UPFC與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁多指標(biāo)協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)

牙彩紅

(廣西電網(wǎng)公司河池供電局，廣西 河池 547000)

1 引言

統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)是柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的一個(gè)新的控制裝置，其不僅可以控制線路的潮流和節(jié)點(diǎn)電壓，還能有效的改善和提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)上，UPFC相當(dāng)于靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)的組合，通過(guò)2個(gè)GTO電壓型逆變器(VSI)共用一個(gè)直流電容而組成。近年來(lái)對(duì)UPFC控制研究比較多，包括智能控制算法、優(yōu)化控制算法、線性最優(yōu)控制算法以及基于微分幾何原理的非線性控制算法［1-8］。

而基于狀態(tài)方程的線性、非線性控制設(shè)計(jì)方式發(fā)展比較成熟，易為學(xué)者廣泛接受。但在后期研究中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是線性最優(yōu)控制抑或是非線性控制設(shè)計(jì)方式，其在協(xié)調(diào)控制目標(biāo)動(dòng)、靜態(tài)性能方面有待提高。隨著研究深入，發(fā)現(xiàn)在控制設(shè)計(jì)中輸出函數(shù)對(duì)控制器的響應(yīng)性能有重大影響，而多指標(biāo)型輸出函數(shù)的選取能有效的改善控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)［9-11］。

本文運(yùn)用dq-0分解法，先建立了UPFC動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后結(jié)合發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，運(yùn)用多指標(biāo)控制設(shè)計(jì)理念，選取多目標(biāo)量為輸出函數(shù)，設(shè)計(jì)了UPFC與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁多指標(biāo)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性與實(shí)用性。

2 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

設(shè)UPFC安裝在發(fā)電機(jī)出口升壓變壓器的高壓母線側(cè)，經(jīng)雙回線與無(wú)窮大系統(tǒng)相連。UPFC的2個(gè)逆變器的輸出分別通過(guò)并聯(lián)變壓器和串聯(lián)變壓器與系統(tǒng)線路相連，其接入系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。對(duì)于接入電力系統(tǒng)的UPFC的作用，在此可以用兩個(gè)電壓源來(lái)等效，UPFC等值電路圖如圖2所示。

圖1 UPFC原理結(jié)構(gòu)

圖2 UPFC等值電路

其中，U1，U2分別為兩側(cè)逆變器等效電壓源，U為無(wú)窮大母線電壓，Um為UPFC接入點(diǎn)電壓;L1，L2是并聯(lián)、串聯(lián)變壓器的漏感;C是直流電容;Udc是直流電容兩端的電壓;U1d，U1q，U2d，U2q是經(jīng) Park 變換后的逆變器的輸出電壓;I1d，I1q，I2d，I2q是經(jīng) Park 變換后線路兩側(cè)的電流［8］。

為方便討論，只考慮UPFC及其線路上的等效電抗。

電容的充放電過(guò)程是由逆變器兩側(cè)不平衡功率引起，故在此用一階微分方程表示為:

經(jīng)Park變換后，UPFC并聯(lián)、串聯(lián)側(cè)與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程如下:

逆變器用正弦脈寬調(diào)制法(SPWM)控制，則有，

式中，m1，θ1，m2，θ2分別為 UPFC 裝置并聯(lián)與串聯(lián)側(cè)逆變器的輸入幅值調(diào)制系數(shù)和控制相位。

3 多指標(biāo)協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)

在發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電勢(shì)E'q是隨工況變化而變化的，特別是當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸入功率Pm改變時(shí)，必然會(huì)引起空載電勢(shì)Eq的變化，進(jìn)而引起暫態(tài)電勢(shì)E'q的改變。因此，在設(shè)計(jì)UPFC控制器時(shí)，應(yīng)充分考慮發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的作用，以優(yōu)化了UPFC控制，達(dá)到了綜合協(xié)調(diào)控制的目的。

以下采用發(fā)電機(jī)經(jīng)典三階模型:

式中Pm，Pe分別為機(jī)械輸入功率及電磁功率，Ef為勵(lì)磁控制量，E'q為發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電勢(shì)。

其中，Eq=E'q+(xd-x'd)(I1d+I2d)

結(jié)合式(1)～(4)可列出系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下:

其中，x=［I1d，I1q，I2d，I2q，Udc，E'q，δ，ω］T，

其中u1，u2，u3，u4分別為統(tǒng)一潮流控制器中逆變器正弦脈寬調(diào)制所得的四個(gè)控制量，u5為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制量。

基于多指標(biāo)非線性控制設(shè)計(jì)方法得，輸出函數(shù)應(yīng)選取為控制系統(tǒng)的多個(gè)目標(biāo)狀態(tài)量的線性組合?？疾閁PFC的主要功能特性有:潮流控制、電壓調(diào)節(jié)、提高線路傳輸功率等。故，選取接入點(diǎn)電壓偏差ΔUm，負(fù)荷端有功偏差ΔPL及電容電壓偏差ΔUdc等目標(biāo)量為輸出函數(shù)。即，所選取的5個(gè)輸出函數(shù)為:

其中，

至此，輸出函數(shù)中的所有未知約束量全部可轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)狀態(tài)量的函數(shù)關(guān)系。

此時(shí)系統(tǒng)的總關(guān)系度為:

故可選取其相應(yīng)非線性變換坐標(biāo):

同時(shí)，對(duì)于多輸入多輸出系統(tǒng)有:

結(jié)合非線性控制設(shè)計(jì)方法，即可求得其多指標(biāo)非線性控制規(guī)律［12］:

至此，完成UPFC非線性多指標(biāo)控制設(shè)計(jì)。

4 算例仿真

本文以單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)為例，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真，并以一般型輸出函數(shù)控制方式進(jìn)行了比較，以考查所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)響應(yīng)特性。

系統(tǒng)參數(shù)如下:

系統(tǒng)初始運(yùn)行工況為:PL=0.7032;QL=0.2063;δ=45.2999;Um=1.0237。

(仿真曲線說(shuō)明:“MINC”表示多指標(biāo)型控制方式;“GNC”表示一般輸出函數(shù)型控制方式。)

設(shè)系統(tǒng)在0.5s時(shí)，無(wú)窮大母線發(fā)生三相短路故障，0.62s時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)正常。其仿真圖如圖3所示。

圖3 三相短路時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖3表明:在三相短路擾動(dòng)中，多指標(biāo)型控制方式的控制律都能很好的跟蹤控制輸出，平息系統(tǒng)在暫態(tài)過(guò)程中的機(jī)械振蕩。這是由于，在多指標(biāo)型控制方式中，輸出函數(shù)選取了ΔUm，使得在其控制中ΔUm得到更好約束，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)中能充分調(diào)動(dòng)了其他狀態(tài)量I1d，I2d，I1q，I2q，Uc，δ，ω的變化來(lái)協(xié)調(diào)系統(tǒng)響應(yīng)品質(zhì)。同時(shí)不難看出多指標(biāo)型控制方式具有更優(yōu)的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)節(jié)性能。

5 結(jié)論

本文針對(duì)UPFC控制系統(tǒng)，建立了具勵(lì)磁協(xié)調(diào)控制性能的新動(dòng)態(tài)模型，并結(jié)合多指標(biāo)控制設(shè)計(jì)理念，將接入點(diǎn)電壓偏差ΔUm、有功偏差ΔPL，頻率偏差Δω及電容電壓偏差ΔUdc等狀態(tài)量選取為輸出函數(shù)，設(shè)計(jì)完成了UPFC與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁多指標(biāo)非線性協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，能夠很好的改善系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，并有效快速地控制節(jié)點(diǎn)電壓和線路潮流，改善了電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單，思路清晰，便于掌握和實(shí)用。

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