UPFC串聯(lián)換流器交叉耦合控制系統(tǒng)設(shè)計

李　杰，周志成，劉黎明，鄒旭東，謝天喜

UPFC串聯(lián)換流器交叉耦合控制系統(tǒng)設(shè)計

李杰1，周志成1，劉黎明2，鄒旭東2，謝天喜1

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.華中科技大學(xué)，湖北武漢430074）

串聯(lián)換流器是統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）中的關(guān)鍵設(shè)備，其控制系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到UPFC的調(diào)節(jié)能力。文中提出了一種UPFC串聯(lián)換流器交叉耦合控制的方法，設(shè)計了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，采用頻率特性法繪制了系統(tǒng)的Bode圖，并由此確定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，利用MATLAB仿真軟件建立UPFC系統(tǒng)仿真模型，計算線路有功傳輸功率指令發(fā)生階躍變化時，UPFC系統(tǒng)經(jīng)串聯(lián)部分注入電網(wǎng)的功率、直流母線電壓以及系統(tǒng)發(fā)送端電壓的相角等的變化情況，結(jié)果表明本文設(shè)計的交叉耦合控制系統(tǒng)可以迅速獨立地控制有功功率的調(diào)節(jié)，而對無功功率影響很小，驗證了控制系統(tǒng)的有效性。

UPFC；串聯(lián)換流器；交叉耦合控制；有功功率

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）可分別或同時實現(xiàn)串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)補(bǔ)償、移相控制、阻抗模擬及實時控制傳輸線路潮流等功能，從而提高線路傳輸能力、穩(wěn)定性及阻尼振蕩系統(tǒng)振蕩［1］。UPFC裝置是由串聯(lián)變壓器與換流器、并聯(lián)變壓器與換流器、直流母線電容等構(gòu)成的，其中串聯(lián)換流器的控制是UPFC關(guān)鍵所在，本文提出了一種交叉耦合控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1　UPFC基本結(jié)構(gòu)和原理

典型UPFC主要由電壓源型換流器（并聯(lián)換流器、串聯(lián)換流器），輸出濾波器（Lsh，Csh，Lse，Cse），直流母線電容Cdc，并聯(lián)變壓器TShunt，串聯(lián)變壓器TSeries，旁路開關(guān)K1、斷路器K2和K3，以及控制和保護(hù)單元構(gòu)成，如圖1所示。兩端電源電壓相角差為δ。其中并聯(lián)、串聯(lián)換流器是UPFC實現(xiàn)潮流控制的主要執(zhí)行部分，并聯(lián)換流器通過變壓器TShunt并聯(lián)接入系統(tǒng)，可視為可控的并聯(lián)靜止無功補(bǔ)償器（STATCOM）；串聯(lián)換流器通過變壓器TSeries串聯(lián)接入系統(tǒng)，可視為可控的靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）。斷路器K2，K3和旁路開關(guān)K1主要對控制UPFC在電網(wǎng)中的切入/出，以及對串聯(lián)、并聯(lián)部分的過壓和過流保護(hù)。正常情況下K2，K3閉合而K1斷開，UPFC投入到系統(tǒng)中運(yùn)行，此時流過串聯(lián)變壓器原方的電流即是流過此電網(wǎng)支路的電流；在故障的情況下K1閉合而K2，K3斷開實現(xiàn)對UPFC功率部分的保護(hù)［2，3］。

串聯(lián)換流器被看作是與串聯(lián)變壓器阻抗串聯(lián)的電壓源，它可以看作是線路注入的一個串聯(lián)電壓源，調(diào)節(jié)UPFC串聯(lián)插入電壓U.12可以很方便地調(diào)節(jié)U.2的幅值和相位，若UPFC串聯(lián)部分插入的電壓U.12垂直于線路電流i.1，則UPFC串聯(lián)部分等效為一個電容或電抗，可實現(xiàn)對傳輸線的線路阻抗補(bǔ)償，獨立調(diào)節(jié)線路傳輸有功/無功功率潮流。

圖1　UPFC基本結(jié)構(gòu)圖

2　交叉耦合控制系統(tǒng)設(shè)計

交叉耦合控制在許多文獻(xiàn)中都得到了應(yīng)用，基本原理就是采用UPFC串聯(lián)部分輸出電壓的垂直分量u12q來控制線路傳輸?shù)挠泄β食绷鱌line，而采用UPFC串聯(lián)部分輸出電壓的水平分量u12d來控制線路傳輸?shù)臒o功功率潮流Qline，其控制系統(tǒng)如圖2所示。控制系統(tǒng)中有3個環(huán)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)、中間為電壓環(huán)，外環(huán)為功率環(huán)，其中電流環(huán)和電壓環(huán)的設(shè)計和SSSC的串聯(lián)換流器控制系統(tǒng)中的相應(yīng)部分相同［4-6］。

圖2　交叉耦合潮流控制方案框圖

在進(jìn)行功率環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計的時候首先僅考慮u12q對Pline和u12a對Qline的影響，然后再根據(jù)實際情況做出調(diào)整。為了便于分析，采用以上的簡化條件，則電壓對潮流變化的傳遞函數(shù)為［7］：

串聯(lián)換流器傳遞函數(shù)可用一個慣性環(huán)節(jié)替代［8］：

采用交叉耦合法設(shè)計的有功功率潮流控制器框圖如圖3所示。對于線路無功潮流控制而言與其類似。

圖3　有功功率潮流控制器設(shè)計框圖

根據(jù)圖3可以得到受控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

潮流控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：

式（5）函數(shù)是一個高階系統(tǒng)，且其可控參數(shù)少于系統(tǒng)階數(shù)，所以很難采用零、極點配置的方法進(jìn)行有效的參數(shù)選擇，本文采用頻率特性法，通過繪制系統(tǒng)Bode圖來確定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。

首先得到受控系統(tǒng)的Bode圖，如圖4（a）所示。由圖可見受控對象GS（s）在頻率點315 rad/s處有諧振峰為27.8 dB。為抑制系統(tǒng)諧振峰同時保持較快的響應(yīng)速度，將PI調(diào)節(jié)器參數(shù)取值為：KPP=0.02，KPI=1。這樣系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)GO（s）在諧振點315 rad/s處具有-6 dB的衰減，如圖4（b）所示。系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)CS（s）在諧振點322 rad/s處的衰減為-4.78 dB，如圖4（c）所示。在此條件下閉環(huán)控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4（d）所示。由圖4可見系統(tǒng)阻尼較好，其調(diào)節(jié)時間大致為1 s。以上控制器的參數(shù)設(shè)計是在某一特定初始條件下完成的，若初始條件變化也要相應(yīng)作出調(diào)整。

3　交叉耦合控制系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)圖1所示的UPFC結(jié)構(gòu)框圖，利用MATLAB仿真軟件包中的Power System模塊建立了380 V電壓等級的UPFC系統(tǒng)仿真模型。仿真模型中的參數(shù)：系統(tǒng)發(fā)送端電壓U.S和系統(tǒng)接收端電壓U.R的幅值都為311 V，兩者之間的相位差δ=10°；UPFC輸入端的線路阻抗ZS=0.5+j6.28 Ω；UPFC輸出端線路阻抗ZR=0.5+ j18.84 Ω；系統(tǒng)額定功率容量為15 kV·A；串聯(lián)部分和并聯(lián)部分各為7.5 kV·A。

圖4　系統(tǒng)頻率特性和單位階躍響應(yīng)

交叉耦合潮流控制的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。即在1 s和5 s線路有功傳輸功率指令發(fā)生階躍變化時，UPFC系統(tǒng)經(jīng)串聯(lián)部分注入電網(wǎng)的功率、輸入端電壓幅值U1、直流母線電壓Udc以及系統(tǒng)發(fā)送端電壓的相角θS的變化情況。

圖5　UPFC通過串聯(lián)變壓器注入電網(wǎng)的有功功率Pse和無功功率Qse

圖6　交叉耦合控制響應(yīng)有功指令階躍的效果

圖5和圖6反映了在線路傳輸有功指令Pl*ine發(fā)生變化的時候UPFC系統(tǒng)的響應(yīng)特性。初始狀態(tài)下，線路傳輸?shù)挠泄β蔖l*ine為1 kW，無功功率Qline為0 var。線路傳輸有功指令Pline突變時，UPFC的并聯(lián)變換器控制UPFC輸入端電壓U.1的幅值U1在311 V和直流母線電壓Udc穩(wěn)定在400 V，串聯(lián)變換器控制線路傳輸?shù)挠泄β誓軌蜓杆夙憫?yīng)指令的變化，同時保證線路傳輸無功功率不變。

3.1潮流正向調(diào)節(jié)能力

在1 s時，線路傳輸?shù)挠泄β手噶頟l*ine由1 kW階躍至3 kW，無功功率指令Ql*ine為0。此過程中線路有功潮流Pline的動態(tài)調(diào)節(jié)過程大約為600 ms，由耦合引起的線路無功潮流Qline變化為-200 var。由圖5中1～5 s的曲線可看出。

（1）串聯(lián)變換器幾乎不向電網(wǎng)注入有功功率，并聯(lián)變換器從系統(tǒng)中吸收300 W有功功率Psh，因此整個系統(tǒng)的損耗為300 W。

（2）串聯(lián)變換器向電網(wǎng)注入大約-1300 var的無功功率Qse，大部分都被并聯(lián)部分吸收，小部分用來補(bǔ)償線路無功損耗，使得傳輸線路上的無功功率Qline保持不變，從而維持UPFC輸入端電壓的穩(wěn)定。圖6中1～5 s的曲線表明UPFC輸入端電壓幅值U1最高升到312 V，然后在并聯(lián)部分穩(wěn)壓控制器的調(diào)節(jié)下慢慢回到311 V。這個過程中Udc變化很小，由于PS增加了，因此系統(tǒng)發(fā)送端電壓的相角從3°增加到8°。

3.2潮流反向調(diào)節(jié)能力

在5 s時，線路傳輸?shù)挠泄β手噶頟l*ine由3 kW階躍至-2 kW，無功功率指令Q*line等于0。此過程中Pline的動態(tài)調(diào)節(jié)過程大約為800 ms，由耦合引起Qline的變化最大達(dá)到了500 var。由圖5中5～9 s的曲線可看出：

（1）串聯(lián)變換器向電網(wǎng)注入-200 W有功功率Pse，并聯(lián)變換器從系統(tǒng)中吸收-120 W有功功率Psh，因此整個系統(tǒng)的損耗為80 W。

（2）串聯(lián)變換器向電網(wǎng)注入大約-1100 var的無功功率Qse，并聯(lián)變換器從電網(wǎng)吸收大約-1000 var的無功功率Qsh，使得Qline保持不變，從而維持UPFC輸入端電壓的穩(wěn)定。圖6中5～9 s的曲線表明UPFC輸入端電壓幅值U1最低跌落到307.5 V，然后在并聯(lián)部分穩(wěn)壓控制器的調(diào)節(jié)下慢慢回到311 V。這個過程中Udc變化很小，由于PS反向了，因此系統(tǒng)發(fā)送端電壓的相角從8°變到-5°。

4　結(jié)束語

本文針對UFPC的串聯(lián)換流器設(shè)計了一種交叉耦合控制系統(tǒng)，并建立了380 V電壓等級的UPFC系統(tǒng)仿真模型，仿真分析了線路傳輸?shù)挠泄β手噶钭兓瘯r該控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果。仿真結(jié)果表明，采用本文設(shè)計的交叉耦合潮流控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，可以使得串聯(lián)變換器控制線路傳輸?shù)挠泄β誓軌蜓杆夙憫?yīng)指令的變化，同時保證線路傳輸無功功率不變。

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Design of Cross-coupling Control System for UPFC Series Converter

LI Jie1，ZHOU Zhicheng1，LIU Liming2，ZOU Xudong2，XIE Tianxi1
（1.Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.Huazhong University of Science&Technology，Wuhan 430074，China）

The series converter is the key equipment of the unified power flow controller（UPFC）.The performance of its control system is directly related to the regulating ability of UPFC.This paper presents a crossing-coupled method and a system to control the series converter of UPFC.The Bode diagram of the control system is drawn to determine the PI controller parameters.A 380 V UPFC system simulation model is established in MATLAB to calculate the power injected to the line by the series part，the voltage of the DC bus and the changes of the voltage phase angle of the sending terminal.The results showed that the cross-coupling control system has a small interaction when the power flow is changed by UPFC，which verifies the effectiveness of this control system.This paper provides a reference for the future designs and applications of UPFC.

unified power flow controller（UPFC）；serial converter；cross-coupling control；active power

TM76

A

1009-0665（2015）06-0014-04

2015-08-06；

2015-09-15

李杰（1963），男，江蘇揚(yáng)州人，高級工程師，從事高電壓、輸電技術(shù)研究及管理工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)過電壓及輸電線路運(yùn)行及維護(hù)等方面研究工作；

劉黎明（1975），男，黑龍江哈爾濱人，博士，研究方向為電力電子變換和控制技術(shù)研究；

鄒旭東（1974），男，湖南祁東人，副教授，研究方向為電能存儲與變換、新能源發(fā)電等方面研究；

謝天喜（1983），男，湖北天門人，高級工程師，從事高電壓及絕緣技術(shù)研究工作。