当前位置：文档之家 › UPFC线性最优控制方式的研究及其对暂态稳定性的改善(1)

UPFC线性最优控制方式的研究及其对暂态稳定性的改善(1)

  • 格式：pdf
  • 大小：193.55 KB
  • 文档页数：5

第20卷第1期2000年1月中󰀁国󰀁电󰀁机󰀁工󰀁程󰀁学󰀁报ProceedingsoftheCSEEVol.20No.1Jan.2000

文章编号:0258󰀁8013(2000)01󰀁0045󰀁05

UPFC线性最优控制方式的研究

及其对暂态稳定性的改善

颜󰀁伟,朱继忠,徐国禹

(重庆大学电气工程系,重庆400044)

ENHANCEMENTOFPOWERSYSTEMSTABILITY

USINGLINEAROPTIMALCONTROLSTRATEGYOFUPFC

YANWei,ZHUJi󰀁zhong,XUGuo󰀁yu

(ChongqingUniversity,Chongqing,400044,China)

ABSTRACT:ThispaperisbasedondynamicmodelofUPFC,

anditslinearoptimalcontrollerareestablishedbyusingreactive

powerincrementofcontrolledlineactive、voltageincrementof

controlledbus、imbalanceactivepowerofUPFC、DCcapacitance

voltageincrementofUPFC、outputactivepowerincrementand

rotorspeedincrementofgeneratorasstatevariables.Theef󰀁

fectsforenhancingthestabilityanddynamicperformanceof

powersystemandcontrollingbusvoltageandlinepowerflow

areillustratedbysimulationonaone󰀁machineinfinite󰀁bussys󰀁

tem.Itmanifeststhevalidityandsignificantadvantagesofthe

designapproachproposedinthispaper.

KEYWORDS:UPFC;dynamicmodeling;transientstability;

linearoptimalcontrol

摘要:基于UPFC(统一潮流控制器)的动态模型,提出以受

控线路有功和无功偏差、受控节点电压幅值偏差、UPFC两

侧不平衡有功偏差、UPFC直流侧电容电压偏差、发电机的

有功输出偏差和发电机转子的角速度偏差七个可测量为状

态反馈量,设计了UPFC的线性最优控制系统。仿真结果表

明,所设计的控制系统可以有效地控制节点电压和线路潮

流,改善系统的暂态稳定性。

关键词:UPFC;动态建模;线性最优控制;暂态稳定

中图分类号:TM762󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

1󰀁引言

统一潮流控制器(UPFC)不仅可以控制线路潮

流和节点电压,而且还可以有效地改善电力系统的功角稳定性。它是FCATS(灵活交流输电系统)家族中最复杂的也是最有吸引力的一种补偿器[1],对

它的研究已引起各国电力界的高度重视。

目前,公开发表的关于UPFC的学术论文比较

多,但主要是基于UPFC的静态等效模型[1~5],讨

论含UPFC的潮流解算问题、线路潮流控制问题以

及它对系统的动态品质的影响;文[6]考虑了发电机

转子的动态过程、励磁调节器的动态行为,并结合

UPFC两侧等效电源的作用,设计了相应的线性最

优控制系统,但没有考虑UPFC的动态行为。文

[7]考虑了调节UPFC逆变器相位和幅值时的动态

过程,采用常规的PI调节方式,分别设计了UPFC

的电压调节、无功调节、有功调节和直流电容电压控

制的四个环节。研究表明,这些控制方式都难以同

时满足潮流调节、电压控制和提高系统暂态稳定的

要求。

本文首先建立了UPFC装置的动态模型,该模

型只能用一组非线性微分方程式表示,然后利用线

性最优控制系统理论,设计了UPFC的最优控制系

统,仿真结果验证了方法的有效性。

2󰀁UPFC的动态模型

设UPFC安装在发电机出口升压变压器的高

压母线侧,经双回线与无穷大系统相连。它的接入

方式和等值电路如图1和图2所示。UPFC装置由

两个电压型逆变器、耦合变压器(T1、T2)、直流侧电

容、控制系统等部分组成。图中u󰀁1、u󰀁2为两侧逆变器交流侧输出电压相位的控制输入,um1、um2为两侧

逆变器脉宽调制比的控制输入。U1󰀂󰀁1、U2󰀂󰀁2为

两侧逆变器等效电压源的幅值和相位,VA󰀂󰀁A为

UPFC接入系统处母线电压和相角,VB󰀂󰀁B为线路

经过UPFC后的出口电压和相角,V S为线路末端

无穷大系统电压,I 1,I 2为UPFC并联侧和串联侧

的电流相量,󰀂为参考电压V S与q轴间的夹角,

ZL=RL+jXL为线路的等值阻抗,Z1=R1+jX1、

Z2=R2+jX2为UPFC两侧的等值阻抗,C为直流

侧的电容量,XT为升压变压器的等值电抗,X!d、Xq为发电机的暂态电势和d,q轴电抗,H,D为发电机

惯性时间常数和阻尼系数。

逆变器2逆变器1

测量输入控制目标UPFCT2BLSATG

T1K1K2

um1,u󰀁1um2,u󰀁2控制系统

图1󰀁UPFC的基本结构Fig.1󰀁TheprinciplediagramofUPFC

Vs

U1󰀂󰀁1I1Z1XTU2󰀂󰀁2Z2VB󰀂󰀁AZLVA󰀂󰀁AE!q

HD󰀂PL+jQLI2

UPFC+-

+-X!dXq

图2󰀁UPFC的等效电路Fig.2󰀁EquivalentcircuitofUPFC

设UPFC装置的两个电压型逆变器都采用正

弦脉宽调制(SPWM),若只考虑基波分量,UPFC两

侧逆变器的交流电压幅值与直流电容电压的关系可

以表示为[7]

U1=m1UC(1)

U

2=m2UC(2)

其中,UC为直流侧电容电压。我们通过调节两个

逆变器的脉宽调制比的控制输入(um1,u

m2)可以控

制交流侧输出电压幅值(U1,U2),调节相角控制输入(u󰀁1,u󰀁2)可以控制交流侧输出电压相位。对逆变器的这种幅值和相位调节的动态过程,可以用一

阶惯性环节来等效[8],它们的微分方程可以写为

Tm1dm1dt=-m1+m10+um1(3)

Tm2dm2dt=-m2+m20+um2(4)

T󰀂1d󰀁1dt=-󰀁1+󰀁10+u󰀁1(5)

T󰀂2d󰀁2dt=-󰀁2+󰀁20+u󰀁2(6)

式中󰀁Tm1,Tm2,T󰀁1,T󰀁2为惯性时间常数;m10,

m20,󰀁10,󰀁20为两侧逆变器的脉宽调制比和相角给

定值;m1,m2,󰀁1,󰀁2为两侧逆变器的脉宽调制比和

相角。

在逆变器的动态调节过程中,随着两侧逆变器

交流侧的输入有功功率的变化,两侧将出现不平衡

有功功率,直流侧电容将进行充放电,直流电压随之

而改变。考虑直流电容的充放电过程,可以用一阶

微分方程表示为

dUCdt=Pc/(C UC)(7)

式中󰀁Pc为两侧逆变器的不平衡有功功率。

综合式(3)~(7),就可以用五阶微分方程来描

述UPFC的动态过程了。

3󰀁含UPFC的功率方程

对图2所示的简单系统,设发电机采用E!q=常

数模型,UPFC两侧的电压和电流相量在d,q坐标

轴下表示为󰀁󰀁I 1=I1d+jI1q、󰀁󰀁I 2=I2d+jI2q、

U1󰀂󰀁1=U1d+jU1q、󰀁U2󰀂󰀁2=U2d+jU2q

则发电机的电势方程为

E!q=VAq+(X!d+XT)(I1d+I2d)(8)

0=VAd-(Xq+XT)(I1q+I2q)(9)

含UPFC的网络方程为

0=VAd-U2d-I2d(R2+RL)+

I2q(X2+XL)-VSsin󰀂(10)

0=VAq-U2q-I2q(X2+XL)-

I2q(R2+RL)-VScos󰀂(11)

0=VAd-U1d-I1dR1+I1qX1(12)

0=VAq-U1q-I1dX1-I1qR1(13)

联立上面六式(8)~(13),就可以用U1d、U1q、

U2d、U2q、󰀂来表示I1d、I1q、I2d、I2q、VAd、VAq。再

考虑(1)(2)式,有46󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中󰀁国󰀁电󰀁机󰀁工󰀁程󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第20卷U1d=m1Ucsin(󰀂-󰀁1)(14)

U1q=m1Uccos(󰀂-󰀁1)(15)

U2d=m2Ucsin(󰀂-󰀁2)(16)

U2q=m2Uccos(󰀂-󰀁2)(17)

这样,我们就可以把I1d、I1q、I2d、I2q、VAd、

VAq简记为

I1d=f1(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(18)

I1q=f2(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(19)

I2d=f3(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(20)

I2q=f4(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(21)

VAd=f5(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(22)

VAq=f6(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(23)

在d、q坐标系下,由基本电路方程,我们可将线

路潮流PL、QL,发电机有功输出Pe,UPFC两侧的

不平衡有功功率Pc和节点电压幅值VA表示为

PL=I2d(VAd-U2d-RLI2d+X2I2q)+

I2q(VAq-U2q-R2I2q-X2I2d)(24)

QL=I2d(VAq-U2q-R2I2q-X2I2d)-

I2q(VAd-U2d-RLI2d+X2I2q)(25)

Pe=VAd(I1d+I2d)+VAq(I1q+I2q)(26)

Pc=I1dU1d+I1qU1q+I2dU2d+I2qU2q(27)

VA=(V2Ad+V2Aq)(28)

因此,也可以将它们简记为:

PL=f7(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(29)

QL=f8(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(30)

Pc=f9(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(31)

Pe=f10(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(32)

VA=f11(m1,m2,󰀁1,󰀁2,Uc,󰀂)(33)

4󰀁状态方程及最优控制

忽略原动机调速系统的动态过程,发电机的转

子运动方程为:

d󰀂dt=2 fN!∀(34)

d!∀dt=(PT-Pe-D !∀)/H(35)

式中󰀁PT为原动机恒定不变的机械功率;fN为额

定频率;!∀为角速度。

观察式(3~7)和(35)、(36),并将式(31)、(32)

代入,就可以形成不含中间变量的标准动态方程。我们知道,当系统处于稳态运行时,UPFC两侧有功功率平衡,不平衡有功功率Pc为零,UPFC直流侧

电容电压Uc、受控节点电压幅值VA、受控线路的

有功功率PL和无功功率QL以及发电机功角󰀂都

维持设定值Ucset、VAset、PLset、QLset、󰀂0不变,因此,

可联立求解方程(29~31)、(33),确定UPFC的调

节参数运行值(初值)m10,m20,󰀁10,󰀁20。如果在运

行点将标准动态方程进行偏差化和线性化,则可以

列出系统的状态方程式

X =A0X+B0U(36)

其中状态变量和控制变量为

X=[!󰀂,!m1,!m2,!󰀁1,!󰀁2,!Uc,!∀]T,

U=[!u󰀁1,!u󰀁2,!um1,!um2]T

合集下载

滑模控制中一类趋近律的改进

滑模控制中一类趋近律的改进

第３０卷第４期　２００７年８月　鞍山科技大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．３０　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．，２００７　

滑模控制中一类趋近律的改进　

孔祥梅，李宏光　

（北京化工大学信息科学与技术学院，北京１０００２９）　摘要：研究了滑模控制中趋近律的问题，提出了一类趋近律的改进方法。结合准滑动模态法与趋近律法，　

在改进了的具有变压缩系数的结合趋近律的基础上引入了“边界层”的概念，此控制策略在“边界层”外采用趋　

近切换控制，在“边界层”内采用线性化反馈控。实例仿真表明，改进后的趋近律法可以有效地消除抖振从而　

保证控制质量。　

关键词：滑模控制；趋近律；准滑动模态；抖振　

中图分类号：ＴＰ１３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—４４１０（２００７）０４．０４１０．０５　

滑模控制（Ｓｌｉｄｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｃｏｎｔｒｏ１）本质上是一类特殊的非线性控制，其控制策略与其他控制的最大　

不同之处在于结构的可变性，由于具有结构的不固定性，亦可称之为变结构控制。滑模具有响应速度　

快，对外部扰动和参数摄动具有不变性，离线辨识和实现简单的优点；其最大的缺点是，不管使用什么方　

法设计控制器总是会存在抖振现象。抖振现象发生在系统的状态轨迹穿越切换面时。　

在实际的工程中，造成这一现象的原因是很多：（１）滞后引起抖振。一类是时间滞后，即在切换面　

附近由于开关的时间滞后，使得控制作用对于状态的变化延长了一段时间，从而在滑模面上叠加了一个　

衰减的三角波；一类是空间滞后，开关空间上的滞后使状态空间中存在着状态变化量的一个“死区”，在　

滑模面上叠加了一个等幅波形；还有一类是由于惯性引起的，这类现象实际上是由于系统惯性使得控制　

切换滞后，造成的后果与时间滞后相同。（２）系统本身引起的抖振。离散系统的滑动模态的切换动作　

的发生不是正好在切换面上，而是在以原点为顶点的一个锥形体的表面上…。锥形体越大抖振幅度越　

最优控制在电力系统中的应用研究

最优控制在电力系统中的应用研究

最优控制在电力系统中的应用研究

一、前言

电力系统在当前社会中是很重要的基础设施之一。现代电力系统结构日益复杂，传统的发电方式不再能够满足人们的需求，因此如何对电力系统进行最优控制，实现更为高效的电力稳定供应，成为了当前电力工业界关注的重点研究领域。在本文中，我们将探讨最优控制在电力系统中的应用研究。

二、最优控制的概述

最优控制是控制理论研究的重要分支之一，其研究对象是如何设计最优控制方式，使得控制系统在满足约束条件的情况下，实现最优性能指标。最优控制在电力系统中可以通过建立数学模型，对电力系统进行全面的控制，从整体上提高电力系统的效率，使其符合需求和可持续发展。

三、最优控制在电力系统中的应用

1.发电单元控制

在电力系统中，发电单元制成环节中的一个非常重要的部分。作为一个复杂的控制系统，现代电力发电单元需要通过使用最优控制技术，对发电机功率进行有效的调节和管理。通过建立发电机的状态和运行模型，最优控制可以调节并控制发电机的输出功率，使其能够更好地适应瞬时负荷变动。 2.输电线路控制

输电线路控制是电力系统中另外一个重要的控制环节。通过使用最优控制技术，可以使输电线路的能耗特性得到更好的管理和控制。为了实现最优输电线路控制，需要建立准确的输电线路状态模型，分析输电线路的电力负荷，以及在交换上有限的电力相应降低电力损耗。

3.电能质量控制

电能质量控制是电力系统中另外一个关键的控制环节。在电力输送和分配过程中，会受到各种干扰，这些干扰会影响电力品质，导致电力系统不稳定，产生不良影响。在这种情况下，最优控制技术可以通过建立复杂的电能质量模型，识别并去除电力系统中干扰因素，确保电力输入设备的正常运行。

四、最优控制的发展和趋势

最优控制技术是当前电力系统发展的重要方向之一，因此在未来几年，其在电力系统中的应用和发展趋势会越来越明显。未来，最优控制技术将会更加聚焦于建立更为准确的电力系统数学模型，提高电力系统控制的整体性能，同时也将会结合物联网、大数据、人工智能等先进技术，进一步提升电力工业的自动化程度，实现电力系统的数字化转型。在电力系统控制的未来，最优控制技术将会扮演着更为重要的角色。 五、结论

一种电网解列、并列与联络线潮流综合控制方法

一种电网解列、并列与联络线潮流综合控制方法

电气传动2020年第50卷第8期

AnIntegratedControlMethodofSplitting，ParallelingandTie-linePowerFlowLIUJiajun，WANGKun，TANYalan，YANGSong，RENJuan（InstituteofWaterResourcesandHydro-electricEngineering，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，Shaanxi，China）

Abstract:Inordertoimprovetheself-healingabilityofthesmartgrid，aintegratedcontrolmethodwhichisofpowergridsplitting，parallelingandtie-linepowerflowcontrolwasproposed.TheflexibleACtransmission（FACTS）binedwiththeout-of-stepsplittingcriterionandthecontroltheoryofunifiedpowerflowcontroller（UPFC），theinteractionmechanismofgriddisconnection，parallelingandtie-linepowerflowcontrolwasanalyzed.Theconversioncircuitamongthethreeoperatingmodeswasresearchedinmoredepthtoachievethemutualconversionofdifferentoperatingstates，thestabilityandthecapabilitiesofthegridwererecovered，andtheautomationlevelofsystemwasimproved.Finally，thesystemmodelwassimulatedinPSCAD/EMTDCandtheresultsverifyitsfeasibility.Keywords:out-of-stepseparation；systemparalleling；tie-linepowerflowcontrol；controlstrategy；self-healingsystemofpowergrid一种电网解列、并列与联络线潮流综合控制方法

UPFC的工作原理和建模

UPFC的工作原理和建模

1 UPFC的工作原理和建模

1.1 UPFC的基本结构 统一潮流控制器（UPFC）是目前最复杂，功能最强大的FACTS设备。它可以综合调节电力系统的运行状态，可实现对节点电压的控制和调节。典型的UPFC的基本结构如图1所示。

图1 典型UPFC的结构图

Figure 1 Structure of UPFC

1.2 UPFC的功率注入模型

UPFC在结构上当于STATCOM和SSSC的组合，两个电压源换流器共用一个直流电源，使STATCOM和SSSC产生耦合。在UPFC的等效电源模型中，UPFC串联侧可以等效为理想电压源seU,控制有功功率和无功功率；并联侧可以等效成理想电流源seI。并联电流源seI由有功分量tI和无功分量qI构成，串联电压源由有功分量see和sef表示。本文不计UPFC内部的损耗，即UPFC不发出也不吸收有功功率，所以并不存在有功功率的交换。

UPFC的等效注入功率模型如图2所示。

1U2U11'j'PQ22'j'PQ11j'Qcbj2cbj21212jGB1212jPQ图2 UPFC功率注入模型

Figure 2 UPFC power injection model

模型计算公式为： 22+2/2+ssrrsersesrrsersesrcssessesrsesePgeeffbfeefgbeeffgef22/2+ssrssessesrcssesseqssQgfeefbbeeffIef serserijsersersrrfeefbffeegP rsrrsersesrrserseQgeffebeeff

其中，SP，rP分别为UPFC注入其所在线路两侧节点S，R的有功功率；sQ，rQ分别为UPFC注入其所在线路两侧节点S，R的无功功率；,,,srsreeff分别为相应节点电压的实部和虚部；,seseef分别为串联侧电压源的实部和虚部；qI为并联侧电压源的无功分量；1U2UshTseT换流器1换流器2RX1212VsesejPQshshjPQ22jPQRULI旁路开关并联换流器控制串联换流器控制线路最优控制电力系统运行状态工作方式选择dcUdcU1UshishirefUrefIrefUrefPrefQ移相阻抗dcU1U2ULI,,srsrcgbb分别为UPFC所在线路的电导，电纳，和对地电纳。