CN106410810A - 一种附加阻尼控制的upfc控制单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种附加阻尼控制的UPFC控制单元，包括UPFC阻尼控制器和UPFC潮流控制器；本发明UPFC阻尼控制器的设计方法运用测试信号法进行系统小信号稳定性分析，选择期望的主导极点；然后运用测试信号法求得从UPFC有功功率指令值到并联交流联络线有功功率的开环传递函数；最后基于经典控制理论的极点配置算法便可整定UPFC附加阻尼控制器的各个参数。从而本发明在整定过程中避开在常规设计中遇到的困难、便于实际工程应用，对于UPFC的工程实用具有重要意义。

Description

一种附加阻尼控制的UPFC控制单元

技术领域

本发明属于电力系统柔性输配电技术领域，具体涉及一种附加阻尼控制的UPFC控制单元。

背景技术

随着电网规模的急剧增长，负荷水平的持续攀升，远距离大功率互联的工程实例越来越多。区域间的低频振荡成为限制区域联络线输电能力，甚至影响互联电网安全稳定运行的主要因素之一。柔性交流输电(Flexible AC Transmission System，FACTS)技术的出现为抑制低频振荡，特别是区域间振荡提供了新的手段。

作为最新一代的FACTS装置，统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)能够实现潮流的精确控制，对电网动态稳定性和电压稳定性均有较大影响。如图1所示，UPFC由两个背靠背的电压源换流器构成，两个背靠背的换流器共用直流母线和直流电容，二者都通过换流变压器接入系统，其中变流器2的换流变压器以串联形式接入。有功功率可以在两个变流器之间在任一方向自由流动，每个变流器的交流输出端也可独立地产生或吸收无功功率。UPFC中变流器2的功能是通过串联变压器给线路注入幅值和相角均可控的电压向量，即可同时或有选择性地调节线路上的电压、阻抗和相角；变流器1的主要功能是提供或吸收变流器2在公共直流母线上所需要的有功功率，以维持串联注入电压与线路之间的有功功率交换。

在UPFC装置上加装UPFC附加阻尼控制器，能够提高系统阻尼比，抑制系统低频振荡。控制器的参数整定是UPFC附加阻尼控制器设计的核心问题之一。近年来，常见的控制器设计方法包括遗传算法、进化策略、模糊控制等，然而实际大系统中状态方程异常繁杂，使用上述方法整定UPFC附加阻尼控制器参数存在一定的困难。因此，制定一套可以工程实用的UPFC附加阻尼控制器的设计方法是十分有必要的。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种附加阻尼控制的UPFC控制单元，其采用测试信号法和极点配置法对UPFC附加阻尼控制器的参数进行整定，从而在整定过程中避开在常规设计中遇到的困难、便于实际工程应用。

一种附加阻尼控制的UPFC控制单元，包括UPFC阻尼控制器和UPFC潮流控制器，所述UPFC阻尼控制器以任一条与UPFC所在线路并联的交流输电线的有功功率作为输入信号x从而产生附加功率ΔP_ref与UPFC有功功率指令值P_ref叠加后作为输入UPFC潮流控制器的参考功率，所述UPFC潮流控制器采用定有功功率控制策略对UPFC进行控制；

所述的UPFC阻尼控制器由高通滤波模块、移相模块、比例增益模块以及限幅模块连接组成，所述输入信号x依次通过高通滤波模块、移相模块、比例增益模块和限幅模块后输出产生附加功率ΔP_ref；所述移相模块采用m阶相位补偿，m为大于1的自然数。

所述的高通滤波模块基于以下传递函数L(s)：

其中：s为拉普拉斯算子，T_w为设定的时间常数。

所述的移相模块基于以下传递函数Y(s)：

其中：s为拉普拉斯算子，T₁和T₂均为移相时间常数。

所述移相时间常数T₁和T₂的整定方法如下：

(1)对UPFC所在输电系统进行小信号稳定性分析，求出该系统对应阻尼比最小的振荡模式的频率ω_n，根据该振荡模式分析结果确定期望的主导极点s_d如下：

或

其中：ξ为期望达到的阻尼比，j为虚数单位；

(2)通过测试信号法辨识拟合出从所述参考功率至输入信号x的开环传递函数G(s)；

(3)通过以下关系式确定时间常数T₁和T₂：

其中：G(s_d)对应为开环传递函数G(s)在期望主导极点s_d上的函数值，arg(G(s_d))为函数值G(s_d)的相位，ω_k为期望主导极点s_d虚部的绝对值。

所述步骤(2)中通过测试信号法辨识拟合开环传递函数G(s)的具体过程如下：

2.1在UPFC有功功率指令值P_ref上叠加振荡功率ΔP_ref(t)后作为UPFC潮流控制器的参考功率，进而由UPFC潮流控制器采用定有功功率控制策略对UPFC进行控制；所述振荡功率ΔP_ref(t)的表达式如下：

其中：ω₀＝2Hz/K，K为设定的频率点个数，P_k和φ_k分别为第k个频率点所对应振荡功率的幅值和相位，k为自然数且1≤k≤K，t为时间；

2.2对UPFC所在输电系统进行机电暂态仿真直至稳态，提取一定周期内的振荡功率ΔP_ref(t)以及任一条与UPFC所在线路并联的交流输电线的有功功率ΔP_ac(t)；

2.3对所述振荡功率ΔP_ref(t)和有功功率ΔP_ac(t)进行傅里叶变换，得到各频率点下对应的相量和

2.4根据以下公式遍历计算所有频率点下的函数值G(kω₀)，进而通过拟合得到开环传递函数G(s)；

所述比例增益模块的增益K通过以下关系式确定：

其中：H(s)为UPFC阻尼控制器的传递函数，H(s_d)对应为传递函数H(s)在期望主导极点s_d上的函数值，||表示取模运算。

本发明UPFC阻尼控制器的设计方法运用测试信号法进行系统小信号稳定性分析，选择期望的主导极点；然后运用测试信号法求得从UPFC有功功率指令值到并联交流联络线有功功率的开环传递函数；最后基于经典控制理论的极点配置算法便可整定UPFC附加阻尼控制器的各个参数。从而本发明在整定过程中避开在常规设计中遇到的困难、便于实际工程应用，对于UPFC的工程实用具有重要意义。

附图说明

图1为统一潮流控制器UPFC的结构示意图。

图2为本发明UPFC控制单元的结构示意图。

图3为两区四节点系统的结构示意图。

图4为并联交流联络线7-8一回线路的有功功率波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明附加阻尼控制的UPFC控制单元如图2所示，包括UPFC阻尼控制器和UPFC潮流控制器，UPFC阻尼控制器的传递函数由以下四部分构成：稳定信号隔直、相位超前补偿、稳定器增益和稳定器限幅环节，具体如下：

稳定信号隔直为一高通滤波器，其主要作用是避免故障后UPFC控制输入信号中可能存在的直流分量对UPFC附加阻尼控制的影响；移相环节是阻尼控制中的主要环节，其作用是使UPFC的输出随着输入信号的变化而产生一个与输入信号之间相位差，以补偿UPFC阻尼控制器输出与形成的电气转矩之间的相位滞后；T₁和T₂为移相时间常数，m为移相器个数；稳定器的增益K决定控制器向系统提供阻尼的大小；稳定器限幅环节将附加阻尼控制器输出限定在允许的范围[△P_max，△P_min]内。

x为UPFC阻尼控制器的输入信号，本实施方式中取任一条并联交流联络线的有功功率ΔP_ac；UPFC阻尼控制器产生的输出信号与UPFC有功功率指令值P_ref叠加后一起作为UPFC潮流控制器的输入信号。

UPFC阻尼控制器设计步骤具体如下：

(1)用测试信号法对交直流系统进行小信号稳定性分析，求出系统主要振荡模式(阻尼比最小)的频率ω_n，根据主要振荡模式分析结果选择期望的主导极点s_d；

(2)用测试信号法辨识从UPFC有功功率指令值到并联交流联络线有功功率的开环传递函数G(s)：

2.1在UPFC有功功率指令值上施加一系列小信号振荡功率，即：

其中：kω₀＝0.1～2.0Hz，P_k和φ_k为相应振荡功率的幅值和相位，对所加ΔP_ref(t)的要求是不能破坏系统线性化条件；

2.2对系统进行机电暂态仿真直到稳态，并提取公共周期内的数据量ΔP_ref(t)和ΔP_ac(t)；

2.3对ΔP_ref(t)和ΔP_ac(t)作傅立叶分解，得到不同频率下的相量和

2.4对所有的kω₀计算不同频率下的传递函数：

然后利用数据拟合辨识出G(s)的表达式。

(3)根据步骤(1)求出相应于期望主导极点的UPFC阻尼控制器的补偿相位和幅值，采用极点配置法整定UPFC阻尼控制器的参数：

3.1可通过下式计算超前-滞后补偿环节的参数：

其中，是需要补偿的相位，arg(G(s_d))是开环传递函数G(s)在期望主导极点s_d处的相位；ω_k是期望主导极点s_d的正虚部；m为相位补偿环节的阶数，本实施方式中m取3；稳定信号隔直环节的时间常数T_w取为10s。

3.2确定T₁、T₂后，可以通过式下式来确定增益K：

其中，H(s)为UPFC阻尼控制器的传递函数。

(4)应用测试信号法重新计算系统主要振荡模式的频率和阻尼比。

以下我们利用本发明对如图3所示的两区四节点系统进行仿真，UPFC装置安装在节点7与节点9之间的一回线路上，将线路功率控制在2.2+j0.0。

首先，用测试信号法分析系统主要振荡模式的频率和阻尼比，结果如表1所示：

表1

由表1可以看出，系统中存在一个阻尼比极低的振荡模式(振荡模式1)，可以通过加装UPFC附加阻尼控制器提高振荡模式1的阻尼比，改善系统动态特性。附加阻尼控制器的输入信号为7-8一回线路的有功功率。

用测试信号法辨识从UPFC有功功率指令值到并联交流联络线有功功率的开环传递函数G(s)。通过时域仿真得到G(s)的幅频特性，通过模态辨识可得到G(s)的表达式为：

UPFC附加阻尼控制器的目标是将与振荡模式1对应的主导极点的阻尼比提高到20％。因此，将期望的主导极点s_d设置在-0.63+j3.1，对应振荡频率为0.5Hz，阻尼比为20％。使用UPFC附加阻尼控制器参数整定方法得到UPFC附加阻尼控制器的参数为：K＝0.107，T_w＝10.0s，T₁＝0.55s，T₂＝0.20s，限幅为±25MW。加入UPFC附加阻尼控制器后，再用测试信号法分析系统低频振荡特性，测试结果如表2所示。图4为UPFC附加阻尼控制器安装前后系统在大扰动下的动态特性，图4中曲线为大扰动下7-8一回线路的有功功率。具体仿真过程如下：2s时发电机G3出口处发生三相接地故障，2.1s故障切除。

表2

由表1和表2可以看出，所设计的UPFC附加阻尼控制器具有良好的阻尼效果，所设计的UPFC附加阻尼控制器将振荡模式1的阻尼比从1.41％提升至了19.21％，而对区域1和区域2内的局部振荡模式基本没有影响。由图4可以看出，加装UPFC附加阻尼控制器后，系统在遭受大扰动时能够迅速的平息振荡，具有较好的动态特性。

上述分析验证了本发明UPFC阻尼控制器设计方法的有效性。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种附加阻尼控制的UPFC控制单元，其特征在于：包括UPFC阻尼控制器和UPFC潮流控制器，所述UPFC阻尼控制器以任一条与UPFC所在线路并联的交流输电线的有功功率作为输入信号x从而产生附加功率ΔP_ref与UPFC有功功率指令值P_ref叠加后作为输入UPFC潮流控制器的参考功率，所述UPFC潮流控制器采用定有功功率控制策略对UPFC进行控制；

所述的UPFC阻尼控制器由高通滤波模块、移相模块、比例增益模块以及限幅模块连接组成，所述输入信号x依次通过高通滤波模块、移相模块、比例增益模块和限幅模块后输出产生附加功率ΔP_ref；所述移相模块采用m阶相位补偿，m为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的UPFC控制单元，其特征在于：所述的高通滤波模块基于以下传递函数L(s)：

$L\left(s\right)=\frac{{\mathrm{sT}}_w}{1+{\mathrm{sT}}_w}$

其中：s为拉普拉斯算子，T_w为设定的时间常数。

3.根据权利要求1所述的UPFC控制单元，其特征在于：所述的移相模块基于以下传递函数Y(s)：

$Y\left(s\right)={\left(\frac{1+{\mathrm{sT}}_1}{1+{\mathrm{sT}}_2}\right)}^m$

其中：s为拉普拉斯算子，T₁和T₂均为移相时间常数。

4.根据权利要求3所述的UPFC控制单元，其特征在于：所述移相时间常数T₁和T₂的整定方法如下：

(1)对UPFC所在输电系统进行小信号稳定性分析，求出该系统对应阻尼比最小的振荡模式的频率ω_n，根据该振荡模式分析结果确定期望的主导极点s_d如下：

或

其中：ξ为期望达到的阻尼比，j为虚数单位；

(2)通过测试信号法辨识拟合出从所述参考功率至输入信号x的开环传递函数G(s)；

(3)通过以下关系式确定时间常数T₁和T₂：

其中：G(s_d)对应为开环传递函数G(s)在期望主导极点s_d上的函数值，arg(G(s_d))为函数值G(s_d)的相位，ω_k为期望主导极点s_d虚部的绝对值。

5.根据权利要求4所述的UPFC控制单元，其特征在于：所述步骤(2)中通过测试信号法辨识拟合开环传递函数G(s)的具体过程如下：

2.1在UPFC有功功率指令值P_ref上叠加振荡功率ΔP_ref(t)后作为UPFC潮流控制器的参考功率，进而由UPFC潮流控制器采用定有功功率控制策略对UPFC进行控制；所述振荡功率ΔP_ref(t)的表达式如下：

${\mathrm{\ΔP}}_{ref}\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{P}_{k}cos({\mathrm{k\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_k)$

其中：ω₀＝2Hz/K，K为设定的频率点个数，P_k和φ_k分别为第k个频率点所对应振荡功率的幅值和相位，k为自然数且1≤k≤K，t为时间；

2.2对UPFC所在输电系统进行机电暂态仿真直至稳态，提取一定周期内的振荡功率ΔP_ref(t)以及任一条与UPFC所在线路并联的交流输电线的有功功率ΔP_ac(t)；

2.3对所述振荡功率ΔP_ref(t)和有功功率ΔP_ac(t)进行傅里叶变换，得到各频率点下对应的相量和

2.4根据以下公式遍历计算所有频率点下的函数值G(kω₀)，进而通过拟合得到开环传递函数G(s)；

$G\left({\mathrm{k\ω}}_0\right)=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{P}}_{ac}\left({\mathrm{k\ω}}_0\right)/\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{P}}_{ref}\left({\mathrm{k\ω}}_0\right).$

6.根据权利要求5所述的UPFC控制单元，其特征在于：所述比例增益模块的增益K通过以下关系式确定：

$\begin{array}{cc}\left|H\left(s_d\right)\right|=\frac{1}{\left|G\left(s_d\right)\right|}& H\left(s\right)=K\frac{{\mathrm{sT}}_w}{1+{\mathrm{sT}}_w}{\left(\frac{1+{\mathrm{sT}}_1}{1+{\mathrm{sT}}_2}\right)}^m\end{array}$

其中：T_w为设定的时间常数，H(s)为UPFC阻尼控制器的传递函数，H(s_d)对应为传递函数H(s)在期望主导极点s_d上的函数值，||表示取模运算。