基于UPFC風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制優(yōu)化研究

熊寧　朱文廣　程虹　王偉　王東山

摘 要： 將統(tǒng)一潮流控制器用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一潮流控制器優(yōu)秀的潮流調(diào)節(jié)功能，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的功率調(diào)節(jié)進(jìn)行有效改善，與傳統(tǒng)風(fēng)電直接接入電網(wǎng)時(shí)帶來(lái)的諧波污染相比，統(tǒng)一潮流控制器的使用能給風(fēng)力發(fā)電注入電力系統(tǒng)的諧波污染帶來(lái)很大抑制作用，使得系統(tǒng)的功率補(bǔ)償?shù)玫竭M(jìn)一步優(yōu)化。另外，對(duì)統(tǒng)一潮流控制器串聯(lián)側(cè)采用預(yù)測(cè)控制策略，使得系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能有了很大提高，同時(shí)降低了控制器的復(fù)雜性，有利于EMI濾波器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。通過(guò)Matlab仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了以上策略的有效性和可行性，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 統(tǒng)一潮流控制器； 風(fēng)力發(fā)電； 無(wú)功功率； 預(yù)測(cè)控制

中圖分類號(hào)： TN876?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）07?0131?04

Optimization study on wind power generation system control based on UPFC

XIONG Ning1， ZHU Wenguang1， CHENG Hong1， WANG Wei1， WANG Dongshan2

（1. Economic Technology Research Institute， State Grid Jiangxi Electric Power Company， Nanchang 330043， China；

2. Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300384， China）

Abstract： The unified power flow controller （UPFC） is applied to the wind power generation system. The power regulation performance of the wind power generation system is improved effectively by means of the excellent power flow regulation function of the UPFC. In comparison with the harmonic pollution when the traditional wind power generation is accessed into the power grid directly， the UPFC can restrain the harmonic pollution when the wind power generation is injected into the electric power system， and optimize the system power compensation further. The predictive control strategy is adopted in the series side of the UPFC to improve the static and dynamic performances of the system greatly， reduce the complexity of the controller， and is beneficial to the digital implementation of the EMI filter. The effectiveness and feasibility of the above strategy were verified with Matlab simulation experiment， and the scheme has a certain application value.

Keywords： UPFC； wind power generation； reactive power； predictive control

0 引 言

電力系統(tǒng)的無(wú)功功率是改善電能質(zhì)量、降低有功損耗以及保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行的重要因素。無(wú)功功率關(guān)系到系統(tǒng)的電壓水平，因此是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。它不僅對(duì)電力用戶有著極為重要的影響，同時(shí)也是維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證；電壓的降低，將會(huì)造成電網(wǎng)傳輸能力降低、有功損耗增加、用戶電氣設(shè)備不能正常運(yùn)行或設(shè)備工作效率降低等一系列問(wèn)題。因此，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的優(yōu)化控制，對(duì)降低有功損耗、提高系統(tǒng)安全運(yùn)行水平有著重要的意義。

風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電領(lǐng)域最重要的一部分，風(fēng)能清潔，成本低，目前已經(jīng)運(yùn)用于世界各國(guó)。然而，傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量普遍都不高，給系統(tǒng)注入的諧波普遍都較大，且輸入的有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)普遍存在響應(yīng)較慢的問(wèn)題[2]，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能都不高。統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是一種多用途FACTS裝置，可單獨(dú)或同時(shí)控制有功功率、無(wú)功功率和母線電壓，并被引入電力系統(tǒng)[3?5]。背靠背型功率變換器組成的UPFC綜合了FACTS元件的多種靈活控制手段，包括電壓調(diào)節(jié)、串聯(lián)補(bǔ)償和移相等所有能力，可以同時(shí)并非?？焖俚鬲?dú)立控制輸電線路中有功功率和無(wú)功功率[6]。UPFC可以控制線路的潮流分布，有效地提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)引入U(xiǎn)PFC，將對(duì)電力系統(tǒng)諧波治理和無(wú)功功率優(yōu)化起到很大的治理作用，利用UPFC優(yōu)秀的調(diào)節(jié)性能對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能也將起到很大的提高作用，響應(yīng)更迅速[7?8]。預(yù)測(cè)控制是一種動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制策略，有利于非線性控制，算法簡(jiǎn)單，控制精度較高，動(dòng)態(tài)性較好[9?10]。為此，本文針對(duì)基于UPFC的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)側(cè)采用預(yù)測(cè)控制策略，并聯(lián)側(cè)采用PI控制，通過(guò)UPFC同步協(xié)調(diào)控制，對(duì)系統(tǒng)的潮流進(jìn)行控制，對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功功率進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 UPFC工作原理與結(jié)構(gòu)模型

1.1 UPFC工作原理

UPFC最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

UPFC是由兩個(gè)共用直流電容的電壓源變換器組成[11]。變換器VSCl通過(guò)變壓器[Tsh]并聯(lián)接入系統(tǒng)，其作用相當(dāng)于一個(gè)并聯(lián)電流源，向連接點(diǎn)注入一個(gè)幅值可調(diào)的無(wú)功電流，控制與系統(tǒng)交換的無(wú)功功率從而控制電壓[Us]的幅值相位，同時(shí)通過(guò)直流電容提供串聯(lián)側(cè)所需的有功功率，保持UPFC內(nèi)部有功平衡，維持[Vdc]不變。變換器VSC2由變壓器[Tse]串聯(lián)接入系統(tǒng)[12]，相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)電壓源，向系統(tǒng)提供一個(gè)幅值和相位均可調(diào)的串聯(lián)電壓[U1，]以控制線路上的有功和無(wú)功。

1.2 UPFC數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖1可知UPFC串聯(lián)側(cè)滿足如下關(guān)系：

[PrQr=23VoαVoβ-VoβVoαIoαIoβ] （1）

考慮到串聯(lián)母線和VSC2側(cè)的變比關(guān)系[10]，有：

[NsrbNsru=IsrIo] （2）

因此將有功功率給定值[P?o]和無(wú)功功率給定值[Q?o]代入，得到以下關(guān)系式：

[I?srαI?srβ=23NsrbNsru1V2oα+V2oβVoαVoβVoβ-VoαP?rQ?r] （3）

由式（3）可知，通過(guò)控制注入的電流能改變與系統(tǒng)交換的功率大小，并以此來(lái)控制接入點(diǎn)的電壓幅值和相位。為使UPFC內(nèi)部的有功平衡，即保持直流電壓恒定，必須滿足：

[Pdc=Psh-Pse] （4）

有功的交換將影響[Pdc]的大小，直流電容上電壓值將隨[Pdc]的改變而改變，因而控制[Ishd]就能控制直流側(cè)的電壓。

并聯(lián)側(cè)與系統(tǒng)交換的無(wú)功功率主要由[Ishq]決定，無(wú)功功率的交換將直接影響并聯(lián)點(diǎn)電壓。因此UPFC的并聯(lián)側(cè)可以通過(guò)改變[Ish]來(lái)影響與系統(tǒng)交換功率的大小，從而控制并聯(lián)接入點(diǎn)電壓[Us]和直流側(cè)電壓[Vdc]的大小。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型

[dq]坐標(biāo)系下的電機(jī)定子電壓方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

[u1d=-Rsi1d+ω1Lqi1q-Lddi1ddtu1q=-Rsi1q-ω1Ldi1d-Lqdi1qdt+ω1ψf] （5）

[Tm-Te=JNpdω1dt+Bwω1] （6）

式中：[u1d，][u1q]分別為定子電壓在d軸和q軸的基波分量；[Rs]為定子電阻；[i1d，][i1q]分別為定子在d軸和q軸的電流基波分量；[Ld，Lq]分別為永磁同步發(fā)電機(jī)的d軸和q軸電感；[ω1]為電角速度；[ψf]為永磁體磁鏈；J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；[Np]為永磁同步發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；[Bw]為轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù)；[Tm]為風(fēng)力機(jī)輸入到永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；[Te]為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，其表達(dá)式為：

[Te=32Npi1q（Lq-Ld）i1d+ψf] （7）

永磁同步發(fā)電機(jī)，[Ld=Lq，]此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

[Te=32Npi1qψf] （8）

可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流來(lái)調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之保持最佳葉尖速比的狀態(tài)。

3 風(fēng)電系統(tǒng)UPFC預(yù)測(cè)控制

根據(jù)圖1，由KVL定理可得VSC2串聯(lián)側(cè)輸出端的電壓方程為：

[Lddti2+Ri2+u=u2] （9）

式中：[u2]表示VSC2一次側(cè)輸入電壓；[u]表示VSC2二次側(cè)輸出電壓；[i2]表示VSC2二次側(cè)輸出電流。[R]和[L]分別表示VSC2二次側(cè)輸出濾波電路的電阻和電感[13?14]。在[αβ]坐標(biāo)系下，式（9）可以表示為：

[Lddti2α+Ri2α+uα=u2αLddti2β+Ri2β+uβ=u2β] （10）

設(shè)采樣周期為[Ts，]式（10）經(jīng)離散化，得：

[u2α（k）=Ri2α（k）+uα（k）+Li2α（k+1）-i2α（k）Tsu2β（k）=Ri2β（k）+uβ（k）+Li2β（k+1）-i2β（k）Ts] （11）

本文采用預(yù)測(cè)電流控制，即在兩相靜止坐標(biāo)系下對(duì)UPFC的VSC2變流器進(jìn)行預(yù)測(cè)控制。將式（11）轉(zhuǎn)化為：

[uα（k）=u2α（k）-Ri2α（k）-Li2α（k+1）-i2α（k）Tsuβ（k）=u2β（k）-Ri2β（k）-Li2β（k+1）-i2β（k）Ts] （12）

式中：[i2α（k+1）]和[i2β（k+1）]分別指第[k+1]次采樣周期時(shí)輸入電流的采樣值，這里分別用給定值[i*2α]和[i*2β]代替，可得：

[u*α（k）=u2α（k）-Ri2α（k）-Li?2α（k+1）-i2α（k）Tsu*β（k）=u2β（k）-Ri2β（k）-Li?2β（k+1）-i2β（k）Ts] （13）

式中：[u*α]和[u*β]作為空間矢量脈寬調(diào)制算法（SVPWM）的參考給定，由式（8）可得線路潮流給定值[p?o]和[q?o]?？刂瓶驁D如圖2所示。

4 仿真分析

在Matlab的Simulink下建立仿真模型，分別建立含UPFC直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)，同時(shí)建立預(yù)測(cè)控制和普通PI控制的風(fēng)電系統(tǒng)仿真，對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。仿真參數(shù)為：電網(wǎng)電壓和頻率分別為690 V和50 Hz，網(wǎng)側(cè)電感和電阻分別為0.6 mH和0.03 Ω。功率基準(zhǔn)值為1.5 MW，無(wú)功功率指令初始值為0 pu。風(fēng)速為10 m/s，大氣密度為1.225 kg/m3。同步發(fā)電機(jī)額定功率為1 MW，極對(duì)數(shù)為28，定子電阻為0.005 Ω，定子d軸和q軸電感皆為4.0 mH，定子額定電壓為690 V，定子額定電流為1 000 A。

風(fēng)速變化圖如圖3所示，一次側(cè)電壓圖如圖4所示，線路一次側(cè)電流圖如圖5所示。

不同控制策略下，指令值在0.08 s時(shí)從0.15 pu變?yōu)?.2 pu，系統(tǒng)的無(wú)功功率響應(yīng)圖分別如圖6，圖7所示。

由圖6可以看出，線路無(wú)功功率波動(dòng)較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。

由圖7不難看出，預(yù)測(cè)控制下的無(wú)功功率響應(yīng)要明顯優(yōu)于圖6普通PI控制下的無(wú)功功率，而且動(dòng)靜態(tài)性能也更佳。

5 結(jié) 論

采用UPFC的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具備優(yōu)秀的潮流控制功能，能快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無(wú)功功率，使系統(tǒng)電壓水平保持在平穩(wěn)狀態(tài)。采用預(yù)測(cè)控制策略的UPFC風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，相比較于傳統(tǒng)的UPFC風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)性能更佳，更能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)的要求，控制精度更高，也更有利于元件設(shè)計(jì)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郎永強(qiáng)，張學(xué)廣，徐殿國(guó)，等.雙饋電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率分析及控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（9）：77?82.

[2] 楊恩星，仇志凌，陳國(guó)柱，等.并聯(lián)雙PWM變流器在低速永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（10）：95?98.

[3] SCHAUDER C D， GYUGYI L， LUND M R， et al. Operation of the unified power flow controller （UPFC） under practical constraints [J]. IEEE transactions on power delivery， 1998， 13（2）： 630?639.

[4] GOLSHANNAVAZ S， AMINIFAR F， NAZARPOUR D. Application of UPFC to enhancing oscillatory response of series?compensated wind farm integrations [J]. IEEE transactions on smart grid， 2014， 5（4）： 1961?1968.

[5] DUBEY R， SAMANTARAY S R， PANIGRAHI B K， et al. Adaptive distance relay setting for parallel transmission network connecting wind farms and UPFC [J]. International journal of electrical power & energy systems， 2015， 65： 113?123.

[6] 朱鵬程，劉黎明，劉小元，等.統(tǒng)一潮流控制器的分析與控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（1）：45?51.

[7] 顧威，李興源，魏巍.基于UPFC的風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（11）：70?74.

[8] 唐愛(ài)紅，盧俊，周新民，等.基于UPFC的風(fēng)力發(fā)電功率控制研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（7）：129?132.

[9] 鄧文浪，余帥，郭有貴，等.雙級(jí)矩陣變換器?統(tǒng)一潮流控制器預(yù)測(cè)控制策略研究[J].電氣工程學(xué)報(bào)，2015，10（6）：27?32.

[10] CHO D G， SONG E H. A simple UPFC control algorithm and simulation on stationary reference frame [C]// Proceedings of 2001 IEEE International Symposium on Industrial Electro?nics. [S.l.]： IEEE， 2001： 1810?1815.

[11] 蔡禎祺，黃民翔，張磊.用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)中無(wú)功電壓調(diào)節(jié)的UPFC仿真分析[J].能源工程，2010（5）：29?33.

[12] HAGH M T， LAFZI A， MILANI R. Dynamic and stability improvement of a wind farm connected to grid using UPFC [C]// Proceedings of 2008 IEEE International Conference on Industrial Technology. [S.l.]： IEEE， 2008： 1?5.

[13] ILANGO G S， NAGAMANI C， SAI A V S S R， et al. Control algorithms for control of real and reactive power flows and power oscillation damping using UPFC [J]. Electric power systems research， 2009， 79（4）： 595?605.

[14] 王琦，易俊，劉麗平，等.基于直流側(cè)儲(chǔ)能的新型統(tǒng)一潮流控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（17）：4371?4378.

[15] ALHARBI Y M， YUNUS M S， SIADA A. Application of UPFC to improve the LVRT capability of wind turbine generator [C]// Proceedings of 2012 22nd Australasian Universities Power Engineering Conference. [S.l.]： IEEE， 2012： 1?4.

[16] XU L， CARTWRIGHT P. Direct active and reactive power control of DFIG for wind energy generation [J]. IEEE transactions on energy conversion， 2006， 21（3）： 750?758.