統一潮流控制器預測直接功率控制策略研究

劉玉雷

（上海電力設計院，上海200001）

統一潮流控制器預測直接功率控制策略研究

劉玉雷

（上海電力設計院，上海200001）

在此以基于矩陣變換器為基礎的統一潮流控制器為研究對象，介紹了當前統一潮流控制器的發展狀況以及控制策略現狀，在此基礎上提出預測直接功率控制策略用于該系統，并建立了預測模型，以便有效提高系統的動靜態性能。通過Matlab仿真平臺搭建了系統模型，通過仿真試驗對比了PI控制和預測直接功率控制的波形效果。仿真結果表明了所提控制策略的正確性和有效性，有利于電力系統安全可靠運行和數字化實現。

統一潮流控制器；矩陣變換器；空間矢量調制；預測直接功率控制

0　引言

FACTS控制器被引入到電力系統中提高了系統的安全性，容量和功率的靈活性。FACTS裝置可以減少無功功率流動，維持總線電壓在所需水平，并提高了電力系統的穩定性。因此，它們可以提高電力系統在應急情況下的安全性。統一潮流控制器（UPFC）[1?2]是一種多用途FACTS裝置，可單獨或同時控制有功功率，無功功率和母線電壓，它由Gyugyi在1991年提出并引入電力系統[3?4]。

在背靠背型功率變換器組成的UPFC中，由于直流電容器的存在，增加了UPFC的重量、成本和體積，引起系統額外的功率損失。用三相交流?交流的矩陣變換器（MC）替換背靠背型功率變換器既可以維持相同的功能，同時還由于消除了直流電容器，從而降低了系統的成本、體積，提高了系統的可靠性和使用壽命。MC具有結構簡單、結構緊湊、能量可雙向流動、可產生正弦輸入電流和輸出電壓、功率因數可調等優點。由于上述優點，MC在UPFC中具有較大的應用價值[5]。

文獻[5]中對基于CMC的UPFC展開研究，通過分析其標量模型提出了一種單環解耦控制策略，但精度不夠高。文獻[6?7]提出的基于CMC的潮流控制策略均基于常規的PI閉環控制，控制效果一般，解耦效果不太好，響應比較慢。文獻[8]對基于CMC的UPFC采用了包含滑?？刂频闹苯庸β士刂撇呗?，但是控制策略較復雜。文獻[9]構建三環控制系統：功率環、電壓環和電流環，令電流跟蹤電壓的變化，使得系統的動、靜態性能和穩定性得到了一定提升，但是由于采用過多環節，控制策略復雜。

預測控制易于數字化實現，建模方便，具有控制精度高、算法簡單、對模型要求低等優點，能提高系統的魯棒性，具有較好的動態控制效果。本文將預測直接功率控制算法引入MC?UPFC控制系統中，首先分析了MC的雙空間矢量調制策略，接著建立了MC逆變級的預測直接功率控制模型，然后提出了MC?UPFC串聯側逆變級的功率預測控制策略，最后建立了仿真模型對控制策略進行驗證。仿真結果表明：所提控制策略有效地提高了MC?UPFC系統潮流控制的動靜態性能，從而驗證了所提控制策略的有效性[10]。

1　MC?UPFC電路結構及原理

MC?UPFC基本電路結構如圖1所示，MC一端與耦合變壓器T2串聯接到輸電線路2中，另一端與變壓器T1并聯接到母線上。并聯側為串聯側提供輸入電壓，提供其所需要的有功功率。串聯側逆通過調節串接在線路上的電壓幅值，改變線路的有功功率和無功功率的流動，以達到控制潮流的目的[11]。

圖1　基于MC的統一潮流控制器

2　MC調制策略

根據矩陣轉換器的結構，由于輸入不能短路和輸出不能斷路[12?13]，統一潮流控制器?MC限制它的開關模式，只允許有27種模式。眾所周知的MC控制方式有兩種：一種是Venturini調制策略；另一種是SVM調制策略。SVM算法是基于三相輸入電流和三相輸出電壓的，如圖2所示。

圖2　SVM調制技術

圖2（a）是輸入電流矢量圖，參考電流的公式為：

式中，

所以占空比和輸入電流調制系數分別為：

圖2（b）表示輸出電壓參考矢量可以由相鄰兩個開關矢量和零矢量合成，其公式如下：

其中：

因此，占空比和輸出電壓的調制系數為：

3　MC串聯側的預測直接功率控制策略

3.1線路潮流控制原理

在兩相靜止坐標下，根據瞬時功率[14]理論，主線路上的有功功率和無功功率為：

式中：u2α和u2β是線路母線電壓值u2在靜止坐標系下的α和β分量；i2α和i2β是線路電流值i2在靜止坐標系下的α和β分量；p和q分別是線路有功功率和無功功率。

假定三相電網電壓平衡[15]，輸出電流方程為：

經過αβ靜止坐標變換為：

式中：iα和iβ為MC輸出電流在αβ坐標系中的分量；usα和usβ為MC輸出電壓在αβ坐標系中的分量；eα和eβ為電網電壓在αβ坐標系中的分量。

假定開關采樣周期為Ts，式（15）的離散公式為：

若選定采樣周期足夠小，可以認為電網電壓的值在相鄰的兩個開關周期內不變[16]，即eα(k+1)=eα(k)，eβ(k+1)=eβ(k)，則在連續兩個采樣周期內有功功率和無功功率的變化ΔPo和ΔQo可以表示為：

將式（16）代入式（17），不計電阻壓降，寫成矩陣形式可得到：

逆變級P?DPC策略的目標是使MC輸出的有功功率和無功功率在k+1時刻達到給定值，即：

式中：P?即為式（19）的最佳輸出有功功率指令，從而使得輸出有功功率跟蹤指令；usα(k)，usβ(k)為采用空間矢量調制的MC在靜止坐標下的輸出電壓參考信號。

圖3　控制圖

圖3中：P*和Q*分別表示有功功率和無功功率的參考值；us表示MC的輸出電壓；e表示濾波后輸出電壓；u1表示主線路的檢測電壓；i1為主線路電流。通過預測直接功率控制得到線路目標輸出功率。

4　仿真分析

利用Matlab/Simulink搭建UPFC?MC的系統模型。主要仿真參數如下：線路中等效電阻為0.3 Ω，電感為2 mH；UPFC的串聯部分接入電網的串聯變壓器為接法，原、副邊變比為3∶4；輸出濾波器的電感為1.5 mH，系統電網相電壓為110 kV，電網角頻率為50 Hz；UPFC的并聯部分接入電網的并聯變壓器為接法，原、副邊變比為3∶1；電路等效電阻為0.01 Ω。設定功率基準值為100 MW。

0～0.1 s給定值為：Pref=0.1 pu，Qref=0；0.1 s時刻給定值為：Pref=0.2 pu，Qref=0，仿真結果如圖4所示。

圖4　線路P和Q波形（一）

由圖4可以看出，在0.1 s之前，系統實際P和Q值按照給定值準確輸出，且波形較好。0.1 s時有功功率參考值突變，無功功率參考值保持為0時，實際檢測到的有功功率快速響應，暫態過程中有功超調量較小，且對無功功率影響很小，說明解耦效果較好。0～0.05 s潮流給定值為Pref=0.12 pu，Qref=0.03 pu，0.05 s潮流給定值改為Pref=0.25 pu，Qref=0.05 pu，仿真結果如圖5和圖6所示。

圖5　線路P和Q波形（二）

圖6　線路A相電壓電流波形

由圖5可以看出，P和Q同時變化時，相互之間干擾很小，解耦性佳。圖6為該條件下的線路A相電壓電流波形。

設置：0.05 s之前，給定值P為0.1 pu，Q為0 pu。0.05 s開始給定值P為0.2 pu，Q給定值保持為0 pu。在上述給定條件下分別采用PI控制和預測直接功率控制進行仿真實驗，得到如圖7和圖8的波形圖。圖7為采用PI控制時線路潮流變化圖。從圖7可以看出，PI控制響應時間慢，有功超調量較大。圖8為采用預測直接功率控制系統仿真波形，與PI控制相比，P超調量很小，響應快速，波形平穩，P和Q之間之間干擾非常小，具有更好的動靜態性能。

圖7　采用PI控制的系統P和Q波形

圖8　采用預測直接功率控制的系統P和Q波形

5　結論

本文分析了MC空間矢量調制策略，建立了UPFC中MC數學模型，在此基礎上提出了UPFC串聯側的MC預測直接功率控制策略。該控制方法使得系統的有功功率和無功功率獨立控制，可以大幅提高解耦性能，還使得系統具有較好的動靜態性能，且控制簡單靈活，便于數字化實現。

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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

劉玉雷(1983—)，男，工程師，碩士研究生。研究方向為電能質量控制。

2015?06?25

國家863計劃課題：電網潮流控制技術及裝置研發，國家電網公司總部科技項