CN108808710A - 一种基于非线性控制的upfc三相不平衡优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法，包括以下步骤：1)构建模块化多电平统一潮流控制器；2)并联侧换流器的电流内环采用无源性滑模变结构控制方式，通过q轴分量进行无功调节，通过d轴分量进行有功调节；3)串联测换流器的电流内环采用无源性滑模变结构控制方式，通过串联侧变压器注入一个幅值和相角均可控的电压，正序分量用以实现交流电压的移相调节和串联补偿，负序分量用以抵消输电线路上不平衡部分的负序电压分量，实现对三相不平衡的优化。与现有技术相比，本发明具有参数易调节、动态响应速度快、鲁棒性强、安全经济稳定、抑制零序电流等优点。

Description

一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法

技术领域

本发明涉及智能电网领域，尤其是涉及一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法。

背景技术

随着智能电网建设与未来能源互联网建设的快速推进，统一潮流控制器(UPFC)作为典型FACTS(flexible AC transmission systems，FACTS)组件，可以充分挖掘现有电网潜力，节省输电走廊，推动电网建设向环境友好型发展，必将在未来重要负荷中心，如超级现代城市的输配电系统得到应用。目前，国内外对于基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器(MMC-UPFC)的研究主要集中于针对MMC和UPFC的拓扑结构改进、潮流控制策略、工程应用等诸多方面，而且都是以电网电压三相对称为前提。但随着大功率单相负载的接入、单相负荷在三相系统中的不均衡分配、不对称故障引起的受端交流电压不对称等多种原因造成电网三相电压不平衡。当电网三相不平衡时，电网负序分量的存在会导致换流器三相电流不平衡、直流侧电压波动、功率波动以及环流增大等问题，缩短变流器寿命，对MMC-UPFC的性能产生不良影响。

目前，针对三相不平衡治理提出的控制策略主要为MMC-UPFC在正、负序同步旋转坐标系下的传统PI双闭环控制策略，该方法虽然可获得良好的控制效果，但传统PI双闭环控制有参数不易调试、动态响应慢、稳定运行区间受限等缺点。可见，对三相不平衡治理控制策略的研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法，包括以下步骤：

1)构建模块化多电平统一潮流控制器，包括共用同一直流母线且背靠背连接的并联侧变换器和串联侧换流器，所述的并联侧变换器通过一个并联变压器与电网交流侧连接，所述的串联侧换流器通过一个串联变压器与输电线路连接，所述的并联侧变换器和串联则换流器均设有六个桥臂，每个桥臂由电抗器、等效电阻和多个半桥子模块依次串联构成；

2)并联侧换流器的电流内环采用无源性滑模变结构控制方式，通过q轴分量进行无功调节，产生或吸收无功功率来稳定接入点的交流母线电压，并且通过d轴分量进行有功调节，通过并联变压器从电网交流侧吸收有功补偿串联侧换流器所需要的有功功率和整个构建模块化多电平统一潮流控制器的有功功率消耗，维持直流侧电压的恒定；

3)串联测换流器的电流内环采用无源性滑模变结构控制方式，通过串联侧变压器注入一个幅值和相角均可控的电压，该电压仅包括正序分量和负序分量，正序分量用以实现交流电压的移相调节和串联补偿，控制线路上有功和无功潮流，负序分量用以抵消输电线路上不平衡部分的负序电压分量，实现对三相不平衡的优化。

所述的并联变压器为星形接法，串联变压器接法为星角接法。

所述的步骤2)中，并联侧变换器的外环电压控制器采用PI控制器，内环电流控制器用以控制并联侧变换器的输出电压，实现dq轴之间的解耦，外环电压控制器根据接入点交流母线电压和直流母线电压的参考值获取内环电流控制器的d轴电流参考值。

所述的并联侧变换器的外环电压控制器为：

其中，i_1d为并联侧换流器d轴电流，i_1q为并联侧换流器q轴电流，k_p为比例系数，k_i为积分系数，为直流侧电压参考值，u_dc为直流侧电压，为并联侧交流母线节点电压的参考值，V_1rms为并联侧交流母线节点电压的有效值。

所述的并联侧变换器的内环电流控制器为：

其中，V_shd为并联侧换流器d轴交流电压，V_shq为并联侧换流器q轴交流电压，V_1d和V_1q分别为交流系统节点电压V₁旋转坐标系下的的dq分量，sat(·)为饱和函数，R₁为并联侧换流器等效电阻，L'₁为并联侧换流器等效电感，为并联侧换流器d轴电流参考值，为并联侧换流器q轴电流参考值，ω为基频角频率，R_a1、R_a2、k₁、k₂、ε₁、ε₂均为无源滑模变结构调节参数。

所述的步骤3)中，正序分量通过正序控制器进行控制，所述的正序控制器为外环PI控制、内环无源滑模变结构，所述的正序控制器的外环控制器为：

其中，为串联侧换流器交流d轴正序电流参考值，为串联侧换流器交流q轴正序电流参考值，P_Line为线路有功潮流，Q_Line为线路无功潮流，V_2d为串联侧交流母线节点d轴电压，V_2q为串联侧交流母线节点q轴电压；

所述的正序控制器的内环控制器为：

其中，为串联侧换流器d轴正序交流电压，为串联侧换流器q轴正序交流电压，为串联变压器注入线路电压d轴正序分量，为串联变压器注入线路电压q轴正序分量，为串联侧换流器d轴正序交流电流，为串联侧换流器q轴正序交流电流，R₂为串联侧换流器等效电阻、L'₂为串联侧换流器等效电感、ω为基频角频率，ε₃、ε₄、为无源滑模变结构调节参数，sat(·)为饱和函数。

所述的负序分量通过负序控制器进行控制，所述的负序控制器为：

其中，为串联侧换流器d轴负序交流电压，为串联侧换流器q轴负序交流电压，分别为串联变压器注入线路电压V₁₂在旋转坐标系下dq轴负序分量，为串联侧换流器交流d轴负序电流参考值，为串联侧换流器交流q轴负序电流参考值，ε₃、ε₄、k₃、k₄为无源滑模变结构调节参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、在解决三相不平衡问题的同时又可以实现对输电线路潮流的控制，保证了电力系统的安全、经济、稳定运行。

二、提出的无源性滑模非线性控制策略，使得控制系统对外部扰动及内部参数的变化具有很强的鲁棒性和抗干扰能力，从而改善控制质量，相比于传统双闭环PI，具有参数易调节、动态响应速度快、鲁棒性强等优点。

三、通过合理选取变压器接线方式，可有效抑制三相不平衡时的零序电流分量，并联侧选取Dyn接法，串联侧选取Yyn接法，该接线方式对于零序电流有一定的抑制作用。

附图说明

图1为MMC-UPFC拓扑结构图。

图2为总体控制框图。

图3为仿真结果，其中，(3a)为线路传输功率，(3b)为无源性滑模变结构控制下的线路电流曲线，(3c)为PI双闭环控制下的线路电流曲线，(3d)为无源性滑模变结构控制下的线路电流曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

模块化多电平换流器MMC拓扑结构如图1所示，包括六个桥臂，每个桥臂由电抗器、等效电阻和N个半桥子模块依次串联连接。

MMC-UPFC拓扑结构如图2所示，模块化多电平统一潮流控制器MMC-UPFC包括：背靠背连接的共用同一直流母线的并联侧变换器和串联侧换流器；并联侧变换器通过一个并联变压器T1与电网交流侧连接；串联侧换流器通过一个串联变压器T2与输电线路连接。

基于无源性滑模变结构控制策略的三相不平衡治理具体步骤如下：

(1)并联侧换流器控制策略为：并联侧换流器电流内环采用无源性滑模变结构控制策略，通过q轴分量进行无功调节，产生或吸收无功功率来稳定接入点的交流母线电压；通过d轴分量进行有功调节，通过并联变压器从电网交流侧吸收有功来补偿串联侧换流器所需要的有功功率和整个MMC-UPFC的有功功率消耗，从而维持直流侧电压的恒定。

并联侧换流器在abc三相静止坐标系下的数学模型为：

经d-q分解后，可以得到：

并联侧变换器外环采用PI控制器；内环电流控制器用来控制并联侧变换器的输出电压，使dq轴电流快速跟踪其参考值，实现dq轴之间的解耦；外环电压控制器根据接入点交流母线电压和直流母线电压的参考值，确定内环电流控制器的d轴电流参考值。

外环电压控制器设计如下：

内环电流控制器设计如下：

(2)串联侧换流器控制策略为：串联测换流器电流内环采用无源性滑模变结构控制策略，通过串联侧变压器注入一个幅值和相角都可控的电压，其中电压包括正负序两种分量，正序分量用来实现交流电压的移相调节和串联补偿，从而实现对线路上有功和无功潮流的控制；负序分量用来抵消输电线路上不平衡部分的负序电压分量，从而实现对三相不平衡的治理。

串联侧换流器在abc三相静止坐标系下的状态方程为：

经d-q分解后，可得到串联变换器在d-q同步旋转坐标系下的内电流环解耦方程：

正序控制器采用外环PI控制、内环无源滑模变结构控制，正序控制器的内环控制器用来控制串联侧输出的正序电压分量，从而控制线路潮流，使dq轴正序电流部分快速跟踪其参考值，实现dq轴的解耦；外环控制器根据瞬时功率理论给定有功和无功功率的参考值，通过计算来得到内环控制器的dq轴电流参考值；

外环电压控制器设计如下：

正序控制器的内环控制器设计如下：

其中，上标带*的为该变量的参考值，u_dc为直流侧电压，V_1rms为并联侧交流母线节点电压的有效值，kp与ki分别代表比例与积分系数，ω代表基频角频率，R₁、L’₁分别代表并联侧换流器等效电阻与等效电感，V_sh与i₁分别代表并联侧换流器交流电压与电流，ε₁、ε₂、R_a1、R_a2、k₁、k₂是无源滑模变结构调节参数。

负序控制器用于抑制线路不平衡部分中的负序分量，将内环电流指令值直接给定为零；负序控制器只包含一个内环电流控制器,将dq轴电流进行解耦，输出负序电压参考值，使dq轴负序电流部分能快速跟踪其参考值。

负序控制器设计如下:

其中，下标带ref的为该变量的参考值，上标+、-分别代表正负序分量，P_Line、Q_Line代表线路有功、无功潮流，V₂为串联侧交流母线节点电压，ω代表基频角频率，R₂、L’₂分别代表串联侧换流器等效电阻与等效电感,V_se与i₂分别代表串联侧换流器交流电压与电流，ε₃、ε₄、k₃、k₄是无源滑模变结构调节参数。

MMC-UPFC整体控制结构图3所示，并联侧换流器的控制策略采用了定直流电压和定交流母线电压控制串联侧换流器正序参考电流可有功率外环PI控制得到，负序参考电流直接给定为0。

Claims (7)

1.一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建模块化多电平统一潮流控制器，包括共用同一直流母线且背靠背连接的并联侧变换器和串联侧换流器，所述的并联侧变换器通过一个并联变压器与电网交流侧连接，所述的串联侧换流器通过一个串联变压器与输电线路连接，所述的并联侧变换器和串联则换流器均设有六个桥臂，每个桥臂由电抗器、等效电阻和多个半桥子模块依次串联构成；

2)并联侧换流器的电流内环采用无源性滑模变结构控制方式，通过q轴分量进行无功调节，产生或吸收无功功率来稳定接入点的交流母线电压，并且通过d轴分量进行有功调节，通过并联变压器从电网交流侧吸收有功补偿串联侧换流器所需要的有功功率和整个构建模块化多电平统一潮流控制器的有功功率消耗，维持直流侧电压的恒定；

3)串联测换流器的电流内环采用无源性滑模变结构控制方式，通过串联侧变压器注入一个幅值和相角均可控的电压，该电压仅包括正序分量和负序分量，正序分量用以实现交流电压的移相调节和串联补偿，控制线路上有功和无功潮流，负序分量用以抵消输电线路上不平衡部分的负序电压分量，实现对三相不平衡的优化。

2.根据权利要求1所述的一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法，其特征在于，所述的并联变压器为星形接法，串联变压器接法为星角接法。

3.根据权利要求1所述的一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法，其特征在于，所述的步骤2)中，并联侧变换器的外环电压控制器采用PI控制器，内环电流控制器用以控制并联侧变换器的输出电压，实现dq轴之间的解耦，外环电压控制器根据接入点交流母线电压和直流母线电压的参考值获取内环电流控制器的d轴电流参考值。

4.根据权利要求3所述的一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法，其特征在于，所述的并联侧变换器的外环电压控制器为：

其中，i_1d为并联侧换流器d轴电流，i_1q为并联侧换流器q轴电流，k_p为比例系数，k_i为积分系数，为直流侧电压参考值，u_dc为直流侧电压，为并联侧交流母线节点电压的参考值，V_1rms为并联侧交流母线节点电压的有效值。

5.根据权利要求3所述的一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法，其特征在于，所述的并联侧变换器的内环电流控制器为：

其中，V_shd为并联侧换流器d轴交流电压，V_shq为并联侧换流器q轴交流电压，V_1d和V_1q分别为交流系统节点电压V₁旋转坐标系下的的dq分量，sat(·)为饱和函数，R₁为并联侧换流器等效电阻，L'₁为并联侧换流器等效电感，为并联侧换流器d轴电流参考值，为并联侧换流器q轴电流参考值，ω为基频角频率，R_a1、R_a2、k₁、k₂、ε₁、ε₂均为无源滑模变结构调节参数。

6.根据权利要求3所述的一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法，其特征在于，所述的步骤3)中，正序分量通过正序控制器进行控制，所述的正序控制器为外环PI控制、内环无源滑模变结构，所述的正序控制器的外环控制器为：

其中，为串联侧换流器交流d轴正序电流参考值，为串联侧换流器交流q轴正序电流参考值，P_Line为线路有功潮流，Q_Line为线路无功潮流，V_2d为串联侧交流母线节点d轴电压，V_2q为串联侧交流母线节点q轴电压；

所述的正序控制器的内环控制器为：

其中，为串联侧换流器d轴正序交流电压，为串联侧换流器q轴正序交流电压，为串联变压器注入线路电压d轴正序分量，为串联变压器注入线路电压q轴正序分量，为串联侧换流器d轴正序交流电流，为串联侧换流器q轴正序交流电流，R₂为串联侧换流器等效电阻、L'₂为串联侧换流器等效电感、ω为基频角频率，ε₃、ε₄、为无源滑模变结构调节参数，sat(·)为饱和函数。

7.根据权利要求6所述的一种基于非线性控制的UPFC三相不平衡优化方法，其特征在于，所述的负序分量通过负序控制器进行控制，所述的负序控制器为：

其中，为串联侧换流器d轴负序交流电压，为串联侧换流器q轴负序交流电压，分别为串联变压器注入线路电压V₁₂在旋转坐标系下dq轴负序分量，为串联侧换流器交流d轴负序电流参考值，为串联侧换流器交流q轴负序电流参考值，ε₃、ε₄、k₃、k₄为无源滑模变结构调节参数。