引言

近年來(lái),我國(guó)特高壓交流輸電系統(tǒng)發(fā)展迅猛,因?yàn)槲覈?guó)的資源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)逆向,形成了西電東送、南電北送的局面。長(zhǎng)距離、大容量的輸電線路需要很多設(shè)備,同時(shí)要考慮電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,并且特高壓輸電是一類非常重要、危險(xiǎn)性也很高的工程,因而保障它的安全穩(wěn)定運(yùn)行是重中之重。新型的柔性交流輸電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱FACTs）對(duì)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(duì)整個(gè)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(jiǎn)稱UPFC）由于其自身功能非常強(qiáng)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(diǎn)

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的概念最初是由美國(guó)西屋科技中心的L.Gyugyi博士提出來(lái)的,該裝置一經(jīng)問(wèn)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(guó),其在138kV的高壓輸電線路上成功投運(yùn),直到現(xiàn)在運(yùn)行狀況依然良好,這足以說(shuō)明UPFC裝置的優(yōu)越性。統(tǒng)一潮流控制器不僅可以實(shí)現(xiàn)潮流調(diào)節(jié),合理控制有功及無(wú)功功率的流動(dòng)方向,提高線路的輸送容量,實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行,極大地提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,還能通過(guò)快速無(wú)功電能吞吐,動(dòng)態(tài)支撐接入點(diǎn)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?；谧兞髌鞯牟⒙?lián)補(bǔ)償器,如STATCOM裝置,可以有效地產(chǎn)生無(wú)功電流,補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率,維持節(jié)點(diǎn)的電壓,但是對(duì)線路的電壓補(bǔ)償能力較弱:而基于變流器的串聯(lián)補(bǔ)償裝置,如SSSC裝置,它可以有效地補(bǔ)償輸電線路的電壓,控制線路的潮流,但是對(duì)無(wú)功電流的補(bǔ)償能力不強(qiáng)。

UPFC的主要功能是由換流器2實(shí)現(xiàn)的,換流器2通過(guò)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(diǎn)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(gè)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(shí)現(xiàn)有功以及無(wú)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(wú)功需求由變流器通過(guò)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(guò)與直流側(cè)大電容的能量交換而被滿足,也就是說(shuō)直流側(cè)大電容是這一串聯(lián)電壓源的有功功率儲(chǔ)存裝置。因此,換流器2可通過(guò)與輸電線路中串聯(lián)的變壓器進(jìn)行能量交換,實(shí)現(xiàn)輸電線路有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)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(jí)、裝置級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)三個(gè)層級(jí)。系統(tǒng)級(jí)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(cè)到的信息以及系統(tǒng)的特殊目的,通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的在線運(yùn)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(jí)控制需要如電網(wǎng)頻率、發(fā)電機(jī)功角、電壓等系統(tǒng)信號(hào),這些信號(hào)是通過(guò)同步相量測(cè)控技術(shù)來(lái)獲得的。裝置級(jí)的控制處在中間層級(jí),通過(guò)產(chǎn)生脈寬調(diào)制觸發(fā)信號(hào),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(yùn)行狀態(tài)。器件級(jí)的控制主要功能包括根據(jù)脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)電力電子設(shè)備的開(kāi)通和關(guān)斷控制以及器件過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)溫保護(hù)。

2.1傳統(tǒng)線性控制

之前有美國(guó)學(xué)者計(jì)算實(shí)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(guó)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(jiǎn)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(guó)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(guó)內(nèi)最早關(guān)于UPFC線性控制的文獻(xiàn)是建立了UPFC的動(dòng)態(tài)模型并設(shè)計(jì)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(diǎn)處的近似線性化模型只有在非線性系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)接近原平衡點(diǎn)時(shí)才比較準(zhǔn)確,而當(dāng)非線性系統(tǒng)在非平衡點(diǎn)位置將無(wú)法實(shí)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(diǎn),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(shí)現(xiàn)對(duì)UPFC裝置和緩沖器的控制,該控制算法采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)對(duì)隸屬函數(shù)參數(shù)的確定,在解模糊過(guò)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(diǎn),使UPFC裝置的控制更加靈活、快速,并且具有極強(qiáng)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(shí)質(zhì)上都是非線性系統(tǒng),而在非線性系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)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(wú)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(lái)解決近似線性控制方法帶來(lái)的問(wèn)題。最近一段時(shí)間,微分幾何理論的引入使得非線性控制理論實(shí)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(jì)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(shí)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(méi)有考慮如何盡可能降低干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響。然而事實(shí)上,基本任何系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)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(cè)量誤差以及其他各種外部擾動(dòng)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(jì)工作。

2.3.3隨機(jī)控制

電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可能遭受到的擾動(dòng)往往都帶有很強(qiáng)的隨機(jī)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(shí)際上往往具有一定的缺陷,根本無(wú)法計(jì)及各種隨機(jī)性的擾動(dòng)因素。如果用傳統(tǒng)的確定性方法對(duì)電力控制系統(tǒng)運(yùn)行中有可能性受到的每一種隨機(jī)性擾動(dòng)因素進(jìn)行判斷和控制設(shè)計(jì)的話,實(shí)際工作量將會(huì)異常龐大,基本不存在實(shí)現(xiàn)的可能性。一種有效的針對(duì)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(jī)擾動(dòng)因素的隨機(jī)變量。該解決方案采用隨機(jī)微分方程對(duì)控制的對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,然后運(yùn)用隨機(jī)動(dòng)力學(xué)的基本原理內(nèi)容進(jìn)行控制器最優(yōu)設(shè)計(jì)。

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(shí)又能夠提供動(dòng)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(guò)程中面臨的主要問(wèn)題的一種有力的技術(shù)手段。

3.2UPFC的可靠性能

UPFC裝置實(shí)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(yùn)行控制、運(yùn)維檢修等工作的壓力,通過(guò)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(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

4結(jié)語(yǔ)

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(chǎng)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(guó)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(dòng)。