費(fèi)駿韜，羅珊珊

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

MMC-UPFC交叉解耦控制策略研究綜述

費(fèi)駿韜，羅珊珊

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

介紹了模塊化多電平-統(tǒng)一潮流控制器（MMC-UPFC）的基本結(jié)構(gòu)，從3個(gè)方面歸納了MMC-UPFC交叉解耦控制策略的研究進(jìn)展：傳統(tǒng)的MMC-UPFC交叉解耦控制策略、結(jié)合了智能算法的交叉解耦控制策略以及基于狀態(tài)反饋的控制策略最后，并比較了這3種控制策略的特點(diǎn)以及優(yōu)劣，總結(jié)了交叉解耦過程需要解決的問題。

MMC-UPFC；控制策略；交叉解耦；智能算法；狀態(tài)反饋

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是功能最為全面、系統(tǒng)潮流調(diào)節(jié)能力最為靈活的柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）元件［1］。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大，對(duì)于接入FACTS裝置的容量和可靠性有更高的要求，傳統(tǒng)的UPFC裝置無法滿足現(xiàn)實(shí)情況下的運(yùn)行需要。模塊化多電平技術(shù)（MMC）以其特殊結(jié)構(gòu)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，滿足了系統(tǒng)對(duì)大容量、高功率和高可靠性的需求［2］。然而，MMC-UPFC是一個(gè)強(qiáng)耦合、多變量的FACTS元件，而且具有多種補(bǔ)償功能，其控制策略復(fù)雜且多樣，有必要對(duì)其進(jìn)行整理從而在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇最合適的控制方案。

1　 MMC-UPFC基本結(jié)構(gòu)

世界上第一臺(tái)UPFC裝置是美國電力公司（APE）、西屋公司（WESTING HOUSE）以及美國電力科學(xué)研究院（EPRI）于1998年在KENTUCKY東部的INZE變電站138 kV高壓輸電線路上安裝投運(yùn)的［3］，其串聯(lián)部分為同步靜止串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC），并聯(lián)部分為靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）。近年來，UPFC的基本結(jié)構(gòu)得到了統(tǒng)一，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UPFC結(jié)構(gòu)

該裝置將1臺(tái)并聯(lián)換流器通過并聯(lián)變壓器與線路連接，另1臺(tái)為串聯(lián)換流器，通過串聯(lián)變壓器與線路連接，2臺(tái)換流器通過兩條直流母線背靠背連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路潮流的控制［4］。其中，并聯(lián)換流器相當(dāng)于一個(gè)受控電流源，向線路注入幅值可控的無功電流以實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，同時(shí)與系統(tǒng)進(jìn)行有功交換，維持直流母線的電壓；串聯(lián)換流器相當(dāng)于受控電壓源，通過控制傳入線路的電壓幅值以及相角來調(diào)節(jié)線路的潮流。

UPFC的換流器拓?fù)浯笾驴煞譃槿悾簝呻娖诫妷涸磽Q流器（VSC）、多電平VSC以及MMC。從性能上看，兩電平VSC諧波大、換流器控制復(fù)雜、損耗大、體積大，但容量小且串聯(lián)技術(shù)難度大，需要耦合變壓器提高容量；多電平VSC體積大，可關(guān)斷器件串聯(lián)控制及電容均壓控制較為復(fù)雜，工程應(yīng)用中通常不超過5個(gè)電平，需要耦合電壓器或者開關(guān)器件串聯(lián)技術(shù)提高容量。而MMC除了控制較為復(fù)雜外，體積較小，諧波小，損耗低，且使用模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展。因此，通過MMC技術(shù)可更方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)UPFC裝置擴(kuò)容需求。

應(yīng)用MMC技術(shù)使UPFC設(shè)備具有更強(qiáng)的系統(tǒng)潮流調(diào)節(jié)能力，其單側(cè)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，MMC子模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 MMC-UPFC單側(cè)結(jié)構(gòu)

圖3 MMC子模塊結(jié)構(gòu)

2　 MMC-UPFC交叉解耦控制策略研究

傳統(tǒng)的UPFC控制方法有幅相控制和基于同步轉(zhuǎn)軸dq坐標(biāo)系控制。由于UPFC設(shè)備的強(qiáng)耦合特性，目前工程應(yīng)用較多的是基于同步轉(zhuǎn)軸dq坐標(biāo)系控制。在此基礎(chǔ)上，控制方法又通常存在交叉耦合控制策略、交叉解耦控制策略以及協(xié)調(diào)控制策略。考慮交叉解耦控制應(yīng)用的廣泛性，針對(duì)解耦過程中的問題出現(xiàn)了多種控制方式，文中對(duì)交叉解耦控制進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.1傳統(tǒng)交叉解耦控制策略

在UPFC控制策略研究初期，出現(xiàn)了多種控制方式，然而實(shí)驗(yàn)效果并不理想。隨著不斷研究，交叉解耦控制策略得到了廣泛認(rèn)可。文獻(xiàn)［5］利用瞬時(shí)功率理論，建立了控制系統(tǒng)dq坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)并聯(lián)換流器和串聯(lián)換流器分別進(jìn)行控制。

對(duì)MMC-UPFC建立合理的動(dòng)態(tài)模型是對(duì)其進(jìn)行控制策略研究的基礎(chǔ)。根據(jù)圖2及圖3可以得到三相靜止坐標(biāo)系下MMC-UPFC的數(shù)學(xué)模型，但是由于其交流側(cè)均為時(shí)變的交流量，不利于進(jìn)行解耦控制。因此利用帕克變換將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成為以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，即：

式中：UShd，UShq表示并聯(lián)側(cè)電壓；Uld，Ulq表示線路電壓；ilq，ild表示線路電流；ω，LSh表示并聯(lián)側(cè)電感；iShq，iShd表示并聯(lián)電流；USed，USeq表示串聯(lián)側(cè)電壓；LSe表示串聯(lián)側(cè)阻抗；iSeLd，iSeLq表示串聯(lián)側(cè)電流；U12d，U12q表示串聯(lián)變壓器電壓；CSe表示串聯(lián)側(cè)電容；U2d，U2q表示線路電壓；LR表示母線阻抗；URd，URq表示母線電壓。

對(duì)并聯(lián)側(cè)換流器采用雙環(huán)解耦控制，分別控制直流母線電壓和MMC-UPFC輸入端節(jié)點(diǎn)；對(duì)串聯(lián)側(cè)換流器采用三環(huán)解耦控制，由外向內(nèi)分別為功率環(huán)、電壓環(huán)和電流環(huán)［6，7］。

（1）串聯(lián)側(cè)換流器解耦控制策略。針對(duì)串聯(lián)側(cè)控制策略，首先研究其功率外環(huán)解耦方法，將潮流指令值轉(zhuǎn)化為電流指令值，通過給定的有功和無功指令值建立串聯(lián)補(bǔ)償電壓到受端電源的方程，經(jīng)過等量dq變換后得到狀態(tài)方程，而后基于PI控制實(shí)現(xiàn)。在控制功率外環(huán)的過程中，根據(jù)瞬時(shí)功率理論可以得到傳輸線路上的有功和無功功率：

式中：Pline表示線路有功功率；Qline表示線路無功功率。電壓內(nèi)環(huán)直接采用PI控制即可得到電流內(nèi)環(huán)的指令值。電流內(nèi)環(huán)也在得到非線性狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上直接通過PI控制閥進(jìn)行控制。

由于串聯(lián)側(cè)換流器電壓控制環(huán)控制的對(duì)象為線路電壓，結(jié)合式（4）、（5）可得串聯(lián)換流器交叉解耦控制框圖如圖4所示。

圖4串聯(lián)換流器交叉解耦控制

（2）并聯(lián)側(cè)換流器解耦控制策略。針對(duì)并聯(lián)側(cè)，可以建立起和串聯(lián)側(cè)電流內(nèi)環(huán)一樣的方程，建立相似的狀態(tài)方程，實(shí)現(xiàn)PI控制。由于其采用雙環(huán)控制，內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)相較串聯(lián)側(cè)換流器更簡單，分為內(nèi)外環(huán)控制，其控制策略結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5并聯(lián)換流器解耦控制策略

相較于其他的控制方法，交叉解耦方法可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)UPFC系統(tǒng)的解耦控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路潮流的穩(wěn)定控制。但是其參數(shù)適用范圍有限，而且控制器的反饋系數(shù)包含線路阻抗值，導(dǎo)致其魯棒性不強(qiáng)，當(dāng)線路參數(shù)改變的時(shí)候就需要相應(yīng)地改變控制器的參數(shù)。

2.2結(jié)合智能算法的傳統(tǒng)交叉解耦控制策略

在以上傳統(tǒng)的控制策略研究之外，傅仲佳、袁旺等學(xué)者還對(duì)智能算法在UPFC控制策略中的應(yīng)用進(jìn)行了研究和嘗試。

文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)了基于模糊算法和遺傳算法的UPFC控制器。文獻(xiàn)在傳統(tǒng)PI控制的基礎(chǔ)上，基于模糊控制理論設(shè)計(jì)模糊算法PI控制器，它用語言變量描述系統(tǒng)特征，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息和模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理從而獲得合適的控制量。這種算法適應(yīng)性好，抗干擾能力強(qiáng)，魯棒性好，但是其控制精度不高。

在此基礎(chǔ)上，為了提高精度，文獻(xiàn)研究了基于遺傳算法的控制策略?；谀：齈I控制法的控制器中，量化因子和比例因子對(duì)系統(tǒng)的控制精度影響很大。而模糊控制法中由經(jīng)驗(yàn)公式確定且是定值，當(dāng)控制過程比較復(fù)雜時(shí)該定值無法達(dá)到預(yù)期的效果。因此，考慮采用遺傳算法對(duì)基于模糊算法的控制器進(jìn)行優(yōu)化［9，10］。在模糊控制器的基礎(chǔ)上，使用遺傳算法以系統(tǒng)的性能指標(biāo)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過遺傳算法計(jì)算得到量化因子和比例因子的最優(yōu)解，從而減少了主觀因素對(duì)系統(tǒng)控制帶來的影響，提高了控制過程的客觀性。

文獻(xiàn)［11］采用了將遺傳算法應(yīng)用到PID控制的策略中，其控制如圖6所示。UPFC是具有2個(gè)輸入和輸出且強(qiáng)耦合的雙變量系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)行過程中由于電抗的不確定性導(dǎo)致控制解耦過程不能保證精確，從而無法得到精確的有、無功值。通過在PID控制器中加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將采集到的量經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理后輸出，得到較為精確的值，提高了UPFC控制的準(zhǔn)確度，通過仿真也驗(yàn)證了該方法的有效性。

圖6結(jié)合遺傳算法的PID控制

總的來說，智能算法獨(dú)立應(yīng)用于UPFC控制時(shí)效果不理想，存在計(jì)算速度慢，計(jì)算結(jié)果偏差大的問題。當(dāng)智能算法與傳統(tǒng)經(jīng)典算法結(jié)合后可有效地提高UPFC控制的精確性和魯棒性。但仍然存在一定的局限性。

2.3引入反饋線性化方法的交叉解耦控制

針對(duì)傳統(tǒng)交叉解耦控制策略魯棒性較差的問題，文獻(xiàn)［12］將反饋線性化和變結(jié)構(gòu)控制方法應(yīng)用在非線性系統(tǒng)的交叉解耦控制方法中。其基本思路是首先通過反饋線性化方法對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行解耦，然后引入變結(jié)構(gòu)控制方法，對(duì)并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)分別設(shè)計(jì)控制器。

特別的，串聯(lián)側(cè)控制器包括功率外環(huán)、電壓內(nèi)環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。針對(duì)功率外環(huán)，在得到系統(tǒng)控制方程的基礎(chǔ)上，為增強(qiáng)魯棒性，引入反饋線性方法進(jìn)行解耦。選取狀態(tài)變量輸入變量以及輸出變量代入原方程中，通過計(jì)算驗(yàn)證其向量相對(duì)階等于系統(tǒng)階數(shù)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確反饋線性化，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解耦的同時(shí)降階為一階線性系統(tǒng)，對(duì)其控制成為典型的跟蹤問題，同時(shí)可得到子系統(tǒng)滑?？刂坡蕿椋?/p>

式中：Sat（s）表示飽和函數(shù)。至此，可以得到功率外環(huán)的控制輸出：

通過引入變結(jié)構(gòu)控制方法優(yōu)化傳統(tǒng)交叉解耦控制魯棒性弱的問題。針對(duì)電壓內(nèi)環(huán)，由于其沒有三相全橋拓?fù)渲袨V波電容參數(shù)設(shè)定對(duì)控制性能的影響，因此采用PI控制對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制。針對(duì)電流內(nèi)環(huán)，其輸出電壓方程經(jīng)dq變換后為非線性方程，采用與功率外環(huán)類似的設(shè)計(jì)思路，采用反饋線性化解耦后利用變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)控制器［10］。

同時(shí)，并聯(lián)側(cè)的控制目標(biāo)是穩(wěn)定直流側(cè)的母線電壓并提供無功補(bǔ)償。其控制方程與串聯(lián)側(cè)電流內(nèi)環(huán)形式相同，因此也采用類似的方法，首先采用反饋線性化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解耦以及非線性系統(tǒng)的線性化，接著采用指數(shù)趨近律設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)側(cè)換流器的控制。

反饋線性化控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。通過采用反饋線性化方法，在保證控制系統(tǒng)快速性和解耦性的同時(shí)，也大大提高了系統(tǒng)的魯棒性。

圖7反饋線性化控制策略

2.4各類交叉解耦控制策略效果對(duì)比

在實(shí)際工程應(yīng)用中，交叉解耦控制策略被廣泛的用于UPFC潮流控制中。通過原理分析可以知道，在MMC-UPFC潮流控制中，相對(duì)于其他控制方法，其也具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，針對(duì)傳統(tǒng)交叉解耦控制策略解耦不完全的問題，在原有控制策略的基礎(chǔ)上通過對(duì)控制量及變量附加一些額外的控制模塊，進(jìn)一步優(yōu)化了控制效果。

典型的控制策略如前文所述，在控制效果上，引入反饋線性化方法的交叉解耦控制策略控制速度最快，解耦最完全，同時(shí)魯棒性也最好；結(jié)合智能算法的交叉解耦控制策略一定程度上解決了解耦不完全的問題，但是這種控制策略運(yùn)算速度慢，在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)因?yàn)樗俣忍?、控制結(jié)果不穩(wěn)定造成線路故障。總的來說，反饋線性化方法在工程應(yīng)用中有較好地應(yīng)用前景。

3　結(jié)束語

MMC-UPFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)統(tǒng)一，其數(shù)學(xué)模型建立研究較為成熟，在控制策略研究方面也進(jìn)行了廣泛的研究。文中主要介紹了MMC-UPFC交叉解耦控制策略研究現(xiàn)狀，包括：傳統(tǒng)的交叉解耦控制策略，包括PI控制和PID控制；結(jié)合智能算法的傳統(tǒng)交叉解耦控制策略以及其它非線性控制方法。從控制效果來看，引入反饋線性化方法的交叉解耦控制策略效果最優(yōu)，其控制速度快，精度高，魯棒性好，但精確的解耦算法對(duì)電感參數(shù)的依賴較強(qiáng)，也是該方法工程實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)及電力電子技術(shù)不斷發(fā)展的過程中會(huì)出現(xiàn)更好的控制策略。

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Review of MMC-UPFC Cross Decoupling Control Strategy

FEI Juntao，LUO Shanshan
（Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

Firstly，this paper introduces the basic structure of MMC-UPFC，and then summarizes the research progress of cross decoupling control strategy of MMC-UPFC from three aspects:the traditional MMC-UPFC cross decoupling control strategy，control strategy combined with intelligent algorithm and control strategy based on state feedback.At last，this paper compares the characteristics of the three kinds of control strategies and summarizes the problems should be solved during cross decoupling.

MMC-UPFC；control strategy；cross decoupling；intelligent algorithm；state feedback

TM761

B

1009-0665（2016）01-0045-04

2015-10-16；

2015-12-01

費(fèi)駿韜（1990），男，江蘇常州人，碩士，從事電能質(zhì)量及配電自動(dòng)化方面研究工作；

羅珊珊（1988），女，河南商丘人，碩士，從事電能質(zhì)量及配電自動(dòng)化方面研究工作。