原理分析可以知道，在MMC-UPFC潮流控制中，相對于其他控制方法，其也具有明顯優(yōu)勢。然而，針對傳統(tǒng)交叉解耦控制策略解耦不完全的問題，在原有控制策略的基礎上通過對控制量及變量附加一些額外的控制模塊，進一步優(yōu)化了控制效果。

典型的控制策略如前文所述，在控制效果上，引入反饋線性化方法的交叉解耦控制策略控制速度最快，解耦最完全，同時魯棒性也最好；結合智能算法的交叉解耦控制策略一定程度上解決了解耦不完全的問題，但是這種控制策略運算速度慢，在實際應用中可能會因為速度太慢、控制結果不穩(wěn)定造成線路故障。總的來說，反饋線性化方法在工程應用中有較好地應用前景。

3　結束語

MMC-UPFC的拓撲結構統(tǒng)一，其數(shù)學模型建立研究較為成熟，在控制策略研究方面也進行了廣泛的研究。文中主要介紹了MMC-UPFC交叉解耦控制策略研究現(xiàn)狀，包括：傳統(tǒng)的交叉解耦控制策略，包括PI控制和PID控制；結合智能算法的傳統(tǒng)交叉解耦控制策略以及其它非線性控制方法。從控制效果來看，引入反饋線性化方法的交叉解耦控制策略效果最優(yōu)，其控制速度快，精度高，魯棒性好，但精確的解耦算法對電感參數(shù)的依賴較強，也是該方法工程實現(xiàn)的難點。在計算機技術及電力電子技術不斷發(fā)展的過程中會出現(xiàn)更好的控制策略。

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Review of MMC-UPFC Cross Decoupling Control Strategy

FEI Juntao，LUO Shanshan
（Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

Firstly，this paper introduces the basic structure of MMC-UPFC，and then summarizes the research progress of cross decoupling control strategy of MMC-UPFC from three aspects:the traditional MMC-UPFC cross decoupling control strategy，control strategy combined with intelligent algorithm and control strategy based on state feedback.At last，this paper compares the characteristics of the three kinds of control strategies and summarizes the problems should be solved during cross decoupling.

MMC-UPFC；control strategy；cross decoupling；intelligent algorithm；state feedback

TM761

B

1009-0665（2016）01-0045-04

2015-10-16；

2015-12-01

費駿韜（1990），男，江蘇常州人，碩士，從事電能質(zhì)量及配電自動化方面研究工作；

羅珊珊（1988），女，河南商丘人，碩士，從事電能質(zhì)量及配電自動化方面研究工作。