基于UPFC的柔性倒闸控制器

王玉梅，李尧炜

(河南理工大学 电气工程与自动化学院,河南 焦作 454003)

电力系统运行中，对单母线分段线路中的变压器进行检修时，需要采用倒闸措施，将相邻线路的变压器二次侧通过母联开关来为待检修条线路持续供电，以保证系统运行的可靠性和稳定性。目前，常见操作是通过倒闸操作票进行刚性合闸的传统倒闸，而传统的刚性倒闸是在分列运行的两段母线之间进行直接带电合闸[1-6]。若两段母线末端电压参数存在差别，进行刚性倒闸操作必然会引起较大的冲击环流，严重威胁电力系统运行的安全性。解决冲击环流问题则需要通过调节两段母线上的潮流，使重新分布后的潮流的两端母线末端电压向量相同，实现同压无环流合闸。

对于实现无环流倒闸的措施，文献[7]为解决电力系统中操作效率低和安全隐患等倒闸操作问题， 运用abc-dq变换进行前馈解耦的电流内环控制和PI调节的电压外环控制，设计出一种带负荷的电力系统柔性倒闸调节器。文献[8]以整流与逆变的结合来确定柔性倒闸装置的拓扑结构，并根据数学模型确定合适的电路参数，设计了供电系统柔性倒闸调节器控制策略。文献[9]提出电力系统柔性倒闸装置的拓扑结构并建立其数学模型，运用交叉解耦控制策略和锁相环控制，设计出一种基于FACTS(Flexible AC Transmission Systems)技术的柔性倒闸装置。文献[10]通过将数学模型与调节器的拓扑结构相结合，实现双闭环PI调节器来控制逆变电路的拓扑结构。此外，该研究还通过(d,q)坐标下的三相锁相环技术锁定频率与相位，设计出一种基于SSSC(Static Synchronous Series Compensator)技术的柔性倒闸控制器。文献[11]提出变压器耦合串联拓扑结构、滑模控制策略选择及控制器设计，并以该倒闸系统为控制对象建立数学模型，通过仿真来验证滑模变结构控制算法的可行性。文献[12]分析了软件锁相环中不同锁相环的不同点的工作原理，设计了柔性倒闸装置软件锁相算法，设计并开发了电力系统柔性倒闸装置样机。文献[13]分析了当前煤矿双母线供电的供电方案，提出一种智能倒闸操作控制系统的控制策略。

以上文献对传统刚性倒闸中出现的系统参数不平衡的现象都有所改善，但是控制策略的调节速度仍有提升空间。本文设计基于UPFC(Unified Power Flow Controller)的柔性倒闸控制器，具有串联和并联控制器对母线末端电压和相位双重调节功能，在倒闸操作前能使母线端电压更快达到相位一致，快速消除合闸环流。

1 柔性倒闸控制器的工作原理

1.1 柔性倒闸控制器的结构图

统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)的结构[14]是由一个并联变换器和一个串联变换器组成的混联结构，其中并联结构等效受控电流源的作用，串联结构则承担受控电压源的作用。UPFC通过变换器串联和并联联合作用来控制系统潮流分布。统一潮流控制器的结构如图1所示。

图1 UPFC的结构Figure 1. Structure of UPFC

根据统一潮流控制器的结构图，可初步设计柔性倒闸控制器装置的结构，如图2所示。其等效图如图3所示。

图2 柔性倒闸控制器拓扑结构图Figure 2. Topological structure diagram of flexible switch controller

图3 柔性倒闸控制器等效结构图Figure 3. Equivalent structure diagram of flexible switching controller

以j端电压为参考电压且忽略输出线路的有功功耗，如式(1)和式(2)所示。

Ui=Uejδ=U(cosδ+jsinδ)

(1)

Uj=Uej0°=U

(2)

式中，U和δ分别为以j端电压为参考时，i端电压Ui的幅值和相角。

串联侧变流器于系统交换的有功及无功功率(忽略电阻)为

(3)

(4)

式中，γ为Use与Ui的夹角；Up和Uq分别为有功和无功的补偿电压。

并联侧变流器与系统交换的功率(忽略电阻)为

Psh=Ushgsh[-Ush+Uicos(θsh-δ)]

(5)

Qsh=Ushbsh[Ush+Uicos(θsh-δ)]

(6)

P=Psh=Pse

(7)

式中，gsh和bsh分别为并联结构变流器的等效电导和等效电纳；θsh为以Ui为参考时Ush的相角。

1.2 柔性倒闸控制器的工作原理

刚性带电合闸通常出现环流，其环流的产生与倒闸前的两端母线末端电压相位幅值有关。若末端电压相位幅值未能达到一致且直接刚性倒闸必然会引起较大的冲击电流，将会对线路产生严重破坏。因此，倒闸控制装置的调节工作原理是通过并联部分对母线端电压幅值进行调节，并利用串联部分对母线端电压相位进行调整。

2 柔性倒闸控制器的调节功能

倒闸控制器的控制功能包括并联调压控制和串联移相调节。

2.1 柔性倒闸控制器的电压(幅值)调节功能

柔性倒闸控制器采用UPFC[15]中串并联的混联方式。并联结构中的并联变换器承担调节作用，为等效受控电流源，效果相当于一个并联电流源。变换器VSCl通过变压器Tsh并联接入系统，并向连接点注入一个幅值可调的无功电流，调节连接点和系统之间交换的无功功率，起到调控电压幅值Us的作用。串联侧由直流电容补偿所需有功功率，使控制器内部有功保持平衡，维持Vdc不变。当单独运行并联变换器时，其基本工作原理是通过电抗器或者直接将自动相桥式电路并联在电网上，对桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值进行适当的调节，或对交流测电流进行直接控制使该电路吸收或发出的无功电流达到要求，从而实现动态无功补偿的目的。具体结构如图4所示。

图4 并联侧的等效电路图Figure 4. Equivalent circuit diagram of parallel side

整体并联结构等效一个可以调控电压幅值的电压源[16]，控制器的电流输出为

(8)

因此，并联结构输出的单相视在功率如式(9)所示。

(9)

通常情况下，装置不吸收有功功率或者只吸收很小的有功功率，因此其产生的电压U1与系统电压Us相位相同。装置输出的无功功率如式(10)所示，等效图如图5所示。

(10)

(a)

(b)图5 并联侧的电压调节(a)等效于电感 (b)等效于电容Figure 5. Voltage regulation on parallel side(a)Equivalent to inductance (b)Equivalent to capacitance

由图5可以看出，当并联侧的控制装置输出的电压小于系统电压(U1Us)，控制装置的并联部分向系统输出的无功功率大于零，则控制器的并联结构等效于电容[17]。由于控制器并联部分所输出的电压U1的幅值可以实现连续快速的调节，因此控制器的并联装置可以实现由正到负，连续快速地调节无功功率[17]。

在柔性倒闸控制器运行中，换流器VSC1在向线路提供无功功率的补偿时，还可以向VSC2提供有功功率支撑，使控制器内部实现功率平衡。其有功功率的平衡方程式为

Psh=Pse+ΔP

(11)

式中，Psh为VSC1与线路交换的有功功率；Pse为 VSC2与线路交换的有功功率；ΔP为控制器自身损耗的有功功率。

2.2 柔性倒闸控制器的相位调节

串联部分中，变换器承担补偿无功和维持节点电压稳定的作用。变换器VSC2通过变压器Tse串联接入系统[18]，等效于一个串联电压源，在系统中输出可以调节电压相位和幅值的串联电压U1，达到控制线路上有功功率和无功功率的效果。根据变换器串联部分的功率需求，补偿串联侧变换器的有功功率缺额，实现维持有功功率平衡的效果。同时，串联结构具有补偿母线电压相量的功能。串联补偿功能的模式有3种[19]：电压控制模式(Vc模式)，其只改变接入点前后的电压幅值而不改变电压相位；相角控制模式(φc模式)，其只改变接入点前后的电压相位不改变电压幅值；阻抗控制模式(Xc模式)，其改变输电线路等效电抗。由于并联部分实现了调节无功的作用，改变了接入点前后的电压幅值，所以串联部分选用相角控制模式来改变接入点的电压相角，等效工作原理结构图如图6所示。

图6 等效结构图Figure 6. Diagram of equivalent structure

两条母线变压器二次侧电压分别为U1和U2，通过串联变换器注入一个Vpq，使Vpq=V1-V2，使得可靠闭合合闸开关。VSC2通过T2向线路输入一个补偿电压Use，通过叠加线路末端电压U2达到与U1相同幅值的电压。

设相位差为θ1，则电压Use如式(12)所示。

(12)

当δ1>0时，超前移相，此时如式(14)所示。

(13)

(14)

当情况相反时则滞后移相，此时如式(16)所示。

(15)

(16)

通过以上分析可知，在δ1明确的条件下，根据微电网线路末端电压U2的幅值与相位就可以确定补偿电压Use的幅值与相位，此时Use和IL不垂直，所以 VSC2和线路既存在有功功率的交换又存在无功功率的交换，如图7所示。

图7 相角调节功能Figure 7. Phase angle adjustment function

相角控制模式的公交关系如式(17)所示。

(17)

3 柔性倒闸控制器的模型

3.1 稳态模型

柔性倒闸控制器采用UPFC的双电压型变换器结构。在仅考虑基波分量的影响时，并联变换器部分可等效于一个受控电流源，串联变换器部分可等效于一个受控电压源，得到的稳态模型如图8所示。

图8 稳态模型Figure 8. Steady state model

在图中的稳态模型中，Vs为母线Ⅰ侧的端点电压，Vr为母线Ⅱ侧的端点电压。

倒闸控制器串联侧满足以下关系

(18)

考虑到串联母线和VSC2侧的变比关系，有

(19)

因此将有功功率给定值P0和无功功率给定值Q0带入，得到以下关系

(20)

由式(20)可以看出，通过调节输入电流可以调整系统交换功率大小，进而调控接入点的电压幅值和相位。为了在柔性倒闸控制器内部达到有功功率平衡并维持直流电压恒定，须满足[20]式(21)。

Pdc=Psh+Pse

(21)

由式(21)可以看出，Pdc的大小受有功交换的影响，随Pdc的改变将影响电容上电压值的大小，直流侧的电压将直接受Ishd的控制。Ishq的调节可以控制并联侧与系统交换的无功功率的大小，并联点电压将直接受无功功率交换影响。因此系统交换功率的量可以通过改变控制器的并联结构Ish来调节，从而对并联接入点电压Us和直流侧电压Vdc的大小进行控制。

3.2 柔性倒闸控制器的联合调节

当串联变换器和并联变换器联合作用时，并联部分负责调节接入点前后的无功功率，以此来改变接入点的电压幅值。通过控制注入电压向量改变线路潮流，使得变压器二次侧的电压幅值变化，最终达到幅值相等的状态。串联部分对接入点的电压相位进行调节，在两条母线端电压U1变化过程中不断改变注入的电压相位，使得U1的相位逐渐接近U2端的相位，两个变换器联合工作，平滑快速地对电压向量进行控制。

4 仿真

通过对UPFC装置的分析，设计基于UPFC工作原理的柔性倒闸控制器，通过MATLAB软件对此次设计进行仿真实验，检验装置的准确性。

通过Simulink搭建模型，设定两段母线电源通过变压器，使末端电压分别为U1=5 500∠0°(以U1为参考量)，U2=5 850∠10°。在T=0时，将倒闸控制器投入系统，采取每0.5T(周期)的数据。母联开关两侧电压经历几个周期后实现同步。仿真结果如表1和表2所示。

表1 电压相位变化图

由表1可以看出，为了便于对比，将母线Ⅰ的电压U1的初始相位设为零相位，在控制器调节前，电压U1和电压U2相位相差10°。经历几个周期后，两段母线末端电压的相位快速接近，在第5个周期时相角差为0.11°。虽然仍未达到完全零相位差，但是此时产生的不平衡电流已变小，且在线路能承受的电流范围内，符合电力系统安全运行的指标。此时可以闭合倒闸开关倒闸断路器，再断开柔性倒闸控制器装置，完成倒闸操作。

表2 电压幅值变化表

由表2可以看出，在控制器调节电压幅值前，电压U1和电压U2幅值相差350 V，同时母联开关所在线路相对较短，其等值电感和电阻很小，因此直接刚性合闸依然会产生较大的不平衡电流。通过柔性倒闸控制器对电压幅值的调整，两段母线末端电压向量经历几个周期后快速接近，在第5个周期时电压U1和电压U2的幅值仅差2.6 V。此时进行倒闸操作可较大幅度减小两母线间的不平衡电流，满足电力系统安全运行的指标，可以闭合倒闸开关倒闸断路器，再断开柔性倒闸控制器装置完成倒闸操作。

将本文所测得的数据以波形图的形式进行展示，如图9所示。

(a)

(b)

(c)

由图9可以看出，通过截取电压波形首尾部分，装置运行前以及运行初始时如图9(a)和图9(b)所示，两端母线的三相电压波形幅值相位差异较大。通过控制器的调节功能使得三相电压幅值相位基本达到同步且稳定运行如图9(c)所示，此时可以可靠闭合闸断路器进行倒闸操作。

在柔性倒闸控制器调节阶段，其无功调节变化和电压波形分别如图10和图11所示。

图10 无功功率变化Figure 10. Change of reactive power

从图10可以看出，由于并联侧的控制装置输出电压有变化，控制器与系统之间动态相互传递无功功率，使潮流重新分布并不断调整母线端电压。在第5周期后，控制器的无功功率调节基本稳定，此时两段母线端电压相位一致，可以实现可靠倒闸操作。

图11 倒闸控制器输出电压Figure 11. Output voltage of switching controller

由图11可以看出，倒闸控制器起始输出电压峰值为349 V。经过几个周期电压幅值调整，不断减小其输出电压，在第5个周期后电压输出稳定在0 V附近。此时母联开关两侧电压向量基本重合，可以可靠地实现安全倒闸操作。

5 结束语

针对传统刚性合闸易出现冲击电流的现象，本文通过对UPFC结构和原理的分析，设计使合闸母线端电压快速达到同期的柔性倒闸控制器，利用并联侧的调压功能和串联侧的移相功能，动态调节线路的潮流，使两端母线末端达到同电压，从而消除传统刚性带电合闸中出现的冲击电流，保护线路设备安全。最后通过Simulink的模块搭建，对柔性倒闸控制器进行仿真验证。本文控制器的重点在于调节效果及效率，对控制器设计的经济性还需进一步研究。