基于dq坐標系的統(tǒng)一潮流控制系統(tǒng)的動態(tài)特性研究

基于dq坐標系的統(tǒng)一潮流控制系統(tǒng)的動態(tài)特性研究

0upfc控制策略統(tǒng)一趨勢控制器（usf）是迄今為止最靈活、功能最全面的factor裝置。statcom和psec之間的連接可以被認為是通過直線祖母的能量能力來實現(xiàn)的。同時，它可以控制傳輸路徑中的誤流趨勢、誤流趨勢、ubc節(jié)點電壓和輸出母線的電氣電壓。目前許多文獻針對UPFC控制策略進行了研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]:文獻建立了UPFC的系統(tǒng)模型,采用了簡單的控制策略;文獻進行了有能量緩沖的UPFC控制系統(tǒng)設計,采用了解耦和神經(jīng)網(wǎng)絡控制策略;文獻研究了UPFC對動態(tài)電能質(zhì)量的影響,采用了直接PI控制;文獻采用了帶有預測控制環(huán)的解耦控制策略;文獻提出了一種新的UPFC有功和無功協(xié)調(diào)控制策略;文獻分析了直流電壓的弱控制策略;文獻采用了自適應PID控制策略控制UPFC并聯(lián)側(cè),采用了解耦控制策略控制UPFC的串聯(lián)側(cè)。但上述文獻只進行了系統(tǒng)的仿真研究而沒有通過實驗加以驗證。文獻建立了小型的實驗模型,對UPFC的功能進行了分析,但所采用控制策略不能取得好的實驗效果。文獻給出了UPFC的交叉耦合與解耦控制,但只建立了傳輸線路一側(cè)的數(shù)學模型,而并沒有針對UPFC裝置一側(cè)進行分析,本文將在此基礎上進行UPFC控制策略的延伸。本文分析UPFC的工作原理,建立UPFC的數(shù)學模型,利用瞬時功率理論,在d、q坐標系下建立控制系統(tǒng)的動態(tài)模型。為了進一步闡述UPFC的全面功能,在UPFC模型中對并聯(lián)整流器和串聯(lián)逆變器進行單獨控制。并聯(lián)整流器可以實現(xiàn)STATCOM的功能,對其采用雙環(huán)解耦控制,利用d軸電壓控制直流母線電壓,q軸電壓來控制UPFC輸入端節(jié)點。串聯(lián)逆變器可以實現(xiàn)SSSC的功能,對其采用三環(huán)解耦控制,外環(huán)是功率環(huán),中間環(huán)為電壓環(huán),內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。內(nèi)環(huán)的快速響應將使得電流能夠迅速跟蹤輸入電壓,以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。1串聯(lián)側(cè)變換器的調(diào)節(jié)與控制UPFC的實驗模型如圖1所示,它是由2個背靠背的變換器通過直流母線電容連接在一起,并聯(lián)變換器通過變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)中,相當于1個受控電流源,一方面擔負著與系統(tǒng)進行無功交換,可以穩(wěn)定UPFC輸入端節(jié)點,加強UPFC串聯(lián)側(cè)的潮流調(diào)節(jié)作用;另一方面根據(jù)串聯(lián)側(cè)變換器的工況進行有功吞吐,以保證直流母線電壓基本恒定。串聯(lián)變換器通過變壓器串入到系統(tǒng)中,相當于一個受控電壓源,通過向系統(tǒng)插入一幅值和相位都可調(diào)的電壓來完成可控串補、節(jié)點電壓調(diào)節(jié)、潮流控制的任務。當開關SW1、SW2、SCR閉合時,UPFC單獨實現(xiàn)STATCOM的功能;當開關SW1、SW2、SCR打開時,UPFC單獨實現(xiàn)SSSC的功能。根據(jù)圖1可以得到三相靜止坐標系下UPFC的數(shù)學模型,但其交流側(cè)均為時變的交流量,不利于控制系統(tǒng)的設計。因此利用Park變換可將三相靜止坐標系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d、q坐標系,可得UPFC并聯(lián)側(cè)、串聯(lián)側(cè)以及線路側(cè)在d、q坐標系下的數(shù)學模型如圖2所示,相應的方程如下:2產(chǎn)品編制政策2.1upfc的控制策略無論是潮流控制還是UPFC輸入端節(jié)點電壓的控制,對于UPFC控制系統(tǒng)來說,最直接的控制量就是UPFC串、并聯(lián)變換器的交流輸出電壓,利用潮流、電流和電壓之間的關系,通過改變串、并聯(lián)變換器的交流輸出電壓來實現(xiàn)UPFC對線路潮流和端電壓的控制。(1)雙環(huán)解耦控制UPFC的并聯(lián)側(cè)可以看作是一個STATCOM,提供串聯(lián)側(cè)的有功需求同時可以補償傳輸線路上無功功率的變化,使得發(fā)電系統(tǒng)輸送的無功保持不變,維持UPFC輸入端節(jié)點電壓穩(wěn)定。不同于文獻中提出的電壓下垂控制方式,本文將采用穩(wěn)壓雙環(huán)解耦控制,其控制結(jié)構如圖3所示。q軸電壓外環(huán)的作用主要是控制UPFC輸入端節(jié)點,傳輸線路上的無功指令反饋到控制系統(tǒng)中,可以實現(xiàn)串、并聯(lián)之間無功的協(xié)調(diào)控制,提高系統(tǒng)的動態(tài)性能;電流內(nèi)環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制,響應速度快。直流母線電壓用來補償UPFC系統(tǒng)的損耗,通過調(diào)節(jié)直流母線電壓來實現(xiàn)交流輸電系統(tǒng)與UPFC之間的功率平衡。圖3所示的控制系統(tǒng)中以d軸電壓控制直流母線電壓,根據(jù)功率平衡的原理,可以得到有功電流指令的前饋量,實現(xiàn)串、并聯(lián)之間有功的協(xié)調(diào)控制。由圖4所示的充電實驗可見,UPFC輸入端A相節(jié)點電壓U1A與并聯(lián)整流器輸出A相電流iShA同相,使得直流母線電壓Udc的充電過程平穩(wěn)且無超調(diào)。2.2聯(lián)邦調(diào)整備組的控制(1)基于狀態(tài)反饋的解耦控制UPFC的串聯(lián)側(cè)主要作用是實現(xiàn)潮流調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)串聯(lián)逆變器輸出電壓的幅值可以改變傳輸線路上的無功,調(diào)節(jié)輸出電壓的相位可以改變傳輸線路上的有功,因此利用輸出電壓的d軸分量來控制無功潮流,q軸分量來控制有功潮流。由圖2可見d、q軸之間各分量存在復雜的耦合關系,由于本實驗模型中,傳輸線路上的各參數(shù)是確定的,為了獲得良好的靜、動態(tài)性能必須對d、q軸進行解耦控制,其控制框圖如圖5所示,鎖相信號來自UPFC輸入端節(jié)點A相電壓U1A。這種控制方案采用了功率環(huán)作為外環(huán),電壓環(huán)作為中間環(huán),電流環(huán)作為內(nèi)環(huán),每一個環(huán)路都包含相應的狀態(tài)反饋解耦量。通過解耦簡化了控制對象,方便了控制器的設計。在功率外環(huán)的控制中,根據(jù)瞬時功率理論可以得到傳輸線路上的有功和無功:根據(jù)期望得到的傳輸線路上的有功和無功,采樣輸出電壓U2,考慮串聯(lián)變壓器的變比6:8(Y-Δ),可以得到串聯(lián)逆變器輸出電流參考值:當輸出電流跟蹤指令變化的時候,線路上的有功和無功也會跟蹤的變化。(2)母線抗自充電控制d軸輸出電壓在當開關SW1、SW2、SCR打開時,UPFC單獨實現(xiàn)SSSC的功能,此時將接收端的電源UR用22Ω的電阻代替,控制串聯(lián)逆變器輸出電壓可以調(diào)節(jié)線路上的阻抗,其控制結(jié)構如圖6所示,鎖相信號來自線路上的A相電流i1A。由于沒有外部能量來源,因此利用串聯(lián)逆變器對直流母線電壓進行自充電?？刂芼軸輸出電壓可以調(diào)節(jié)直流母線電壓,保證系統(tǒng)正常工作,控制q軸輸出電壓,可以使得輸出模擬電抗值X=U12q/iSed跟蹤指令X*的變化,圖7出示了SSSC模擬電抗從電容向電感的變化。從串聯(lián)逆變器輸出電壓U12A與線路電流i1A的幅相關系以及傳輸線路有功潮流Pline和無功潮流Qline的變化可以看出,采用上述控制策略可以使得SSSC適時控制線路阻抗值,提高系統(tǒng)輸電能力。3u3000結(jié)論如圖1所示,實驗中發(fā)送端電壓USi(i=A,B,C)與接收端電壓URi的幅值相等,相角差為0,系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。圖8、9反映了在傳輸線路有功指令發(fā)生變化的時候UPFC系統(tǒng)的響應特性。初始狀態(tài)下,UPFC控制線路上的有功潮流Pline和無功潮流Qline為零,當有功指令突變的時候,UPFC的并聯(lián)整流器控制UPFC輸入端節(jié)點A相電壓U1A在220V和直流母線電壓Udc穩(wěn)定在400V,串聯(lián)逆變器控制傳輸線路上的有功功率能夠迅速響應指令的變化,同時線路上無功功率不變。從圖8可以看出,在傳輸線路上的有功階躍指令給定為3kW時,系統(tǒng)響應時間大約為100ms,而且有功和無功之間的相互影響很小。串聯(lián)側(cè)注入電壓U12A使得U2A超前U1A,有功從系統(tǒng)發(fā)送端流向系統(tǒng)接收端。在傳輸線路上的有功潮流發(fā)生變化的時候,并聯(lián)整流器輸出大約2kvar的容性無功功率Qshunt與串聯(lián)逆變器輸出大約2kvar的感性無功功率Qseries相抵消,使得傳輸線路上的無功功率保持不變,從而維持UPFC輸入端節(jié)點電壓的穩(wěn)定。并聯(lián)整流器從系統(tǒng)中吸收1kW有功功率Pshunt,保證了直流母線電壓穩(wěn)定,串聯(lián)逆變器輸出0.5kW有功功率Pseries,整個系統(tǒng)的損耗為0.5kW。在圖9中,傳輸線路上的有功階躍指令給定為-3kW。串聯(lián)側(cè)注入電壓U12A使得U2A滯后U1A,從系統(tǒng)接收端流向系統(tǒng)發(fā)送端。在傳輸線路上的有功潮流發(fā)生變化的時候,并聯(lián)整流器輸出的容性無功功率與串聯(lián)逆變器輸出的感性無功功率平衡,使得傳輸線路上的無功功率保持不變,從而維持UPFC輸入端節(jié)點電壓的穩(wěn)定。并聯(lián)整流器從系統(tǒng)中吸收1kW有功功率,保證了直流母線電壓穩(wěn)定,串聯(lián)逆變器輸出0.8kW有功功率,整個系統(tǒng)的損耗為0.2kW。(2)傳輸線段電壓穩(wěn)定分析圖10和圖11給出了在傳輸線路無功指令發(fā)生變化的時候UPFC系統(tǒng)的動態(tài)性能。初始狀態(tài)下,UPFC控制線路上的潮流為零,當無功指令突變的時候,UPFC的并聯(lián)整流器控制UPFC輸入端節(jié)點電壓在220V和直流母線電壓穩(wěn)定在400V,串聯(lián)逆變器控制傳輸線路上的無功功率能夠迅速響應指令的變化,同時線路上有功功率不變。如圖10所示,在傳輸線路上的無功階躍指令給定為lkvar時,系統(tǒng)響應時間大約100ms,電壓U2A下降到170V與U1A同相。并聯(lián)側(cè)輸出大約2kvar的容性無功功率,串聯(lián)側(cè)輸出大約lkvar的感性無功功率,使得傳輸線路上呈現(xiàn)容性無功功率,系統(tǒng)發(fā)送端輸出的無功不變,從而維持UPFC輸入端節(jié)點電壓的穩(wěn)定。并聯(lián)整流器從系統(tǒng)中吸收lkW有功功率,保證了直流母線電壓穩(wěn)定,串聯(lián)逆變器輸出0.5kW有功功率,整個系統(tǒng)的損耗為0.5kW。如圖11所示,在傳輸線路上的無功階躍指令給定為-3kvar時,電壓U2A增到290V與U1A同相,此時傳輸線路上為感性無功,其中并聯(lián)側(cè)提供2.4kvar無功功率,串聯(lián)側(cè)輸出大約0.6kvar無功功率,保證系統(tǒng)發(fā)送端輸出的無功不變,從而維持UPFC輸入端節(jié)點電壓的穩(wěn)定。并聯(lián)整流器從系統(tǒng)中吸收0.6kW有功功率,保證了直流母線電壓穩(wěn)定,串聯(lián)逆變器輸出0.2kW有功功率,整個系統(tǒng)的損耗為0.4kW。從上述實驗結(jié)果可以看出:采用文中所提的控制策略,可以使得UPFC有較好的動態(tài)響應特性,從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4雙環(huán)解耦控制的優(yōu)勢本