基于UPFC的柔性倒閘控制器

王玉梅，李堯煒

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院,河南 焦作 454003)

電力系統(tǒng)運(yùn)行中，對單母線分段線路中的變壓器進(jìn)行檢修時，需要采用倒閘措施，將相鄰線路的變壓器二次側(cè)通過母聯(lián)開關(guān)來為待檢修條線路持續(xù)供電，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。目前，常見操作是通過倒閘操作票進(jìn)行剛性合閘的傳統(tǒng)倒閘，而傳統(tǒng)的剛性倒閘是在分列運(yùn)行的兩段母線之間進(jìn)行直接帶電合閘[1-6]。若兩段母線末端電壓參數(shù)存在差別，進(jìn)行剛性倒閘操作必然會引起較大的沖擊環(huán)流，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。解決沖擊環(huán)流問題則需要通過調(diào)節(jié)兩段母線上的潮流，使重新分布后的潮流的兩端母線末端電壓向量相同，實(shí)現(xiàn)同壓無環(huán)流合閘。

對于實(shí)現(xiàn)無環(huán)流倒閘的措施，文獻(xiàn)[7]為解決電力系統(tǒng)中操作效率低和安全隱患等倒閘操作問題， 運(yùn)用abc-dq變換進(jìn)行前饋解耦的電流內(nèi)環(huán)控制和PI調(diào)節(jié)的電壓外環(huán)控制，設(shè)計出一種帶負(fù)荷的電力系統(tǒng)柔性倒閘調(diào)節(jié)器。文獻(xiàn)[8]以整流與逆變的結(jié)合來確定柔性倒閘裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型確定合適的電路參數(shù)，設(shè)計了供電系統(tǒng)柔性倒閘調(diào)節(jié)器控制策略。文獻(xiàn)[9]提出電力系統(tǒng)柔性倒閘裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并建立其數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用交叉解耦控制策略和鎖相環(huán)控制，設(shè)計出一種基于FACTS(Flexible AC Transmission Systems)技術(shù)的柔性倒閘裝置。文獻(xiàn)[10]通過將數(shù)學(xué)模型與調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器來控制逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，該研究還通過(d,q)坐標(biāo)下的三相鎖相環(huán)技術(shù)鎖定頻率與相位，設(shè)計出一種基于SSSC(Static Synchronous Series Compensator)技術(shù)的柔性倒閘控制器。文獻(xiàn)[11]提出變壓器耦合串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、滑?？刂撇呗赃x擇及控制器設(shè)計，并以該倒閘系統(tǒng)為控制對象建立數(shù)學(xué)模型，通過仿真來驗(yàn)證滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的可行性。文獻(xiàn)[12]分析了軟件鎖相環(huán)中不同鎖相環(huán)的不同點(diǎn)的工作原理，設(shè)計了柔性倒閘裝置軟件鎖相算法，設(shè)計并開發(fā)了電力系統(tǒng)柔性倒閘裝置樣機(jī)。文獻(xiàn)[13]分析了當(dāng)前煤礦雙母線供電的供電方案，提出一種智能倒閘操作控制系統(tǒng)的控制策略。

以上文獻(xiàn)對傳統(tǒng)剛性倒閘中出現(xiàn)的系統(tǒng)參數(shù)不平衡的現(xiàn)象都有所改善，但是控制策略的調(diào)節(jié)速度仍有提升空間。本文設(shè)計基于UPFC(Unified Power Flow Controller)的柔性倒閘控制器，具有串聯(lián)和并聯(lián)控制器對母線末端電壓和相位雙重調(diào)節(jié)功能，在倒閘操作前能使母線端電壓更快達(dá)到相位一致，快速消除合閘環(huán)流。

1 柔性倒閘控制器的工作原理

1.1 柔性倒閘控制器的結(jié)構(gòu)圖

統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)的結(jié)構(gòu)[14]是由一個并聯(lián)變換器和一個串聯(lián)變換器組成的混聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中并聯(lián)結(jié)構(gòu)等效受控電流源的作用，串聯(lián)結(jié)構(gòu)則承擔(dān)受控電壓源的作用。UPFC通過變換器串聯(lián)和并聯(lián)聯(lián)合作用來控制系統(tǒng)潮流分布。統(tǒng)一潮流控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UPFC的結(jié)構(gòu)Figure 1. Structure of UPFC

根據(jù)統(tǒng)一潮流控制器的結(jié)構(gòu)圖，可初步設(shè)計柔性倒閘控制器裝置的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其等效圖如圖3所示。

圖2 柔性倒閘控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Figure 2. Topological structure diagram of flexible switch controller

圖3 柔性倒閘控制器等效結(jié)構(gòu)圖Figure 3. Equivalent structure diagram of flexible switching controller

以j端電壓為參考電壓且忽略輸出線路的有功功耗，如式(1)和式(2)所示。

Ui=Uejδ=U(cosδ+jsinδ)

(1)

Uj=Uej0°=U

(2)

式中，U和δ分別為以j端電壓為參考時，i端電壓Ui的幅值和相角。

串聯(lián)側(cè)變流器于系統(tǒng)交換的有功及無功功率(忽略電阻)為

(3)

(4)

式中，γ為Use與Ui的夾角；Up和Uq分別為有功和無功的補(bǔ)償電壓。

并聯(lián)側(cè)變流器與系統(tǒng)交換的功率(忽略電阻)為

Psh=Ushgsh[-Ush+Uicos(θsh-δ)]

(5)

Qsh=Ushbsh[Ush+Uicos(θsh-δ)]

(6)

P=Psh=Pse

(7)

式中，gsh和bsh分別為并聯(lián)結(jié)構(gòu)變流器的等效電導(dǎo)和等效電納；θsh為以Ui為參考時Ush的相角。

1.2 柔性倒閘控制器的工作原理

剛性帶電合閘通常出現(xiàn)環(huán)流，其環(huán)流的產(chǎn)生與倒閘前的兩端母線末端電壓相位幅值有關(guān)。若末端電壓相位幅值未能達(dá)到一致且直接剛性倒閘必然會引起較大的沖擊電流，將會對線路產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。因此，倒閘控制裝置的調(diào)節(jié)工作原理是通過并聯(lián)部分對母線端電壓幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用串聯(lián)部分對母線端電壓相位進(jìn)行調(diào)整。

2 柔性倒閘控制器的調(diào)節(jié)功能

倒閘控制器的控制功能包括并聯(lián)調(diào)壓控制和串聯(lián)移相調(diào)節(jié)。

2.1 柔性倒閘控制器的電壓(幅值)調(diào)節(jié)功能

柔性倒閘控制器采用UPFC[15]中串并聯(lián)的混聯(lián)方式。并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的并聯(lián)變換器承擔(dān)調(diào)節(jié)作用，為等效受控電流源，效果相當(dāng)于一個并聯(lián)電流源。變換器VSCl通過變壓器Tsh并聯(lián)接入系統(tǒng)，并向連接點(diǎn)注入一個幅值可調(diào)的無功電流，調(diào)節(jié)連接點(diǎn)和系統(tǒng)之間交換的無功功率，起到調(diào)控電壓幅值Us的作用。串聯(lián)側(cè)由直流電容補(bǔ)償所需有功功率，使控制器內(nèi)部有功保持平衡，維持Vdc不變。當(dāng)單獨(dú)運(yùn)行并聯(lián)變換器時，其基本工作原理是通過電抗器或者直接將自動相橋式電路并聯(lián)在電網(wǎng)上，對橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，或?qū)涣鳒y電流進(jìn)行直接控制使該電路吸收或發(fā)出的無功電流達(dá)到要求，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 并聯(lián)側(cè)的等效電路圖Figure 4. Equivalent circuit diagram of parallel side

整體并聯(lián)結(jié)構(gòu)等效一個可以調(diào)控電壓幅值的電壓源[16]，控制器的電流輸出為

(8)

因此，并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出的單相視在功率如式(9)所示。

(9)

通常情況下，裝置不吸收有功功率或者只吸收很小的有功功率，因此其產(chǎn)生的電壓U1與系統(tǒng)電壓Us相位相同。裝置輸出的無功功率如式(10)所示，等效圖如圖5所示。

(10)

(a)

(b)圖5 并聯(lián)側(cè)的電壓調(diào)節(jié)(a)等效于電感 (b)等效于電容Figure 5. Voltage regulation on parallel side(a)Equivalent to inductance (b)Equivalent to capacitance

由圖5可以看出，當(dāng)并聯(lián)側(cè)的控制裝置輸出的電壓小于系統(tǒng)電壓(U1Us)，控制裝置的并聯(lián)部分向系統(tǒng)輸出的無功功率大于零，則控制器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)等效于電容[17]。由于控制器并聯(lián)部分所輸出的電壓U1的幅值可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速的調(diào)節(jié)，因此控制器的并聯(lián)裝置可以實(shí)現(xiàn)由正到負(fù)，連續(xù)快速地調(diào)節(jié)無功功率[17]。

在柔性倒閘控制器運(yùn)行中，換流器VSC1在向線路提供無功功率的補(bǔ)償時，還可以向VSC2提供有功功率支撐，使控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)功率平衡。其有功功率的平衡方程式為

Psh=Pse+ΔP

(11)

式中，Psh為VSC1與線路交換的有功功率；Pse為 VSC2與線路交換的有功功率；ΔP為控制器自身損耗的有功功率。

2.2 柔性倒閘控制器的相位調(diào)節(jié)

串聯(lián)部分中，變換器承擔(dān)補(bǔ)償無功和維持節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定的作用。變換器VSC2通過變壓器Tse串聯(lián)接入系統(tǒng)[18]，等效于一個串聯(lián)電壓源，在系統(tǒng)中輸出可以調(diào)節(jié)電壓相位和幅值的串聯(lián)電壓U1，達(dá)到控制線路上有功功率和無功功率的效果。根據(jù)變換器串聯(lián)部分的功率需求，補(bǔ)償串聯(lián)側(cè)變換器的有功功率缺額，實(shí)現(xiàn)維持有功功率平衡的效果。同時，串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有補(bǔ)償母線電壓相量的功能。串聯(lián)補(bǔ)償功能的模式有3種[19]：電壓控制模式(Vc模式)，其只改變接入點(diǎn)前后的電壓幅值而不改變電壓相位；相角控制模式(φc模式)，其只改變接入點(diǎn)前后的電壓相位不改變電壓幅值；阻抗控制模式(Xc模式)，其改變輸電線路等效電抗。由于并聯(lián)部分實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)無功的作用，改變了接入點(diǎn)前后的電壓幅值，所以串聯(lián)部分選用相角控制模式來改變接入點(diǎn)的電壓相角，等效工作原理結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 等效結(jié)構(gòu)圖Figure 6. Diagram of equivalent structure

兩條母線變壓器二次側(cè)電壓分別為U1和U2，通過串聯(lián)變換器注入一個Vpq，使Vpq=V1-V2，使得可靠閉合合閘開關(guān)。VSC2通過T2向線路輸入一個補(bǔ)償電壓Use，通過疊加線路末端電壓U2達(dá)到與U1相同幅值的電壓。

設(shè)相位差為θ1，則電壓Use如式(12)所示。

(12)

當(dāng)δ1>0時，超前移相，此時如式(14)所示。

(13)

(14)

當(dāng)情況相反時則滯后移相，此時如式(16)所示。

(15)

(16)

通過以上分析可知，在δ1明確的條件下，根據(jù)微電網(wǎng)線路末端電壓U2的幅值與相位就可以確定補(bǔ)償電壓Use的幅值與相位，此時Use和IL不垂直，所以 VSC2和線路既存在有功功率的交換又存在無功功率的交換，如圖7所示。

圖7 相角調(diào)節(jié)功能Figure 7. Phase angle adjustment function

相角控制模式的公交關(guān)系如式(17)所示。

(17)

3 柔性倒閘控制器的模型

3.1 穩(wěn)態(tài)模型

柔性倒閘控制器采用UPFC的雙電壓型變換器結(jié)構(gòu)。在僅考慮基波分量的影響時，并聯(lián)變換器部分可等效于一個受控電流源，串聯(lián)變換器部分可等效于一個受控電壓源，得到的穩(wěn)態(tài)模型如圖8所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)模型Figure 8. Steady state model

在圖中的穩(wěn)態(tài)模型中，Vs為母線Ⅰ側(cè)的端點(diǎn)電壓，Vr為母線Ⅱ側(cè)的端點(diǎn)電壓。

倒閘控制器串聯(lián)側(cè)滿足以下關(guān)系

(18)

考慮到串聯(lián)母線和VSC2側(cè)的變比關(guān)系，有

(19)

因此將有功功率給定值P0和無功功率給定值Q0帶入，得到以下關(guān)系

(20)

由式(20)可以看出，通過調(diào)節(jié)輸入電流可以調(diào)整系統(tǒng)交換功率大小，進(jìn)而調(diào)控接入點(diǎn)的電壓幅值和相位。為了在柔性倒閘控制器內(nèi)部達(dá)到有功功率平衡并維持直流電壓恒定，須滿足[20]式(21)。

Pdc=Psh+Pse

(21)

由式(21)可以看出，Pdc的大小受有功交換的影響，隨Pdc的改變將影響電容上電壓值的大小，直流側(cè)的電壓將直接受Ishd的控制。Ishq的調(diào)節(jié)可以控制并聯(lián)側(cè)與系統(tǒng)交換的無功功率的大小，并聯(lián)點(diǎn)電壓將直接受無功功率交換影響。因此系統(tǒng)交換功率的量可以通過改變控制器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)Ish來調(diào)節(jié)，從而對并聯(lián)接入點(diǎn)電壓Us和直流側(cè)電壓Vdc的大小進(jìn)行控制。

3.2 柔性倒閘控制器的聯(lián)合調(diào)節(jié)

當(dāng)串聯(lián)變換器和并聯(lián)變換器聯(lián)合作用時，并聯(lián)部分負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)接入點(diǎn)前后的無功功率，以此來改變接入點(diǎn)的電壓幅值。通過控制注入電壓向量改變線路潮流，使得變壓器二次側(cè)的電壓幅值變化，最終達(dá)到幅值相等的狀態(tài)。串聯(lián)部分對接入點(diǎn)的電壓相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，在兩條母線端電壓U1變化過程中不斷改變注入的電壓相位，使得U1的相位逐漸接近U2端的相位，兩個變換器聯(lián)合工作，平滑快速地對電壓向量進(jìn)行控制。

4 仿真

通過對UPFC裝置的分析，設(shè)計基于UPFC工作原理的柔性倒閘控制器，通過MATLAB軟件對此次設(shè)計進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確性。

通過Simulink搭建模型，設(shè)定兩段母線電源通過變壓器，使末端電壓分別為U1=5 500∠0°(以U1為參考量)，U2=5 850∠10°。在T=0時，將倒閘控制器投入系統(tǒng)，采取每0.5T(周期)的數(shù)據(jù)。母聯(lián)開關(guān)兩側(cè)電壓經(jīng)歷幾個周期后實(shí)現(xiàn)同步。仿真結(jié)果如表1和表2所示。

表1 電壓相位變化圖

由表1可以看出，為了便于對比，將母線Ⅰ的電壓U1的初始相位設(shè)為零相位，在控制器調(diào)節(jié)前，電壓U1和電壓U2相位相差10°。經(jīng)歷幾個周期后，兩段母線末端電壓的相位快速接近，在第5個周期時相角差為0.11°。雖然仍未達(dá)到完全零相位差，但是此時產(chǎn)生的不平衡電流已變小，且在線路能承受的電流范圍內(nèi)，符合電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的指標(biāo)。此時可以閉合倒閘開關(guān)倒閘斷路器，再斷開柔性倒閘控制器裝置，完成倒閘操作。

表2 電壓幅值變化表

由表2可以看出，在控制器調(diào)節(jié)電壓幅值前，電壓U1和電壓U2幅值相差350 V，同時母聯(lián)開關(guān)所在線路相對較短，其等值電感和電阻很小，因此直接剛性合閘依然會產(chǎn)生較大的不平衡電流。通過柔性倒閘控制器對電壓幅值的調(diào)整，兩段母線末端電壓向量經(jīng)歷幾個周期后快速接近，在第5個周期時電壓U1和電壓U2的幅值僅差2.6 V。此時進(jìn)行倒閘操作可較大幅度減小兩母線間的不平衡電流，滿足電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的指標(biāo)，可以閉合倒閘開關(guān)倒閘斷路器，再斷開柔性倒閘控制器裝置完成倒閘操作。

將本文所測得的數(shù)據(jù)以波形圖的形式進(jìn)行展示，如圖9所示。

(a)

(b)

(c)

由圖9可以看出，通過截取電壓波形首尾部分，裝置運(yùn)行前以及運(yùn)行初始時如圖9(a)和圖9(b)所示，兩端母線的三相電壓波形幅值相位差異較大。通過控制器的調(diào)節(jié)功能使得三相電壓幅值相位基本達(dá)到同步且穩(wěn)定運(yùn)行如圖9(c)所示，此時可以可靠閉合閘斷路器進(jìn)行倒閘操作。

在柔性倒閘控制器調(diào)節(jié)階段，其無功調(diào)節(jié)變化和電壓波形分別如圖10和圖11所示。

圖10 無功功率變化Figure 10. Change of reactive power

從圖10可以看出，由于并聯(lián)側(cè)的控制裝置輸出電壓有變化，控制器與系統(tǒng)之間動態(tài)相互傳遞無功功率，使潮流重新分布并不斷調(diào)整母線端電壓。在第5周期后，控制器的無功功率調(diào)節(jié)基本穩(wěn)定，此時兩段母線端電壓相位一致，可以實(shí)現(xiàn)可靠倒閘操作。

圖11 倒閘控制器輸出電壓Figure 11. Output voltage of switching controller

由圖11可以看出，倒閘控制器起始輸出電壓峰值為349 V。經(jīng)過幾個周期電壓幅值調(diào)整，不斷減小其輸出電壓，在第5個周期后電壓輸出穩(wěn)定在0 V附近。此時母聯(lián)開關(guān)兩側(cè)電壓向量基本重合，可以可靠地實(shí)現(xiàn)安全倒閘操作。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)剛性合閘易出現(xiàn)沖擊電流的現(xiàn)象，本文通過對UPFC結(jié)構(gòu)和原理的分析，設(shè)計使合閘母線端電壓快速達(dá)到同期的柔性倒閘控制器，利用并聯(lián)側(cè)的調(diào)壓功能和串聯(lián)側(cè)的移相功能，動態(tài)調(diào)節(jié)線路的潮流，使兩端母線末端達(dá)到同電壓，從而消除傳統(tǒng)剛性帶電合閘中出現(xiàn)的沖擊電流，保護(hù)線路設(shè)備安全。最后通過Simulink的模塊搭建，對柔性倒閘控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文控制器的重點(diǎn)在于調(diào)節(jié)效果及效率，對控制器設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性還需進(jìn)一步研究。