基于UPFC風力發電系統控制優化研究

熊寧　朱文廣　程虹　王偉　王東山

摘 要： 將統一潮流控制器用于風力發電系統，通過統一潮流控制器優秀的潮流調節功能，對風力發電系統中的功率調節進行有效改善，與傳統風電直接接入電網時帶來的諧波污染相比，統一潮流控制器的使用能給風力發電注入電力系統的諧波污染帶來很大抑制作用，使得系統的功率補償得到進一步優化。另外，對統一潮流控制器串聯側采用預測控制策略，使得系統的動靜態性能有了很大提高，同時降低了控制器的復雜性，有利于EMI濾波器的數字化實現。通過Matlab仿真試驗驗證了以上策略的有效性和可行性，具有一定應用價值。

關鍵詞： 統一潮流控制器； 風力發電； 無功功率； 預測控制

中圖分類號： TN876?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

電力系統的無功功率是改善電能質量、降低有功損耗以及保證系統經濟、安全運行的重要因素。無功功率關系到系統的電壓水平，因此是衡量電能質量的重要指標[1]。它不僅對電力用戶有著極為重要的影響，同時也是維持系統安全穩定運行的重要保證；電壓的降低，將會造成電網傳輸能力降低、有功損耗增加、用戶電氣設備不能正常運行或設備工作效率降低等一系列問題。因此，實現無功功率的優化控制，對降低有功損耗、提高系統安全運行水平有著重要的意義。

風力發電是新能源發電領域最重要的一部分，風能清潔，成本低，目前已經運用于世界各國。然而，傳統的風力發電接入電網的電能質量普遍都不高，給系統注入的諧波普遍都較大，且輸入的有功功率和無功功率的調節普遍存在響應較慢的問題[2]，使得風力發電系統的動靜態性能都不高。統一潮流控制器（UPFC）是一種多用途FACTS裝置，可單獨或同時控制有功功率、無功功率和母線電壓，并被引入電力系統[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，包括電壓調節、串聯補償和移相等所有能力，可以同時并非常快速地獨立控制輸電線路中有功功率和無功功率[6]。UPFC可以控制線路的潮流分布，有效地提高電力系統的穩定性。

風力發電系統引入UPFC，將對電力系統諧波治理和無功功率優化起到很大的治理作用，利用UPFC優秀的調節性能對風力發電系統的動靜態性能也將起到很大的提高作用，響應更迅速[7?8]。預測控制是一種動態實時控制策略，有利于非線性控制，算法簡單，控制精度較高，動態性較好[9?10]。為此，本文針對基于UPFC的風力發電系統串聯側采用預測控制策略，并聯側采用PI控制，通過UPFC同步協調控制，對系統的潮流進行控制，對系統的無功功率進行優化研究。

1 UPFC工作原理與結構模型

1.1 UPFC工作原理

UPFC最常見的結構如圖1所示。

UPFC是由兩個共用直流電容的電壓源變換器組成[11]。變換器VSCl通過變壓器[Tsh]并聯接入系統，其作用相當于一個并聯電流源，向連接點注入一個幅值可調的無功電流，控制與系統交換的無功功率從而控制電壓[Us]的幅值相位，同時通過直流電容提供串聯側所需的有功功率，保持UPFC內部有功平衡，維持[Vdc]不變。變換器VSC2由變壓器[Tse]串聯接入系統[12]，相當于一個串聯電壓源，向系統提供一個幅值和相位均可調的串聯電壓[U1，]以控制線路上的有功和無功。

1.2 UPFC數學模型

根據圖1可知UPFC串聯側滿足如下關系：

[PrQr=23VoαVoβ-VoβVoαIoαIoβ] （1）

考慮到串聯母線和VSC2側的變比關系[10]，有：

[NsrbNsru=IsrIo] （2）

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

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

由式（3）可知，通過控制注入的電流能改變與系統交換的功率大小，并以此來控制接入點的電壓幅值和相位。為使UPFC內部的有功平衡，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]就能控制直流側的電壓。

并聯側與系統交換的無功功率主要由[Ishq]決定，無功功率的交換將直接影響并聯點電壓。因此UPFC的并聯側可以通過改變[Ish]來影響與系統交換功率的大小，從而控制并聯接入點電壓[Us]和直流側電壓[Vdc]的大小。

2 風力發電機的動態模型

[dq]坐標系下的電機定子電壓方程和機械運動方程為：

[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]分別為永磁同步發電機的d軸和q軸電感；[ω1]為電角速度；[ψf]為永磁體磁鏈；J為轉子的轉動慣量；[Np]為永磁同步發電機的極對數；[Bw]為轉動粘滯系數；[Tm]為風力機輸入到永磁同步發電機轉子的機械轉矩；[Te]為發電機的電磁轉矩，其表達式為：

[Te=32Npi1q（Lq-Ld）i1d+ψf] （7）

永磁同步發電機，[Ld=Lq，]此時電磁轉矩方程為：

[Te=32Npi1qψf] （8）

可以通過調節電流來調節永磁同步發電機和風力機的轉速，使之保持最佳葉尖速比的狀態。

3 風電系統UPFC預測控制

根據圖1，由KVL定理可得VSC2串聯側輸出端的電壓方程為：

[Lddti2+Ri2+u=u2] （9）

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

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

設采樣周期為[Ts，]式（10）經離散化，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）

本文采用預測電流控制，即在兩相靜止坐標系下對UPFC的VSC2變流器進行預測控制。將式（11）轉化為：

[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]。控制框圖如圖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直驅永磁同步風力發電仿真系統，同時建立預測控制和普通PI控制的風電系統仿真，對其仿真結果進行對比分析。仿真參數為：電網電壓和頻率分別為690 V和50 Hz，網側電感和電阻分別為0.6 mH和0.03 Ω。功率基準值為1.5 MW，無功功率指令初始值為0 pu。風速為10 m/s，大氣密度為1.225 kg/m3。同步發電機額定功率為1 MW，極對數為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。

風速變化圖如圖3所示，一次側電壓圖如圖4所示，線路一次側電流圖如圖5所示。

不同控制策略下，指令值在0.08 s時從0.15 pu變為0.2 pu，系統的無功功率響應圖分別如圖6，圖7所示。

由圖6可以看出，線路無功功率波動較大，動態響應較慢。

由圖7不難看出，預測控制下的無功功率響應要明顯優于圖6普通PI控制下的無功功率，而且動靜態性能也更佳。

5 結 論

采用UPFC的風力發電系統具備優秀的潮流控制功能，能快速調節系統的無功功率，使系統電壓水平保持在平穩狀態。采用預測控制策略的UPFC風力發電系統，相比較于傳統的UPFC風力發電系統的無功功率調節性能更佳，更能滿足現代電力系統快速調節的要求，控制精度更高，也更有利于元件設計的數字化實現。

參考文獻

[1] 郎永強，張學廣，徐殿國，等.雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略[J].中國電機工程學報，2007，27（9）：77?82.

[2] 楊恩星，仇志凌，陳國柱，等.并聯雙PWM變流器在低速永磁直驅風力發電系統中的應用[J].電力系統自動化，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.統一潮流控制器的分析與控制策略[J].電力系統自動化，2006，30（1）：45?51.

[7] 顧威，李興源，魏巍.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.

[8] 唐愛紅，盧俊，周新民，等.基于UPFC的風力發電功率控制研究[J].武漢理工大學學報，2011（7）：129?132.

[9] 鄧文浪，余帥，郭有貴，等.雙級矩陣變換器?統一潮流控制器預測控制策略研究[J].電氣工程學報，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.用于風電場并網中無功電壓調節的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.基于直流側儲能的新型統一潮流控制器優化設計[J].中國電機工程學報，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.