UPFC直流侧电容电压弱控制策略研究

UPFC直流侧电容电压弱控制策略研究 UPFC 直流侧电容电压弱控制策略研究 1,2222 陈众 徐国禹 颜伟 王官洁 (1. 长沙理工大学电气与信息学院 长沙 410076 2. 重庆大学电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 重庆 400044 ) 摘要 在分析 UPFC 直流侧电容电压传统控制方式的基础上,提出了直流侧电容电压弱控制 策略的概念,并分析了直流侧电容容量、直流侧电压等级和线路传输功率之间的关系。通过仿真 实验,比较了单机无穷大系统线路发生三相对称短路时,线性最优控制和直流侧电容电压弱控制 策略下系统的运行情况。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明该策略能够利用 UPFC 直流侧电容吸收部分暂态能量,从而加 速故障后线路上潮流稳定过程。 关键词:UPFC 直流侧电容 弱控制 线性最优控制 中图分类号:TM7 6 1 Study on DC Link Capacitor Voltage Soft Control Strategy of UPFC 1,2 22 2Chen Zhong Xu Guoyu Yan WeiWang Guanjie (1. Changsha University of Science and Technology Changsha 410076 China 2. Chongqing University Chongqing 400044 China) Abstract Based on analyzing the control strategy on dc-link capacitor voltage of unified power flow controller(UPFC), it proposed the soft control strategy on dc-link capacitor voltage and analyzed the relationship between capacitance, dc voltage and power transmitted on the line. It also provided a detail realization of soft control strategy and compares it with the linear optimal control strategy by simulating the system response under the condition of three phase symmetry short circuit. The simulation result indicates that the dc-link capacitor can absorb the part of energy cumulated in the rotator of generator during fault and accelerates the stability process of power flow. K eyword s: UPFC，dc-link capacitor，soft control，linear optimal control 对直流侧电容充电，再通过串联侧逆变器吸收送到 1 引言传输线路上。设两个逆变器为采用正弦脉宽调制的 电压型逆变器，则通过调节两个逆变器的脉宽调制 FACTS 家族最有发展前景的统一潮流控 作为比 m、m和相角控制输入8、8可以分别调节逆变 12 1 2 制器( Unified Power Flow Controller ，缩写为 UPFC)，与其他 FACTS 元件相比，它具有更多的控 制变量，在运行过程中既能够调控设备接入点的电 压，又可快速地综合调控有关输电线路的无功功率 和有功功率，使系统运行更加灵活。 目前关于 UPFC 控制策略研究的文献众多，其 基本的研究模式是将 UPFC 安装于单机无穷大系 [1] 统，其结构如图 1 所示。 母线上部分有功功率被并联侧逆变器所吸收并 图 1 UPFC 安装于单机无穷大系统 2.2 直流侧电容电压的弱控制 器的的输出电压幅值和相角，以达到控制母线电压[1]和线路潮流的目的。此外，为连续而有效地控制 由式(1)很直观地可以看出，直流侧电容电压的 UPFC 的工作，直流侧电容电压的稳定控制也是 稳定控制的关键在于保持两个逆变器的功率交换 [2] UPFC 的控制目标之一。 P+P为 0。两个逆变器的有功功率交换为 0，则直 12 针对电容电压的稳定控制，本文提出了直流侧 流侧电容电压不再变化，稳定在当前值上。 然而电容电压弱控制策略的概念，分析了直流侧电容容 在实际的控制过程中，直流侧电容电压的 量、直流侧电压等级与线路传输功率之间的关系。 稳定在控制过程中是否和线路上的潮流控制等目标 通过仿真结果分析，指出 UPFC 直流侧电容容量与 一样重要呢,实际上，参考文献[5]在研究 UPFC 的 耐压程度在一定程度上决定了 UPFC 的潮流控制能 线性最优控制时，其权矩阵 Q、R 的选择也显示了 力。 对各控制目标的不同重视程度。我们认为，在 UPFC 的实际控制过程中，线路有功功率、无功功率的控 UPFC 直流侧电容电压控制 2 制和 UPFC 接入点母线电压的稳定应该作为控制的主 文献[3]指出，UPFC 直流侧电容电压的动态过 要目标，UPFC 直流侧电容电压的稳定则相对次要。 程可以表达如下 同时，电力设备在设计时都留有一定的安全阈 dV量，以保证设备的安全运行。虽然在目前能够看到 dcCV=(P+P)(1) dc1 2dt 的文献中，鲜有关于直流侧电容电压安全范围的叙 [6]式中 P，P——UPFC 并联侧和串联侧吸收的有 述，但从研究文献的计算机仿真和动态模拟仿真 12 [7] 功功率结果来看，其波动范围达到了?12.5%。如果直流 C——电容容量 侧电容电压停留在此范围内的某一值，而 UPFC 两 V——直流侧电容电压 d c 侧逆变器的有功交换也达到平衡，那么应该就没有 2.1 直流侧电容电压的强控制策略必要在短时间内强迫其回到给定参考值上。 因 UPFC 概念的创始人之一 L. Gyugyi 此，基于以上两个方面考虑，所谓的 UPFC 提出了 [4] UPFC 的控制器数学模型和相应控制模块，如图 2直流侧电容电压弱控制策略，就是如果当前直流侧 所示(已对原图作了简化，详细见参考文献[4])。 电容电压没有超过安全范围，在得出串联侧逆变器 该结构是以后诸多研究的参考蓝本。 输出电压幅值和相位后，可以根据实测的电流计算 出 P，再以 P=-P为条件，来设计并联侧逆变器 21 2 控制器，达到 UPFC 两侧逆变器有功功率平衡的目 的，从而控制直流侧电容电压的稳定。 在该策略中，我们注意到:?对直流侧电容电 压的控制仅仅在原理上保证 P+P为 0，而由于系 1 2 统的其他方面原因，例如惯性环节、延时、数据误 差的存在，实际运行时不一定能够保证 UPFC 两侧 逆变器有功交换时刻为 0 ，电容上依然会出现充电 图 2 UPFC 数学模型与控制模块 和放电的现象;?保持当前 UPFC 两侧逆变器有功 Mathematical model of UPFC Fig.2 功率平衡，系统就只能保持直流侧电容电压稳定在 and control block 当前值，缺乏恢复到给定参考值上的能力。 设定了四个参考值:P、Q和 Lref Lref L. Gyugyi 相对直流侧电容电压的强控制方式，这种弱控 制策略并不以强行控制直流侧电容电压回到一个给 V、V。分别为线路有功、线路无功、安装点 iref dcref 连接母线电压幅值和直流侧电容电压。在传输线路定参考值为目标，但又并不是完全地放弃对直流侧 控制模块、电压控制模块和内部控制模块中直接使 电容的控制，因此我们称它为直流侧电容电压的弱 用 PI 控制或其他控制方式完成对 UPFC 的控制。 控制方式。在这种控制体系中，对直流侧电容电压的负反 馈2.3 UPFC 直流侧电容标么值与有名值 控制是由始至终地执行的。因此我们将它称为直 目前在对 UPFC 进行稳定性分析或控制策略研 流侧电容电压的强控制方式。 究时，多数文献在使用的动态模型中采用标么值。 然而在涉及直流侧电容大小时，往往直接标明电容 I (V cos8 U cos8 ) P [1] L 2x A A 2 2 大小为 1pu或其他值，对其有名值与标么值之间 I (Vsin 8 U sin8 ) 2 y A A 2 2 的换算缺乏必要的描述。 (3) I (V cos8 U cos8 ) L 2 x A A 2 2 现假设图 1 所示的单机无穷大系统中，取变压 Q 器高压侧电压 V=110kV ，线路传输功率 I (V sin8 U sin 8 B2 y A A 2 2 S =160MVA 。直流侧电容电压基准由图 1 中变压器 B T及逆变器 1 参数决定，但是目前难以查到关于这 1 U cos8 I (R R ) cos8 0 V A A 2 2 2 x 2 L 部分设备的实际参数，因此依据 AEP(American I ( X X ) V 2 y 2 L SElectric Power) 实 际 投 运 的 UPFC ， 采 用 (4) [8] V=24kV。上述基准值中，除电压按国内电压等 A A 2 2 2x 2 L dc B 0 V sin8 U sin 8 I ( X X ) 级修改外，均与实际投运 UPFC 一致，但这种修改 I ( R R ) 2 y 2 L 不影响下文中的推导与结论。 式(1 )经简单推导可以得到 0 V cos8 U cos8 I R I X A A 1 1 1x 1 1y 1 (5) sin8 Usin8 I X I R0 V A A 1 1 1x 1 1y 1 (IUcos8+ IUsin8)+ 1 x1 1 1 y1 1 PPdV/ V V2 1 2 dc dc dcB S C V dcB (IUcos8+ IUsin8) = 0 2x2 2 2 y2 2 dt VS B (6 ) BdcB * E Vcos6 ( X X )( I I ) qA A dT 1d 2d dVS ** *dcB CV ( P P (7) ) dc 1 2 2 dt VA A d T 1q 2q dcB 0 V sin 6 ( X X )( I I ) 其中式(3)为控制支路功率方程;式(4 )为 * * * * * dV(P P) P)( P dc1 2 1 2 串联侧电压方程;式(5)为并联侧电压方程;式(6) 2 * * * dt C V(CV/ S )V dcdcB B dc 为直流侧电容功率平衡方程;式( 7)为发电机的电 势方程。因此，直流侧电容标么值与有名值之间的关系 方程组中独立变量共 15 个:P，Q，U，8， LL11 为 U，8，I，I，I，I，V，8，E′，6，V。 221x1 y2 x2 yAAq As2 V *dcB (2) C=C 变量 I 、I 和 I 、I 是 I 、I 和 I 、I 在发电 1d 1q 2d 2q 1 x 1 y 2 x 2 y S B机 d、q 轴上的投影分量的组合，为非独立变量。给 定 15 个独立变量中 6 个就可以求出其他 9 个，其中 和 S 实际值代入式(2)，可以得到标么将 V dcB B U、U和8、8是 UPFC 的输出。 1 2 1 2 值为 1 的电容实际容量为 C=0.28F 。 3.1.2 系统的动态方程 3 仿真系统模型与电容电压弱控制策略的设 UPFC 装置的两个电压型逆变器都采用正弦 实现脉宽调制，若只考虑基波分量，UPFC 两侧逆变器 的交流电压幅值与直流电容电压的关系为: 3.1 系统仿真模型 U=mV;U=mV;通过调节两个逆变器的脉宽 11dc 22 dc 3.1.1 系统的稳态方程调制比 m、m可以控制交流侧输出电压幅值 U、 12 1对图 3 所示的 UPFC 安装于单机无穷大系统的 U;调节相角控制输入8、8，可以控制交流侧输 2 1 2 等效电路，文献[5]中给出了线性最优控制策略。系 [1]出电压相位，该过程可以用一阶惯性环节来等效， 统的稳态方程共 5 组 9 个(实部与虚部)。 微分方程如下: dm 1 m m u T m11 10 m1 dt md 2 m m u Tm2 2 20 m 2 dt(8) d8 1 8 8 u T 8 11 10 8 1dt 图 3 UPFC 等效电路 d8 2 T 8 8 u 2 20 8 28 2 dt Fig. 3 Equivalent circuit of UPFC SIMB 综合式(1)、式(8)，就可以用五个一阶微分 障时间持续 0.1s，0.3s 后重合闸成功。直流侧电容 方程来描述 UPFC 的动态过程。在对图 3 所示的单 电压弱控制策略下系统运行结果与线性最优控制下 机无穷大系统仿真中，发电机多数采用经典二阶模 系统运行结果的比较见图 4 。 型，动态方程如下: d6 2 f s N (9) dt d6 s (P P D ) / H s T e dt 仿真中，一般就采用这样 7 个微分方程来表达 UPFC 安装于单机无穷大系统时的动态过程。 3.2 直流电容电压弱控制策略实现 在 3.1 中，我们注意到系统结构信息(稳态方 程)已经清楚，在系统的稳态时，15 个变量中，有 P、Q、V的控制目标和 E′、V及发电机功率 LLA q s 角δ，这 7 个量确定，就可以计算系统其他变量值。 A 同样，对于系统的暂态过程，由于假设系统中 E′、V恒定，若方程中 P、Q、V代入稳态值 qs LLA (即控制目标 P、Q、V)，同时将系统的实 Lref Lref Aref 时功率角δ反馈回控制模块，我们就可以直接通 A 过解非线性方程组得到两个逆变器的应有输出 U、 1 8，U，8。相应根据当前直流侧电容电压值，可 122 、m和m以解出 UPFC 的参考控制输入量 1ref 2ref 8、8。1ref 2ref 对这个求解过程的物理意义可以这样来理解: 对于发电机的任意瞬时的暂态功率角δ时，要使 A P、Q、V达到系统的控制目标 P、Q、V， LLA Lref Lref Aref 可以利用系统结构信息(稳态方程)来求解 m、m和 1 2 8、8应处于什么样的一个位置，才能达到控制目的。 12 在这个过程中，对直流侧电容电压的控制是通 过式(6)来体现的。求解的过程，体现了 2.2 节中 图 4 仿真结果 弱控制策略的思想。而当直流侧电容电压偏高或偏 2 . 线性最优控制直流侧电容电压弱控制方式1 . 低于额定值时，该控制策略不会做出任何控制响应， Fig. 4 The simulation result 因此对直流侧电容电压的控制属于弱控制方式。仿真 2 4.1.2 在直流侧电容电压弱控制策略下，直流侧电容 4 系统仿真结果与分析容量 C 从 1pu 逐渐变化到 0.2pu 时，直流侧电容电 压的上升情况如图 5 所示。线路上有功功率、无功 4.1 仿真结果 功率和母线电压等的响应曲线与图 4 相近。 弱控制策略下，系统通过稳态方程和反馈的实 4.2 仿真结果分析时信息求解出 UPFC 的参考脉宽调制比 m、m 1ref 2ref在图 4 中我们可以看到在直流侧电容电压弱控 和相角控制输入8、8后，考虑到其调节过程近 1ref 2ref 制策略下，主要控制目标:线路上的有功功率、无 似于惯性环节，因此采用四个 PID 控制来加快 UPFC功功率和 UPFC 接入点母线的电压都能够比线性最 优控制更为迅速地回到稳定值，过渡过程也更快， 的实际输出对参考值的跟踪。系统结构见参考文献 而且除了无功功率外，其他指标中的最大峰值都较 [9]。系统仿真参数见附录。 线性最优控制要小。发电机的功率角和转速响应曲 4.1.1 仿真 1 设图 3 所示系统在 K 点发生三相对称短路，故 线的响应过程都较线性最优控制平稳。从表中来看，直流电容吸收了蓄积在发电机转 子动能的 60%左右，余下的在暂态过程中通过线路 阻尼作用消耗。关于这部分能量的计算可以参考文 献[7]。 5 结论 如果在某种控制策略下，UPFC 能够在文中所 述的三相对称短路故障消失后，迅速控制线路上的 潮流和接入点母线电压。从能量守衡的观点来看， 必然需要储能元件吸收系统中蓄积的暂态能量或以 其他形式消耗掉。 从本文的分析看来，UPFC 的四个控制量为潮 流控制提供了控制手段，而直流侧电容容量和耐压 图 5 不同 C 下直流侧电容电压升高 程度是实现潮流控制的关键。毫无疑问，电容容量 越大，可吸收的能量越多。从表 1 可以确定 C 为 Fig. 5 V under different C dc 假定直流侧电容电压的安全范围是?12.5% ， 0.4 pu 以上时，直流侧电容电压在安全范围(设为? 则从图 5 中可以看出，在某些情况下( C?0.4)，即 12.5%)内波动。此时从式(2)可以看出，在线路 便对电容电压不采取强控制策略迫使其回到设定 传输一定功率的情况下，相对应的实际电容容量， 值，也不会给 UPFC 带来特别的影响，而与此同时， 由直流侧电容电压决定。直流侧电容电压越高，电线路潮流和母线电压的控制却得到了较为明显的改 容实际容量(有名值)就越小。 善。 因此，UPFC 对潮流的实际控制能力可以说是 设发电机的机械功率为 P，在短路过程中，发 M由直流侧电压等级以及直流侧电容容量决定的。从 电机短路期间蓄积的能量大小为 技术上来说，电容制造工艺的提高和制造成本的降 低是推广 UPFC 使用的关键。 (10) W = 虽然本文提出的直流侧电容电压弱控制策略本 P? T M 通常引起线路上功率振荡的原因，是短路期间身不能满足文献[2]中提出的对 UPFC 直流侧电容电 蓄积在发电机转子上的动能需要通过线路的阻尼作 压的控制要求，但是在多模态控制切换方式下，可用缓慢地消耗掉。而在弱控制策略下，由于线路潮 以方便地与其他控制方式集成在同一个智能控制系 流被迅速地控制住，则线路电流也稳定下来，扣除 统，根据实际运行条件在控制模态间切换，达到在 线路上阻尼作用消耗的部分能量，短路后发电机转 故障发生后的初始阶段，在电容不发生过电压的情 子上蓄积的暂态能量被吸收到直流侧电容。 况下，首先快速控制住线路潮流， 然后考虑通过其 电容电压变化与短路期间发电机转子上蓄积的 他控制方式缓慢地将电容上蓄积的能量通过系统 动能之间大体存在以下关系 阻尼作用消耗掉。这部分工作也已完成，另文发 表。 2 2 C (V V) CV dc dc dc(11) W 2 2 设 S =160MVA ，V=24kV，由稳态方程可以 BdcB 求出 P=0.553。分别代入式(10)、式(11)，可以 M 附录得到表 1 所示不同 C 值下，电压升高百分比与电容 大小的关系。参数来源于文献[5]，修改部分不合理参数。 表 1 直流侧电容大小与电容电压上升关系 (1 )系统结构和设定参数标么值 E′=1.6 ，V=1 ，P=0.5 ，Q=0.3，V=1.1， qsLref Lref ArefTab. 1 The relation between V and C dc δ=50.363 ，R=0.05，X=0.2 ，R=0.05，X=0.1， 1 1 22C ( pu) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 X′=0.256，X=1.003，X=0.1，其中δ为发电机相 dqT4 C /10 F 对无穷大节点的电压相角(δ=δ+8)。 28 22 17 11 5.5 AA 5 . 37 6.68 8.81 13.0 24.6 计算值 (2 )发电机动态方程参数 V dc H=20 ，D=8 ，f=50 N 3.73 4.62 6.07 8.85 16.4 最大值 ( %) 稳定值 3.10 3.83 5.00 7.23 13.0 (2):1085,1093 (3 )UPFC 动态方程参数 颜伟，朱继忠等. UPFC 线性最优控制方式的研究及其 5 T =0.5 ;T =0.5 ;T =0.8 ，T =0.8θ θ m 1 m 2 1 2 对暂态稳定性的影 响. 中国电机工程学报 , 2000, 20 (4 )线性最优控制最优反馈增益矩阵 K(1):45,49 K=[ 11.6962 0.2560 10.7427 20.9606 3.4094 Wang HaiFeng. A unified model for the analysis of FACTS 6 27.0082 118.8089 ; 9.0102 1 .7432 10.8439devices in damping power system oscillations — Part III: 12.7660 2.1574 9.6144 119.7003 ; 0.6667 Unified Power Flow Controller. IEEE Trans. on Power 2.1640 3.2722 6.1031 1.2907 9.7435 42.2466 ; Delivery，2000，15(3):978,98310.4902 0.5981 15.7508 16.5309 3.3342 9.0026 Fujita H，Watanabe Y，Akagi H. Transient analysis of a 7 123.5322 ;]unified power flow controller and its application to design of the DC -link capacitor. IEEE Trans . on Power 参考文献Electronics，2001，16(5):735,740 Schauder C, Stacey E, Lund M， et al. AEP UPFC 颜伟，朱继忠等. UPFC 的模型与控制器研究. 1 电力系 project: installation, commissioning and operation of 统自动化，1999，23(6):36,41 8 the ?160 MVA STATCOM(phase I).IEEE Trans . o n 2 Gyugyi L. 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IEEE Transactions on Industry 芯片的出现和成本的不断降低，使得 SHEPWM 技 Applications, 1990,26(2):302,316 术在工业上的应用成为可能。以 DSP、大容量存储 芯片为控制系统硬件、以 SHEPWM 方法为控制软 Tan Xinyuan,Bian Jingming. An algebraic algorithm for 5 件的多电平功率变换器，是高电压、大功率能量变 generating optimal PWM waveforms for AC drives— 换与处理的一个卓有成效的途径。 Part I:Selected harmonic elimination. Power Electronics Specialists Conference, 1991. IEEE PESC '91,1991. 402~408 参考文献谭新元. 牵引逆变器 SHEPWM 控制技术的研究.中国 6 电机工程学报，2001, 21(9): 47,52 Tolbert Leon M,Peng Fang Z. Multilevel converters for 1 large electric d rives . IEEE Apec 2000:530,536 Manjrekar Madhav D, Lipo Thomas A.A hybrid 2 作者简介 multilevel inverter topology for d rive applications. Apec ’1998:523,529 张艳莉 女，19 70 年生，硕士，副教授，研究方向为非电量电测技 术、电力电子技术等。 Li Li, Dariusz Czarkowski, Liu Yaguang ， et al. 3 费万民 男，1965 年生，博士生，副教授，研究方向为电力电子技 Multilevel s elective harmonic elimination PWM 术及其应用。technique in s eries -connected voltage inverters. file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56