UPFC無功潮流控制引起負交互影響的解決方法

劉 青，馬 朋，鄒家平

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UPFC無功潮流控制引起負交互影響的解決方法

劉 青1，馬 朋1，鄒家平2

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，河北保定 071003；2.廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東臺山 529228)

針對UPFC內(nèi)部多個SISO控制器單獨運行效果良好，但聯(lián)合運行時各控制器間存在負交互影響的問題，對UPFC各控制器間的工作關(guān)系進行了詳細分析。結(jié)果表明，無功潮流控制引起的負交互影響程度與有功、無功控制器間的耦合程度有關(guān)。根據(jù)負交互影響存在的原因，應用分層結(jié)構(gòu)設計了潮流解耦控制器，其中外層控制為內(nèi)層控制提供參考信號，內(nèi)層控制應用解耦控制策略來實現(xiàn)有功、無功解耦的功能。利用PSCAD建立了UPFC的動態(tài)模型，比較分別采用以有功、無功電壓為控制目標的常規(guī)潮流控制器及潮流解耦控制器時的仿真結(jié)果。驗證了潮流解耦控制器的優(yōu)越性，可有效解決無功潮流調(diào)節(jié)時與其他控制器間的負交互影響問題。

UPFC；負交互影響；耦合程度；潮流解耦控制器；PSCAD

0 引言

FACTS(Flexible AC Transmission Systems)設備一般有多個輸入、輸出量。有時單個或多個輸入量會影響單個或一系列輸出量。若這種交互影響增強了控制效果，即稱為正交互影響；若這種交互影響弱化了控制效果甚至使系統(tǒng)失穩(wěn)，即稱為負交互影響。而統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)作為迄今為止通用性最好的FACTS裝置，其內(nèi)部包含多個實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、潮流控制等不同功能的SISO控制器，這些控制器單獨運行效果良好，但聯(lián)合運行時各控制器間存在負交互影響，嚴重時會導致閉環(huán)系統(tǒng)失去穩(wěn)定[1]。

UPFC的串聯(lián)側(cè)變流器在潮流調(diào)節(jié)工作模式下，常規(guī)潮流控制策略大致分為將控制目標轉(zhuǎn)化為有功、無功電流值或轉(zhuǎn)化為有功、無功電壓值兩種方法[2-3]，且均基于本地測量量進行設計，有一定的局限性。目前文獻中采用的UPFC交互影響分析方法[4]，例如基于規(guī)范形的方法、相對增益矩陣法等，僅能根據(jù)所選交互指標分析出控制器間負交互的程度，并未分析出交互影響存在的根本原因。在解決UPFC各控制器間交互影響方面，多目標粒子群優(yōu)化算法，變參數(shù)設計方等[5-6]法均從調(diào)整UPFC中多個控制器的參數(shù)入手來減小控制器間產(chǎn)生的負交互影響，但仍存在控制器參數(shù)調(diào)整對消除交互影響不理想的情況，故UPFC各控制器間負交互影響的解決方法仍有待進一步研究。

本文從UPFC各控制器的工作原理著手，詳細分析了各控制器間的關(guān)系，表明無功潮流控制引起的負交互影響程度與串聯(lián)側(cè)有功、無功控制器的耦合程度有關(guān)；進而采用分層結(jié)構(gòu)設計了潮流解耦控制器；最后，與以有功、無功電壓為控制目標的常規(guī)潮流控制器進行對比，仿真驗證了潮流解耦控制器的優(yōu)越性，此方法可有效解決無功潮流調(diào)節(jié)時與其他控制器間的負交互影響問題。

1 ?UPFC內(nèi)部控制器間交互影響理論分析

1.1 UPFC工作的基本原理

UPFC的工作原理如圖1所示。UPFC主要由兩個變流器VSC1、VSC2構(gòu)成，兩者通過直流電容連接成背靠背的形式，每個變流器都可與交流系統(tǒng)交換無功功率。UPFC實現(xiàn)潮流控制的矢量圖如圖2所示。VSC2注入電壓矢量的幅值和相位角都是可控的，圓形區(qū)域即為線路可獲得潮流補償?shù)膮^(qū)域。

圖1 UPFC工作原理

圖2 UPFC實現(xiàn)潮流控制功能

UPFC同時具備STATCOM和SSSC的特點，具有獨立控制有功功率、無功功率及電壓的功能，UPFC可以根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇不同功能的組合作為其控制目標。

1.2 UPFC內(nèi)控制器間交互影響關(guān)系分析

1.2.1 UPFC并聯(lián)側(cè)線路輸送功率

如果VSC1容量足夠，能夠維持母線電壓為，則由式(1)知線路能輸送的有功功率為

(3)

VSC1注入的無功功率為

(5)

將式(5)代入式(1)，線路輸送的有功功率為

VSC1通過向系統(tǒng)注入式(4)所示的無功功率，對母線節(jié)點電壓的幅值進行調(diào)節(jié)，的變化量隨極性、大小的改變呈正比變化。

1.2.2 UPFC串聯(lián)側(cè)線路輸送功率

其中

(8)

(10)

將式(8)~式(10)代入式(7)，得

(12)

1.2.3直流電容傳輸?shù)墓β?/p>

(13)

1.2.4 UPFC各控制器控制變量間的關(guān)系

電壓型變流器的交流側(cè)瞬時功率等于直流側(cè)瞬時功率，且VSC2調(diào)整線路所需有功功率由VSC1側(cè)提供，VSC1、VSC2及直流電容的工作關(guān)系可由式(6)、式(11)、式(13)得

即

(15)

由上述分析可知：

(1)?由式(11)、式(15)可看出，VSC2調(diào)節(jié)線路有功潮流會對UPFC連接母線節(jié)點電壓及電容電壓帶來影響；

(2)?UPFC的連接電容dc僅能傳輸有功功率，故VSC2調(diào)節(jié)線路無功潮流與UPFC連接母線節(jié)點電壓及電容電壓無直接聯(lián)系，但由式(11)、式(12)知，、均為和的函數(shù)，兩者間存在耦合，當變化，、會改變，值也會相應改變，由式(15)知，若影響增大，會導致VSC1注入無功電流增大，進而引起母線電壓變大，同時電容電壓也會變大，當影響減小，變化規(guī)律與上述相反。故變化會引起、變化，即UPFC中潮流控制器根據(jù)系統(tǒng)需要進行無功調(diào)節(jié)，會給其他控制器帶來影響，而交互影響程度與有功、無功控制的耦合程度有關(guān)。

2 ?負交互影響的解決方法

2.1 無功潮流控制引起負交互影響的解決方法

以有功、無功電壓為控制目標的常規(guī)潮流控制器，將VSC2的輸出電壓分解為與首端電壓同相的分量和垂直的分量，可通過分別調(diào)整p和q的大小，來控制線路上的和。而、無法達到式(11)、式(12)中將有功、無功潮流控制分量完全分離，兩者之間存在耦合，耦合越重，控制器間交互影響程度越深。關(guān)于將控制目標轉(zhuǎn)化為有功、無功電壓值的常規(guī)潮流控制器，文獻[3]中已進行了詳細描述，此處不再贅述。

2.2 潮流解耦控制器的設計

將潮流解耦控制器分內(nèi)、外兩層來進行設計。外層控制為內(nèi)層控制提供參考值；內(nèi)層控制將控制目標轉(zhuǎn)化為以為參考的有功、無功電壓值，不局限于本地測量量，且利于實現(xiàn)有功、無功的解耦。分層控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分層控制結(jié)構(gòu)

Fig. 3 Structure of hierarchical control

(1)?外層控制根據(jù)UPFC的運行狀態(tài)，利用含UPFC的潮流計算[10]確定系統(tǒng)所期望的、，進而計算出、的設定值，為內(nèi)層控制提供該運行模式的參考跟蹤信號及；

2.2.1 外層控制

外層控制策略如圖4所示，根據(jù)實時采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)潮流計算或根據(jù)上級調(diào)度部門指令，得到線路需要實時調(diào)節(jié)的系統(tǒng)潮流、，根據(jù)式(11)、式(12)計算VSC2需注入的有功、無功電壓和(即，)為內(nèi)層控制提供參考信號。但需注意，UPFC的潮流控制和電壓控制，必須受電力系統(tǒng)穩(wěn)定性約束，只能是有限范圍內(nèi)的控制。

圖4 外層控制策略

2.2.2 內(nèi)層解耦控制

圖5 內(nèi)層解耦控制策略

3 ?仿真分析與驗證

3.1 UPFC仿真模型

利用PSCAD建立的含UPFC的220 kV雙電源仿真系統(tǒng)如圖6所示，UPFC中，并聯(lián)側(cè)T1變比為220 kV/20 kV，容量為100 MVA，接法；串聯(lián)側(cè)T2變比為20 kV/220 kV，容量為100 MVA，直流側(cè)電容；輸電線路長度為200?km，線路參數(shù)為l=2=0.035?744+j0.507?762W/km，0= 0.363?152+j1.326?473W/km。

圖6 含UPFC的雙機系統(tǒng)

仿真中，根據(jù)線路功率初始值得到的參考值為：pref=0.2?p.u.，qref=0.1?p.u.，acref=1.0?p.u.，dcref=25 kV。應用文獻[13]中遺傳算法優(yōu)化PID控制器參數(shù)的方法，對PI控制器參數(shù)進行設置，以保證不會因為PI控制器參數(shù)不合理造成控制器運行不穩(wěn)定，由于本文中只用到了PI控制器，故認為D為0，各PI控制器的參數(shù)如表1所示。

表1 各PI控制器的參數(shù)

3.2 UPFC應用兩種潮流控制器的仿真分析

UPFC分別采用文獻[4]中的常規(guī)潮流控制器及本文所設計潮流解耦控制器，串、并聯(lián)側(cè)控制器全部閉環(huán)運行，對輸電線路無功潮流進行調(diào)整控制。

仿真中的擾動設定：

(a)?小擾動，無功電壓的參考值qref從0.1?p.u.調(diào)到0.4 p.u.，其他控制器參考值不變；

(b)?大擾動，無功電壓的參考值qref從0.1?p.u.調(diào)到0.7 p.u.，其他控制器參考值不變。

小擾動情況下，仿真結(jié)果對比如圖7所示。

圖7 小擾動情況下兩種控制器仿真對比

仿真開始0.5?s后系統(tǒng)穩(wěn)定運行，母線電壓幅值為0.97 p.u.，電容電壓維持參考值25?kV，有功電壓為44 kV，3?s時，應用常規(guī)潮流控制器的母線電壓驟降到0.862 p.u.，電容電壓驟降到14.09 kV，有功電壓驟降到32.25 kV，隨后三者均進行衰減，最終穩(wěn)定；應用潮流解耦控制器后，3 s時UPFC接入點母線電壓、電容電壓及有功電壓均出現(xiàn)衰減振蕩且最大波動對應值分別為0.948 p.u.、22.77 kV、43.40 kV，最終趨于穩(wěn)定。

大擾動情況下，仿真結(jié)果對比如圖8所示。

UPFC應用常規(guī)潮流控制器，3 s時UPFC接入點母線電壓、電容電壓及有功電壓均出現(xiàn)持續(xù)大幅波動，且最大波動對應值分別為0.749 p.u.、4.98 kV、0.95 kV；應用潮流解耦控制器后，3 s時母線電壓、電容電壓及有功電壓均出現(xiàn)小幅波動后逐漸穩(wěn)定，且最大波動對應值分別為0.946 p.u.、20.8 kV、42.95 kV。

3.3 兩種潮流控制器仿真結(jié)果對比

應用常規(guī)潮流控制器和潮流解耦控制器，UPFC無功潮流調(diào)節(jié)引起交互影響的仿真結(jié)果對比如表2所示，用電壓值與標準值的相對偏差百分比來表征電壓波動情況。根據(jù)電能質(zhì)量國家標準[14]，標稱電壓為220?kV的高壓系統(tǒng)，電壓波動的最大限值為2.5%。

圖8 大擾動情況下兩種控制器仿真對比

表2 兩種控制器產(chǎn)生的交互影響對比

由上述仿真結(jié)果對比可知：

(1)?UPFC采用常規(guī)潮流控制器進行無功潮流調(diào)節(jié)，由于有功、無功電壓耦合較重，進而與UPFC內(nèi)其他控制器間交互影響引起的電壓波動不符合電能質(zhì)量國家標準，從而降低了電能質(zhì)量，且會危及電容器的安全運行，嚴重時會使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。

(2)?UPFC采用潮流解耦控制器后，有功、無功電壓耦合程度很小，與各控制器間交互影響引起的電壓波動產(chǎn)生的影響幾乎可忽略不計。故應用潮流解耦控制器可有效解決無功潮流控制帶來的負交互影響問題。

4 ?結(jié)論

(1)?根據(jù)UPFC各控制器間的相互關(guān)系，分析出UPFC無功潮流調(diào)節(jié)時，串聯(lián)側(cè)有功、無功控制的耦合程度是控制器間存在負交互影響的根本原因。

(2)?采用分層結(jié)構(gòu)設計了潮流解耦控制器，外層控制為內(nèi)層控制提供參考信號，內(nèi)層控制應用解耦控制策略來實現(xiàn)有功、無功解耦的功能。

(3)?UPFC分別采用以有功、無功電壓為控制目標的常規(guī)潮流控制器和潮流解耦控制器進行仿真對比，表明潮流解耦控制器可有效解決無功潮流調(diào)節(jié)時給其他控制器帶來的負交互影響問題。

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(編輯 姜新麗)

Solution to negative interaction caused by reactive power flow controlling of UPFC

LIU Qing1, MA Peng1, ZOU Jiaping2

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Source (North China Electric Power University), North China Electric Power University, Baoding 071003, China;2. Guohua Yuedian TaishanPower Generation Company Ltd., Taishan 529228, China)

Unified Power Flow Controller (UPFC) contains multiple SISO controllers. These controllers run separately to good effect. When they jointly run, there are negative interactions between each controller. This paper analyzes working relations between each controller of UPFC. The results show that negative interactions, caused by reactive power flow control, relative to the degree of coupling between active and reactive power controllers. Then, depending on the cause of negative interaction, we design current decoupling controllerusing hierarchical structure. The outer controller provides reference signal for inner controller. The inner controller applies decoupling control strategy to realize the decoupling function. Finally, this paper establishes dynamic model of UPFC in PSCAD, and compares the simulation results of conventional power flow controller and trend decoupling controller. The results verify the superiority of trend decoupling controller, whichcan effectively solvenegative interaction problems caused by reactive power regulation.

UPFC; negative interaction; degree of coupling; current decoupling controller; PSCAD

10.7667/PSPC150841

2015-05-19；

2015-07-08

劉 青(1974-)，女，博士，副教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護，電力系統(tǒng)安全防御與恢復控制；馬 朋(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為柔性交流輸電與智能電網(wǎng)；E-mail:?993391677@qq.com 鄒家平(1990-)，男，助理電氣工程師，主要從事發(fā)電廠自動化設備的維護管理工作。