摘 要： 在此以基于矩陣變換器為基礎(chǔ)的統(tǒng)一潮流控制器為研究對(duì)象，介紹了當(dāng)前統(tǒng)一潮流控制器的發(fā)展?fàn)顩r以及控制策略現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出預(yù)測(cè)直接功率控制策略用于該系統(tǒng)，并建立了預(yù)測(cè)模型，以便有效提高系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。通過Matlab仿真平臺(tái)搭建了系統(tǒng)模型，通過仿真試驗(yàn)對(duì)比了PI控制和預(yù)測(cè)直接功率控制的波形效果。仿真結(jié)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(tǒng)安全可靠運(yùn)行和數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 統(tǒng)一潮流控制器； 矩陣變換器； 空間矢量調(diào)制； 預(yù)測(cè)直接功率控制

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）02?0159?04

Study on predictive direct power control strategy for UPFC

LIU Yulei

（Shanghai Electric Power Design Institute， Shanghai 200001， China）

Abstract： 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 effective， which is beneficial to the safe and reliable operation and digital implementation of the power system.

Keywords： UPFC； matrix converter； SVM； predictive direct power control

0 引 言

FACTS控制器被引入到電力系統(tǒng)中提高了系統(tǒng)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(dòng)，維持總線電壓在所需水平，并提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，它們可以提高電力系統(tǒng)在應(yīng)急情況下的安全性。統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）[1?2]是一種多用途FACTS裝置，可單獨(dú)或同時(shí)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(tǒng) [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(tǒng)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(shí)還由于消除了直流電容器，從而降低了系統(tǒng)的成本、體積，提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。MC具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、能量可雙向流動(dòng)、可產(chǎn)生正弦輸入電流和輸出電壓、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。由于上述優(yōu)點(diǎn)，MC在UPFC中具有較大的應(yīng)用價(jià)值[5]。

文獻(xiàn)[5]中對(duì)基于CMC的UPFC展開研究，通過分析其標(biāo)量模型提出了一種單環(huán)解耦控制策略，但精度不夠高。文獻(xiàn)[6?7]提出的基于CMC的潮流控制策略均基于常規(guī)的PI閉環(huán)控制，控制效果一般，解耦效果不太好，響應(yīng)比較慢。文獻(xiàn)[8]對(duì)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(fù)雜。文獻(xiàn)[9]構(gòu)建三環(huán)控制系統(tǒng)：功率環(huán)、電壓環(huán)和電流環(huán)，令電流跟蹤電壓的變化，使得系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能和穩(wěn)定性得到了一定提升，但是由于采用過多環(huán)節(jié)，控制策略復(fù)雜。

預(yù)測(cè)控制易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，建模方便，具有控制精度高、算法簡(jiǎn)單、對(duì)模型要求低等優(yōu)點(diǎn)，能提高系統(tǒng)的魯棒性，具有較好的動(dòng)態(tài)控制效果。本文將預(yù)測(cè)直接功率控制算法引入MC?UPFC控制系統(tǒng)中，首先分析了MC的雙空間矢量調(diào)制策略，接著建立了MC逆變級(jí)的預(yù)測(cè)直接功率控制模型，然后提出了MC?UPFC串聯(lián)側(cè)逆變級(jí)的功率預(yù)測(cè)控制策略，最后建立了仿真模型對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：所提控制策略有效地提高了MC?UPFC系統(tǒng)潮流控制的動(dòng)靜態(tài)性能，從而驗(yàn)證了所提控制策略的有效性[10]。

1 MC?UPFC電路結(jié)構(gòu)及原理

MC?UPFC基本電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，MC一端與耦合變壓器T2串聯(lián)接到輸電線路2中，另一端與變壓器T1并聯(lián)接到母線上。并聯(lián)側(cè)為串聯(lián)側(cè)提供輸入電壓，提供其所需要的有功功率。串聯(lián)側(cè)逆通過調(diào)節(jié)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(dòng)，以達(dá)到控制潮流的目的[11]。

圖1 基于MC的統(tǒng)一潮流控制器

2 MC調(diào)制策略

根據(jù)矩陣轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，由于輸入不能短路和輸出不能斷路[12?13]，統(tǒng)一潮流控制器?MC限制它的開關(guān)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(diào)制策略；另一種是SVM調(diào)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(diào)制技術(shù)

圖2（a）是輸入電流矢量圖，參考電流的公式為：

[Ii=TaTsIa+TbTsIb+T0TsI0=daIa+dbIb+I0] （1）

式中，

[da=misin（60°-δi）] （2）

[db=misin（δi）] （3）

[d0=1-da-db] （4）

所以占空比和輸入電流調(diào)制系數(shù)分別為：

[d=da+db=misin（60°-δi）+misinδi] （5）

[mi=3iiidc] （6）

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

[Vo=TαTsVα+TβTsVβ+T0TsV0=dαVα+dβVβ+d0V0] （7）

其中：

[dα=mosin（60°-δo）] （8）

[dβ=mosinδo] （9）

[d0=1-dα-dβ] （10）

因此，占空比和輸出電壓的調(diào)制系數(shù)為：

[do=dα+dβ=mosin（60°-δo）+mosin δo] （11）

[mo=3vovdc] （12）

3 MC串聯(lián)側(cè)的預(yù)測(cè)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(biāo)下，根據(jù)瞬時(shí)功率[14]理論，主線路上的有功功率和無功功率為：

[pq=u2αu2β-u2βu2αi2αi2β] （13）

式中：[u2α]和[u2β]是線路母線電壓值u2在靜止坐標(biāo)系下的α和β分量；[i2α]和[i2β]是線路電流值i2在靜止坐標(biāo)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(wǎng)電壓平衡[15]，輸出電流方程為：

[us-e-Ri=Ldidt] （14）

經(jīng)過[αβ]靜止坐標(biāo)變換為：

[Ldiαdt=usα-eα-RiαLdiβdt=usβ-eβ-Riβ] （15）

式中：[iα]和[iβ]為MC輸出電流在[αβ]坐標(biāo)系中的分量；[usα]和[usβ]為MC輸出電壓在[αβ]坐標(biāo)系中的分量；[eα]和[eβ]為電網(wǎng)電壓在[αβ]坐標(biāo)系中的分量。

假定開關(guān)采樣周期為[Ts]，式（15）的離散公式為：

[iα（k+1）-iα（k）=TsLusα（k）-eα（k）-Riα（k）iβ（k+1）-iβ（k）=TsLusβ（k）-eβ（k）-Riβ（k）] （16）

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

[ΔP=P（k+1）-P（k）=eα（k）[iα（k+1）-iα（k）]+ eβ（k）[iβ（k+1）-iβ（k）]ΔQ=Q（k+1）-Q（k）=eβ（k）[iα（k+1）-iα（k）]- eα（k）[iβ（k+1）-iβ（k）]] （17）

將式（16）代入式（17），不計(jì)電阻壓降，寫成矩陣形式可得到：

[P（k+1）-P（k）Q（k+1）-Q（k）=TsLeαeβeβ-eαusα（k）usβ（k）-eα（k）eβ（k）] （18）

逆變級(jí)P?DPC策略的目標(biāo)是使MC輸出的有功功率和無功功率在k+1時(shí)刻達(dá)到給定值，即：

[P（k+1）=P?（k+1）Q（k+1）=Q?（k+1）] （19）

[usα（k）usβ（k）=eα（k）eβ（k）+LTs（e2α（k）+e2β（k））· eα（k）eβ（k）eβ（k）-eα（k）P?o（k+1）-Po（k）Q?o（k+1）-Qo（k）] （20）

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(diào)制的MC在靜止坐標(biāo)下的輸出電壓參考信號(hào)。

[u*sα]和[u*sβ]作為空間矢量脈寬調(diào)制算法（SVPWM）的參考給定，由式（20）可得線路潮流給定值[p?]和[q?]，控制框圖如圖3所示。

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(cè)電壓；i1為主線路電流。通過預(yù)測(cè)直接功率控制得到線路目標(biāo)輸出功率。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink搭建UPFC?MC的系統(tǒng)模型。主要仿真參數(shù)如下：線路中等效電阻為0.3 Ω，電感為2 mH；UPFC的串聯(lián)部分接入電網(wǎng)的串聯(lián)變壓器為[YΔ]接法，原、副邊變比為3∶4；輸出濾波器的電感為1.5 mH，系統(tǒng)電網(wǎng)相電壓為110 kV，電網(wǎng)角頻率為50 Hz； UPFC的并聯(lián)部分接入電網(wǎng)的并聯(lián)變壓器為[YΔ]接法，原、副邊變比為3∶1；電路等效電阻為0.01 Ω。設(shè)定功率基準(zhǔn)值為100 MW。

0～0.1 s給定值為：Pref=0.1 pu，Qref=0；0.1 s時(shí)刻給定值為：Pref=0.2 pu，Qref=0，仿真結(jié)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(tǒng)實(shí)際P和Q值按照給定值準(zhǔn)確輸出，且波形較好。0.1 s時(shí)有功功率參考值突變，無功功率參考值保持為0時(shí)，實(shí)際檢測(cè)到的有功功率快速響應(yīng)，暫態(tài)過程中有功超調(diào)量較小，且對(duì)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(jié)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(shí)變化時(shí)，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(shè)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(yù)測(cè)直接功率控制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到如圖7和圖8的波形圖。圖7為采用PI控制時(shí)線路潮流變化圖。從圖7可以看出，PI控制響應(yīng)時(shí)間慢，有功超調(diào)量較大。圖8為采用預(yù)測(cè)直接功率控制系統(tǒng)仿真波形，與PI控制相比，P超調(diào)量很小，響應(yīng)快速，波形平穩(wěn)，P和Q之間之間干擾非常小，具有更好的動(dòng)靜態(tài)性能。

圖7 采用PI控制的系統(tǒng)P和Q波形

圖8 采用預(yù)測(cè)直接功率控制的系統(tǒng)P和Q波形

5 結(jié) 論

本文分析了MC空間矢量調(diào)制策略，建立了UPFC中MC數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上提出了UPFC串聯(lián)側(cè)的MC預(yù)測(cè)直接功率控制策略。該控制方法使得系統(tǒng)的有功功率和無功功率獨(dú)立控制，可以大幅提高解耦性能，還使得系統(tǒng)具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能，且控制簡(jiǎn)單靈活，便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] MONTEIRO J， SILVA J F， PINTO S F， et al. Linear and sliding mode control design for matrix converter based unified power flow controllers [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2014， 29（7）： 3357?3367.

[2] 陳劍平，李林川，張芳，等.基于PSASP的UPFC潮流控制建模與仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2014，26（2）：66?70.

[3] GOLO R K， SHAIK A G， RAM S S T. A transient current based double line transmission system protection using fuzzy?wavelet approach in the presence of UPFC [J]. International Journal of Electrical Power Energy Systems， 2015， 70： 91?98.

[4] 崔福博，郭劍波，荊平，等.MMC?UPFC接地設(shè)計(jì)及其站內(nèi)故障特性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（7）：1628?1636.

[5] GEETHALKSHMI B， DEVANATHAN G， DANANJAYAN P. A novel structure of UPFC with matrix converter [C]// Proceedings of 2009 International Conference on Power Systems. Kharagpur： IEEE， 2009： 27?29.

[6] 崔福博，郭劍波，荊平，等.基于模塊化多電平換流器的統(tǒng)一潮流控制器橋臂電容電壓平衡控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（7）：1939?1945.

[7] SHAHIR F M， BABAEI E. Dynamic modeling of UPFC by two shunt voltage?source converters and a series capacitor [J]. International Journal of Computer Electrical Engineering， 2013， 5（5）： 476?481.

[8] 楊尚瑾，戴朝波，許海，等.計(jì)及UPFC的電力系統(tǒng)潮流控制及優(yōu)化[J].智能電網(wǎng)，2015，3（1）：48?54.

[9] MONTEIRO J， SILVA J F， PINTO S F， et al. Matrix converter based unified power flow controllers： advanced direct power control method [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2011， 26（1）： 420?430.

[10] 劉華，鄧文浪，朱建林，等.基于雙級(jí)矩陣變換器的統(tǒng)一潮流控制器設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（8）：2395?2399.

[11] 劉黎明，康勇，陳堅(jiān)，等.統(tǒng)一潮流控制器控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（10）：114?119.

[12] 王汝田，王秀云，崔永恒.矩陣變換器的諧波注入PWM控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（8）：77?82.

[13] 宋潔瑩，馮獻(xiàn)強(qiáng)，崔福博，等.MMC?UPFC動(dòng)態(tài)建模及內(nèi)部特性仿真研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014（z1）：67?75.

[14] 周小杰，汪飛.單相電壓型PWM整流器預(yù)測(cè)直接功率控制[J].電力電子技術(shù)，2014，48（1）：24?26.

[15] 趙方平.三相并網(wǎng)逆變器直接功率控制和直接功率預(yù)測(cè)控制的對(duì)比[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012（7）：212?220.

[16] RODRIGUEZ J， KOLAR J， ESPINOZA J， et al. Predictive current control with reactive power minimization in an indirect matrix converter [C]// Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Industrial Technology. [S.l.]： IEEE， 2010： 1839?1844.