UPFC 并联侧双环控制策略的研究

刘永江，康积涛，李 林，张学群

（西南交通大学电气学院，成都 610031）

输配电技术

UPFC 并联侧双环控制策略的研究

刘永江，康积涛，李 林，张学群

（西南交通大学电气学院，成都 610031）

从统一潮流控制器（UPFC）并联侧系统数学模型出发， 设计了 UPFC 并联侧双环控制系统， 内环用电流解耦控制器实现 dq 轴电流解耦， 外环用 d 轴控制直流电容电压， q 轴控制节点电压的 PI控制方式，同时加入电流前馈控制环节和电流反馈控制环节，提高了系统精度和响应速度。仿真系统采用高电压等级，并使用标幺值方法分析和计算各类控制器的参数，通过仿真验证了所设计系统的准确性和有效性。

UPFC；电流； 前馈；反馈

随着电力电子器件和微型计算机的发展，柔性交流 输电 （FACTS）技 术[1-2]在 电力系统 中 的 应用日渐广泛。 UPFC 作为当前 FACTS 家族中功能最强的一员，引起很多学者关注和研究。用现代控 制 理 论[3-4]、 非线 性控制[5-7]、神经 网 络[8]、人工智 能[9]、 自 适 应 模 糊控 制[10]实 现 的 控 制 器 在 物 理装置上结构复杂，现阶段很少有关此类控制器运用 的 实 例， 沿 用 传 统的 PI 控 制 器[10-14]仍 具 有 充分的可行性和实用性。 提出在 UPFC 并联侧采用双环控制[13-14]， 在常规 PI控制之外添加电流反馈和电流前馈环节的控制策略，同时引入标幺值计算控制器参数，最后通过仿真实验观察所提出的控制系统的合理性。

1 UPFC 模型

图1 是 UPFC 的原理框图。 UPFC 加在线路节点 i， j之间， i′， j′表示虚拟母线节点， 并联逆变器和串联逆变器分别通过 T1与 T2已 2 台变压器接入线路中。并联侧逆变器通过调节并联支路无功电流的大小控制注入系统的无功功率，维持并联节点电压的稳定，同时通过调节并联支路有功电流来平衡 UPFC 所消耗以及串联逆变器所吸收的有功功率，以维持直流电容电压恒定。串联侧逆变器通过调节串接在线路上的等效电压源的大小和相位，改变线路的有功和无功功率的流动，以达到控制潮流的目的。

图1 UPFC 原理图

图2 是 UPFC 并 联 侧 的 电 路 图 ， Sabc表 示 开关函数， 三相桥采用 IGBT， Va， Vb，Vc表示 UPFC 并联点三相电压源， L1， R1是滤波等效电抗、电阻，Ia，Ib，Ic是并联支路三相注入电流，ua，ub，uc是并联逆变器三相输出电压， C 是直流电容，Udc是直流电容电压， RL是等效负荷电阻。

图2 UPFC 并联侧电路图

根据图2， 以 UPFC 并联节点电压相位为参考， 将三相系统转化为 dq同步坐标系统， 数学模型可描述为：式中：ω为角频率。

根据式（1）构建 UPFC 并联侧的 s 域数学模型如图3所示。

图3 UPFC 并联侧数学模型

2 电流控制器的设计

在传统 UPFC 的并联侧控制中， 用 Id控制电容电压 Udc，Iq控制节点电压幅值 V。 由于 d，q 轴电流存在耦合对控制不利，需设计1个电流解耦控制器，如式（2）所示：

式 中 ： Kcp与 Kci分 别 表 示 PI 控 制 器 的 比 例 和 积分 常 数 ； Id*与 Iq*为 电 流 指 令 值 。

图4是电流解耦控制器的数学模型，作为双环控制系统中的内环控制，电流解耦后为准确控制直流电容电压和并联节点电压提供了可靠保证。

图4 电流解耦

由图4 可以看出， dq 轴电流均采用 PI控制方式，为了与实际情况接近，在电流通道上加上滤波环节和脉宽调制（PWM）逆变放大环节。 其中Kf是滤波放大倍数， Tf为滤波延迟时间， KPWM为PWM 逆变器放大倍数， TPWM为 PWM 逆变延迟时间 ，KR=1/R1，TR=L1/R1，tcp=Kcp/Kci，传 递 函 数如图5所示。

图5 电流控制器

开环传递函数为：

令 tcp=TR， Tf， TPWM都 很 小 ， 令 Ts=Tf+TPWM，式（3）可简化为：

令 K=KciKpKPWMKR， 这是 1 个典型的二阶环节，闭环函数为：

3 直流侧电容控制器的设计

图6是直流电容控制系统，加入了电流前馈环节。通过分析计算可得输入d轴电流和输出直流电压的传递函数：

图6 直流电容电压控制器

该控制器采用 PI 控制， tup=Kup/Kui， Kup与 Kui分别表示 PI控制器的比例和积分常数。 令 KRB= 2/3RLB， TRB=2RLBCdc， φc（s） 可 简 化 为 一 节 惯 性环节 1/（2Ts+1）， 在未加 PI控制器前待校正系统的开环传递函数为：

由于 TRB≫Ts，

按三阶最佳整定得到：

Kui=1/（16KRB/TRBTs）；tup=8Ts。

加入前馈器使得直流电容电压响应速度加快，超调量减小，调节精度提高。当电容上电压稳定时，电容支路不参与有功传输。

4 节点电压控制器的设计

图7是节点电压控制系统传递函数，加入了电流反馈环节。

图7 并联节点电压控制器

通过分析计算可得输入q轴电流和节点电压的传递函数：

对式（9）进行波特图分析， 见图8。

图8 GV（s）的波特图

由图8 中可见， 谐 振频率约为 329 rad/s；在谐振频率点前，传递函数表现为比例特性；在谐振频率点后，表现为二阶微分特性。根据实际情况，输入信号一般为低频信号，所以暂且不考虑其高频段的特征，取其低频段的特性：

但应注意，在设计节点电压控制器时，应使得闭环函数的谐振频率远低于 329 rad/s。且在不同系统参数条件下，分析的结果不一样，应根据具体情况分析和整定控制器参数。

采 用 PI 控 制 器 调 节 节 点 电 压 幅 值 ，tvp=Kvp/ Kvi， Kvp与 Kvi分 别 表 示 PI 控 制 器 的 比 例 和 积 分常数。不考虑电流反馈环节时，控制系统是一个典型的二阶环节， 按最佳二阶整定 PI参数。 电流反馈环节可减小节点电压波动时对控制系统的影响， 加快响应速度。 Kv=IC/ΔV， IC表示并联节点输出的最大容性电流，为对应此时下降的节点电压。 Tv为时间常数， 一般取 0．05～0．15 s。

5 仿真实验

5.1 仿真系统

图9 为 UPFC 并联侧仿真电路图， RLoad与 LLoad为线路有功和无功负荷； R1与 R2为并联侧有功负荷。 直流电容电压为 40 kV， 采用 SVPWM 调制技术 ， 开 关 频 率 为 2 kHz， RLoad=100 Ω， LLoad=0．5 H，R1=1 000 Ω， R2=200 Ω。 表1 给出了仿真实验模型的电气参数，表2给出了各个控制器的参数。

图9 仿真实验模型

表1 UPFC 并联侧电路参数

表2 控制器参数

5.2 线路投切LLoad时控制对象的变化

在 0．3 s 时合上开关 K1， 0．5 s 时断开， 如图10所示，并联节点处电压有一定幅度的下降， 但仍 保 持 在 0．977pu, 下 降 幅 度 约 为 2．5% ， 当 断 开开关后，电压又恢复到原来水平。 图11说明直流电容在仿真开始时有一定的波动，但超调量不大， 在投切 LLoad时也出现小的波动， 但总体稳定。

图10 投切 LLoad时并 联节点电 压

图11 投切 LLoad时直 流电容电 压

图12是未加电流反馈校正环节和电流前馈校正环节时直流电压的波形，很显然，电流反馈环节对稳定直流电容电压意义很大，电流前馈校正可以减小阶跃响应时的超调量，使调节时间也同样减少。

5.3 并联侧投入 R2时控制对象的变化

在 0．5 s 时合上开关， 从图13 可以看出， 投切R2不会对并联节点电压造成太大影响， 节点电压基本平稳。 图14可以说明，在并联侧电阻变化时直流电容电压发生了一定的波动，经过短时间的震荡之后可以稳定下来。

图12 未加电流反馈环节时直流电容电压

图13 并联侧投入 R2时并联节点电压

图14 投入 R2时直流电容电

6 结语

本文提出了以传统 PI控制方式实现的 UPFC并联侧双环控制策略，设计了节点电压控制器和直流电容控制器；为了达到更为理想的效果，加入了电流反馈和电流前馈环节。仿真结果证明，该控制系统具有良好的鲁棒性和动态性能。

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（本文编辑：杨 勇）

Research on Double-loop Control Strategy for Shunt Inverter of Unified Power Flow Controller

LIU Yong-jiang， KANG Ji-tao， LILin， ZHANG Xue-qun
（College of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

On the basis of themathematicalmodelof unified power flow controller （UPFC） shunt inverter system， a double-loop control system of UPFC shunt inverter is designed.The dq axis current decoupling is real ized with decoupling controller for internal loop.And the proportional integral （PI） controlmode is adopted for external loop， in which the d axis controls DC capacitor voltage and q axis controls node voltage.Meanwhile，the current feedforward and feedback control links are added so as to improve the precision and response velocity of the system.The high voltage level is adopted in the simulation system， in which per unit value method is used to analyze and calculate the parameters of all kinds of controllers.The accuracy and validity of the designed system are proved through simulation.

unified power flow controller； current； feedforward； feedback

TM721.3

： A

： 1007-1881（2011）07-0001-05

2011-01-14

刘永江（1985-）， 男， 湖南湘潭人， 工学硕士， 研究方向为电力系统运行与控制。