UPFC與發電機勵磁多指標協調控制設計

牙彩紅

(廣西電網公司河池供電局，廣西 河池 547000)

1 引言

統一潮流控制器(UPFC)是柔性交流輸電系統(FACTS)的一個新的控制裝置，其不僅可以控制線路的潮流和節點電壓，還能有效的改善和提高電力系統的暫態穩定性。在結構上，UPFC相當于靜止同步補償器(STATCOM)和靜止同步串聯補償器(SSSC)的組合，通過2個GTO電壓型逆變器(VSI)共用一個直流電容而組成。近年來對UPFC控制研究比較多，包括智能控制算法、優化控制算法、線性最優控制算法以及基于微分幾何原理的非線性控制算法［1-8］。

而基于狀態方程的線性、非線性控制設計方式發展比較成熟，易為學者廣泛接受。但在后期研究中發現，無論是線性最優控制抑或是非線性控制設計方式，其在協調控制目標動、靜態性能方面有待提高。隨著研究深入，發現在控制設計中輸出函數對控制器的響應性能有重大影響，而多指標型輸出函數的選取能有效的改善控制系統的動、靜態品質［9-11］。

本文運用dq-0分解法，先建立了UPFC動態系統數學模型，然后結合發電機勵磁調節系統，運用多指標控制設計理念，選取多目標量為輸出函數，設計了UPFC與發電機勵磁多指標協調控制系統，仿真結果驗證了方法的有效性與實用性。

2 控制系統數學模型

設UPFC安裝在發電機出口升壓變壓器的高壓母線側，經雙回線與無窮大系統相連。UPFC的2個逆變器的輸出分別通過并聯變壓器和串聯變壓器與系統線路相連，其接入系統的原理結構圖如圖1所示。對于接入電力系統的UPFC的作用，在此可以用兩個電壓源來等效，UPFC等值電路圖如圖2所示。

圖1 UPFC原理結構

圖2 UPFC等值電路

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

為方便討論，只考慮UPFC及其線路上的等效電抗。

電容的充放電過程是由逆變器兩側不平衡功率引起，故在此用一階微分方程表示為:

經Park變換后，UPFC并聯、串聯側與系統的動態方程如下:

逆變器用正弦脈寬調制法(SPWM)控制，則有，

式中，m1，θ1，m2，θ2分別為 UPFC 裝置并聯與串聯側逆變器的輸入幅值調制系數和控制相位。

3 多指標協調控制器設計

在發電機動態調節過程中，發電機的暫態電勢E'q是隨工況變化而變化的，特別是當發電機的輸入功率Pm改變時，必然會引起空載電勢Eq的變化，進而引起暫態電勢E'q的改變。因此，在設計UPFC控制器時，應充分考慮發電機勵磁的作用，以優化了UPFC控制，達到了綜合協調控制的目的。

以下采用發電機經典三階模型:

式中Pm，Pe分別為機械輸入功率及電磁功率，Ef為勵磁控制量，E'q為發電機的暫態電勢。

其中，Eq=E'q+(xd-x'd)(I1d+I2d)

結合式(1)～(4)可列出系統的狀態方程如下:

其中，x=［I1d，I1q，I2d，I2q，Udc，E'q，δ，ω］T，

其中u1，u2，u3，u4分別為統一潮流控制器中逆變器正弦脈寬調制所得的四個控制量，u5為發電機勵磁控制量。

基于多指標非線性控制設計方法得，輸出函數應選取為控制系統的多個目標狀態量的線性組合。考查UPFC的主要功能特性有:潮流控制、電壓調節、提高線路傳輸功率等。故，選取接入點電壓偏差ΔUm，負荷端有功偏差ΔPL及電容電壓偏差ΔUdc等目標量為輸出函數。即，所選取的5個輸出函數為:

其中，

至此，輸出函數中的所有未知約束量全部可轉換為系統狀態量的函數關系。

此時系統的總關系度為:

故可選取其相應非線性變換坐標:

同時，對于多輸入多輸出系統有:

結合非線性控制設計方法，即可求得其多指標非線性控制規律［12］:

至此，完成UPFC非線性多指標控制設計。

4 算例仿真

本文以單機無窮大系統為例，進行了計算機數字仿真，并以一般型輸出函數控制方式進行了比較，以考查所設計的控制系統響應特性。

系統參數如下:

系統初始運行工況為:PL=0.7032;QL=0.2063;δ=45.2999;Um=1.0237。

(仿真曲線說明:“MINC”表示多指標型控制方式;“GNC”表示一般輸出函數型控制方式。)

設系統在0.5s時，無窮大母線發生三相短路故障，0.62s時系統恢復正常。其仿真圖如圖3所示。

圖3 三相短路時系統響應曲線

圖3表明:在三相短路擾動中，多指標型控制方式的控制律都能很好的跟蹤控制輸出，平息系統在暫態過程中的機械振蕩。這是由于，在多指標型控制方式中，輸出函數選取了ΔUm，使得在其控制中ΔUm得到更好約束，在動態調節中能充分調動了其他狀態量I1d，I2d，I1q，I2q，Uc，δ，ω的變化來協調系統響應品質。同時不難看出多指標型控制方式具有更優的動、靜態調節性能。

5 結論

本文針對UPFC控制系統，建立了具勵磁協調控制性能的新動態模型，并結合多指標控制設計理念，將接入點電壓偏差ΔUm、有功偏差ΔPL，頻率偏差Δω及電容電壓偏差ΔUdc等狀態量選取為輸出函數，設計完成了UPFC與發電機勵磁多指標非線性協調控制系統。最后，通過計算機仿真，驗證了本文所設計的控制系統，能夠很好的改善系統的動、靜態品質，并有效快速地控制節點電壓和線路潮流，改善了電力系統的暫態穩定性。整個設計過程簡單，思路清晰，便于掌握和實用。

［1］顏楠楠，傅正財.基于多目標粒子群優化算法的UPFC協調控制［J］.電力系統保護與控制，2010，38(8):43-48.

［2］李蘭英，沈艷紅.UPFC控制器 IP設計［J］.電力系統保護與控制，2010，38(11):104-108.

［3］侯 麗 ，魯寶春.一種新型的 UPFC控制策略設計［J］.電力系統保護與控制，2008，36(1):33-36.

［4］顧威，李興源，魏巍.一基于UPFC的風電場穩定性動態仿真研究［J］. 電力系統保護與控制，2010，38(11):70-74.

［5］顏偉，朱繼忠，徐國禹.UPFC線性最優控制方式的研究及其對暫態穩定性的改善［J］.中國電機工程學報，2000，20(1):45-49.

［6］袁志昌，宋強，劉文華，等.統一潮流控制器的非線性控制［J］.電力系統自動化，2005，29(19):36-39.

［7］謝樺，梅生偉，徐政，等.統一潮流控制器的非線性控制和對電力系統穩定性的改善［J］.電力系統自動化，2001，25(19):1-5.

［8］奚玲玲，艾芊，陳陳.UPFC新型非線性控制策略［J］.電力系統自動化設備，2007，27(4):55-59.

［9］李嘯驄，顏卓勝，韋化，等.U型非線性抗擾勵磁控制律設計［J］.中國電機工程學報，1999，19(9):71-75.

［10］李嘯驄，程時杰，韋化，等.輸出函數在單輸入單輸出非線性控制系統設計中的重要作用［J］.中國電機工程學報，2004，24(10):50-56.

［11］李嘯驄，程時杰，韋化，等.輸出函數在多輸入多輸出非線性控制系統設計中的重要作用.中國電機工程學報，2006，26(9):87-93.

［12］盧強.電力系統非線性控制［M］.北京:科學出版社，2008:123:168.