一种upfc交互影响强弱随工况变化的评定方法
【专利摘要】本发明公开了一种UPFC交互影响强弱随工况变化的评定方法，基于电力系统线性化模型得到系统频域传递函数，进而得到相对增益矩阵(RGA)，通过比较分析相应RGA矩阵元素而得出最终结论。本发明的UPFC交互影响评定算法，通过对UPFC安装线路上由UPFC调节的输送有功和无功水平，以及安装母线上由UPFC控制达到的电压水平这三种工况下对UPFC各控制回路间的交互影响强弱进行量化分析，为避免由UPFC控制器交互影响而导致的系统不稳定提供了合理的参考依据。
【专利说明】
-种UPFC交互影响强弱随工况变化的评定方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种UPFC交互影响强弱随工况变化的评定方法，属于控制技术。
【背景技术】
[0002] 统一潮流控制器(Unified化wer Flow Controller,UPFC)是功能最为强大、最为 全面的灵活交流输电系统装置，可W实现调节安装线路上的有功潮流，无功潮流和线路交 流电压的功能。其并联电压源逆变器和串联电压源逆变器的四个调制信号分别为幅值调制 比率邮，me和相位角Se，Sb，运就意味着含UPFC的电力系统是一个典型的4输入4输出系统，其 控制功能可由图1所示。而根据控制理论可知，多输入多输出系统(MIMO)的各个控制回路之 间存在着交互影响，即各回路单独设计整定不能消除UPFC交互影响对系统稳定性的影响， 运意味着UPFC控制器交互影响将直接关系到UPFC的控制性能，运使得研究UPFC控制器交互 影响的评定方法具有重要意义。
[0003] 通过预先设定UPFC所控制的参考值即可设定或改变UPFC安装点的有功何无功分 布，W及电压水平。因此，UPFC控制运行点即为:UPFC安装线路上由其控制的有功功率、无功 功率和电压水平。UPFC有功潮流、无功潮流和电压控制的控制参考值时-ref、QB-ref和VE-ref决 定了 UPFC稳定运行点，改变运3个值即改变了系统的问题潮流，进而影响系统的稳定性。
[0004] 相对增益矩阵(RGA)是一种被广泛使用的分析多变量控制系统交互影响的工具， 其可W提供不同控制回路交互影响强弱的定量信息，因此可W利用RGA原理分析不同工况 下UPFC自身多个控制器之间的交互影响强弱。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种UPFC交互影响强弱 随工况变化的评定方法，依据全系统线性化模型，应用其传递函数由相对增益矩阵(RGA)算 法进行UPFC控制器交互影响的量化分析。
[0006] 技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种UPFC交互影响强弱随工况变化的评定方法，依据含UPFC控制器的全系统线性 化模型，利用相对增益矩阵理论分别计算不同工况下各UPFC控制回路的相对增益矩阵RGA， 比较相对增益矩阵RGA中相应元素大小，进而评定各UPFC控制回路的交互影响强弱，具体包 括步骤如下：
[0008] (1)收集系统中发电机与励磁系数数据、输电线路数据W及UPFC数据，并分别计算 不同工况下各UPFC控制回路的变量稳态值，变量包括有功潮流Pet、无功潮流化t和并联侧换 流器的输出电压化；
[0009] (2)根据步骤(1)收集的数据计算含UPFC控制器的全系统线性化模型：
[0010]
[00川式中：义是 X 的一阶导数，X=[X1X2X3X4X 日]t=[A5 Ao AEq AEfd AVdc]t 为 系统状态变量矩阵，A 5、A ?、AEq、AEfd和A Vdc分别为线性化后的发电机功角、发电机转 速、发电机交轴电动势、发电机励磁电动势和直流电容电压;Y=[yi y2 y3 y4]T=[AV3 A Vdc A Q A Pf为系统输出变量矩阵，A V3、A Vdc、A Q和A P分别为线性化后的UPFC安装母线 处电压、直流电容电压、有功潮流和无功潮流;U=[山U2U3U4]T=[AmEASEAmBASB]T 为系统控制变量矩阵，A me、A Se、A HiB和A Sb分别为线性化后的UPFC并联电压源逆变器的 幅值调制比率、并联电压源逆变器的相位角、串联电压源逆变器的幅值调制比率和串联电 压源逆变器的相位角;A、B、C和D为系数矩阵；
[0012] (3)计算不同工况下系统稳态时的传递函数：
[0013] G(s)=Y(s)/U(s) = [C(sI-A)-1b+D]，s = 0
[0014] 其中：S为频域自变量，I为单位矩阵；
[001引（4)计算不同工况下各UPFC控制回路的相对增益矩阵RGA:
[001引其中：1 = 1，2,3,40 = 1，2,3,4，奠表示两个矩阵的对应元素相乘;人^表示由第占'个 控制变量Uj和第i个输出变量yi构成的UPFC控制回路Uj 一 yi ,Ui = const表示Ui为常数，yi =const表示yi为常数；(卸,./ Cu, 表示UPFC控制回路Uj一yi在其他UPFC控制回路均开环
[0016]
[0017] 时的增益，(卸,/3m, 表示UPFC控制回路Uj一yi在其他UPFC控制回路均闭环时的增益；
[0019] (5)比较相对增益矩阵RGA中相应元素Au大小，进而评定各条UPFC控制回路的交互 影响强弱，、j越接近1，表明UPFC控制回路受其他UPFC控制回路的影响越弱。
[0020] 优选的，所述步骤(5)中，具体评定方法为：
[0021 ] (1)若0.8<、j < 1.2，则评定UPFC控制回路Uj一yi稳定，不受其他UPFC控制回路影 响；当Aij = 1时，则评定UPFC控制回路为独立的单变量系统；
[0022] (2)若^<0或、j> 1.5，则评定UPFC控制回路不稳定且会导致系统不稳定；
[002；3] (3)若Aij = O，则评定UPFC控制回路Uj一yi不稳定;Aij越接近0，则表明UPFC控制回 路Uj^yi受其他UPFC控制回路影响越大。
[0024] 有益效果：本发明提供的UPFC交互影响强弱随工况变化的评定方法，对于装有 UPFC的电力系统，能够量化分析UPFC各控制回路之间交互影响的强弱，从而为避免交互影 响而产生的系统不稳定提供参考依据。
【附图说明】
[0025] 图1为有四个PI控制器的多变量UPFC控制示意图；
[0026] 图2为UPFC控制器调制通道选择示意图；
[0027] 图3为装有UPFC的四机二区域电力系统结构图；
[0028] 图4为稳态时含UPFC系统仿真图；
[0029] 图5-1和图5-2为有功潮流扣t变化时的阶跃响应仿真图；
[0030] 图6-1和图6-2为无功潮流化t变化时的阶跃响应仿真图；
[0031] 图7-1和图7-2为并联侧换流器接入母线处的调节电压VEt变化时的阶跃响应仿真 图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0033] 附图3所示为简单四机二区域电力系统，UPFC安装在母线B12与B13之间，选取HiB为 调节线路无功功率的控制信号，HiE为调节线路有功功率的控制信号，Sb为交流母线电压控制 信号，Se为电容直流电压调节器控制信号，W下将通过图3系统说明本发明提出的UPFC交互 影响评定算法的具体实施过程。四机二区域电力系统的参数(均为标么值)如下：
[0034] 稳态时，发电机1~4的输出功率均为0.9;母线7和9的负荷为0.967和1.767;发电 机、输电线路详细参数分别见表1和表2; UPFC的参数为:直流电容Cd。= 1.0，直流电容初始电 压VdcO = 1.0，并联侧接入电抗姑=0.02，串联侧接入电抗Xb = 0.005。
[00对 Tj为转子惯性常数，Xd为巧由绕组电抗，Xq为q轴绕组电抗，X'd为d轴绕组暂态电抗， T^dO为励磁绕组时间常数，D为阻尼系数，Ka为自动电压调节器增益，Ta为自动电压调节器时 间常数。
[0036]表1四机两区系统的发电机参数(P.U.) r〇037l
[0040]
[OOW 当UPFC的有功潮流扣t = 2.3、无功潮流跑t = 0.2、调节电压VEt = 1.0 时，由计算公式 可得此时四机两区域控制系统的相对增益矩阵为：
[0042]
[0043] 分析上式 RGA 计算结果可知，Ai2 = 2.0780，A21 = 0.9821，A34 = 2.8461，A43 = 2.1904 数值较接近于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 对之间的交互影响较小。
[0044] 设定UPFC的有功潮流扣t在Is时突增5%，而无功潮流化t和调节电压VEt均维持其稳 态值不变(本文均为此类阶跃类型），此时对系统进行仿真，结果如图4所示。由仿真结果可 知，Is后UPFC有功参考值突增1.05%时，各控制器均发生作用，验证了控制器之间交互影响 的存在。
[0045] W下分析不同工况变化时，UPFC交互影响的强弱
[0046] (I)UPFC的无功潮流化t和调节电压VEt均维持不便，调整有功潮流扣t，计算G(O)和 RGA，结果如表3所示。
[0047] 表3UPFC调节有功变化时，RGA的计算结果
[004引
[0049] 通过比较在不同有功潮流扣t运行工况下的RGA元素发现:在一定调节范围内，随着 UPFC调节线路有功潮流扣t的增加，RGA矩阵对角元素、i的值越接近于0,表明UPFC控制器四 个控制通道之间的交互影响程度随之增强。
[0050] (2)UPFC的有功潮流扣t和调节电压VEt均维持不便，调整无功潮流化t，计算G(O)和 RGA，结果如表4所示。
[0051 ] 表4UPFC调节无功变化时，RGA的计算结果
[0化2]
[0053] 无功潮流化t运行点的值朝负的方向减小，从物理上解释就是UPFC控制的无功潮流 化t朝相反方向增加了无功功率的输送。因此分析上面的计算结果可W发现:在一定调节范 围内，随着UPFC调节线路无功潮流化t的增加，RGA矩阵对角元素 Aii的值越接近于0,表明 UPFC控制器四个控制通道之间的交互影响程度也随之增强。
[0054] (3)UPFC的有功潮流扣t和无功潮流化t均维持不便，调整调节电压化t，计算G(O)和 RGA,结果如表5所不。
[0055] 表抓PFC调节电压变化时，RGA的计算结果
[0化6]
[0057] 通过比较在不同整调节电压Vh运行工况下的RGA元素发现:在一定调节范围内，随 着UPFC调节线路调节电压Vh的增加，RGA矩阵对角元素、i的值越远离于0,表明UPFC控制器 四个控制通道之间的交互影响的程度随之减弱。
[0化引（4)为了验证评定结果，W下分别在不同有功潮流PEt、无功潮流化t和调节电压VEt 的情况下对系统进行仿真。其结果分别如图5、图6和图7所示。
[0059] 图5-1和5-2是其它工况不变而调节有功潮流扣t分别为2.2和2.4的仿真图，通过图 像可W看到，随着扣t的值为2.2、2.3、2.4时，波形图的振荡幅度变大了，即交互影响变大了。
[0060] 图6-巧日6-2是其它工况不变而调节无功潮流化t分别为-0.15和-0.25的仿真图，通 过图像可W看到，随着化t的值为-0.15、-0.2、-0.化时，波形图的振荡幅度变大了，即交互影 响变大了。
[0061 ]图7-1和7-2是其它工况不变而调节调节电压V化分别为0.995和1.05的仿真图，通 过图像可W看到，随着VEt的值为0.995、1.00、1.05时，波形图的振荡幅度变小了，即交互影 响变弱了。
[0062] =种工况下的仿真结果均验证了RGA计算结果的正确性，进一步说明了通过RGA算 法评定统一潮流控制器(UPFC)交互影响强弱的可行性。
[0063] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种UPFC交互影响强弱随工况变化的评定方法，其特征在于：依据含UPFC控制器的 全系统线性化模型，利用相对增益矩阵理论分别计算不同工况下各UPFC控制回路的相对增 益矩阵RGA，比较相对增益矩阵RGA中相应元素大小，进而评定各UPFC控制回路的交互影响 强弱，具体包括步骤如下： (1) 收集系统中发电机与励磁系数数据、输电线路数据以及UPFC数据，并分别计算不同 工况下各UPFC控制回路的变量稳态值，变量包括有功潮流P Et、无功潮流QEt和并联侧换流器 的输出电压Ve; (2) 根据步骤(1)收集的数据计算含UPFC控制器的全系统线性化模型：式中：X 是X 的一阶导数，Χ=[χι X2 X3 Χ4 Χ5]Τ=[Δδ Δω AEq AEfd AVDC]T 为系统 状态变量矩阵，A δ、Δ ω、AEq、ΔΕμ和Δ VDC*别为线性化后的发电机功角、发电机转速、发 电机交轴电动势、发电机励磁电动势和直流电容电压;Y=[yi y2 y3 y4]T=[AV3 AVdc AQ A P]%系统输出变量矩阵，△ V3、Δ VDC、Δ Q和△ P分别为线性化后的UPFC安装母线处电压、 直流电容电压、有功潮流和无功潮流;U=[U1 U2 U3 U4]T=[AmE ΔδΕ Δπιβ ΔδΒ]τ为系统 控制变量矩阵，A mE、△ δΕ、△ mB和Δ δΒ分别为线性化后的UPFC并联电压源逆变器的幅值调 制比率、并联电压源逆变器的相位角、串联电压源逆变器的幅值调制比率和串联电压源逆 变器的相位角;A、B、C和D为系数矩阵； (3) 计算不同工况下系统稳态时的传递函数： G(s)=Y(s)/U(s) = [C(sI-A)_1B+D],s = 0 其中：s为频域自变量，I为单位矩阵； (4) 计算不同工况下各UPFC控制回路的相对增益矩阵RGA:其中：1 = 1，2,3,4，」=1，2,3,4，發表示两个矩阵的对应元素相乘必^表示由第」个控制 变量Uj和第i个输出变量yi构成的UPFC控制回路Uj-yi，Ui = const表示m为常数，yi = const 表示yi为常数表示UPFC控制回路u^yi在其他UPFC控制回路均开环时的增 益，（永,〇v =_.表示UPFC控制回路Uj-yi在其他UPFC控制回路均闭环时的增益； (5) 比较相对增益矩阵RGA中相应元素大小，进而评定各条UPFC控制回路的交互影响 强弱，越接近1，表明UPFC控制回路Uj-yi受其他UPFC控制回路的影响越弱。2. 根据权利要求1所述的UPFC交互影响强弱随工况变化的评定方法，其特征在于:所述 步骤(5)中，具体评定方法为： (1) 若0.8< Aij< 1.2，则评定UPFC控制回路Uj-yi稳定，不受其他UPFC控制回路影响；当 Xij = 1时，则评定UPFC控制回路Uj-yi为独立的单变量系统； (2) 若λυ <〇或λυ > 1.5，则评定UPFC控制回路Uj-yi不稳定且会导致系统不稳定； (3) 若λ!」=〇，则评定UPFC控制回路Uj-yi不稳定;λ!」越接近〇，则表明UPFC控制回路Uj- yi受其他UPFC控制回路影响越大。
【文档编号】H02J3/06GK105826919SQ201610158813
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】陈中, 李海峰, 王相锋, 周涛, 任必兴
【申请人】江苏省电力公司, 东南大学, 华北电力大学