引言

近年來,我國特高壓交流輸電系統(tǒng)發(fā)展迅猛,因為我國的資源分布與經(jīng)濟發(fā)展呈現(xiàn)逆向,形成了西電東送、南電北送的局面。長距離、大容量的輸電線路需要很多設(shè)備,同時要考慮電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性,并且特高壓輸電是一類非常重要、危險性也很高的工程,因而保障它的安全穩(wěn)定運行是重中之重。新型的柔性交流輸電系統(tǒng)（簡稱FACTs）對于調(diào)節(jié)特高壓輸電電壓、頻率等有很好的穩(wěn)定作用,對整個特高壓輸電工程的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用。統(tǒng)一潮流控制器（unifiedpowerflowcontroller,簡稱UPFC）由于其自身功能非常強大,在FACTs中應(yīng)用性能極為優(yōu)異。

1統(tǒng)一潮流控制器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1UPFC的結(jié)構(gòu)特點

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的概念最初是由美國西屋科技中心的L.Gyugyi博士提出來的,該裝置一經(jīng)問世,便迅速吸引了眾多科學(xué)家及特高壓輸電工程專家的注意。UPFC第一次應(yīng)用到工程上是在1988年的美國,其在138kV的高壓輸電線路上成功投運,直到現(xiàn)在運行狀況依然良好,這足以說明UPFC裝置的優(yōu)越性。統(tǒng)一潮流控制器不僅可以實現(xiàn)潮流調(diào)節(jié),合理控制有功及無功功率的流動方向,提高線路的輸送容量,實現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化運行,極大地提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,還能通過快速無功電能吞吐,動態(tài)支撐接入點的端電壓幅值,提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性,若控制得當(dāng),還能改善電力系統(tǒng)的阻尼,提升功角穩(wěn)定性。

統(tǒng)一潮流控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2UPFC的工作原理

UPFC裝置可以看成是由STATCOM裝置和SSSC裝置的直流側(cè)并聯(lián)而成的。基于變流器的并聯(lián)補償器,如STATCOM裝置,可以有效地產(chǎn)生無功電流,補償系統(tǒng)無功功率,維持節(jié)點的電壓,但是對線路的電壓補償能力較弱:而基于變流器的串聯(lián)補償裝置,如SSSC裝置,它可以有效地補償輸電線路的電壓,控制線路的潮流,但是對無功電流的補償能力不強。

UPFC的主要功能是由換流器2實現(xiàn)的,換流器2通過控制串聯(lián)在輸電線路中變壓器的電網(wǎng)側(cè)電壓幅值和相位,在輸電線路裝置接入點位置為電網(wǎng)提供了幅值和相位均可控的電壓,因此可被視為一個同步交流電壓源。輸電線路中的電流流經(jīng)這一電壓源后,將實現(xiàn)有功以及無功功率在電壓源和輸電線路之間的交換。裝置與輸電線路交換的無功需求由變流器通過自身的控制策略滿足,而有功功率的需求則需要轉(zhuǎn)化為直流功率形式,通過與直流側(cè)大電容的能量交換而被滿足,也就是說直流側(cè)大電容是這一串聯(lián)電壓源的有功功率儲存裝置。因此,換流器2可通過與輸電線路中串聯(lián)的變壓器進(jìn)行能量交換,實現(xiàn)輸電線路有功功率和無功功率的獨立快速控制。

2UPFC的控制策略

UPFC的控制系統(tǒng)從低到高可分為器件級、裝置級以及系統(tǒng)級三個層級。系統(tǒng)級的控制處于最高層的位置,它的主要作用是根據(jù)在線監(jiān)測到的信息以及系統(tǒng)的特殊目的,通過實時監(jiān)測系統(tǒng)的在線運行狀態(tài),特別是一些不穩(wěn)定的狀態(tài),排除不良的控制模式。系統(tǒng)級控制需要如電網(wǎng)頻率、發(fā)電機功角、電壓等系統(tǒng)信號,這些信號是通過同步相量測控技術(shù)來獲得的。裝置級的控制處在中間層級,通過產(chǎn)生脈寬調(diào)制觸發(fā)信號,統(tǒng)一控制所有UPFC內(nèi)部電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷,并監(jiān)控所有器件的運行狀態(tài)。器件級的控制主要功能包括根據(jù)脈沖信號實現(xiàn)電力電子設(shè)備的開通和關(guān)斷控制以及器件過流、過壓和過溫保護(hù)。

2.1傳統(tǒng)線性控制

之前有美國學(xué)者計算實現(xiàn)了非線性數(shù)學(xué)模型的近似線性化,首次提出了基于dq變換的STATCOM線性比例積分控制策略。20世紀(jì)90年代,國外研究學(xué)者在此基礎(chǔ)上相繼提出了四種UPFC的線性控制策略:簡單PI控制、交叉解耦控制、交叉耦合控制和魯棒控制。此外,我國的學(xué)者也在傳統(tǒng)線性控制的研究方面作出了卓越的貢獻(xiàn),國內(nèi)最早關(guān)于UPFC線性控制的文獻(xiàn)是建立了UPFC的動態(tài)模型并設(shè)計了PI控制器。

2.2線性控制方法的改進(jìn)

柔性交流輸電裝置及其電力系統(tǒng)本身平衡點處的近似線性化模型只有在非線性系統(tǒng)實際運行點接近原平衡點時才比較準(zhǔn)確,而當(dāng)非線性系統(tǒng)在非平衡點位置將無法實現(xiàn)正確有效的潮流控制功能。

為克服線性控制策略的這一缺點,相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者改進(jìn)了帶有能量緩沖器的UPFC裝置,采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略實現(xiàn)對UPFC裝置和緩沖器的控制,該控制算法采用遺傳算法實現(xiàn)對隸屬函數(shù)參數(shù)的確定,在解模糊過程中采用最小二乘法,因此該控制策略結(jié)合了模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)點,使UPFC裝置的控制更加靈活、快速,并且具有極強的魯棒性。

2.3非線性控制

2.3.1最優(yōu)化非線性控制

由于UPFC裝置及其所處的電力系統(tǒng)實質(zhì)上都是非線性系統(tǒng),而在非線性系統(tǒng)的運行點出現(xiàn)大范圍變化的情況下,近似線性化的控制方法根本無法保證控制性能。因此,在UPFC裝置控制策略中引入非線性控制理論來解決近似線性控制方法帶來的問題。最近一段時間,微分幾何理論的引入使得非線性控制理論實現(xiàn)了突破性的飛躍式進(jìn)展,并在此基礎(chǔ)上逐漸形成了一套新的非線性最優(yōu)控制理論體系。該控制理論體系中主要包含了非線性系統(tǒng)的能控性、能觀性及各種控制器設(shè)計方法,尤其是其中的非線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋精確線性化理論發(fā)展迅速并且實現(xiàn)了工程化應(yīng)用[6]。

2.3.2非線性魯棒控制

基于微分幾何理論的非線性最優(yōu)控制策略主要是以受控非線性系統(tǒng)的精確模型為基礎(chǔ)的,并沒有考慮如何盡可能降低干擾對控制系統(tǒng)的影響。然而事實上,基本任何系統(tǒng)在實際運行過程中都會受到各種各樣因素的干擾和影響,例如數(shù)學(xué)建模上的誤差、控制器中的測量誤差以及其他各種外部擾動因素等,因此,可以結(jié)合現(xiàn)有的傳統(tǒng)線性魯棒控制理論進(jìn)行相關(guān)控制器的設(shè)計工作。

2.3.3隨機控制

電力系統(tǒng)在實際運行過程中可能遭受到的擾動往往都帶有很強的隨機性,如風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電出力的變化情況、需求側(cè)負(fù)荷的變化情況、輸電線路的投切情況以及電力設(shè)備參數(shù)的變化等等。因此,電力系統(tǒng)所采用的傳統(tǒng)的確定性控制方法實際上往往具有一定的缺陷,根本無法計及各種隨機性的擾動因素。如果用傳統(tǒng)的確定性方法對電力控制系統(tǒng)運行中有可能性受到的每一種隨機性擾動因素進(jìn)行判斷和控制設(shè)計的話,實際工作量將會異常龐大,基本不存在實現(xiàn)的可能性。一種有效的針對性解決方案是在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)確定性模型中直接添加表征隨機擾動因素的隨機變量。該解決方案采用隨機微分方程對控制的對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,然后運用隨機動力學(xué)的基本原理內(nèi)容進(jìn)行控制器最優(yōu)設(shè)計。

3UPFC的應(yīng)用分析

3.1UPFC在電力系統(tǒng)中的作用

UPFC作為最新一代的FACTs裝置,由于能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)中潮流的快速和精確控制,同時又能夠提供動態(tài)端電壓支撐,可以有效提高系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。此外,UPFC裝置可以安裝在已有的輸電線路上,不存在新建輸電走廊的壓力,成為了解決目前電網(wǎng)快速發(fā)展過程中面臨的主要問題的一種有力的技術(shù)手段。

3.2UPFC的可靠性能

UPFC裝置實現(xiàn)了電網(wǎng)中潮流從自然分布狀態(tài)到智能型靈活控制的轉(zhuǎn)換,大幅度均衡了潮流,在各種不同的負(fù)荷水平下有效避免了南、北輸電通道的線路和斷面越限,緩解了運行控制、運維檢修等工作的壓力,通過斷面監(jiān)視、提前防御、聯(lián)合控制等措施,極大地保障了電網(wǎng)的供電安全,避免了因供電能力不足被迫采取的拉閘限電所帶來的經(jīng)濟損失。

4結(jié)語

本文主要介紹了UPFC的工作原理、控制方法以及一些應(yīng)用場景。作為柔性交流輸電系統(tǒng)中最重要的裝置,UPFC相比之前已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍,特別是在我國大力推廣特高壓輸電的情況下,UPFC的發(fā)展將得到進(jìn)一步的推動。