UPFC附加阻尼控制器設計研究

宋鵬程，甄宏寧，王震泉，徐　政，董桓鋒

UPFC附加阻尼控制器設計研究

宋鵬程1，甄宏寧2，王震泉2，徐政1，董桓鋒1

（1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027；2.江蘇省電力設計院，江蘇南京211102）

提出一種基于測試信號法的統一潮流控制器（UPFC）附加阻尼控制器設計方法。首先運用測試信號法進行系統小信號穩定性分析；然后運用測試信號法求得從UPFC有功功率指令值到并聯交流聯絡線有功功率的開環傳遞函數；最后基于經典控制理論的極點配置算法便可整定UPFC附加阻尼控制器的各個參數。利用PSS/E驗證了所設計的UPFC附加阻尼控制器的有效性。以南京西環網系統為例，驗證所提出的UPFC附加阻尼控制器設計方法在實際電力系統中應用的有效性。

UPFC；附加阻尼控制器；測試信號法；參數整定方法

隨著電網規模的急劇增長，負荷水平的持續攀升，遠距離大功率互聯的工程實例越來越多。區域間的低頻振蕩成為限制區域聯絡線輸電能力，甚至影響互聯電網安全穩定運行的主要因素之一。柔性交流輸電（FACTS）技術的出現為抑制低頻振蕩，特別是區域間振蕩提供了新的手段［1-3］。作為最新一代的FACTS裝置，統一潮流控制器（UPFC）能夠實現潮流的精確控制，對電網動態穩定性和電壓穩定性均有較大影響。通過加裝UPFC附加阻尼控制器，能夠提高系統阻尼比，抑制系統低頻振蕩［4-6］?？刂破鞯膮嫡ㄊ荱PFC附加阻尼控制器設計的核心問題之一。近年來，常見的控制器設計方法包括遺傳算法、進化策略、模糊控制等［7-10］，然而實際大系統中狀態方程異常繁雜，使用上述方法整定UPFC附加阻尼控制器參數存在一定的困難。

本文首先提出了一種UPFC附加阻尼控制器的設計方法，采用測試信號法和極點配置法對UPFC附加阻尼控制器的參數進行整定，從而在整定過程中避開在常規設計中遇到的困難、便于實際工程應用；然后在PSS/E中驗證了所設計的UPFC附加阻尼控制器的有效性；以南京西環網系統為例，驗證所提出的UPFC阻尼控制器設計方法在實際電力系統中應用的有效性。

1　基于測試信號的UPFC附加阻尼控制器設計

1.1UPFC附加阻尼控制器結構

UPFC抑制低頻振蕩的作用主要通過UPFC附加阻尼控制器實現，UPFC附加阻尼控制器的基本結構如圖1所示，具有類似于電力系統穩定器的結構。一般它的傳遞函數由以下4部分構成：穩定信號隔直，相位超前補償，穩定器增益和穩定器限幅環節。

（1）穩定信號隔直。隔直環節與PSS中的隔直環節的作用相同，為一高通濾波器。其主要作用是避免故障后UPFC控制輸入信號中可能存在的直流分量對UPFC附加阻尼控制的影響。

（2）移相環節。移相環節是阻尼控制中的主要環節，其作用是使UPFC的輸出隨著輸入信號的變化而產生一個與輸入信號之間相位差，這就需要相位超前回路，以補償UPFC阻尼控制器輸出與形成的電氣轉矩之間的相位滯后，從而有效阻尼系統低頻振蕩。

（3）控制器的增益?？刂破鞯脑鲆鎸ψ枘嵯到y振蕩有重要作用，它的大小決定控制器向系統提供阻尼的大小。UPFC附加阻尼控制器的基本機構如圖1所示。x為附加阻尼控制器的輸入信號，一般可以取聯絡線功率波動、發電機轉速、系統頻率等作為附加阻尼控制器的輸入信號。附加阻尼控制器產生的輸出信號與UPFC有功功率指令值疊加后一起作為UPFC潮流控制器的輸入信號。

圖1　UPFC附加阻尼控制器的基本結構

1.2UPFC附加阻尼控制器參數整定方法

選擇交流聯絡線功率波動作為UPFC附加阻尼控制器的輸入信號，從并聯交流聯絡線上提取反映交流聯絡線路功率波動的信號，來調節UPFC控制線路傳輸的功率，使之快速吸收或補償交流聯絡線路的功率過?；蛉鳖~，起到阻尼振蕩的作用。以UPFC有功功率指令值增量ΔPref作為控制變量，交流聯絡線輸送有功功率增量ΔPac作為被控變量，則ΔPref到ΔPac的開環傳遞函數框圖如圖2（a）所示。引入ΔPac作為反饋變量，系統的閉環傳遞函數框圖如圖2（b）所示。

圖2　系統傳遞函數

系統閉環傳遞函數為：

式（1）中：G（s）為系統開環傳遞函數；H（s）為反饋信號傳遞函數。

由式（1）可得閉環系統的特征方程為：

假設加入反饋補償環節后閉環系統新的主導極點為sd，sd必滿足系統特征方程，可得：

分別寫成幅值和相角的形式：

因此，反饋補償環節H（s）在s=sd處的幅值和相角可以通過系統開環傳遞函數G（s）在s=sd處的幅值和相角求得。根據所得結果，可設計超前—滯后補償環節并整定相應參數。

圖1所示附加控制器對應的傳遞函數形式為：

可設計超前—滯后補償環節的參數為［2］：

式（7）中：φ為需要補償的相位；arg（G（sd））為開環傳遞函數在期望主導極點處的相位；ωk為期望主導極點的虛部；m為相位補償環節階數，本文取3。

確定T1，T2后，可以通過式（4）來確定增益K。

1.3基于測試信號法的系統傳遞函數辨識

由以上分析可得，設計超前—滯后補償UPFC附加控制器的關鍵是求取從UPFC有功功率指令值到并聯交流聯絡線有功功率的開環傳遞函數。在實際大系統中用解析法求這一開環傳遞函數非常困難，但利用

式（8）中：kω0=0.1～2.0 Hz；Pk，φk分別為相應振蕩電流的幅值和相位。對所加ΔPref的要求是不能破壞系統線性化條件。

由于系統在運行點附近基本上是線性的，不同頻率的量不會相互干擾。因此可以一次施加多個不同頻率的干擾電流信號。

（2）對系統進行機電暫態仿真直到穩態，并提取公共周期內的數據量ΔPref和ΔPac。

（3）對ΔPref和ΔPac做傅立葉分解，得到不同頻率下的相量（kω0）和ΔP.ac（kω0）。

（4）對所有的kω0計算不同頻率下的傳遞函數：

（5）利用數據擬合辨識出的表達式。在求得開環傳遞函數的解析表達式后，可進行UPFC附加阻尼控制器參數整定。

1.4UPFC附加阻尼控制器設計步驟

（1）用測試信號法對交直流系統進行小信號穩定性分析，求出系統主要振蕩模式的頻率和阻尼比。

（2）根據（1）的結果選擇期望的主導極點。

（3）用測試信號法辨識從UPFC有功功率指令值到并聯交流聯絡線有功功率的開環傳遞函數G（s）。

（4）根據（3）求出相應于期望主導極點的UPFC附加阻尼控制器的補償相位和幅值，采用極點配置法整定UPFC附加阻尼控制器的參數。

（5）應用測試信號法重新計算系統主要振蕩模式的頻率和阻尼比。

2　算例

算例系統是如圖3所示的一個簡單的電力系統，UPFC裝置安裝在節點7與節點9之間的一回線路上，將線路功率控制在2.2+j0.0。

用測試信號法分析系統主要振蕩模式的頻率和阻尼比，結果如表1所示。

由表1可以看出，系統中存在一個阻尼比極低的測試信號法可以方便地做到。測試信號法基于頻率響應和模態辨識理論［11］。對于任何一個線性系統，施加的動態輸入將會激發出相應的動態輸出響應。這些輸入激勵和輸出響應之間存在一定的因果關系，即為線性系統的動態特性。電力系統是一個非線性系統，但當系統遭受小擾動時，可將系統在工作點附近線性化，因此傳遞函數的求取可用測試信號法。

（1）在UPFC有功功率指令值上施加一系列小信號振蕩功率，即：振蕩模式（振蕩模式1），可以通過加裝UPFC附加阻尼控制器提高振蕩模式1的阻尼比，改善系統動態特性。附加阻尼控制器的輸入信號為7-8一回線路的有功功率。用測試信號法辨識從UPFC有功功率指令值到并聯交流聯絡線有功功率的開環傳遞函數G（s）。通過時域仿真得到G（s）的幅頻特性，通過模態辨識可得到G（s）的表達式為：

圖3　算例系統示意圖

表1　加裝UPFC附加阻尼控制器前系統主要振蕩模式

UPFC附加阻尼控制器的目標是將與振蕩模式1對應的主導極點的阻尼比提高到20%。因此將期望的主導極點sd設置在-0.63+j3.1，對應振蕩頻率為0.5 Hz，阻尼比為20%。使用UPFC附加阻尼控制器參數整定方法得到UPFC附加阻尼控制器的參數：K= 0.107，Tw=10.0 s，T1=0.55 s，T2=0.20 s，限幅為±25 MW。加入UPFC附加阻尼控制器后，再用測試信號法分析系統低頻振蕩特性，測試結果如表2所示。UPFC附加阻尼控制器安裝前后系統在大擾動下的動態特性如圖4所示，圖4中曲線為大擾動下7-8一回線路的有功功率。具體仿真過程：2 s時發電機G3出口處發生三相接地故障，2.1 s故障切除。

表2　加裝UPFC附加阻尼控制器后系統主要振蕩模式

由表1和表2可以看出，設計的UPFC附加阻尼控制器具有良好的阻尼效果，設計的UPFC附加阻尼控制器將振蕩模式1的阻尼比從1.41%提升至了19.21%，而對區域1和區域2內的局部振蕩模式基本沒有影響。由圖4可以看出，加裝UPFC附加阻尼控制器后，系統在遭受大擾動時能夠迅速的平息振蕩，具有較好的動態特性。驗證了所提出的UPFC附加阻尼控制器設計方法的有效性。

為驗證所設計的UPFC附加阻尼控制器的適應性，在幾個不同工況下加裝UPFC附加阻尼控制器。工況1為設計UPFC附加阻尼控制器時考慮的工況，線路7-9的功率被控制在2.2+j0.0；工況2中將線路7-9的功率控制在1.5+j0.0；工況3中將線路7-9的功率控制在2.9+j0.0；工況4中將線路7-9的功率控制在3.6+j0.0。加裝的UPFC附加阻尼控制器參數為工況1下設計得到的UPFC附加阻尼控制器參數。加裝UPFC附加阻尼控制器后不同工況下振蕩模式1的頻率和阻尼比如表3所示。

圖4　并聯交流聯絡線7-8一回線路的有功功率

表3　加裝UPFC附加阻尼控制器后不同工況下振蕩模式1的頻率和阻尼比

由表3數據可以看出，設計的UPFC附加阻尼控制器對不同的運行工況具有較好的適應性。

3　實際電力系統應用驗證

以南京西環網系統為例驗證所提出的UPFC阻尼控制器設計方法在實際電力系統中應用的有效性。南京西環網系統接線示意圖如圖5所示。UPFC裝置加裝在鐵北—曉莊雙回線路上［12］。UPFC裝置投運后，南京西環網系統中存在一個頻率為1.422 Hz，阻尼比為7.15%的振蕩模式，主要表現為蘇華潤機組對蘇鎮廠機組的區間振蕩。針對此振蕩模式，利用UPFC附加阻尼控制器設計方法，設計UPFC附加阻尼控制器。附加阻尼控制器的輸入信號為秦淮—濱南一回線路的有功功率，整定得到的控制器參數為：K=0.021，Tw=10.0 s，T1=0.55 s，T2=0.08 s，限幅為±25 MW。

分析加裝UPFC附加阻尼控制器后南京西環網系統的低頻振蕩特性發現，安裝UPFC附加阻尼控制器后，蘇華潤機組對蘇鎮廠機組振蕩模式的阻尼比從7.15%提升至了11.06%。UPFC附加阻尼控制器安裝前后南京西環網系統在大擾動下的動態特性如圖6所示。圖6中曲線為大擾動下蘇華潤機組的轉速差曲線。具體仿真過程：1 s時曉莊—下關線路發生三相接地的故障，UPFC退出運行；1.1 s故障切除；為保證UPFC裝置安全，經過設定時間（1 s）后，2.1 s時UPFC重新投入。

圖5　南京西環網系統接線示意圖

圖6　蘇華潤機組的轉速差曲線

由圖6可以看出，UPFC附加阻尼控制器加裝前，南京西環網系統已經具有比較理想的動態特性，加裝UPFC附加阻尼控制器可以進一步改善南京西環網系統的動態穩定特性，進一步增加系統的阻尼比，加快振蕩的平息過程。且UPFC附加阻尼控制器設計方法在實際電力系統中的仍然有效。

4　結束語

本文提出了一種UPFC附加阻尼控制器的設計方法，采用測試信號法和極點配置法對UPFC附加阻尼控制器的參數進行整定，從而在整定過程中避開在常規設計中遇到的困難、便于實際工程應用。首先運用測試信號法進行系統小信號穩定性分析；然后運用測試信號法求得從UPFC有功功率指令值到并聯交流聯絡線有功功率的開環傳遞函數；最后基于經典控制理論的極點配置算法便可整定UPFC附加阻尼控制器的各個參數。UPFC附加阻尼控制器設計方法簡單、易行，即使考慮復雜的發電機模型及勵磁和調速器模型時，也不增加整定過程的復雜度，使用常規機電暫態仿真程序便可實現。UPFC附加阻尼控制器設計方法的有效性在簡單算例系統與實際電力系統中均得到了驗證，對南京西環網UPFC工程投運后系統動態穩定特性的改善具有重要作用。

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Parameters Tuning for UPFC Auxiliary Damping Controller

SONG Pengcheng1，ZHEN Hongning2，WANG Zhenquan2，XU Zheng1，DONG Huanfeng1
（1.College of Electrical Engineering，Zhengjiang University，Hangzhou 310027，China；2.Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China）

In this paper，a new method of UPFC auxiliary damping controller parameters tuning based on test signal method is proposed.First，the small signal stability of power system is analyzed using the test signal method.Then the testing signal is scanned at the line active power setting point of UPFC while the active power flow in the parallel AC tie line is oscillated.The open-loop transfer function between the line active power setting point of UPFC and the active power flow in the parallel AC tie line is identified by Fourier resolution and curve fitting.Finally，the parameters of UPFC auxiliary damping controller are tuned based on the root locus rules of the classical control theory.The proposed parameter tuning method is validated by the simulation results of a simple case and a real power grid.

unified power flow controller（UPFC）；UPFC auxiliary damping controller；test signal method；parameter tuning method

TM761

A

1009-0665（2015）06-0010-04

2015-08-11；

2015-09-17

宋鵬程（1990），男，山東淄博人，博士研究生，從事大規模交直流電力系統分析、直流輸電與柔性交流輸電相關研究工作；

甄宏寧（1985），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統規劃相關研究工作；

王震泉（1980），男，江蘇泰州人，工程師，從事電力系統規劃相關研究工作；

徐政（1962），男，浙江海寧人，博士生導師，從事大規模直流電力系統分析、直流輸電與柔性交流輸電、電力諧波與電能質量、風力發電技術與風電場并網技術相關研究工作；

董桓鋒（1990），男，浙江紹興人，博士研究生，從事大規模交直流電力系統分析相關研究工作。