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UPFC稳定控制器的研究及应用

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资料介绍

在统一潮流控制器(UPFC)上加装稳定控制器,可以提高弱阻尼系统的阻尼水平,但是稳定控制器安装位置及反馈信号的选择对控制效果影响较大.建立了包含稳定控制器的UPFC的9阶数学模型,该模型考虑了直流电容的动态响应,并且包括了并联侧的电压控制及串联侧的功率控制,可比较详细地反映稳定控制器对UPFC性能的影响,稳定控制器可根据需要安装在UPFC的并联侧或串联侧.基于该UPFC数学模型,在装设了UPFC的弱阻尼连接多机系统中,推导全系统的状态方程,利用全系统状态方程的信息计算UPFC稳定控制器的最佳安装位置及有效的反馈信号,然后使用计算结果设计相应的UPFC稳定控制器.使用EMTDC对一个装设有UPFC两区域弱阻尼连接系统进行了仿真计算,仿真结果表明,利用所提方法设计的UPFC稳定控制器可以明显提高该系统的阻尼水平.

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第29卷第3期

2009年3月

电力自动化设备

Electric PowerAutomation

Equipment

V01．29 No．3

Mar．2009

UPFC稳定控制器的研究及应用

陈2，钱

黄方能h2，黄成军2，陈

勇2，江秀臣2

(1．南方电网电力调度通信中心，广东广州510623；

2．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240)

摘要：在统一潮流控制器(UPFC)上加装稳定控制器，可以提高弱阻尼系统的阻尼水平，但是稳定控制器安

装位置及反馈信号的选择对控制效果影响较大。建立了包含稳定控制器的UPFC的9阶数学模型，该模型

考虑了直流电容的动态响应，并且包括了并联侧的电压控制及串联侧的功率控制，可比较详细地反映稳定控

制器对UPFC性能的影响，稳定控制器可根据需要安装在UPFC的并联侧或串联侧。基于该UPFC数学模

型，在装设了UPFC的弱阻尼连接多机系统中，推导全系统的状态方程，利用全系统状态方程的信息计算

UPFC稳定控制器的最佳安装位置及有效的反馈信号，然后使用计算结果设计相应的UPFC稳定控制器。

使用EMTDC对一个装设有UPFC两区域弱阻尼连接系统进行了仿真计算，仿真结果表明，利用所提方法设

计的UPFC稳定控制器可以明显提高该系统的阻尼水平。

关键词：UPFC；阻尼；稳定控制器；最佳安装位置；EMTDC

761

中图分类号：TM

文献标识码：A

文章编号：1006—6047(2009)03—0101一04

联侧的换流器I组成，其中并联侧换流器控制节点

电压及直流电容器电压，串联侧换流器控制线路传

输功率。选择换流器调制比mn、优-和换流器触发角

颤、艿I以及直流电容器电压仉为UPFC的状态变

量。设I脚℃安装于系统1、2号节点之间，选择节点

电压u。、巩作为UPFC的输入变量。定义如下向量：

0引言

统一潮流控制器(UPFC)是迄今为止功能最为

强大的FACTS装置，它由2个共用电容器的电压

型换流器构成，相当于一个并联的STATCOM和一

个串联的SSSC的组合。它同时具有线路潮流控

制、UPFC节点电压控制等多种控制功能[1。6]，提高

系统阻尼的稳定控制器可以加在UPFC的并联侧或

串联侧；同时阻尼信号也会极大影响稳定控制的效

果。因此，稳定控制器安装位置及理想阻尼信号的

选择，是一个十分值得研究的问题。

而=[躁mR文ml阢U1 U2 U3 U4]1

Uu一田】U2]T

。

“7

其中，甜。、Uz、U。、“。为对应UPFC控制系统的中

间状态变量。

根据图l以及相应的控制系统，可列出UPFC

本文在前人的工作基础上[7-11]，建立了包含稳定

控制器的1胪R：数学模型，推导出了包含UPFC多

机系统的状态方程。再利用状态方程的信息求出最

佳的稳定控制器安装位置及有效的阻尼信号，最后

设计理想的UPFC稳定控制器。

的数学模型。

1．1并联侧换流器R

因为UPFC运行时并联侧换流器R的触发角

非常小，因此可以直接利用换流器R触发角控制电

容电压，利用换流器R调制比控制母线节点电压。

控制系统如图2所示，为滞后环节及PI控制串联，

UPFC稳定控制器可以安装在定母线电压控制上，

其中UR，为UPFC安装节点的母线电压幅值，U如

为稳定控制器的输m阻尼信号。

带稳定控制的UPFC数学模型

如图1所示，UPFC由并联侧的换流器R及串

首先写出电容电压的微分方程：

怕^，¨7

鱼仉一PR+PT

d￡一CUd

(a)定电容电压控制

图1 Ul’Fc原理图

of UPFC

(b)定母线电压控制

Fig．1 Principle diagram

图2换流器R控制系统

Control

收稿日期：2008～02—27；修回日期：2008—10—15

Fig．2

system of rectifier

万方数据

101

电力自动化设备

第29卷

转换为Am。和△研。换流器I的输出电压和调制比、

触发角之间有如下关系：

其中，PR、P1分别为换流器R、l的输出有功，根

据图1和图2，可以写出UR，和PR、PI的线性方程如

式(3)(4)所示，再利用式(3)(4)可推出式(5)。

sin&) (12)

4-j U白=mlUrr(cos函+j

(3)

式(12)代入式(11)中，再联合式(5)，可求得：

△UR。=‰ (△xU，AUu)

APR=瓜(△洳，△Uu)

△PI一^I(△xU，△Uu)

(13)

厶-_AI幽+BI

其中，z2af,一[△纳△岛

z2正Ju+Brs[爱]

Au3 Au。]T，这样联

△Ud=Am凹岛+BmAUu

(5)

合式(10)(13)就可得到描述UPFC动态特性的9阶

图2控制系统对应的微分方程如下：

．

状态方程：

(6)

(7)

(8)

Aul=一二彬d一二△“l

rUd

(14)

似u=AU幽-4-助△阢+风叫s

其中，Us=[‰ △P姗△‰ ]T。

△参R—K咖△z‘l+Ku心(一二△阢～—L△孔1)

Z-Ud

输出变量取图l中的JR，和Ip,z，可表示为

(15)

△五2一一—L△“2一—L(AURt一【，如)

△』L，一Cu出b+现△Uu

rURt

ZURt

式(14)(15)构成了描述UPFC动态特性的数学

模型。最后，列出发电机的状态方程以及输电网络

的节点方程：

△疡R—fKURd一监)△“2一监△uRt+

、

URt

URt，

(9)

^{—／、．U—RtP△U．T}T如

URt

△XG—AGAXc+BG△比

利用式(3)和式(5)～(9)可得相应的换流器R

A／G—GAXG+De,AUG

(16)

状态方程：

A／N=YNAUN

联立式(14)～(16)可得全部系统的状态方程如

(10)

△XR-一ARAXU+BR△Uu+B陋△U0。

其中，硝R=[aCR AmR△阢Aul

1．2串联侧换流器I

式(17)所示：

Au2]T。

AX=AAX+BAUs

AY=CAX

，，。

串联换流器I相当于—个串接于线路中的可控电

压源，通过改变其输出的电压即可对线路传输功率进

行相应的调节。因为换流器I的调制比研。、触发角国

和线路传输有功、无功之间没有简单的对应关系，所

以不宜直接使用调制比m。、触发角国去控制线路传

输功率。采用换流器I输出电压的q轴分量调节线路

传输有功功率；换流器1输出电压的d轴分量调节线

路传输无功功率。控制系统见图3，图中PL和Q。分

别为线路传输的有功和无功，UI。和UI。分别为换流器

其中，△y为计算使用的阻尼信号，从AY中选

出理想的阻尼信号，设计稳定控制反馈至系统，最终

达到提高系统阻尼水平的目的。

UPFO稳定控制器设计

为了计算UPFC稳定控制器的最佳安装位置及

有效的阻尼信号，图2采用了混合状态方程和传递

函数的框图来描述式(17)表示的系统‘121(图4所示

为包含稳定器的系统模型)。

I输出电压的d轴和q轴分量，稳定控制器可以安装

在定线路有功控制及定线路无功控制之上。

啦^留

(b)定线路无功控制

图3换流器l控制系统

(a)定线路有功控制

图4包含稳足控制器的系统模型

Model of

with stabilizer

powersystem

Fig．4

将△y、△队及F(s，志)所组成的反馈回路改写为

式(18)(19)的状态方程形式。

，

AU豳s=刊C

△

11篾xl1j

荽

∥兰

Control

of rectifier I

Fig．3

system

F(s)=c1M，(s)B，+D，

同理，可得图3控制系统对应的微分方程如式

(19)

(11)所示：

M1(s)=一(sl--A，)1一l‘

其中，x，表示稳定控制器所对应的状态变量。

由式(17)～(19)可以得出对应图4的完整状态

(11)

_‘出_出。邰_T幻_=AT+_蛹BT_懈△_龇现_{Brrs-4-Brrs[爱](11)}

l_二、。9

其中，出h=Eaul口△Uu

△“3

△砒]T。

矩阵A 为

需要指出的是，式(11)OF非普通的状态方程，因

为方程两边的状态变量不对应，必须把△UH和△Ub

(2，0)

A 2【．

赴=[A嚣B】c

c箸

，‘

]

万方数据

102

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