基于UPFC的柔性倒閘控制器
2021-11-13 08:12:06王玉梅李堯煒
電子科技 2021年11期
王玉梅，李堯煒
(河南理工大學 電氣工程與自動化學院,河南 焦作 454003)
電力系統(tǒng)運行中，對單母線分段線路中的變壓器進行檢修時，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行的兩段母線之間進行直接帶電合閘[1-6]。若兩段母線末端電壓參數(shù)存在差別，進行剛性倒閘操作必然會引起較大的沖擊環(huán)流，嚴重威脅電力系統(tǒng)運行的安全性。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，實現(xiàn)同壓無環(huán)流合閘。
對于實現(xiàn)無環(huán)流倒閘的措施，文獻[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， 運用abc-dq變換進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，設計出一種帶負荷的電力系統(tǒng)柔性倒閘調(diào)節(jié)器。文獻[8]以整流與逆變的結(jié)合來確定柔性倒閘裝置的拓撲結(jié)構(gòu)，并根據(jù)數(shù)學模型確定合適的電路參數(shù)，設計了供電系統(tǒng)柔性倒閘調(diào)節(jié)器控制策略。文獻[9]提出電力系統(tǒng)柔性倒閘裝置的拓撲結(jié)構(gòu)并建立其數(shù)學模型，運用交叉解耦控制策略和鎖相環(huán)控制，設計出一種基于FACTS(Flexible AC Transmission Systems)技術(shù)的柔性倒閘裝置。文獻[10]通過將數(shù)學模型與調(diào)節(jié)器的拓撲結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器來控制逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)。此外，該研究還通過(d,q)坐標下的三相鎖相環(huán)技術(shù)鎖定頻率與相位，設計出一種基于SSSC(Static Synchronous Series Compensator)技術(shù)的柔性倒閘控制器。文獻[11]提出變壓器耦合串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)、滑模控制策略選擇及控制器設計，并以該倒閘系統(tǒng)為控制對象建立數(shù)學模型，通過仿真來驗證滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的可行性。文獻[12]分析了軟件鎖相環(huán)中不同鎖相環(huán)的不同點的工作原理，設計了柔性倒閘裝置軟件鎖相算法，設計并開發(fā)了電力系統(tǒng)柔性倒閘裝置樣機。文獻[13]分析了當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 柔性倒閘控制器拓撲結(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行調(diào)節(jié)，并利用串聯(lián)部分對母線端電壓相位進行調(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)變換器承擔調(diào)節(jié)作用，為等效受控電流源，效果相當于一個并聯(lián)電流源。變換器VSCl通過變壓器Tsh并聯(lián)接入系統(tǒng)，并向連接點注入一個幅值可調(diào)的無功電流，調(diào)節(jié)連接點和系統(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。當單獨運行并聯(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行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，或?qū)涣鳒y電流進行直接控制使該電路吸收或發(fā)出的無功電流達到要求，從而實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹＞唧w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，當并聯(lián)側(cè)的控制裝置輸出的電壓小于系統(tǒng)電壓(U1
在柔性倒閘控制器運行中，換流器VSC1在向線路提供無功功率的補償時，還可以向VSC2提供有功功率支撐，使控制器內(nèi)部實現(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，變換器承擔補償無功和維持節(jié)點電壓穩(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，補償串聯(lián)側(cè)變換器的有功功率缺額，實現(xiàn)維持有功功率平衡的效果。同時，串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有補償母線電壓相量的功能。串聯(lián)補償功能的模式有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)部分實現(xiàn)了調(diào)節(jié)無功的作用，改變了接入點前后的電壓幅值，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向線路輸入一個補償電壓Use，通過疊加線路末端電壓U2達到與U1相同幅值的電壓。
設相位差為θ1，則電壓Use如式(12)所示。
(12)
當δ1>0時，超前移相，此時如式(14)所示。
(13)
(14)
當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)的端點電壓，Vr為母線Ⅱ側(cè)的端點電壓。
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，進而調(diào)控接入點的電壓幅值和相位。為了在柔性倒閘控制器內(nèi)部達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)接入點電壓Us和直流側(cè)電壓Vdc的大小進行控制。
3.2 柔性倒閘控制器的聯(lián)合調(diào)節(jié)
當串聯(lián)變換器和并聯(lián)變換器聯(lián)合作用時，并聯(lián)部分負責調(diào)節(jié)接入點前后的無功功率，以此來改變接入點的電壓幅值。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，最終達到幅值相等的狀態(tài)。串聯(lián)部分對接入點的電壓相位進行調(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行控制。
4 仿真
通過對UPFC裝置的分析，設計基于UPFC工作原理的柔性倒閘控制器，通過MATLAB軟件對此次設計進行仿真實驗，檢驗裝置的準確性。
通過Simulink搭建模型，設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)安全運行的指標。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)安全運行的指標，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，裝置運行前以及運行初始時如圖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到同步且穩(wěn)定運行如圖9(c)所示，此時可以可靠閉合閘斷路器進行倒閘操作。
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，設計使合閘母線端電壓快速達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，保護線路設備安全。最后通過Simulink的模塊搭建，對柔性倒閘控制器進行仿真驗證。本文控制器的重點在于調(diào)節(jié)效果及效率，對控制器設計的經(jīng)濟性還需進一步研究。
