一種upfc交互影響強弱隨工況變化的評定方法
【專利摘要】本發明公開了一種UPFC交互影響強弱隨工況變化的評定方法，基于電力系統線性化模型得到系統頻域傳遞函數，進而得到相對增益矩陣(RGA)，通過比較分析相應RGA矩陣元素而得出最終結論。本發明的UPFC交互影響評定算法，通過對UPFC安裝線路上由UPFC調節的輸送有功和無功水平，以及安裝母線上由UPFC控制達到的電壓水平這三種工況下對UPFC各控制回路間的交互影響強弱進行量化分析，為避免由UPFC控制器交互影響而導致的系統不穩定提供了合理的參考依據。
【專利說明】
-種UPFC交互影響強弱隨工況變化的評定方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種UPFC交互影響強弱隨工況變化的評定方法，屬于控制技術。
【背景技術】
[0002] 統一潮流控制器(Unified化wer Flow Controller,UPFC)是功能最為強大、最為 全面的靈活交流輸電系統裝置，可W實現調節安裝線路上的有功潮流，無功潮流和線路交 流電壓的功能。其并聯電壓源逆變器和串聯電壓源逆變器的四個調制信號分別為幅值調制 比率郵，me和相位角Se，Sb，運就意味著含UPFC的電力系統是一個典型的4輸入4輸出系統，其 控制功能可由圖1所示。而根據控制理論可知，多輸入多輸出系統(MIMO)的各個控制回路之 間存在著交互影響，即各回路單獨設計整定不能消除UPFC交互影響對系統穩定性的影響， 運意味著UPFC控制器交互影響將直接關系到UPFC的控制性能，運使得研究UPFC控制器交互 影響的評定方法具有重要意義。
[0003] 通過預先設定UPFC所控制的參考值即可設定或改變UPFC安裝點的有功何無功分 布，W及電壓水平。因此，UPFC控制運行點即為:UPFC安裝線路上由其控制的有功功率、無功 功率和電壓水平。UPFC有功潮流、無功潮流和電壓控制的控制參考值時-ref、QB-ref和VE-ref決 定了 UPFC穩定運行點，改變運3個值即改變了系統的問題潮流，進而影響系統的穩定性。
[0004] 相對增益矩陣(RGA)是一種被廣泛使用的分析多變量控制系統交互影響的工具， 其可W提供不同控制回路交互影響強弱的定量信息，因此可W利用RGA原理分析不同工況 下UPFC自身多個控制器之間的交互影響強弱。

【發明內容】

[0005] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種UPFC交互影響強弱 隨工況變化的評定方法，依據全系統線性化模型，應用其傳遞函數由相對增益矩陣(RGA)算 法進行UPFC控制器交互影響的量化分析。
[0006] 技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0007] -種UPFC交互影響強弱隨工況變化的評定方法，依據含UPFC控制器的全系統線性 化模型，利用相對增益矩陣理論分別計算不同工況下各UPFC控制回路的相對增益矩陣RGA， 比較相對增益矩陣RGA中相應元素大小，進而評定各UPFC控制回路的交互影響強弱，具體包 括步驟如下：
[0008] (1)收集系統中發電機與勵磁系數數據、輸電線路數據W及UPFC數據，并分別計算 不同工況下各UPFC控制回路的變量穩態值，變量包括有功潮流Pet、無功潮流化t和并聯側換 流器的輸出電壓化；
[0009] (2)根據步驟(1)收集的數據計算含UPFC控制器的全系統線性化模型：
[0010]
[00川式中：義是 X 的一階導數，X=[X1X2X3X4X 日]t=[A5 Ao AEq AEfd AVdc]t 為 系統狀態變量矩陣，A 5、A ?、AEq、AEfd和A Vdc分別為線性化后的發電機功角、發電機轉 速、發電機交軸電動勢、發電機勵磁電動勢和直流電容電壓;Y=[yi y2 y3 y4]T=[AV3 A Vdc A Q A Pf為系統輸出變量矩陣，A V3、A Vdc、A Q和A P分別為線性化后的UPFC安裝母線 處電壓、直流電容電壓、有功潮流和無功潮流;U=[山U2U3U4]T=[AmEASEAmBASB]T 為系統控制變量矩陣，A me、A Se、A HiB和A Sb分別為線性化后的UPFC并聯電壓源逆變器的 幅值調制比率、并聯電壓源逆變器的相位角、串聯電壓源逆變器的幅值調制比率和串聯電 壓源逆變器的相位角;A、B、C和D為系數矩陣；
[0012] (3)計算不同工況下系統穩態時的傳遞函數：
[0013] G(s)=Y(s)/U(s) = [C(sI-A)-1b+D]，s = 0
[0014] 其中：S為頻域自變量，I為單位矩陣；
[001引（4)計算不同工況下各UPFC控制回路的相對增益矩陣RGA:
[001引其中：1 = 1，2,3,40 = 1，2,3,4，奠表示兩個矩陣的對應元素相乘;人^表示由第占'個 控制變量Uj和第i個輸出變量yi構成的UPFC控制回路Uj 一 yi ,Ui = const表示Ui為常數，yi =const表示yi為常數；(卸,./ Cu, 表示UPFC控制回路Uj一yi在其他UPFC控制回路均開環
[0016]
[0017] 時的增益，(卸,/3m, 表示UPFC控制回路Uj一yi在其他UPFC控制回路均閉環時的增益；
[0019] (5)比較相對增益矩陣RGA中相應元素Au大小，進而評定各條UPFC控制回路的交互 影響強弱，、j越接近1，表明UPFC控制回路受其他UPFC控制回路的影響越弱。
[0020] 優選的，所述步驟(5)中，具體評定方法為：
[0021 ] (1)若0.8<、j < 1.2，則評定UPFC控制回路Uj一yi穩定，不受其他UPFC控制回路影 響；當Aij = 1時，則評定UPFC控制回路為獨立的單變量系統；
[0022] (2)若^<0或、j> 1.5，則評定UPFC控制回路不穩定且會導致系統不穩定；
[002；3] (3)若Aij = O，則評定UPFC控制回路Uj一yi不穩定;Aij越接近0，則表明UPFC控制回 路Uj^yi受其他UPFC控制回路影響越大。
[0024] 有益效果：本發明提供的UPFC交互影響強弱隨工況變化的評定方法，對于裝有 UPFC的電力系統，能夠量化分析UPFC各控制回路之間交互影響的強弱，從而為避免交互影 響而產生的系統不穩定提供參考依據。
【附圖說明】
[0025] 圖1為有四個PI控制器的多變量UPFC控制示意圖；
[0026] 圖2為UPFC控制器調制通道選擇示意圖；
[0027] 圖3為裝有UPFC的四機二區域電力系統結構圖；
[0028] 圖4為穩態時含UPFC系統仿真圖；
[0029] 圖5-1和圖5-2為有功潮流扣t變化時的階躍響應仿真圖；
[0030] 圖6-1和圖6-2為無功潮流化t變化時的階躍響應仿真圖；
[0031] 圖7-1和圖7-2為并聯側換流器接入母線處的調節電壓VEt變化時的階躍響應仿真 圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0033] 附圖3所示為簡單四機二區域電力系統，UPFC安裝在母線B12與B13之間，選取HiB為 調節線路無功功率的控制信號，HiE為調節線路有功功率的控制信號，Sb為交流母線電壓控制 信號，Se為電容直流電壓調節器控制信號，W下將通過圖3系統說明本發明提出的UPFC交互 影響評定算法的具體實施過程。四機二區域電力系統的參數(均為標么值)如下：
[0034] 穩態時，發電機1~4的輸出功率均為0.9;母線7和9的負荷為0.967和1.767;發電 機、輸電線路詳細參數分別見表1和表2; UPFC的參數為:直流電容Cd。= 1.0，直流電容初始電 壓VdcO = 1.0，并聯側接入電抗姑=0.02，串聯側接入電抗Xb = 0.005。
[00對 Tj為轉子慣性常數，Xd為巧由繞組電抗，Xq為q軸繞組電抗，X'd為d軸繞組暫態電抗， T^dO為勵磁繞組時間常數，D為阻尼系數，Ka為自動電壓調節器增益，Ta為自動電壓調節器時 間常數。
[0036]表1四機兩區系統的發電機參數(P.U.) r〇037l
[0040]
[OOW 當UPFC的有功潮流扣t = 2.3、無功潮流跑t = 0.2、調節電壓VEt = 1.0 時，由計算公式 可得此時四機兩區域控制系統的相對增益矩陣為：
[0042]
[0043] 分析上式 RGA 計算結果可知，Ai2 = 2.0780，A21 = 0.9821，A34 = 2.8461，A43 = 2.1904 數值較接近于1，表明UPFC控制通道中，A V3一 A Se, A Vdc一 AmE, AQ一 A如，A P一 A Se控制 對之間的交互影響較小。
[0044] 設定UPFC的有功潮流扣t在Is時突增5%，而無功潮流化t和調節電壓VEt均維持其穩 態值不變(本文均為此類階躍類型），此時對系統進行仿真，結果如圖4所示。由仿真結果可 知，Is后UPFC有功參考值突增1.05%時，各控制器均發生作用，驗證了控制器之間交互影響 的存在。
[0045] W下分析不同工況變化時，UPFC交互影響的強弱
[0046] (I)UPFC的無功潮流化t和調節電壓VEt均維持不便，調整有功潮流扣t，計算G(O)和 RGA，結果如表3所示。
[0047] 表3UPFC調節有功變化時，RGA的計算結果
[004引
[0049] 通過比較在不同有功潮流扣t運行工況下的RGA元素發現:在一定調節范圍內，隨著 UPFC調節線路有功潮流扣t的增加，RGA矩陣對角元素、i的值越接近于0,表明UPFC控制器四 個控制通道之間的交互影響程度隨之增強。
[0050] (2)UPFC的有功潮流扣t和調節電壓VEt均維持不便，調整無功潮流化t，計算G(O)和 RGA，結果如表4所示。
[0051 ] 表4UPFC調節無功變化時，RGA的計算結果
[0化2]
[0053] 無功潮流化t運行點的值朝負的方向減小，從物理上解釋就是UPFC控制的無功潮流 化t朝相反方向增加了無功功率的輸送。因此分析上面的計算結果可W發現:在一定調節范 圍內，隨著UPFC調節線路無功潮流化t的增加，RGA矩陣對角元素 Aii的值越接近于0,表明 UPFC控制器四個控制通道之間的交互影響程度也隨之增強。
[0054] (3)UPFC的有功潮流扣t和無功潮流化t均維持不便，調整調節電壓化t，計算G(O)和 RGA,結果如表5所不。
[0055] 表抓PFC調節電壓變化時，RGA的計算結果
[0化6]
[0057] 通過比較在不同整調節電壓Vh運行工況下的RGA元素發現:在一定調節范圍內，隨 著UPFC調節線路調節電壓Vh的增加，RGA矩陣對角元素、i的值越遠離于0,表明UPFC控制器 四個控制通道之間的交互影響的程度隨之減弱。
[0化引（4)為了驗證評定結果，W下分別在不同有功潮流PEt、無功潮流化t和調節電壓VEt 的情況下對系統進行仿真。其結果分別如圖5、圖6和圖7所示。
[0059] 圖5-1和5-2是其它工況不變而調節有功潮流扣t分別為2.2和2.4的仿真圖，通過圖 像可W看到，隨著扣t的值為2.2、2.3、2.4時，波形圖的振蕩幅度變大了，即交互影響變大了。
[0060] 圖6-巧日6-2是其它工況不變而調節無功潮流化t分別為-0.15和-0.25的仿真圖，通 過圖像可W看到，隨著化t的值為-0.15、-0.2、-0.化時，波形圖的振蕩幅度變大了，即交互影 響變大了。
[0061 ]圖7-1和7-2是其它工況不變而調節調節電壓V化分別為0.995和1.05的仿真圖，通 過圖像可W看到，隨著VEt的值為0.995、1.00、1.05時，波形圖的振蕩幅度變小了，即交互影 響變弱了。
[0062] =種工況下的仿真結果均驗證了RGA計算結果的正確性，進一步說明了通過RGA算 法評定統一潮流控制器(UPFC)交互影響強弱的可行性。
[0063] W上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種UPFC交互影響強弱隨工況變化的評定方法，其特征在于：依據含UPFC控制器的 全系統線性化模型，利用相對增益矩陣理論分別計算不同工況下各UPFC控制回路的相對增 益矩陣RGA，比較相對增益矩陣RGA中相應元素大小，進而評定各UPFC控制回路的交互影響 強弱，具體包括步驟如下： (1) 收集系統中發電機與勵磁系數數據、輸電線路數據以及UPFC數據，并分別計算不同 工況下各UPFC控制回路的變量穩態值，變量包括有功潮流P Et、無功潮流QEt和并聯側換流器 的輸出電壓Ve; (2) 根據步驟(1)收集的數據計算含UPFC控制器的全系統線性化模型：式中：X 是X 的一階導數，Χ=[χι X2 X3 Χ4 Χ5]Τ=[Δδ Δω AEq AEfd AVDC]T 為系統 狀態變量矩陣，A δ、Δ ω、AEq、ΔΕμ和Δ VDC*別為線性化后的發電機功角、發電機轉速、發 電機交軸電動勢、發電機勵磁電動勢和直流電容電壓;Y=[yi y2 y3 y4]T=[AV3 AVdc AQ A P]%系統輸出變量矩陣，△ V3、Δ VDC、Δ Q和△ P分別為線性化后的UPFC安裝母線處電壓、 直流電容電壓、有功潮流和無功潮流;U=[U1 U2 U3 U4]T=[AmE ΔδΕ Δπιβ ΔδΒ]τ為系統 控制變量矩陣，A mE、△ δΕ、△ mB和Δ δΒ分別為線性化后的UPFC并聯電壓源逆變器的幅值調 制比率、并聯電壓源逆變器的相位角、串聯電壓源逆變器的幅值調制比率和串聯電壓源逆 變器的相位角;A、B、C和D為系數矩陣； (3) 計算不同工況下系統穩態時的傳遞函數： G(s)=Y(s)/U(s) = [C(sI-A)_1B+D],s = 0 其中：s為頻域自變量，I為單位矩陣； (4) 計算不同工況下各UPFC控制回路的相對增益矩陣RGA:其中：1 = 1，2,3,4，」=1，2,3,4，發表示兩個矩陣的對應元素相乘必^表示由第」個控制 變量Uj和第i個輸出變量yi構成的UPFC控制回路Uj-yi，Ui = const表示m為常數，yi = const 表示yi為常數表示UPFC控制回路u^yi在其他UPFC控制回路均開環時的增 益，（永,〇v =_.表示UPFC控制回路Uj-yi在其他UPFC控制回路均閉環時的增益； (5) 比較相對增益矩陣RGA中相應元素大小，進而評定各條UPFC控制回路的交互影響 強弱，越接近1，表明UPFC控制回路Uj-yi受其他UPFC控制回路的影響越弱。2. 根據權利要求1所述的UPFC交互影響強弱隨工況變化的評定方法，其特征在于:所述 步驟(5)中，具體評定方法為： (1) 若0.8< Aij< 1.2，則評定UPFC控制回路Uj-yi穩定，不受其他UPFC控制回路影響；當 Xij = 1時，則評定UPFC控制回路Uj-yi為獨立的單變量系統； (2) 若λυ <〇或λυ > 1.5，則評定UPFC控制回路Uj-yi不穩定且會導致系統不穩定； (3) 若λ!」=〇，則評定UPFC控制回路Uj-yi不穩定;λ!」越接近〇，則表明UPFC控制回路Uj- yi受其他UPFC控制回路影響越大。
【文檔編號】H02J3/06GK105826919SQ201610158813
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月18日
【發明人】陳中, 李海峰, 王相鋒, 周濤, 任必興
【申請人】江蘇省電力公司, 東南大學, 華北電力大學