500kVUPFC运行控制及应用分析

引言

近年来,我国特高压交流输电系统发展迅猛,因为我国的资源分布与经济发展呈现逆向,形成了西电东送、南电北送的局面。长距离、大容量的输电线路需要很多设备,同时要考虑电力系统的动态稳定性,并且特高压输电是一类非常重要、危险性也很高的工程,因而保障它的安全稳定运行是重中之重。新型的柔性交流输电系统（简称FACTs）对于调节特高压输电电压、频率等有很好的稳定作用,对整个特高压输电工程的发展有很大的促进作用。统一潮流控制器（unifiedpowerflowcontroller,简称UPFC）由于其自身功能非常强大,在FACTs中应用性能极为优异。

1统一潮流控制器的结构及工作原理

1.1UPFC的结构特点

统一潮流控制器（UPFC）的概念最初是由美国西屋科技中心的L.Gyugyi博士提出来的,该装置一经问世,便迅速吸引了众多科学家及特高压输电工程专家的注意。UPFC第一次应用到工程上是在1988年的美国,其在138kV的高压输电线路上成功投运,直到现在运行状况依然良好,这足以说明UPFC装置的优越性。统一潮流控制器不仅可以实现潮流调节,合理控制有功及无功功率的流动方向,提高线路的输送容量,实现电力系统的优化运行,极大地提高电力系统运行的稳定性,还能通过快速无功电能吞吐,动态支撑接入点的端电压幅值,提高电力系统的电压稳定性,若控制得当,还能改善电力系统的阻尼,提升功角稳定性。

统一潮流控制器的结构如图1所示。

1.2UPFC的工作原理

UPFC装置可以看成是由STATCOM装置和SSSC装置的直流侧并联而成的。基于变流器的并联补偿器,如STATCOM装置,可以有效地产生无功电流,补偿系统无功功率,维持节点的电压,但是对线路的电压补偿能力较弱:而基于变流器的串联补偿装置,如SSSC装置,它可以有效地补偿输电线路的电压,控制线路的潮流,但是对无功电流的补偿能力不强。

UPFC的主要功能是由换流器2实现的,换流器2通过控制串联在输电线路中变压器的电网侧电压幅值和相位,在输电线路装置接入点位置为电网提供了幅值和相位均可控的电压,因此可被视为一个同步交流电压源。输电线路中的电流流经这一电压源后,将实现有功以及无功功率在电压源和输电线路之间的交换。装置与输电线路交换的无功需求由变流器通过自身的控制策略满足,而有功功率的需求则需要转化为直流功率形式,通过与直流侧大电容的能量交换而被满足,也就是说直流侧大电容是这一串联电压源的有功功率储存装置。因此,换流器2可通过与输电线路中串联的变压器进行能量交换,实现输电线路有功功率和无功功率的独立快速控制。

2UPFC的控制策略

UPFC的控制系统从低到高可分为器件级、装置级以及系统级三个层级。系统级的控制处于最高层的位置,它的主要作用是根据在线监测到的信息以及系统的特殊目的,通过实时监测系统的在线运行状态,特别是一些不稳定的状态,排除不良的控制模式。系统级控制需要如电网频率、发电机功角、电压等系统信号,这些信号是通过同步相量测控技术来获得的。装置级的控制处在中间层级,通过产生脉宽调制触发信号,统一控制所有UPFC内部电力电子器件的导通和关断,并监控所有器件的运行状态。器件级的控制主要功能包括根据脉冲信号实现电力电子设备的开通和关断控制以及器件过流、过压和过温保护。

2.1传统线性控制

之前有美国学者计算实现了非线性数学模型的近似线性化,首次提出了基于dq变换的STATCOM线性比例积分控制策略。20世纪90年代,国外研究学者在此基础上相继提出了四种UPFC的线性控制策略:简单PI控制、交叉解耦控制、交叉耦合控制和鲁棒控制。此外,我国的学者也在传统线性控制的研究方面作出了卓越的贡献,国内最早关于UPFC线性控制的文献是建立了UPFC的动态模型并设计了PI控制器。

2.2线性控制方法的改进

柔性交流输电装置及其电力系统本身平衡点处的近似线性化模型只有在非线性系统实际运行点接近原平衡点时才比较准确,而当非线性系统在非平衡点位置将无法实现正确有效的潮流控制功能。

为克服线性控制策略的这一缺点,相关领域的学者改进了带有能量缓冲器的UPFC装置,采用模糊神经网络控制策略实现对UPFC装置和缓冲器的控制,该控制算法采用遗传算法实现对隶属函数参数的确定,在解模糊过程中采用最小二乘法,因此该控制策略结合了模糊控制与神经网络各自的优点,使UPFC装置的控制更加灵活、快速,并且具有极强的鲁棒性。

2.3非线性控制

2.3.1最优化非线性控制

由于UPFC装置及其所处的电力系统实质上都是非线性系统,而在非线性系统的运行点出现大范围变化的情况下,近似线性化的控制方法根本无法保证控制性能。因此,在UPFC装置控制策略中引入非线性控制理论来解决近似线性控制方法带来的问题。最近一段时间,微分几何理论的引入使得非线性控制理论实现了突破性的飞跃式进展,并在此基础上逐渐形成了一套新的非线性最优控制理论体系。该控制理论体系中主要包含了非线性系统的能控性、能观性及各种控制器设计方法,尤其是其中的非线性系统的状态反馈精确线性化理论发展迅速并且实现了工程化应用[6]。

2.3.2非线性鲁棒控制

基于微分几何理论的非线性最优控制策略主要是以受控非线性系统的精确模型为基础的,并没有考虑如何尽可能降低干扰对控制系统的影响。然而事实上,基本任何系统在实际运行过程中都会受到各种各样因素的干扰和影响,例如数学建模上的误差、控制器中的测量误差以及其他各种外部扰动因素等,因此,可以结合现有的传统线性鲁棒控制理论进行相关控制器的设计工作。

2.3.3随机控制

电力系统在实际运行过程中可能遭受到的扰动往往都带有很强的随机性,如风电、光伏等新能源发电出力的变化情况、需求侧负荷的变化情况、输电线路的投切情况以及电力设备参数的变化等等。因此,电力系统所采用的传统的确定性控制方法实际上往往具有一定的缺陷,根本无法计及各种随机性的扰动因素。如果用传统的确定性方法对电力控制系统运行中有可能性受到的每一种随机性扰动因素进行判断和控制设计的话,实际工作量将会异常庞大,基本不存在实现的可能性。一种有效的针对性解决方案是在现有的电力系统确定性模型中直接添加表征随机扰动因素的随机变量。该解决方案采用随机微分方程对控制的对象进行数学建模,然后运用随机动力学的基本原理内容进行控制器最优设计。

3UPFC的应用分析

3.1UPFC在电力系统中的作用

UPFC作为最新一代的FACTs装置,由于能够实现区域电网中潮流的快速和精确控制,同时又能够提供动态端电压支撑,可以有效提高系统电压的稳定性。此外,UPFC装置可以安装在已有的输电线路上,不存在新建输电走廊的压力,成为了解决目前电网快速发展过程中面临的主要问题的一种有力的技术手段。

3.2UPFC的可靠性能

UPFC装置实现了电网中潮流从自然分布状态到智能型灵活控制的转换,大幅度均衡了潮流,在各种不同的负荷水平下有效避免了南、北输电通道的线路和断面越限,缓解了运行控制、运维检修等工作的压力,通过断面监视、提前防御、联合控制等措施,极大地保障了电网的供电安全,避免了因供电能力不足被迫采取的拉闸限电所带来的经济损失。

4结语

本文主要介绍了UPFC的工作原理、控制方法以及一些应用场景。作为柔性交流输电系统中最重要的装置,UPFC相比之前已经有了质的飞跃,特别是在我国大力推广特高压输电的情况下,UPFC的发展将得到进一步的推动。