劉永江，康積濤，李 林，張學(xué)群

（西南交通大學(xué)電氣學(xué)院，成都 610031）

輸配電技術(shù)

UPFC 并聯(lián)側(cè)雙環(huán)控制策略的研究

劉永江，康積濤，李 林，張學(xué)群

（西南交通大學(xué)電氣學(xué)院，成都 610031）

從統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）并聯(lián)側(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型出發(fā)， 設(shè)計(jì)了 UPFC 并聯(lián)側(cè)雙環(huán)控制系統(tǒng)， 內(nèi)環(huán)用電流解耦控制器實(shí)現(xiàn) dq 軸電流解耦， 外環(huán)用 d 軸控制直流電容電壓， q 軸控制節(jié)點(diǎn)電壓的 PI控制方式，同時(shí)加入電流前饋控制環(huán)節(jié)和電流反饋控制環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)精度和響應(yīng)速度。仿真系統(tǒng)采用高電壓等級(jí)，并使用標(biāo)幺值方法分析和計(jì)算各類控制器的參數(shù)，通過仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性。

UPFC；電流； 前饋；反饋

隨著電力電子器件和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，柔性交流 輸電 （FACTS）技 術(shù)[1-2]在 電力系統(tǒng) 中 的 應(yīng)用日漸廣泛。 UPFC 作為當(dāng)前 FACTS 家族中功能最強(qiáng)的一員，引起很多學(xué)者關(guān)注和研究。用現(xiàn)代控 制 理 論[3-4]、 非線 性控制[5-7]、神經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò)[8]、人工智 能[9]、 自 適 應(yīng) 模 糊控 制[10]實(shí) 現(xiàn) 的 控 制 器 在 物 理裝置上結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)階段很少有關(guān)此類控制器運(yùn)用 的 實(shí) 例， 沿 用 傳 統(tǒng)的 PI 控 制 器[10-14]仍 具 有 充分的可行性和實(shí)用性。 提出在 UPFC 并聯(lián)側(cè)采用雙環(huán)控制[13-14]， 在常規(guī) PI控制之外添加電流反饋和電流前饋環(huán)節(jié)的控制策略，同時(shí)引入標(biāo)幺值計(jì)算控制器參數(shù)，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)觀察所提出的控制系統(tǒng)的合理性。

1 UPFC 模型

圖1 是 UPFC 的原理框圖。 UPFC 加在線路節(jié)點(diǎn) i， j之間， i′， j′表示虛擬母線節(jié)點(diǎn)， 并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器分別通過 T1與 T2已 2 臺(tái)變壓器接入線路中。并聯(lián)側(cè)逆變器通過調(diào)節(jié)并聯(lián)支路無功電流的大小控制注入系統(tǒng)的無功功率，維持并聯(lián)節(jié)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定，同時(shí)通過調(diào)節(jié)并聯(lián)支路有功電流來平衡 UPFC 所消耗以及串聯(lián)逆變器所吸收的有功功率，以維持直流電容電壓恒定。串聯(lián)側(cè)逆變器通過調(diào)節(jié)串接在線路上的等效電壓源的大小和相位，改變線路的有功和無功功率的流動(dòng)，以達(dá)到控制潮流的目的。

圖1 UPFC 原理圖

圖2 是 UPFC 并 聯(lián) 側(cè) 的 電 路 圖 ， Sabc表 示 開關(guān)函數(shù)， 三相橋采用 IGBT， Va， Vb，Vc表示 UPFC 并聯(lián)點(diǎn)三相電壓源， L1， R1是濾波等效電抗、電阻，Ia，Ib，Ic是并聯(lián)支路三相注入電流，ua，ub，uc是并聯(lián)逆變器三相輸出電壓， C 是直流電容，Udc是直流電容電壓， RL是等效負(fù)荷電阻。

圖2 UPFC 并聯(lián)側(cè)電路圖

根據(jù)圖2， 以 UPFC 并聯(lián)節(jié)點(diǎn)電壓相位為參考， 將三相系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為 dq同步坐標(biāo)系統(tǒng)， 數(shù)學(xué)模型可描述為：式中：ω為角頻率。

根據(jù)式（1）構(gòu)建 UPFC 并聯(lián)側(cè)的 s 域數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 UPFC 并聯(lián)側(cè)數(shù)學(xué)模型

2 電流控制器的設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng) UPFC 的并聯(lián)側(cè)控制中， 用 Id控制電容電壓 Udc，Iq控制節(jié)點(diǎn)電壓幅值 V。 由于 d，q 軸電流存在耦合對(duì)控制不利，需設(shè)計(jì)1個(gè)電流解耦控制器，如式（2）所示：

式 中 ： Kcp與 Kci分 別 表 示 PI 控 制 器 的 比 例 和 積分 常 數(shù) ； Id*與 Iq*為 電 流 指 令 值 。

圖4是電流解耦控制器的數(shù)學(xué)模型，作為雙環(huán)控制系統(tǒng)中的內(nèi)環(huán)控制，電流解耦后為準(zhǔn)確控制直流電容電壓和并聯(lián)節(jié)點(diǎn)電壓提供了可靠保證。

圖4 電流解耦

由圖4 可以看出， dq 軸電流均采用 PI控制方式，為了與實(shí)際情況接近，在電流通道上加上濾波環(huán)節(jié)和脈寬調(diào)制（PWM）逆變放大環(huán)節(jié)。 其中Kf是濾波放大倍數(shù)， Tf為濾波延遲時(shí)間， KPWM為PWM 逆變器放大倍數(shù)， TPWM為 PWM 逆變延遲時(shí)間 ，KR=1/R1，TR=L1/R1，tcp=Kcp/Kci，傳 遞 函 數(shù)如圖5所示。

圖5 電流控制器

開環(huán)傳遞函數(shù)為：

令 tcp=TR， Tf， TPWM都 很 小 ， 令 Ts=Tf+TPWM，式（3）可簡化為：

令 K=KciKpKPWMKR， 這是 1 個(gè)典型的二階環(huán)節(jié)，閉環(huán)函數(shù)為：

3 直流側(cè)電容控制器的設(shè)計(jì)

圖6是直流電容控制系統(tǒng)，加入了電流前饋環(huán)節(jié)。通過分析計(jì)算可得輸入d軸電流和輸出直流電壓的傳遞函數(shù)：

圖6 直流電容電壓控制器

該控制器采用 PI 控制， tup=Kup/Kui， Kup與 Kui分別表示 PI控制器的比例和積分常數(shù)。 令 KRB= 2/3RLB， TRB=2RLBCdc， φc（s） 可 簡 化 為 一 節(jié) 慣 性環(huán)節(jié) 1/（2Ts+1）， 在未加 PI控制器前待校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

由于 TRB?Ts，

按三階最佳整定得到：

Kui=1/（16KRB/TRBTs）；tup=8Ts。

加入前饋器使得直流電容電壓響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)精度提高。當(dāng)電容上電壓穩(wěn)定時(shí)，電容支路不參與有功傳輸。

4 節(jié)點(diǎn)電壓控制器的設(shè)計(jì)

圖7是節(jié)點(diǎn)電壓控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)，加入了電流反饋環(huán)節(jié)。

圖7 并聯(lián)節(jié)點(diǎn)電壓控制器

通過分析計(jì)算可得輸入q軸電流和節(jié)點(diǎn)電壓的傳遞函數(shù)：

對(duì)式（9）進(jìn)行波特圖分析， 見圖8。

圖8 GV（s）的波特圖

由圖8 中可見， 諧 振頻率約為 329 rad/s；在諧振頻率點(diǎn)前，傳遞函數(shù)表現(xiàn)為比例特性；在諧振頻率點(diǎn)后，表現(xiàn)為二階微分特性。根據(jù)實(shí)際情況，輸入信號(hào)一般為低頻信號(hào)，所以暫且不考慮其高頻段的特征，取其低頻段的特性：

但應(yīng)注意，在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)電壓控制器時(shí)，應(yīng)使得閉環(huán)函數(shù)的諧振頻率遠(yuǎn)低于 329 rad/s。且在不同系統(tǒng)參數(shù)條件下，分析的結(jié)果不一樣，應(yīng)根據(jù)具體情況分析和整定控制器參數(shù)。

采 用 PI 控 制 器 調(diào) 節(jié) 節(jié) 點(diǎn) 電 壓 幅 值 ，tvp=Kvp/ Kvi， Kvp與 Kvi分 別 表 示 PI 控 制 器 的 比 例 和 積 分常數(shù)。不考慮電流反饋環(huán)節(jié)時(shí)，控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的二階環(huán)節(jié)， 按最佳二階整定 PI參數(shù)。 電流反饋環(huán)節(jié)可減小節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的影響， 加快響應(yīng)速度。 Kv=IC/ΔV， IC表示并聯(lián)節(jié)點(diǎn)輸出的最大容性電流，為對(duì)應(yīng)此時(shí)下降的節(jié)點(diǎn)電壓。 Tv為時(shí)間常數(shù)， 一般取 0．05～0．15 s。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 仿真系統(tǒng)

圖9 為 UPFC 并聯(lián)側(cè)仿真電路圖， RLoad與 LLoad為線路有功和無功負(fù)荷； R1與 R2為并聯(lián)側(cè)有功負(fù)荷。 直流電容電壓為 40 kV， 采用 SVPWM 調(diào)制技術(shù) ， 開 關(guān) 頻 率 為 2 kHz， RLoad=100 Ω， LLoad=0．5 H，R1=1 000 Ω， R2=200 Ω。 表1 給出了仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷碾姎鈪?shù)，表2給出了各個(gè)控制器的參數(shù)。

圖9 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 UPFC 并聯(lián)側(cè)電路參數(shù)

表2 控制器參數(shù)

5.2 線路投切LLoad時(shí)控制對(duì)象的變化

在 0．3 s 時(shí)合上開關(guān) K1， 0．5 s 時(shí)斷開， 如圖10所示，并聯(lián)節(jié)點(diǎn)處電壓有一定幅度的下降， 但仍 保 持 在 0．977pu, 下 降 幅 度 約 為 2．5% ， 當(dāng) 斷 開開關(guān)后，電壓又恢復(fù)到原來水平。 圖11說明直流電容在仿真開始時(shí)有一定的波動(dòng)，但超調(diào)量不大， 在投切 LLoad時(shí)也出現(xiàn)小的波動(dòng)， 但總體穩(wěn)定。

圖10 投切 LLoad時(shí)并 聯(lián)節(jié)點(diǎn)電 壓

圖11 投切 LLoad時(shí)直 流電容電 壓

圖12是未加電流反饋校正環(huán)節(jié)和電流前饋校正環(huán)節(jié)時(shí)直流電壓的波形，很顯然，電流反饋環(huán)節(jié)對(duì)穩(wěn)定直流電容電壓意義很大，電流前饋校正可以減小階躍響應(yīng)時(shí)的超調(diào)量，使調(diào)節(jié)時(shí)間也同樣減少。

5.3 并聯(lián)側(cè)投入 R2時(shí)控制對(duì)象的變化

在 0．5 s 時(shí)合上開關(guān)， 從圖13 可以看出， 投切R2不會(huì)對(duì)并聯(lián)節(jié)點(diǎn)電壓造成太大影響， 節(jié)點(diǎn)電壓基本平穩(wěn)。 圖14可以說明，在并聯(lián)側(cè)電阻變化時(shí)直流電容電壓發(fā)生了一定的波動(dòng)，經(jīng)過短時(shí)間的震蕩之后可以穩(wěn)定下來。

圖12 未加電流反饋環(huán)節(jié)時(shí)直流電容電壓

圖13 并聯(lián)側(cè)投入 R2時(shí)并聯(lián)節(jié)點(diǎn)電壓

圖14 投入 R2時(shí)直流電容電

6 結(jié)語

本文提出了以傳統(tǒng) PI控制方式實(shí)現(xiàn)的 UPFC并聯(lián)側(cè)雙環(huán)控制策略，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)電壓控制器和直流電容控制器；為了達(dá)到更為理想的效果，加入了電流反饋和電流前饋環(huán)節(jié)。仿真結(jié)果證明，該控制系統(tǒng)具有良好的魯棒性和動(dòng)態(tài)性能。

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（本文編輯：楊 勇）

Research on Double-loop Control Strategy for Shunt Inverter of Unified Power Flow Controller

LIU Yong-jiang， KANG Ji-tao， LILin， ZHANG Xue-qun
（College of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

On the basis of themathematicalmodelof unified power flow controller （UPFC） shunt inverter system， a double-loop control system of UPFC shunt inverter is designed.The dq axis current decoupling is real ized with decoupling controller for internal loop.And the proportional integral （PI） controlmode is adopted for external loop， in which the d axis controls DC capacitor voltage and q axis controls node voltage.Meanwhile，the current feedforward and feedback control links are added so as to improve the precision and response velocity of the system.The high voltage level is adopted in the simulation system， in which per unit value method is used to analyze and calculate the parameters of all kinds of controllers.The accuracy and validity of the designed system are proved through simulation.

unified power flow controller； current； feedforward； feedback

TM721.3

： A

： 1007-1881（2011）07-0001-05

2011-01-14

劉永江（1985-）， 男， 湖南湘潭人， 工學(xué)碩士， 研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。