一种适用于UPFC平滑启动的软切换建模方法

一种适用于UPFC平滑启动的软切换建模方法
胡卫东;张彦兵;郝正航;傅润炜
【摘要】统一潮流控制器(UPFC)启动、运行和停机过程中串联侧换流器存在不同控制策略的相互切换现象,将对交流系统的稳定运行造成影响,现阶段尚缺乏对不同策略平缓切换策略的研究.以UPFC串联侧换流器启动时的电流控制策略与潮流控制策略为例,提出一种不同控制策略间软切换的改进型控制算法:通过改进各控制策略给定值和输出值,使其输出值的初始值为切换前控制策略的输出值,实现UPFC串联侧系统平滑启动的过程.通过在RTDS平台上搭建UPFC仿真系统,验证基于改进型控制算法实现UPFC串联侧系统的平滑启动过程,试验结果表明该改进型控制算法是有效可行的.
【期刊名称】《电力科学与技术学报》
【年(卷),期】2018(033)003
【总页数】7页(P154-160)
【关键词】统一潮流控制器;软切换;平滑停运;平滑启动
【作者】胡卫东;张彦兵;郝正航;傅润炜
【作者单位】国家智能微电网控制设备及系统质量监督检验中心 ,河南许昌461000;许昌开普检测研究院股份有限公司 ,河南许昌 461000;国家智能微电网控制设备及系统质量监督检验中心 ,河南许昌 461000;许昌开普检测研究院股份有限公司 ,河南许昌 461000;贵州大学电气工程学院 ,贵州贵阳550025;国家智能微电网控制设备及系统质量监督检验中心 ,河南许昌 461000;许昌开普检测研究院股份有限公司 ,河南许昌 461000
【正文语种】中文
【中图分类】TM762
统一潮流控制器(UPFC)是一种兼具串、并联型FACTS(柔性交流输电系统)装置特性，具有调压移相、无功补偿、控制线路潮流等功能的FACTS装置，可以大幅提高现有线路的输电容量，降低新建输电走廊成本，也可定向、定量控制线路潮流分布，实现断面潮流的精准控制和灵活调节[1-7]。

模块化多电平换流器(MMC)具有电压和容量易于拓展、输出谐波少、模块化程度高等优点，采用MMC换流器的UPFC装置突破了常规换流器容量限制的瓶颈。

近年来，国内众多UPFC示范工程也纷纷开工建设，基于模块化多电平换流器的UPFC系统，在骨干网架以及配电网的深化建设中将发挥重要作用[8-12]。

UPFC的诸多强大功能均是由串联侧换流器基于多种控制策略实现的，在UPFC系统启动、运行和停机过程中，串联侧的多种控制策略，存在一个互相切换的过程。

多种控制策略间能否平滑切换，直接影响着输电系统的稳定性。

文献[13]分析了统一潮流控制器的结构和运行原理，提出了UPFC的并联侧换流器和串联侧换流器的平滑启动和平滑停运策略，详细介绍了具体的启动和停机步骤，实现了线路电流在UPFC串联侧变压器和旁路开关之间的平滑转移。

文献[14]以已投运的示范工程为背景，提出一种具有线路功率越限控制功能的UPFC系统级控制策略，并进行了试验论证。

文献[15]介绍了UPFC串联侧多种运行模式的仿真建模方法，并在RTDS仿真平台中验证了恒压移相、潮流控制等多个功能的动态性能。

上述文献大多对UPFC串联侧的不同控制策略进行了建模分析，或者描述了UPFC系统启停时的操作步骤，但未介绍串联侧换流器不同控制策略间平滑转换的控制方法，给相关研究带来一定的不便。

该文提出一种改进型控制算法：通过设计各控制策略给定值的“软切换”以及设计UPFC不同控制策略间的“软切换”，实现了UPFC串联侧系统平滑启动的过程。

1 UPFC系统的基本原理
UPFC输电系统如图1所示，分别由并联侧的STATCOM 和串联侧的SSSC组合而成。

通过控制串联侧变压器绕组输出的电压幅值和相位，可以实现定向、定量控制输电线路的潮流分布。

其中I1为线路电流，V2为UPFC串联侧输出电压，IB 为旁路开关电流，IT为串联变压器绕组电流。

在UPFC串联侧系统投入和退出过程中，均会引起交流输电系统一次电气结构的变化。

为了确保在该过程中，交流系统保持稳定运行，研究UPFC系统平滑切入和平滑退出交流系统的控制策略就显得非常重要。

文献[13]显示当UPFC投入和退出交流系统时候，分别控制输电线路的电流在旁路开关Bypass和串联侧变压器绕组间实现平滑转移，可实现交流系统的稳定运行与平滑过渡。

围绕该控制思路作进一步的分析和研究，提出一种确保不同控制策略之间可以平滑切换的仿真建模方案。

并在RTDS仿真试验平台上进行验证，实现了UPFC串联侧线路电流在旁路开关和串联侧变压器绕组间的平滑移动，在UPFC串联侧投入和退出运行期间，交流系统保持稳定运行和平滑过渡。

图1 基于MMC的UPFC系统结构Figure 1 MMC_UPFC system structure
2 串联侧控制原理及改进控制策略
UPFC系统诸多功能均是通过控制换流器，经串联变压器TSeries向传输线路插入一个可控电压源V12∠θ12，实现线路的潮流控制。

其中，可控电压源的频率跟随电网频率，幅值取值范围为0≤V12≤V12max，相角可控范围为0≤θ12≤2π。

选择UPFC恒幅调相功能进行分析，其相量模型如图2所示。

设定接收端电源的电压相量为参考相量，即接收端电压为VR∠0。

V1∠θ1为UPFC系统并联侧母线相量，V2∠θ2为UPFC系统串联侧母线相量，V12∠θ12为UPFC系统串联侧变压
器串入线路中的电压相量，相量V12∠θ12与V1∠θ1相叠加，形成UPFC端口电压V2∠θ2。

图2 UPFC恒幅移相相量模型Figure 2 UPFC constant amplitude phase shift phasor model
恒幅移相工作模式的控制目标是：控制UPFC串联侧母线电压幅值等于并联侧母
线电压幅值，并调节串联侧母线电压与送端电压之间的相位角，进而实现线路潮流的定向、定量调节。

弧HAB是以O为圆心，V1为半径的圆弧，当控制串联侧变
压器绕组的输出相量V12∠θ12在圆弧AKB上移动时，UPFC为恒幅移相工作状态。

δ为串联侧母线电压相对于并联侧母线电压的最大移相角度，该角度值的大小由串联侧换流器和串联侧变压器的最大容量决定。

UPFC在恒幅移相工况下，线路端电压V1保持不变，相角差δ由系统根据潮流需求给出。

即V1保持不变，相角差δ为正，且OAK为等腰三角形，结合图2可推导求出V12∠θ12的幅值和相角表达式[15]：
(1)
图2所示，建立V12∠θ12的dq坐标系，设定V12∠θ12的d轴跟V1∠θ1同相，q轴逆时针超前d轴90°。

且∠OKA=(180°-δ)/2，那么V12∠θ12的dq轴分量
表达式为
(2)
由式(1)、(2)可以求解出恒幅移相工况下，串联换流器的参考调制信号d、q轴分
量的给定值分别为调节参考信号的dq轴分量，实现串联侧MMC换流器串联变压器电压的dq轴分量控制，进一步实现UPFC端电压V2∠θ2幅值与相位的控制。

UPFC串联侧系统启动过程中，分别需要采用电流控制策略和潮流控制策略，常规
控制策略下UPFC启动过程的控制结构如图3所示。

虚线框①中为潮流控制算法，虚线框②为线路电流控制算法，model表示工作模式转换信号，当model=0时，串联侧系统采用电流控制策略；当model=1时，串联侧系统采用潮流控制策略。

在UPFC系统启动或者停机过程中，涉及到不同控制策略间的相互切换，而常规
控制策略中各个控制策略彼此独立，缺乏联动机制。

如在UPFC串联侧启动过程中，虚线框②中的电流控制策略处于工作状态，控制
线路电流由旁路开关转移到串联侧变压器绕组回路。

待旁路开关电流值降低到一定的值后，跳开旁路开关。

同时切换到虚线框①中的潮流控制策略，该控制策略下若不考虑切换前线路功率状态，将会引起有功给定值和无功给定值与实际线路潮流存在较大的突变状态，并且MMC调制波输入信号vd和vq在切换前后也存在阶跃
变化过程，这些“硬切换”容易引发输电线路电压值或电流值的较大波动甚至会引起交流系统的振荡。

为了实现UPFC串联侧控制策略间的转换过程中保持平滑过渡，从2个方面对常
规控制策略进行改进。

1)改进各控制策略给定值部分，确保不同控制策略切换的时候，给定值能够平滑过渡。

如图4矩形虚线框所示，Pref、Pmea、Qref、Qmea分别为线路有功功率给定值、有功功率测量值、无功功率给定值和无功功率测量值。

当model=0时刻，潮流控制策略为闭锁状态，且该控制策略的输入值分别为线路的实时功率测量值Pmea和Qmea，当model=1时刻，潮流控制策略为使能状态，该控制策略的输入值突变为Pref和Qref，在选择开关后边增加一个斜率控制模块，可以实现给定值在突变时刻按预设斜率缓慢变化。

即当UPFC系统由其他控制策略切换到潮流
控制策略时候，系统给定值将由上一时刻的功率测量值经预设的斜率缓慢变化到给定值。

图3 UPFC常规控制结构Figure 3 UPFC conventional control structure
diagram
图4 UPFC改进型控制策略结构Figure 4 UPFC improved control strategy structure diagram
2)改进控制策略输出值部分，使其输出值的初始值为切换前控制策略的输出值。

结合图4椭圆形虚线框可知，当model=0时，潮流控制策略处于闭锁状态，内环
PI控制模块处于复位状态，且PI控制模块的初始值分别为换流器调制波dq输入
通道的实时动态值。

当model=1时，潮流控制策略开始工作，内环PI模块从该
模块的初始值部分开始更新输出值，由于PI模块中，积分环节占主要部分，即控
制策略切换到潮流控制时候，换流器的输入值并不会引起突变。

通过上述思路调整UPFC的控制策略，可以实现不同控制策略间的平滑切换。

即
在UPFC启动初始时刻，旁路开关处于闭合状态，串联侧换流器选择线路电流控
制策略，控制线路电流平滑转移到串联侧变压器绕组，当流经旁路开关的电流值降低到一定值的时候，跳开旁路开关并切换串联侧控制策略为潮流控制策略，完成UPFC串联侧启动过程。

反之，UPFC串联侧停机过程中，需要由其他控制策略平滑切换到线路电流控制策略等。

为了验证该改进型控制算法是否有效，在RTDS
实时仿真器上建立UPFC系统仿真模型，并设计UPFC串联侧系统的启动仿真算
例进行验证。

3 仿真算例
为了验证UPFC系统在不同控制策略切换时，所提出的改进控制策略的有效性，
结合国内某示范工程的相关参数，在实时仿真器RTDS平台上，搭建UPFC系统，并设计UPFC串联侧系统启动的仿真算例。

算例1为2种控制策略的切换采用“硬切换”方案，即不同的控制策略分别进行分立控制；算例2为2种控制策略
的切换采用“软切换”方案，即不同控制策略间的采用平滑切换。

3.1 常规控制策略下UPFC串联侧启动(算例1)
算例中采用常规控制策略完成UPFC串联侧系统的启动过程。

即不同控制策略之间的切换采用图3所描述的“硬切换”方案。

首先采用电流控制策略，控制串联侧变压器绕组电流IT等于输电线路电流I1，将线路电流从旁路开关回路转移到变压器绕组回路。

当旁路开关电流降低到一定值的时候，跳开旁路开关，经1 s时间延迟，串联侧采用潮流控制策略进行控制，控制输电线路提升输电容量。

为了观察“硬切换”方案下，UPFC串联侧系统启动过程中的动态性能，对仿真系统中的关键参数如线路电流、旁路开关电流、线路功率等进行观测。

常规控制策略下UPFC 串联侧启动过程观测结果如图5所示。

图5(a)中从上到下依次为UPFC串联侧的母线电压V2、线路电流I1、旁路开关电流IB以及串联变压器绕组电流IT实际测量值。

由图5(a)可知：t1时刻，UPFC系统由自然潮流工作状态进入串联侧启动工作状态，串联侧换流器在电流控制策略下，将输电线路电流由旁路开关回路转移到串联变压器绕组回路，并且在转移的过程中，线路电流并未发生较大波动，而旁路开关与串联侧变压器绕组回路的电流值发生较大波动。

等线路电流转移到变压器绕组后，t2时刻，切换到潮流控制策略提升输电线路的传输功率，由于传统控制方案采用的是“硬转换”方案，因此线路电流幅值发生了一定程度的波动，不利于系统稳定性。

图5(b)中开关量信号在t3时刻由高电平变成低电平，代表旁路开关跳开。

图5(c)中所示的vd、vd0、vd1分别对应图3、图4中所示的MMC调制波d轴输入信号、电流控制策略d轴输出信号、潮流控制d轴输出信号。

vq、vq0、vq1为对应的q轴信号和Pmea分别为有功功率给定选择值和输电线路的有功功率测量值，和Qmea为无功功率参数。

由图5(c)可知在线路电流由旁路开关转移到串联变压器绕组过程中，即t1时刻前后，输电系统有功功率和无功功率并未发生较大波动。

而当切换到潮流控制策略时，即图中所示的t2时刻，d和q轴给定值均发生了较大突变，继而引发输电系统的有功功率和无功功率发生较大的波动，不利
于UPFC系统的稳定运行。

图5 仿真算例1波形观测Figure 5 Simulation No.1 waveform
算例1试验结果可知，在UPFC串联侧系统启动过程中，不同控制策略间采用“硬切换”方案时，线路电流由旁路开关转移到串联侧变压器绕组过程中，存在较大的冲击电流。

切换成潮流控制策略时刻，输电线路又存在较大的有功功率与无功功率的冲击振荡过程。

而这些电流、功率的冲击现象均不利于一次设备是工作寿命和输电系统的稳定运行。

3.2 改进控制策略下UPFC串联侧启动(算例2)
采用“软切换”控制方案，UPFC串联侧系统启动过程中关键参数的观测结果如图6所示。

图6(a)、(b)和(c)中的所有变量均与算例1图5中的变量相同。

分析图6可知，采用“软切换”方案进行的启动过程中，在t1～t3时间段，线路电流以设定的斜率平滑的由旁路开关回路转移到串联变压器绕组回路。

在t2时刻开始，串联侧系统切换到了潮流控制策略下，输电线路传输有功功率由3.53 MW平滑地提升到7.0 MW。

由图6(c)可知，“软切换”控制策略下vd，vd0，vd1三者保持同步。

如在潮流控制策略起主导作用时，vd值跟随vd1值，而电流控制策略处于闭锁状态，且vd0值跟随vd值，因此无论切换到哪一种控制策略，均能做到平滑切换无突变。

由于在参考值给定部分也进行了“软切换”控制方案，t2时刻切换到潮流控制策略时，并不是阶跃到有功功率给定值，而是由t2时刻前输电线路有功功率给定值为初始值，沿预设斜率平滑变化到有功功率给定值，如此实现了线路传输功率的平滑升降。

图6 仿真算例2波形观测Figure 6 Simulation No.2 waveform
算例2试验结果可知，改进型控制策略通过在各控制策略给定参考值的部分实现了“软切换”，同时在MMC调制信号处也实现了不同控制策略转换时的“软切换”。

并因此实现了UPFC串联侧系统的平滑启动，大大提升了UPFC运行时刻
的动态性能。

而UPFC并联侧控制策略或者串联侧其他控制策略之间的自由切换，均可以参考该改进型思路进行处理，由此可以进一步提升UPFC系统的动态性能。

4 结语
分阶段采用不同的控制策略，控制线路电流在串联侧的旁路开关和变压器绕组间的平滑转移是实现UPFC平滑启动和停机的重要环节。

通过控制各控制策略给定值
的“软切换”以及控制UPFC不同控制策略间的“软切换”，可以实现了UPFC
串联侧系统平滑启动的过程。

仿真结果表明，相较于传统“硬切换方案”，改进型的“软切换”控制策略，极大的提升了UPFC串联侧系统启动过程的动态稳定性能，而UPFC并联侧控制策略或者串联侧其他控制策略之间的自由切换，均可以
参考该改进型思路进行处理。

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