统一潮流控制器预测直接功率控制策略研究

刘玉雷

（上海电力设计院，上海200001）

统一潮流控制器预测直接功率控制策略研究

刘玉雷

（上海电力设计院，上海200001）

在此以基于矩阵变换器为基础的统一潮流控制器为研究对象，介绍了当前统一潮流控制器的发展状况以及控制策略现状，在此基础上提出预测直接功率控制策略用于该系统，并建立了预测模型，以便有效提高系统的动静态性能。通过Matlab仿真平台搭建了系统模型，通过仿真试验对比了PI控制和预测直接功率控制的波形效果。仿真结果表明了所提控制策略的正确性和有效性，有利于电力系统安全可靠运行和数字化实现。

统一潮流控制器；矩阵变换器；空间矢量调制；预测直接功率控制

0　引言

FACTS控制器被引入到电力系统中提高了系统的安全性，容量和功率的灵活性。FACTS装置可以减少无功功率流动，维持总线电压在所需水平，并提高了电力系统的稳定性。因此，它们可以提高电力系统在应急情况下的安全性。统一潮流控制器（UPFC）[1⁃2]是一种多用途FACTS装置，可单独或同时控制有功功率，无功功率和母线电压，它由Gyugyi在1991年提出并引入电力系统[3⁃4]。

在背靠背型功率变换器组成的UPFC中，由于直流电容器的存在，增加了UPFC的重量、成本和体积，引起系统额外的功率损失。用三相交流⁃交流的矩阵变换器（MC）替换背靠背型功率变换器既可以维持相同的功能，同时还由于消除了直流电容器，从而降低了系统的成本、体积，提高了系统的可靠性和使用寿命。MC具有结构简单、结构紧凑、能量可双向流动、可产生正弦输入电流和输出电压、功率因数可调等优点。由于上述优点，MC在UPFC中具有较大的应用价值[5]。

文献[5]中对基于CMC的UPFC展开研究，通过分析其标量模型提出了一种单环解耦控制策略，但精度不够高。文献[6⁃7]提出的基于CMC的潮流控制策略均基于常规的PI闭环控制，控制效果一般，解耦效果不太好，响应比较慢。文献[8]对基于CMC的UPFC采用了包含滑模控制的直接功率控制策略，但是控制策略较复杂。文献[9]构建三环控制系统：功率环、电压环和电流环，令电流跟踪电压的变化，使得系统的动、静态性能和稳定性得到了一定提升，但是由于采用过多环节，控制策略复杂。

预测控制易于数字化实现，建模方便，具有控制精度高、算法简单、对模型要求低等优点，能提高系统的鲁棒性，具有较好的动态控制效果。本文将预测直接功率控制算法引入MC⁃UPFC控制系统中，首先分析了MC的双空间矢量调制策略，接着建立了MC逆变级的预测直接功率控制模型，然后提出了MC⁃UPFC串联侧逆变级的功率预测控制策略，最后建立了仿真模型对控制策略进行验证。仿真结果表明：所提控制策略有效地提高了MC⁃UPFC系统潮流控制的动静态性能，从而验证了所提控制策略的有效性[10]。

1　MC⁃UPFC电路结构及原理

MC⁃UPFC基本电路结构如图1所示，MC一端与耦合变压器T2串联接到输电线路2中，另一端与变压器T1并联接到母线上。并联侧为串联侧提供输入电压，提供其所需要的有功功率。串联侧逆通过调节串接在线路上的电压幅值，改变线路的有功功率和无功功率的流动，以达到控制潮流的目的[11]。

图1　基于MC的统一潮流控制器

2　MC调制策略

根据矩阵转换器的结构，由于输入不能短路和输出不能断路[12⁃13]，统一潮流控制器⁃MC限制它的开关模式，只允许有27种模式。众所周知的MC控制方式有两种：一种是Venturini调制策略；另一种是SVM调制策略。SVM算法是基于三相输入电流和三相输出电压的，如图2所示。

图2　SVM调制技术

图2（a）是输入电流矢量图，参考电流的公式为：

式中，

所以占空比和输入电流调制系数分别为：

图2（b）表示输出电压参考矢量可以由相邻两个开关矢量和零矢量合成，其公式如下：

其中：

因此，占空比和输出电压的调制系数为：

3　MC串联侧的预测直接功率控制策略

3.1线路潮流控制原理

在两相静止坐标下，根据瞬时功率[14]理论，主线路上的有功功率和无功功率为：

式中：u2α和u2β是线路母线电压值u2在静止坐标系下的α和β分量；i2α和i2β是线路电流值i2在静止坐标系下的α和β分量；p和q分别是线路有功功率和无功功率。

假定三相电网电压平衡[15]，输出电流方程为：

经过αβ静止坐标变换为：

式中：iα和iβ为MC输出电流在αβ坐标系中的分量；usα和usβ为MC输出电压在αβ坐标系中的分量；eα和eβ为电网电压在αβ坐标系中的分量。

假定开关采样周期为Ts，式（15）的离散公式为：

若选定采样周期足够小，可以认为电网电压的值在相邻的两个开关周期内不变[16]，即eα(k+1)=eα(k)，eβ(k+1)=eβ(k)，则在连续两个采样周期内有功功率和无功功率的变化ΔPo和ΔQo可以表示为：

将式（16）代入式（17），不计电阻压降，写成矩阵形式可得到：

逆变级P⁃DPC策略的目标是使MC输出的有功功率和无功功率在k+1时刻达到给定值，即：

式中：P∗即为式（19）的最佳输出有功功率指令，从而使得输出有功功率跟踪指令；usα(k)，usβ(k)为采用空间矢量调制的MC在静止坐标下的输出电压参考信号。

图3　控制图

图3中：P*和Q*分别表示有功功率和无功功率的参考值；us表示MC的输出电压；e表示滤波后输出电压；u1表示主线路的检测电压；i1为主线路电流。通过预测直接功率控制得到线路目标输出功率。

4　仿真分析

利用Matlab/Simulink搭建UPFC⁃MC的系统模型。主要仿真参数如下：线路中等效电阻为0.3 Ω，电感为2 mH；UPFC的串联部分接入电网的串联变压器为接法，原、副边变比为3∶4；输出滤波器的电感为1.5 mH，系统电网相电压为110 kV，电网角频率为50 Hz；UPFC的并联部分接入电网的并联变压器为接法，原、副边变比为3∶1；电路等效电阻为0.01 Ω。设定功率基准值为100 MW。

0～0.1 s给定值为：Pref=0.1 pu，Qref=0；0.1 s时刻给定值为：Pref=0.2 pu，Qref=0，仿真结果如图4所示。

图4　线路P和Q波形（一）

由图4可以看出，在0.1 s之前，系统实际P和Q值按照给定值准确输出，且波形较好。0.1 s时有功功率参考值突变，无功功率参考值保持为0时，实际检测到的有功功率快速响应，暂态过程中有功超调量较小，且对无功功率影响很小，说明解耦效果较好。0～0.05 s潮流给定值为Pref=0.12 pu，Qref=0.03 pu，0.05 s潮流给定值改为Pref=0.25 pu，Qref=0.05 pu，仿真结果如图5和图6所示。

图5　线路P和Q波形（二）

图6　线路A相电压电流波形

由图5可以看出，P和Q同时变化时，相互之间干扰很小，解耦性佳。图6为该条件下的线路A相电压电流波形。

设置：0.05 s之前，给定值P为0.1 pu，Q为0 pu。0.05 s开始给定值P为0.2 pu，Q给定值保持为0 pu。在上述给定条件下分别采用PI控制和预测直接功率控制进行仿真实验，得到如图7和图8的波形图。图7为采用PI控制时线路潮流变化图。从图7可以看出，PI控制响应时间慢，有功超调量较大。图8为采用预测直接功率控制系统仿真波形，与PI控制相比，P超调量很小，响应快速，波形平稳，P和Q之间之间干扰非常小，具有更好的动静态性能。

图7　采用PI控制的系统P和Q波形

图8　采用预测直接功率控制的系统P和Q波形

5　结论

本文分析了MC空间矢量调制策略，建立了UPFC中MC数学模型，在此基础上提出了UPFC串联侧的MC预测直接功率控制策略。该控制方法使得系统的有功功率和无功功率独立控制，可以大幅提高解耦性能，还使得系统具有较好的动静态性能，且控制简单灵活，便于数字化实现。

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Study on predictive direct power control strategy for UPFC

LIU Yulei
（Shanghai Electric Power Design Institute，Shanghai 200001，China）

The UPFC based on matrix converter（MC）is taken as the research object.The development status and control strategies of the UPFC are introduced.Based on this，the predictive direct power control strategy is proposed for this system. The prediction model was established to effectively improve the static and dynamic performance of the system.The system model was constructed with the Matlab simulation platform.The waveform effects of PI control and predictive direct power control were compared by means of simulation experiment.The simulation results show that the proposed control strategy is correct and effec⁃tive，which is beneficial to the safe and reliable operation and digital implementation of the power system.

UPFC；matrix converter；SVM；predictive direct power control

TN911⁃34

A

1004⁃373X（2016）02⁃0159⁃04

10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.02.044

刘玉雷(1983—)，男，工程师，硕士研究生。研究方向为电能质量控制。

2015⁃06⁃25

国家863计划课题：电网潮流控制技术及装置研发，国家电网公司总部科技项