宋鵬程，甄宏寧，王震泉，徐　政，董桓鋒

UPFC附加阻尼控制器設(shè)計研究

宋鵬程1，甄宏寧2，王震泉2，徐政1，董桓鋒1

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027；2.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京211102）

提出一種基于測試信號法的統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）附加阻尼控制器設(shè)計方法。首先運用測試信號法進行系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性分析；然后運用測試信號法求得從UPFC有功功率指令值到并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線有功功率的開環(huán)傳遞函數(shù)；最后基于經(jīng)典控制理論的極點配置算法便可整定UPFC附加阻尼控制器的各個參數(shù)。利用PSS/E驗證了所設(shè)計的UPFC附加阻尼控制器的有效性。以南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)為例，驗證所提出的UPFC附加阻尼控制器設(shè)計方法在實際電力系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性。

UPFC；附加阻尼控制器；測試信號法；參數(shù)整定方法

隨著電網(wǎng)規(guī)模的急劇增長，負荷水平的持續(xù)攀升，遠距離大功率互聯(lián)的工程實例越來越多。區(qū)域間的低頻振蕩成為限制區(qū)域聯(lián)絡(luò)線輸電能力，甚至影響互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的主要因素之一。柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)的出現(xiàn)為抑制低頻振蕩，特別是區(qū)域間振蕩提供了新的手段［1-3］。作為最新一代的FACTS裝置，統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）能夠?qū)崿F(xiàn)潮流的精確控制，對電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性均有較大影響。通過加裝UPFC附加阻尼控制器，能夠提高系統(tǒng)阻尼比，抑制系統(tǒng)低頻振蕩［4-6］?？刂破鞯膮?shù)整定是UPFC附加阻尼控制器設(shè)計的核心問題之一。近年來，常見的控制器設(shè)計方法包括遺傳算法、進化策略、模糊控制等［7-10］，然而實際大系統(tǒng)中狀態(tài)方程異常繁雜，使用上述方法整定UPFC附加阻尼控制器參數(shù)存在一定的困難。

本文首先提出了一種UPFC附加阻尼控制器的設(shè)計方法，采用測試信號法和極點配置法對UPFC附加阻尼控制器的參數(shù)進行整定，從而在整定過程中避開在常規(guī)設(shè)計中遇到的困難、便于實際工程應(yīng)用；然后在PSS/E中驗證了所設(shè)計的UPFC附加阻尼控制器的有效性；以南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)為例，驗證所提出的UPFC阻尼控制器設(shè)計方法在實際電力系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性。

1　基于測試信號的UPFC附加阻尼控制器設(shè)計

1.1UPFC附加阻尼控制器結(jié)構(gòu)

UPFC抑制低頻振蕩的作用主要通過UPFC附加阻尼控制器實現(xiàn)，UPFC附加阻尼控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有類似于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)。一般它的傳遞函數(shù)由以下4部分構(gòu)成：穩(wěn)定信號隔直，相位超前補償，穩(wěn)定器增益和穩(wěn)定器限幅環(huán)節(jié)。

（1）穩(wěn)定信號隔直。隔直環(huán)節(jié)與PSS中的隔直環(huán)節(jié)的作用相同，為一高通濾波器。其主要作用是避免故障后UPFC控制輸入信號中可能存在的直流分量對UPFC附加阻尼控制的影響。

（2）移相環(huán)節(jié)。移相環(huán)節(jié)是阻尼控制中的主要環(huán)節(jié)，其作用是使UPFC的輸出隨著輸入信號的變化而產(chǎn)生一個與輸入信號之間相位差，這就需要相位超前回路，以補償UPFC阻尼控制器輸出與形成的電氣轉(zhuǎn)矩之間的相位滯后，從而有效阻尼系統(tǒng)低頻振蕩。

（3）控制器的增益?？刂破鞯脑鲆鎸ψ枘嵯到y(tǒng)振蕩有重要作用，它的大小決定控制器向系統(tǒng)提供阻尼的大小。UPFC附加阻尼控制器的基本機構(gòu)如圖1所示。x為附加阻尼控制器的輸入信號，一般可以取聯(lián)絡(luò)線功率波動、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)頻率等作為附加阻尼控制器的輸入信號。附加阻尼控制器產(chǎn)生的輸出信號與UPFC有功功率指令值疊加后一起作為UPFC潮流控制器的輸入信號。

圖1　UPFC附加阻尼控制器的基本結(jié)構(gòu)

1.2UPFC附加阻尼控制器參數(shù)整定方法

選擇交流聯(lián)絡(luò)線功率波動作為UPFC附加阻尼控制器的輸入信號，從并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線上提取反映交流聯(lián)絡(luò)線路功率波動的信號，來調(diào)節(jié)UPFC控制線路傳輸?shù)墓β?，使之快速吸收或補償交流聯(lián)絡(luò)線路的功率過剩或缺額，起到阻尼振蕩的作用。以UPFC有功功率指令值增量ΔPref作為控制變量，交流聯(lián)絡(luò)線輸送有功功率增量ΔPac作為被控變量，則ΔPref到ΔPac的開環(huán)傳遞函數(shù)框圖如圖2（a）所示。引入ΔPac作為反饋變量，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)框圖如圖2（b）所示。

圖2　系統(tǒng)傳遞函數(shù)

系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

式（1）中：G（s）為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)；H（s）為反饋信號傳遞函數(shù)。

由式（1）可得閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為：

假設(shè)加入反饋補償環(huán)節(jié)后閉環(huán)系統(tǒng)新的主導(dǎo)極點為sd，sd必滿足系統(tǒng)特征方程，可得：

分別寫成幅值和相角的形式：

因此，反饋補償環(huán)節(jié)H（s）在s=sd處的幅值和相角可以通過系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G（s）在s=sd處的幅值和相角求得。根據(jù)所得結(jié)果，可設(shè)計超前—滯后補償環(huán)節(jié)并整定相應(yīng)參數(shù)。

圖1所示附加控制器對應(yīng)的傳遞函數(shù)形式為：

可設(shè)計超前—滯后補償環(huán)節(jié)的參數(shù)為［2］：

式（7）中：φ為需要補償?shù)南辔?；arg（G（sd））為開環(huán)傳遞函數(shù)在期望主導(dǎo)極點處的相位；ωk為期望主導(dǎo)極點的虛部；m為相位補償環(huán)節(jié)階數(shù)，本文取3。

確定T1，T2后，可以通過式（4）來確定增益K。

1.3基于測試信號法的系統(tǒng)傳遞函數(shù)辨識

由以上分析可得，設(shè)計超前—滯后補償UPFC附加控制器的關(guān)鍵是求取從UPFC有功功率指令值到并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線有功功率的開環(huán)傳遞函數(shù)。在實際大系統(tǒng)中用解析法求這一開環(huán)傳遞函數(shù)非常困難，但利用

式（8）中：kω0=0.1～2.0 Hz；Pk，φk分別為相應(yīng)振蕩電流的幅值和相位。對所加ΔPref的要求是不能破壞系統(tǒng)線性化條件。

由于系統(tǒng)在運行點附近基本上是線性的，不同頻率的量不會相互干擾。因此可以一次施加多個不同頻率的干擾電流信號。

（2）對系統(tǒng)進行機電暫態(tài)仿真直到穩(wěn)態(tài)，并提取公共周期內(nèi)的數(shù)據(jù)量ΔPref和ΔPac。

（3）對ΔPref和ΔPac做傅立葉分解，得到不同頻率下的相量（kω0）和ΔP.ac（kω0）。

（4）對所有的kω0計算不同頻率下的傳遞函數(shù)：

（5）利用數(shù)據(jù)擬合辨識出的表達式。在求得開環(huán)傳遞函數(shù)的解析表達式后，可進行UPFC附加阻尼控制器參數(shù)整定。

1.4UPFC附加阻尼控制器設(shè)計步驟

（1）用測試信號法對交直流系統(tǒng)進行小信號穩(wěn)定性分析，求出系統(tǒng)主要振蕩模式的頻率和阻尼比。

（2）根據(jù)（1）的結(jié)果選擇期望的主導(dǎo)極點。

（3）用測試信號法辨識從UPFC有功功率指令值到并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線有功功率的開環(huán)傳遞函數(shù)G（s）。

（4）根據(jù)（3）求出相應(yīng)于期望主導(dǎo)極點的UPFC附加阻尼控制器的補償相位和幅值，采用極點配置法整定UPFC附加阻尼控制器的參數(shù)。

（5）應(yīng)用測試信號法重新計算系統(tǒng)主要振蕩模式的頻率和阻尼比。

2　算例

算例系統(tǒng)是如圖3所示的一個簡單的電力系統(tǒng)，UPFC裝置安裝在節(jié)點7與節(jié)點9之間的一回線路上，將線路功率控制在2.2+j0.0。

用測試信號法分析系統(tǒng)主要振蕩模式的頻率和阻尼比，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，系統(tǒng)中存在一個阻尼比極低的測試信號法可以方便地做到。測試信號法基于頻率響應(yīng)和模態(tài)辨識理論［11］。對于任何一個線性系統(tǒng)，施加的動態(tài)輸入將會激發(fā)出相應(yīng)的動態(tài)輸出響應(yīng)。這些輸入激勵和輸出響應(yīng)之間存在一定的因果關(guān)系，即為線性系統(tǒng)的動態(tài)特性。電力系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，但當系統(tǒng)遭受小擾動時，可將系統(tǒng)在工作點附近線性化，因此傳遞函數(shù)的求取可用測試信號法。

（1）在UPFC有功功率指令值上施加一系列小信號振蕩功率，即：振蕩模式（振蕩模式1），可以通過加裝UPFC附加阻尼控制器提高振蕩模式1的阻尼比，改善系統(tǒng)動態(tài)特性。附加阻尼控制器的輸入信號為7-8一回線路的有功功率。用測試信號法辨識從UPFC有功功率指令值到并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線有功功率的開環(huán)傳遞函數(shù)G（s）。通過時域仿真得到G（s）的幅頻特性，通過模態(tài)辨識可得到G（s）的表達式為：

圖3　算例系統(tǒng)示意圖

表1　加裝UPFC附加阻尼控制器前系統(tǒng)主要振蕩模式

UPFC附加阻尼控制器的目標是將與振蕩模式1對應(yīng)的主導(dǎo)極點的阻尼比提高到20%。因此將期望的主導(dǎo)極點sd設(shè)置在-0.63+j3.1，對應(yīng)振蕩頻率為0.5 Hz，阻尼比為20%。使用UPFC附加阻尼控制器參數(shù)整定方法得到UPFC附加阻尼控制器的參數(shù)：K= 0.107，Tw=10.0 s，T1=0.55 s，T2=0.20 s，限幅為±25 MW。加入UPFC附加阻尼控制器后，再用測試信號法分析系統(tǒng)低頻振蕩特性，測試結(jié)果如表2所示。UPFC附加阻尼控制器安裝前后系統(tǒng)在大擾動下的動態(tài)特性如圖4所示，圖4中曲線為大擾動下7-8一回線路的有功功率。具體仿真過程：2 s時發(fā)電機G3出口處發(fā)生三相接地故障，2.1 s故障切除。

表2　加裝UPFC附加阻尼控制器后系統(tǒng)主要振蕩模式

由表1和表2可以看出，設(shè)計的UPFC附加阻尼控制器具有良好的阻尼效果，設(shè)計的UPFC附加阻尼控制器將振蕩模式1的阻尼比從1.41%提升至了19.21%，而對區(qū)域1和區(qū)域2內(nèi)的局部振蕩模式基本沒有影響。由圖4可以看出，加裝UPFC附加阻尼控制器后，系統(tǒng)在遭受大擾動時能夠迅速的平息振蕩，具有較好的動態(tài)特性。驗證了所提出的UPFC附加阻尼控制器設(shè)計方法的有效性。

為驗證所設(shè)計的UPFC附加阻尼控制器的適應(yīng)性，在幾個不同工況下加裝UPFC附加阻尼控制器。工況1為設(shè)計UPFC附加阻尼控制器時考慮的工況，線路7-9的功率被控制在2.2+j0.0；工況2中將線路7-9的功率控制在1.5+j0.0；工況3中將線路7-9的功率控制在2.9+j0.0；工況4中將線路7-9的功率控制在3.6+j0.0。加裝的UPFC附加阻尼控制器參數(shù)為工況1下設(shè)計得到的UPFC附加阻尼控制器參數(shù)。加裝UPFC附加阻尼控制器后不同工況下振蕩模式1的頻率和阻尼比如表3所示。

圖4　并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線7-8一回線路的有功功率

表3　加裝UPFC附加阻尼控制器后不同工況下振蕩模式1的頻率和阻尼比

由表3數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計的UPFC附加阻尼控制器對不同的運行工況具有較好的適應(yīng)性。

3　實際電力系統(tǒng)應(yīng)用驗證

以南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)為例驗證所提出的UPFC阻尼控制器設(shè)計方法在實際電力系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性。南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)接線示意圖如圖5所示。UPFC裝置加裝在鐵北—曉莊雙回線路上［12］。UPFC裝置投運后，南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中存在一個頻率為1.422 Hz，阻尼比為7.15%的振蕩模式，主要表現(xiàn)為蘇華潤機組對蘇鎮(zhèn)廠機組的區(qū)間振蕩。針對此振蕩模式，利用UPFC附加阻尼控制器設(shè)計方法，設(shè)計UPFC附加阻尼控制器。附加阻尼控制器的輸入信號為秦淮—濱南一回線路的有功功率，整定得到的控制器參數(shù)為：K=0.021，Tw=10.0 s，T1=0.55 s，T2=0.08 s，限幅為±25 MW。

分析加裝UPFC附加阻尼控制器后南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的低頻振蕩特性發(fā)現(xiàn)，安裝UPFC附加阻尼控制器后，蘇華潤機組對蘇鎮(zhèn)廠機組振蕩模式的阻尼比從7.15%提升至了11.06%。UPFC附加阻尼控制器安裝前后南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)在大擾動下的動態(tài)特性如圖6所示。圖6中曲線為大擾動下蘇華潤機組的轉(zhuǎn)速差曲線。具體仿真過程：1 s時曉莊—下關(guān)線路發(fā)生三相接地的故障，UPFC退出運行；1.1 s故障切除；為保證UPFC裝置安全，經(jīng)過設(shè)定時間（1 s）后，2.1 s時UPFC重新投入。

圖5　南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)接線示意圖

圖6　蘇華潤機組的轉(zhuǎn)速差曲線

由圖6可以看出，UPFC附加阻尼控制器加裝前，南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)具有比較理想的動態(tài)特性，加裝UPFC附加阻尼控制器可以進一步改善南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定特性，進一步增加系統(tǒng)的阻尼比，加快振蕩的平息過程。且UPFC附加阻尼控制器設(shè)計方法在實際電力系統(tǒng)中的仍然有效。

4　結(jié)束語

本文提出了一種UPFC附加阻尼控制器的設(shè)計方法，采用測試信號法和極點配置法對UPFC附加阻尼控制器的參數(shù)進行整定，從而在整定過程中避開在常規(guī)設(shè)計中遇到的困難、便于實際工程應(yīng)用。首先運用測試信號法進行系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性分析；然后運用測試信號法求得從UPFC有功功率指令值到并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線有功功率的開環(huán)傳遞函數(shù)；最后基于經(jīng)典控制理論的極點配置算法便可整定UPFC附加阻尼控制器的各個參數(shù)。UPFC附加阻尼控制器設(shè)計方法簡單、易行，即使考慮復(fù)雜的發(fā)電機模型及勵磁和調(diào)速器模型時，也不增加整定過程的復(fù)雜度，使用常規(guī)機電暫態(tài)仿真程序便可實現(xiàn)。UPFC附加阻尼控制器設(shè)計方法的有效性在簡單算例系統(tǒng)與實際電力系統(tǒng)中均得到了驗證，對南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程投運后系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定特性的改善具有重要作用。

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Parameters Tuning for UPFC Auxiliary Damping Controller

SONG Pengcheng1，ZHEN Hongning2，WANG Zhenquan2，XU Zheng1，DONG Huanfeng1
（1.College of Electrical Engineering，Zhengjiang University，Hangzhou 310027，China；2.Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China）

In this paper，a new method of UPFC auxiliary damping controller parameters tuning based on test signal method is proposed.First，the small signal stability of power system is analyzed using the test signal method.Then the testing signal is scanned at the line active power setting point of UPFC while the active power flow in the parallel AC tie line is oscillated.The open-loop transfer function between the line active power setting point of UPFC and the active power flow in the parallel AC tie line is identified by Fourier resolution and curve fitting.Finally，the parameters of UPFC auxiliary damping controller are tuned based on the root locus rules of the classical control theory.The proposed parameter tuning method is validated by the simulation results of a simple case and a real power grid.

unified power flow controller（UPFC）；UPFC auxiliary damping controller；test signal method；parameter tuning method

TM761

A

1009-0665（2015）06-0010-04

2015-08-11；

2015-09-17

宋鵬程（1990），男，山東淄博人，博士研究生，從事大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)分析、直流輸電與柔性交流輸電相關(guān)研究工作；

甄宏寧（1985），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃相關(guān)研究工作；

王震泉（1980），男，江蘇泰州人，工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃相關(guān)研究工作；

徐政（1962），男，浙江海寧人，博士生導(dǎo)師，從事大規(guī)模直流電力系統(tǒng)分析、直流輸電與柔性交流輸電、電力諧波與電能質(zhì)量、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)相關(guān)研究工作；

董桓鋒（1990），男，浙江紹興人，博士研究生，從事大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)分析相關(guān)研究工作。