本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)柔性輸配電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種附加阻尼控制的UPFC控制單元。

背景技術(shù)：

隨著電網(wǎng)規(guī)模的急劇增長，負荷水平的持續(xù)攀升，遠距離大功率互聯(lián)的工程實例越來越多。區(qū)域間的低頻振蕩成為限制區(qū)域聯(lián)絡(luò)線輸電能力，甚至影響互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的主要因素之一。柔性交流輸電(Flexible AC Transmission System，F(xiàn)ACTS)技術(shù)的出現(xiàn)為抑制低頻振蕩，特別是區(qū)域間振蕩提供了新的手段。

作為最新一代的FACTS裝置，統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)能夠?qū)崿F(xiàn)潮流的精確控制，對電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性均有較大影響。如圖1所示，UPFC由兩個背靠背的電壓源換流器構(gòu)成，兩個背靠背的換流器共用直流母線和直流電容，二者都通過換流變壓器接入系統(tǒng)，其中變流器2的換流變壓器以串聯(lián)形式接入。有功功率可以在兩個變流器之間在任一方向自由流動，每個變流器的交流輸出端也可獨立地產(chǎn)生或吸收無功功率。UPFC中變流器2的功能是通過串聯(lián)變壓器給線路注入幅值和相角均可控的電壓向量，即可同時或有選擇性地調(diào)節(jié)線路上的電壓、阻抗和相角；變流器1的主要功能是提供或吸收變流器2在公共直流母線上所需要的有功功率，以維持串聯(lián)注入電壓與線路之間的有功功率交換。

在UPFC裝置上加裝UPFC附加阻尼控制器，能夠提高系統(tǒng)阻尼比，抑制系統(tǒng)低頻振蕩。控制器的參數(shù)整定是UPFC附加阻尼控制器設(shè)計的核心問題之一。近年來，常見的控制器設(shè)計方法包括遺傳算法、進化策略、模糊控制等，然而實際大系統(tǒng)中狀態(tài)方程異常繁雜，使用上述方法整定UPFC附加阻尼控制器參數(shù)存在一定的困難。因此，制定一套可以工程實用的UPFC附加阻尼控制器的設(shè)計方法是十分有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種附加阻尼控制的UPFC控制單元，其采用測試信號法和極點配置法對UPFC附加阻尼控制器的參數(shù)進行整定，從而在整定過程中避開在常規(guī)設(shè)計中遇到的困難、便于實際工程應(yīng)用。

一種附加阻尼控制的UPFC控制單元，包括UPFC阻尼控制器和UPFC潮流控制器，所述UPFC阻尼控制器以任一條與UPFC所在線路并聯(lián)的交流輸電線的有功功率作為輸入信號x從而產(chǎn)生附加功率ΔP_ref與UPFC有功功率指令值P_ref疊加后作為輸入UPFC潮流控制器的參考功率，所述UPFC潮流控制器采用定有功功率控制策略對UPFC進行控制；

所述的UPFC阻尼控制器由高通濾波模塊、移相模塊、比例增益模塊以及限幅模塊連接組成，所述輸入信號x依次通過高通濾波模塊、移相模塊、比例增益模塊和限幅模塊后輸出產(chǎn)生附加功率ΔP_ref；所述移相模塊采用m階相位補償，m為大于1的自然數(shù)。

所述的高通濾波模塊基于以下傳遞函數(shù)L(s)：

其中：s為拉普拉斯算子，T_w為設(shè)定的時間常數(shù)。

所述的移相模塊基于以下傳遞函數(shù)Y(s)：

其中：s為拉普拉斯算子，T₁和T₂均為移相時間常數(shù)。

所述移相時間常數(shù)T₁和T₂的整定方法如下：

(1)對UPFC所在輸電系統(tǒng)進行小信號穩(wěn)定性分析，求出該系統(tǒng)對應(yīng)阻尼比最小的振蕩模式的頻率ω_n，根據(jù)該振蕩模式分析結(jié)果確定期望的主導(dǎo)極點s_d如下：

或

其中：ξ為期望達到的阻尼比，j為虛數(shù)單位；

(2)通過測試信號法辨識擬合出從所述參考功率至輸入信號x的開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)；

(3)通過以下關(guān)系式確定時間常數(shù)T₁和T₂：

其中：G(s_d)對應(yīng)為開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)在期望主導(dǎo)極點s_d上的函數(shù)值，arg(G(s_d))為函數(shù)值G(s_d)的相位，ω_k為期望主導(dǎo)極點s_d虛部的絕對值。

所述步驟(2)中通過測試信號法辨識擬合開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)的具體過程如下：

2.1在UPFC有功功率指令值P_ref上疊加振蕩功率ΔP_ref(t)后作為UPFC潮流控制器的參考功率，進而由UPFC潮流控制器采用定有功功率控制策略對UPFC進行控制；所述振蕩功率ΔP_ref(t)的表達式如下：

其中：ω₀＝2Hz/K，K為設(shè)定的頻率點個數(shù)，P_k和φ_k分別為第k個頻率點所對應(yīng)振蕩功率的幅值和相位，k為自然數(shù)且1≤k≤K，t為時間；

2.2對UPFC所在輸電系統(tǒng)進行機電暫態(tài)仿真直至穩(wěn)態(tài)，提取一定周期內(nèi)的振蕩功率ΔP_ref(t)以及任一條與UPFC所在線路并聯(lián)的交流輸電線的有功功率ΔP_ac(t)；

2.3對所述振蕩功率ΔP_ref(t)和有功功率ΔP_ac(t)進行傅里葉變換，得到各頻率點下對應(yīng)的相量和

2.4根據(jù)以下公式遍歷計算所有頻率點下的函數(shù)值G(kω₀)，進而通過擬合得到開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)；

所述比例增益模塊的增益K通過以下關(guān)系式確定：

其中：H(s)為UPFC阻尼控制器的傳遞函數(shù)，H(s_d)對應(yīng)為傳遞函數(shù)H(s)在期望主導(dǎo)極點s_d上的函數(shù)值，||表示取模運算。

本發(fā)明UPFC阻尼控制器的設(shè)計方法運用測試信號法進行系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性分析，選擇期望的主導(dǎo)極點；然后運用測試信號法求得從UPFC有功功率指令值到并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線有功功率的開環(huán)傳遞函數(shù)；最后基于經(jīng)典控制理論的極點配置算法便可整定UPFC附加阻尼控制器的各個參數(shù)。從而本發(fā)明在整定過程中避開在常規(guī)設(shè)計中遇到的困難、便于實際工程應(yīng)用，對于UPFC的工程實用具有重要意義。

附圖說明

圖1為統(tǒng)一潮流控制器UPFC的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明UPFC控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為兩區(qū)四節(jié)點系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線7-8一回線路的有功功率波形示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

本發(fā)明附加阻尼控制的UPFC控制單元如圖2所示，包括UPFC阻尼控制器和UPFC潮流控制器，UPFC阻尼控制器的傳遞函數(shù)由以下四部分構(gòu)成：穩(wěn)定信號隔直、相位超前補償、穩(wěn)定器增益和穩(wěn)定器限幅環(huán)節(jié)，具體如下：

穩(wěn)定信號隔直為一高通濾波器，其主要作用是避免故障后UPFC控制輸入信號中可能存在的直流分量對UPFC附加阻尼控制的影響；移相環(huán)節(jié)是阻尼控制中的主要環(huán)節(jié)，其作用是使UPFC的輸出隨著輸入信號的變化而產(chǎn)生一個與輸入信號之間相位差，以補償UPFC阻尼控制器輸出與形成的電氣轉(zhuǎn)矩之間的相位滯后；T₁和T₂為移相時間常數(shù)，m為移相器個數(shù)；穩(wěn)定器的增益K決定控制器向系統(tǒng)提供阻尼的大??；穩(wěn)定器限幅環(huán)節(jié)將附加阻尼控制器輸出限定在允許的范圍[△P_max，△P_min]內(nèi)。

x為UPFC阻尼控制器的輸入信號，本實施方式中取任一條并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線的有功功率ΔP_ac；UPFC阻尼控制器產(chǎn)生的輸出信號與UPFC有功功率指令值P_ref疊加后一起作為UPFC潮流控制器的輸入信號。

UPFC阻尼控制器設(shè)計步驟具體如下：

(1)用測試信號法對交直流系統(tǒng)進行小信號穩(wěn)定性分析，求出系統(tǒng)主要振蕩模式(阻尼比最小)的頻率ω_n，根據(jù)主要振蕩模式分析結(jié)果選擇期望的主導(dǎo)極點s_d；

(2)用測試信號法辨識從UPFC有功功率指令值到并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線有功功率的開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)：

2.1在UPFC有功功率指令值上施加一系列小信號振蕩功率，即：

其中：kω₀＝0.1～2.0Hz，P_k和φ_k為相應(yīng)振蕩功率的幅值和相位，對所加ΔP_ref(t)的要求是不能破壞系統(tǒng)線性化條件；

2.2對系統(tǒng)進行機電暫態(tài)仿真直到穩(wěn)態(tài)，并提取公共周期內(nèi)的數(shù)據(jù)量ΔP_ref(t)和ΔP_ac(t)；

2.3對ΔP_ref(t)和ΔP_ac(t)作傅立葉分解，得到不同頻率下的相量和

2.4對所有的kω₀計算不同頻率下的傳遞函數(shù)：

然后利用數(shù)據(jù)擬合辨識出G(s)的表達式。

(3)根據(jù)步驟(1)求出相應(yīng)于期望主導(dǎo)極點的UPFC阻尼控制器的補償相位和幅值，采用極點配置法整定UPFC阻尼控制器的參數(shù)：

3.1可通過下式計算超前-滯后補償環(huán)節(jié)的參數(shù)：

其中，是需要補償?shù)南辔?，arg(G(s_d))是開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)在期望主導(dǎo)極點s_d處的相位；ω_k是期望主導(dǎo)極點s_d的正虛部；m為相位補償環(huán)節(jié)的階數(shù)，本實施方式中m取3；穩(wěn)定信號隔直環(huán)節(jié)的時間常數(shù)T_w取為10s。

3.2確定T₁、T₂后，可以通過式下式來確定增益K：

其中，H(s)為UPFC阻尼控制器的傳遞函數(shù)。

(4)應(yīng)用測試信號法重新計算系統(tǒng)主要振蕩模式的頻率和阻尼比。

以下我們利用本發(fā)明對如圖3所示的兩區(qū)四節(jié)點系統(tǒng)進行仿真，UPFC裝置安裝在節(jié)點7與節(jié)點9之間的一回線路上，將線路功率控制在2.2+j0.0。

首先，用測試信號法分析系統(tǒng)主要振蕩模式的頻率和阻尼比，結(jié)果如表1所示：

表1

由表1可以看出，系統(tǒng)中存在一個阻尼比極低的振蕩模式(振蕩模式1)，可以通過加裝UPFC附加阻尼控制器提高振蕩模式1的阻尼比，改善系統(tǒng)動態(tài)特性。附加阻尼控制器的輸入信號為7-8一回線路的有功功率。

用測試信號法辨識從UPFC有功功率指令值到并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線有功功率的開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。通過時域仿真得到G(s)的幅頻特性，通過模態(tài)辨識可得到G(s)的表達式為：

UPFC附加阻尼控制器的目標(biāo)是將與振蕩模式1對應(yīng)的主導(dǎo)極點的阻尼比提高到20％。因此，將期望的主導(dǎo)極點s_d設(shè)置在-0.63+j3.1，對應(yīng)振蕩頻率為0.5Hz，阻尼比為20％。使用UPFC附加阻尼控制器參數(shù)整定方法得到UPFC附加阻尼控制器的參數(shù)為：K＝0.107，T_w＝10.0s，T₁＝0.55s，T₂＝0.20s，限幅為±25MW。加入UPFC附加阻尼控制器后，再用測試信號法分析系統(tǒng)低頻振蕩特性，測試結(jié)果如表2所示。圖4為UPFC附加阻尼控制器安裝前后系統(tǒng)在大擾動下的動態(tài)特性，圖4中曲線為大擾動下7-8一回線路的有功功率。具體仿真過程如下：2s時發(fā)電機G3出口處發(fā)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，所設(shè)計的UPFC附加阻尼控制器具有良好的阻尼效果，所設(shè)計的UPFC附加阻尼控制器將振蕩模式1的阻尼比從1.41％提升至了19.21％，而對區(qū)域1和區(qū)域2內(nèi)的局部振蕩模式基本沒有影響。由圖4可以看出，加裝UPFC附加阻尼控制器后，系統(tǒng)在遭受大擾動時能夠迅速的平息振蕩，具有較好的動態(tài)特性。

上述分析驗證了本發(fā)明UPFC阻尼控制器設(shè)計方法的有效性。

上述對實施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對上述實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。