UPFC串联换流器交叉耦合控制系统设计

李　杰，周志成，刘黎明，邹旭东，谢天喜

UPFC串联换流器交叉耦合控制系统设计

李杰1，周志成1，刘黎明2，邹旭东2，谢天喜1

（1.江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103；2.华中科技大学，湖北武汉430074）

串联换流器是统一潮流控制器（UPFC）中的关键设备，其控制系统的性能直接关系到UPFC的调节能力。文中提出了一种UPFC串联换流器交叉耦合控制的方法，设计了相应的控制系统，采用频率特性法绘制了系统的Bode图，并由此确定PI调节器参数，利用MATLAB仿真软件建立UPFC系统仿真模型，计算线路有功传输功率指令发生阶跃变化时，UPFC系统经串联部分注入电网的功率、直流母线电压以及系统发送端电压的相角等的变化情况，结果表明本文设计的交叉耦合控制系统可以迅速独立地控制有功功率的调节，而对无功功率影响很小，验证了控制系统的有效性。

UPFC；串联换流器；交叉耦合控制；有功功率

统一潮流控制器（UPFC）可分别或同时实现串联补偿、并联补偿、移相控制、阻抗模拟及实时控制传输线路潮流等功能，从而提高线路传输能力、稳定性及阻尼振荡系统振荡［1］。UPFC装置是由串联变压器与换流器、并联变压器与换流器、直流母线电容等构成的，其中串联换流器的控制是UPFC关键所在，本文提出了一种交叉耦合控制系统的设计方案。

1　UPFC基本结构和原理

典型UPFC主要由电压源型换流器（并联换流器、串联换流器），输出滤波器（Lsh，Csh，Lse，Cse），直流母线电容Cdc，并联变压器TShunt，串联变压器TSeries，旁路开关K1、断路器K2和K3，以及控制和保护单元构成，如图1所示。两端电源电压相角差为δ。其中并联、串联换流器是UPFC实现潮流控制的主要执行部分，并联换流器通过变压器TShunt并联接入系统，可视为可控的并联静止无功补偿器（STATCOM）；串联换流器通过变压器TSeries串联接入系统，可视为可控的静止同步串联补偿器（SSSC）。断路器K2，K3和旁路开关K1主要对控制UPFC在电网中的切入/出，以及对串联、并联部分的过压和过流保护。正常情况下K2，K3闭合而K1断开，UPFC投入到系统中运行，此时流过串联变压器原方的电流即是流过此电网支路的电流；在故障的情况下K1闭合而K2，K3断开实现对UPFC功率部分的保护［2，3］。

串联换流器被看作是与串联变压器阻抗串联的电压源，它可以看作是线路注入的一个串联电压源，调节UPFC串联插入电压U.12可以很方便地调节U.2的幅值和相位，若UPFC串联部分插入的电压U.12垂直于线路电流i.1，则UPFC串联部分等效为一个电容或电抗，可实现对传输线的线路阻抗补偿，独立调节线路传输有功/无功功率潮流。

图1　UPFC基本结构图

2　交叉耦合控制系统设计

交叉耦合控制在许多文献中都得到了应用，基本原理就是采用UPFC串联部分输出电压的垂直分量u12q来控制线路传输的有功功率潮流Pline，而采用UPFC串联部分输出电压的水平分量u12d来控制线路传输的无功功率潮流Qline，其控制系统如图2所示。控制系统中有3个环：内环为电流环、中间为电压环，外环为功率环，其中电流环和电压环的设计和SSSC的串联换流器控制系统中的相应部分相同［4-6］。

图2　交叉耦合潮流控制方案框图

在进行功率环PI调节器设计的时候首先仅考虑u12q对Pline和u12a对Qline的影响，然后再根据实际情况做出调整。为了便于分析，采用以上的简化条件，则电压对潮流变化的传递函数为［7］：

串联换流器传递函数可用一个惯性环节替代［8］：

采用交叉耦合法设计的有功功率潮流控制器框图如图3所示。对于线路无功潮流控制而言与其类似。

图3　有功功率潮流控制器设计框图

根据图3可以得到受控系统的传递函数：

潮流控制系统的开环传递函数：

式（5）函数是一个高阶系统，且其可控参数少于系统阶数，所以很难采用零、极点配置的方法进行有效的参数选择，本文采用频率特性法，通过绘制系统Bode图来确定PI调节器参数。

首先得到受控系统的Bode图，如图4（a）所示。由图可见受控对象GS（s）在频率点315 rad/s处有谐振峰为27.8 dB。为抑制系统谐振峰同时保持较快的响应速度，将PI调节器参数取值为：KPP=0.02，KPI=1。这样系统开环传递函数GO（s）在谐振点315 rad/s处具有-6 dB的衰减，如图4（b）所示。系统闭环传递函数CS（s）在谐振点322 rad/s处的衰减为-4.78 dB，如图4（c）所示。在此条件下闭环控制系统的单位阶跃响应曲线如图4（d）所示。由图4可见系统阻尼较好，其调节时间大致为1 s。以上控制器的参数设计是在某一特定初始条件下完成的，若初始条件变化也要相应作出调整。

3　交叉耦合控制系统仿真分析

根据图1所示的UPFC结构框图，利用MATLAB仿真软件包中的Power System模块建立了380 V电压等级的UPFC系统仿真模型。仿真模型中的参数：系统发送端电压U.S和系统接收端电压U.R的幅值都为311 V，两者之间的相位差δ=10°；UPFC输入端的线路阻抗ZS=0.5+j6.28 Ω；UPFC输出端线路阻抗ZR=0.5+ j18.84 Ω；系统额定功率容量为15 kV·A；串联部分和并联部分各为7.5 kV·A。

图4　系统频率特性和单位阶跃响应

交叉耦合潮流控制的仿真结果如图5、图6所示。即在1 s和5 s线路有功传输功率指令发生阶跃变化时，UPFC系统经串联部分注入电网的功率、输入端电压幅值U1、直流母线电压Udc以及系统发送端电压的相角θS的变化情况。

图5　UPFC通过串联变压器注入电网的有功功率Pse和无功功率Qse

图6　交叉耦合控制响应有功指令阶跃的效果

图5和图6反映了在线路传输有功指令Pl*ine发生变化的时候UPFC系统的响应特性。初始状态下，线路传输的有功功率Pl*ine为1 kW，无功功率Qline为0 var。线路传输有功指令Pline突变时，UPFC的并联变换器控制UPFC输入端电压U.1的幅值U1在311 V和直流母线电压Udc稳定在400 V，串联变换器控制线路传输的有功功率能够迅速响应指令的变化，同时保证线路传输无功功率不变。

3.1潮流正向调节能力

在1 s时，线路传输的有功功率指令Pl*ine由1 kW阶跃至3 kW，无功功率指令Ql*ine为0。此过程中线路有功潮流Pline的动态调节过程大约为600 ms，由耦合引起的线路无功潮流Qline变化为-200 var。由图5中1～5 s的曲线可看出。

（1）串联变换器几乎不向电网注入有功功率，并联变换器从系统中吸收300 W有功功率Psh，因此整个系统的损耗为300 W。

（2）串联变换器向电网注入大约-1300 var的无功功率Qse，大部分都被并联部分吸收，小部分用来补偿线路无功损耗，使得传输线路上的无功功率Qline保持不变，从而维持UPFC输入端电压的稳定。图6中1～5 s的曲线表明UPFC输入端电压幅值U1最高升到312 V，然后在并联部分稳压控制器的调节下慢慢回到311 V。这个过程中Udc变化很小，由于PS增加了，因此系统发送端电压的相角从3°增加到8°。

3.2潮流反向调节能力

在5 s时，线路传输的有功功率指令Pl*ine由3 kW阶跃至-2 kW，无功功率指令Q*line等于0。此过程中Pline的动态调节过程大约为800 ms，由耦合引起Qline的变化最大达到了500 var。由图5中5～9 s的曲线可看出：

（1）串联变换器向电网注入-200 W有功功率Pse，并联变换器从系统中吸收-120 W有功功率Psh，因此整个系统的损耗为80 W。

（2）串联变换器向电网注入大约-1100 var的无功功率Qse，并联变换器从电网吸收大约-1000 var的无功功率Qsh，使得Qline保持不变，从而维持UPFC输入端电压的稳定。图6中5～9 s的曲线表明UPFC输入端电压幅值U1最低跌落到307.5 V，然后在并联部分稳压控制器的调节下慢慢回到311 V。这个过程中Udc变化很小，由于PS反向了，因此系统发送端电压的相角从8°变到-5°。

4　结束语

本文针对UFPC的串联换流器设计了一种交叉耦合控制系统，并建立了380 V电压等级的UPFC系统仿真模型，仿真分析了线路传输的有功功率指令变化时该控制系统的调节效果。仿真结果表明，采用本文设计的交叉耦合潮流控制结构简单，易于实现，可以使得串联变换器控制线路传输的有功功率能够迅速响应指令的变化，同时保证线路传输无功功率不变。

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Design of Cross-coupling Control System for UPFC Series Converter

LI Jie1，ZHOU Zhicheng1，LIU Liming2，ZOU Xudong2，XIE Tianxi1
（1.Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.Huazhong University of Science&Technology，Wuhan 430074，China）

The series converter is the key equipment of the unified power flow controller（UPFC）.The performance of its control system is directly related to the regulating ability of UPFC.This paper presents a crossing-coupled method and a system to control the series converter of UPFC.The Bode diagram of the control system is drawn to determine the PI controller parameters.A 380 V UPFC system simulation model is established in MATLAB to calculate the power injected to the line by the series part，the voltage of the DC bus and the changes of the voltage phase angle of the sending terminal.The results showed that the cross-coupling control system has a small interaction when the power flow is changed by UPFC，which verifies the effectiveness of this control system.This paper provides a reference for the future designs and applications of UPFC.

unified power flow controller（UPFC）；serial converter；cross-coupling control；active power

TM76

A

1009-0665（2015）06-0014-04

2015-08-06；

2015-09-15

李杰（1963），男，江苏扬州人，高级工程师，从事高电压、输电技术研究及管理工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高级工程师，从事电力系统过电压及输电线路运行及维护等方面研究工作；

刘黎明（1975），男，黑龙江哈尔滨人，博士，研究方向为电力电子变换和控制技术研究；

邹旭东（1974），男，湖南祁东人，副教授，研究方向为电能存储与变换、新能源发电等方面研究；

谢天喜（1983），男，湖北天门人，高级工程师，从事高电压及绝缘技术研究工作。