统一潮流控制器的最佳配对及阻尼系统振荡的研究
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摘要
统一潮流控制器(UPFC)是灵活交流输电(Flexible AC Transmission System，简称FACTS)技术的一种，其基本思想是用一种统一的可控硅装置，通过控制量的变化，就能分别或同时实现并联补偿，串联补偿和移相等几种不同功能。UPFC正因为其功能强大，从它的概念刚提出开始，就引起了各国学者的重视。
本文以研究UPFC的动态特性为主要目标，在其数学模型的建立、各内部控制器间的相互作用及阻尼系统振荡能力等三个方面开展了研究工作。
首先论文综述了FACTS和UPFC的研究现状及在工程中的应用情况，介绍了本课题的研究背景，即利用大功率电力电子器件快速调节系统潮流，阻尼系统功率振荡，从而达到提高线路输送能力，增强系统稳定性的需求。建立了UPFC的动态模型和潮流模型，这种模型可以减少单个UPFC内部控制器的相互影响。研究了UPFC内部控制器的控制策略，同时为了减小不同控制器间的相互作用，推导了UPFC直流电容连接器上通过的有功功率P_B的表达式。推导了包含单个UPFC的单机无穷大系统数学模型，同时利用改进欧拉法对方程进行求解；提出了将微分方程线性化的方法，同时设计了UPFC内部控制器并进行了仿真分析，结果表明UPFC不同控制器间存在负的相互作用。为检测引起UPFC不同控制通道间相互作用的原因，提出了一条判定准则，即在控制器输入输出配对关系正确的前提下，UPFC不同控制通道间的相互作用主要取决于UPFC的初始设定值或控制器的增益调节，并利用仿真验证了这个准则，同时得出了UPFC内部控制器的最佳配对关系。建立了装有UPFC的单机无穷大系统Phillips-Heffron模型，并利用阻尼转矩分析分析了UPFC向系统提供阻尼转矩的机理。利用相位补偿法设计了阻尼控制器，并利用可控性指标、仿真分析以及特征值分析对UPFC输入信号进行优化，得出最佳控制量是m_B和δ_E两个控制量，而以m_B较为好一些，同时提出了两个信号共同作用的双阻尼控制器。仿真结果表明，所设计的UPFC阻尼控制器不仅对单机无穷大系统有很好的系统鲁棒性，对四机两区域系统也有很好的阻尼控制效果。
The unified power flow controller(UPFC) is one of the flexible AC transmission systems(FACTS) which can control power-system parameters such as terminal voltage,line impedance and phase angle to control power. flow,voltage,transient stability,damping oscillation etc.The UPFC is a multiple functional FACTS,so as its concept had been just put forward it attracted a growing interest in studying .
The dissertation regarded studying the dynamic characteristic of UPFC as the main goal,it developed the research in three aspects: mathematical model,the reciprocity of internal controllers and the ability to damp system oscillations.
First the dissertation summarized the research on current situation of UPFC and FACTS and its application situation in the project,and also introduced the research background of this subject.Then set up the dynamic model and power flow model of UPFC that can reduce the reciprocity of internal controllers of single UPFC.Put forward the control strategy of UPFC internal controllers,and proposed holding the active power P_b as the standard to minimize the mutual influence between controllers. Have derived the mathematical model of the single machine infinite bus power system installed with an UPFC. Designed the controller within UPFC and carried on simulation analysis at the same time, the result indicated that there is negative interaction among UPFC different controllers.In order to find the reason that caused the reciprocity among different channels,the paper proposed a criterion of judging and proved it with simulation analysis.Set up the Phillips-Heffron model of the single machine infinite bus power system installed with an UPFC, Utilize damping torque analysis analyzed mechanism of damping torque that UPFC offered to system,and used the phase compensation method to design the UPFC damping controllers. The result show that the UPFC damping controller designed either had fine and robust effect in single machine infinite bus or four machine two regional systems.
本文以研究UPFC的动态特性为主要目标，在其数学模型的建立、各内部控制器间的相互作用及阻尼系统振荡能力等三个方面开展了研究工作。
首先论文综述了FACTS和UPFC的研究现状及在工程中的应用情况，介绍了本课题的研究背景，即利用大功率电力电子器件快速调节系统潮流，阻尼系统功率振荡，从而达到提高线路输送能力，增强系统稳定性的需求。建立了UPFC的动态模型和潮流模型，这种模型可以减少单个UPFC内部控制器的相互影响。研究了UPFC内部控制器的控制策略，同时为了减小不同控制器间的相互作用，推导了UPFC直流电容连接器上通过的有功功率P_B的表达式。推导了包含单个UPFC的单机无穷大系统数学模型，同时利用改进欧拉法对方程进行求解；提出了将微分方程线性化的方法，同时设计了UPFC内部控制器并进行了仿真分析，结果表明UPFC不同控制器间存在负的相互作用。为检测引起UPFC不同控制通道间相互作用的原因，提出了一条判定准则，即在控制器输入输出配对关系正确的前提下，UPFC不同控制通道间的相互作用主要取决于UPFC的初始设定值或控制器的增益调节，并利用仿真验证了这个准则，同时得出了UPFC内部控制器的最佳配对关系。建立了装有UPFC的单机无穷大系统Phillips-Heffron模型，并利用阻尼转矩分析分析了UPFC向系统提供阻尼转矩的机理。利用相位补偿法设计了阻尼控制器，并利用可控性指标、仿真分析以及特征值分析对UPFC输入信号进行优化，得出最佳控制量是m_B和δ_E两个控制量，而以m_B较为好一些，同时提出了两个信号共同作用的双阻尼控制器。仿真结果表明，所设计的UPFC阻尼控制器不仅对单机无穷大系统有很好的系统鲁棒性，对四机两区域系统也有很好的阻尼控制效果。
The unified power flow controller(UPFC) is one of the flexible AC transmission systems(FACTS) which can control power-system parameters such as terminal voltage,line impedance and phase angle to control power. flow,voltage,transient stability,damping oscillation etc.The UPFC is a multiple functional FACTS,so as its concept had been just put forward it attracted a growing interest in studying .
The dissertation regarded studying the dynamic characteristic of UPFC as the main goal,it developed the research in three aspects: mathematical model,the reciprocity of internal controllers and the ability to damp system oscillations.
First the dissertation summarized the research on current situation of UPFC and FACTS and its application situation in the project,and also introduced the research background of this subject.Then set up the dynamic model and power flow model of UPFC that can reduce the reciprocity of internal controllers of single UPFC.Put forward the control strategy of UPFC internal controllers,and proposed holding the active power P_b as the standard to minimize the mutual influence between controllers. Have derived the mathematical model of the single machine infinite bus power system installed with an UPFC. Designed the controller within UPFC and carried on simulation analysis at the same time, the result indicated that there is negative interaction among UPFC different controllers.In order to find the reason that caused the reciprocity among different channels,the paper proposed a criterion of judging and proved it with simulation analysis.Set up the Phillips-Heffron model of the single machine infinite bus power system installed with an UPFC, Utilize damping torque analysis analyzed mechanism of damping torque that UPFC offered to system,and used the phase compensation method to design the UPFC damping controllers. The result show that the UPFC damping controller designed either had fine and robust effect in single machine infinite bus or four machine two regional systems.
引文
[1] Hingorani N G. Power Electronics in Electric Utilities; Role of Power Electronics in Future Power Systems. Proceedings of the IEEE, 1987, 76(4)
[2] 赵贺．电力电子学在电力系统中的应用—灵活交流输电系统．中国电力出版社，2000年5月
[3] 陈淮金，灵活交流输电技术及及应用(一)(二)，电力系统自动化，1994，18(3)：1994，18(4)。
[4] 李向荣等．灵活交流输电系统综述．柔性交流输电技术专集(上) 1997年12月，P33-39
[5] 郭永基．电力系统新进展．冶金工业出版社，2000年11月．
[6] 黄绍平．21世纪的电力前沿技术．中国科技公众网
[7] 杨胜，阳晓曦．灵活交流输电系统技术的现状及其对我国电力系统的影响．农村电气化网．
[8] 周小谦，关于中国电网的发展与技术装备水平的提高．中国电气科技网，
[9] 周孝信．面向21世纪的电力系统技术．华英电力科技网．
[10] 何大愚．柔性交流输电技术和用户电力技术的新进展．电力系统自动化，第23卷，第6期，1999年3月．
[11] 傅霞飞．灵活交流输电系统的发展现状(一)．华中电力．1997，10(2)
[12] 陈淮金．可控串联补偿在提高电力系统稳定性中的作用研究．电力系统自动化，1996，20(10)：14-17
[13] 徐琰，李乃湖，陈珩，基于FACTS技术的互联电力系统潮流控制，电力系统自动化，第22卷，第5期，1998年5月
[14] 林声宏，刘明波含FACTS元件的电力系统非线性最优潮流计算，电力系统自动化，2000年10月
[15] Swift F J, Wang H F. Application of the Controllable Series Compensatorin damping Power SystemO scillations. IEE Proceedings——Generation, Transmission and Distribution, 1996, 143(4): 359-364
[16] Larson E V, Chow J H et al. Concepts for Design of FACTS Contro llers to Damp Power Swings. IEEE Trans on Power Systems, 1995, 10(2)
[17] 王海风，陈珩，李乃湖，多机电力系统中灵活交流输电稳定器安装地点和反馈信号选择的降阶模态分析法，中国电机工程学报，1998，18(6)：399-402
[18] 王海风，李乃湖，陈衍，近似模态控制分析及其在选择灵活交流输电稳定器安装地点与反馈信号中的应用，中国电机工程学报，1999，19(6)：60-64
[19] 蔡国伟，程浩忠，KWChan，基于网络局部暂态能量的TCSC控制策略的研究，中国电力，2003，36(4)：4-7
[20] 苏建设，柯宁，陈陈，提高暂态稳定的励磁于FACTS协调控制策略设计，中国电机工程学报，2003，23(9)：6-10
[21] 吴国红，贺家李，余贻鑫，等．FACTS装置最佳设置点的选择指标．电力系统自动化，1998，22(9)：57-60
[22] 刘镇，姜学智，李东海．PID控制器的参数调整．电力系统自动化，1997，21(8)：79-83
[23] 扩展等面积法暂态稳定分析的FACTS控制器模型，蔡泽祥，申洪，王荔，电力系统自动化，2000，24(6)：32-34
[24] Wang H F. Selection of Operating Conditions for Coordinated Setting of Robust Fixed2 Parameter Stabilizer. IEE Proceedings——Generation, Trans2mission and Distribution, 1998, 145(2): 111-116
[25] 汪冰，解大，董惠康，陈陈，TCSC系统暂态稳定控制的动态模拟实验研究，电力系统自动化，2001，25(18)，33-35
[26] 王海风，李敏，李乃湖，陈衍等，利用晶闸管控制移相装置和串联补偿器镇定电力系统低频振荡分析，中国电机工程学报，1999，19(8)：66-71
[27] 苏建设，柯宁，陈陈，提高暂态稳定的励磁于FACTS协调控制策略设计，中国电机工程学报，2003，23(9)：6-10
[28] 朱慧瑜，童陆园，郭春林，王仲鸿，FACTS暂态稳定的系统模型的研究，电力系统自动化，2000，22(8)：13-16
[29] M. Klein, G. J. Rogersand P. Kunder, " A Fundemental Study of Inter-Area Oscillations", IEEE Trans, Power Systems Volume-6, Number-3, August 1991, pp914-921.
[30] Canadian Electrical Association Report, " Investigatioon of Frequency Inter-area Oscillation Problem in Large Interconnected Power Systems", Report of Research Project 294T622, prepared byOntario Hydro, 1993
[31] M. Klein, G. J. Rogers, S. Moortyand P. Kunder, " Analytical Investigation of Factors Influencing Power System Stabilizers Performance, " Paper92 WMO16-6EC, Presented at the IEEE PES Winter Meeting, New york, January 1992.
[32] 徐叔梅．联合潮流控制器(UPFC)在美国电力公司投运．电网技术．1998，22(6)
[33] 陈金富，段献忠等．柔性交流输电系统稳态潮流控制分析方法比较电力系统自动化．1997，21(7)
[34] 丁继来，柳悼．基于移相器统—特性的潮流控制．中国电机工程报．1994，14(6)
[35] M. Noroozian, L. Angquist et al. Use of UPFC for Optimal Power Flow Control. IEEE Transactions on Power Delivery. 1997, 12(4)
[36] 陈淮金，白中含UPFC的电力系统潮流计算研究，电力系统自动化．1996，20(3)
[37] 丁奇峰，张伯明．EMS中含FACTS元件的电力系统潮流分析．电力系统自化．1998，22(6)
[38] Bian J, Lemak T. A et al. Power Flow Controller Models for Power System Simulations. 电网技术. 1995, 19(9)
[39] 段献忠，陈金富等．柔性交流输电系统的潮流计算．中国电机工程学报，1998，18(5)
[40] 徐玫，李乃湖等．FACTS装置的潮流控制特性分析．电网技术1997，21(12)．
[41] GYUCYI. L., and SCHAUDER. C. D. e, a/.: The unified power flow controller: ilncw approach to power trmsmission control. IEEE Trans. Power Deliv. 1995. Ⅰ0. (2). pp1085-1093
[42] WANG. H. F, ' Damping function of unified power flow controller', IEEProc. CGener. Transm. Distrib. 1999. 146(1), pp. 81-87
[43] WANG. H. F, ' Application of modeling UPFC into multi-machine powersystem', IEEProc. CGene Transm. Distrib. 1999. 146(3), pp. 306-312
[44] Nabavi-Niaki A, Lravani M R. Steady-state and Dynamic Models of Unified Power Flow Controller for Power System Studies. IEEE Transactions on Power System. 1996, 11(4)
[45] Arabi S, Kundur P. a Versatile FACTS Device Model for Power Flow and Stability Simulations. IEEE Transactions on Power System. 1996, 11(4)
[46] Gyugyi L. a Unified Power Flow Control Concept for Flexible AC Transmission System. TEE Proceedings￡. 1992, 139(4)
[47] Gyugyi L, Schauder C D. the Unified Power Flow Controller: a New Approach to Power Transmission Control. IEEE Transactions on Power Delivery. 1995, 10(2)
[48] Schauder C D, Hamai D M et al. Operation of the Unified Power Flow Controller Under Practical Constrains. IEEE Transactions on Power Delivery. 1997, 12(4)
[49] Noroozian M, Angquist L, Ghandhari M et al. Improving Power System Dynamics by Series-Connected FACTS Devices. IEEE Trans on Power Delivery. 1997, 12(4)
[50] Limyingeharoes. S, Annakkage U D, Pahalawaththa NC. Effect of UPFC on Transient Stability, IEE Proceedings Generation, Transmission and Distribution, 1998, 145(2)
[51] 卢强，孙元章等．面向目标的FACTS设备智能预估控制方法(一)电网技术．1998，22(4)
[52] 卢强，孙元章等．面向目标的FACTS设备智能预估控制方法(二)．电网技术．1998，22(5)
[53] 卢强，孙元章等．面向目标的FACTS设备智能预估控制方法(三)电网技术．1998，22(6)
[54] Nabavi-Niaki A., Iravani M. R., "Steady state and Dynamic Models of Unified Power Flow Controller (UPFC) for Power System Studies", IEEE Transaction on Power System, Vol. 11, No. 4, Nov. 1996.
[2] 赵贺．电力电子学在电力系统中的应用—灵活交流输电系统．中国电力出版社，2000年5月
[3] 陈淮金，灵活交流输电技术及及应用(一)(二)，电力系统自动化，1994，18(3)：1994，18(4)。
[4] 李向荣等．灵活交流输电系统综述．柔性交流输电技术专集(上) 1997年12月，P33-39
[5] 郭永基．电力系统新进展．冶金工业出版社，2000年11月．
[6] 黄绍平．21世纪的电力前沿技术．中国科技公众网
[7] 杨胜，阳晓曦．灵活交流输电系统技术的现状及其对我国电力系统的影响．农村电气化网．
[8] 周小谦，关于中国电网的发展与技术装备水平的提高．中国电气科技网，
[9] 周孝信．面向21世纪的电力系统技术．华英电力科技网．
[10] 何大愚．柔性交流输电技术和用户电力技术的新进展．电力系统自动化，第23卷，第6期，1999年3月．
[11] 傅霞飞．灵活交流输电系统的发展现状(一)．华中电力．1997，10(2)
[12] 陈淮金．可控串联补偿在提高电力系统稳定性中的作用研究．电力系统自动化，1996，20(10)：14-17
[13] 徐琰，李乃湖，陈珩，基于FACTS技术的互联电力系统潮流控制，电力系统自动化，第22卷，第5期，1998年5月
[14] 林声宏，刘明波含FACTS元件的电力系统非线性最优潮流计算，电力系统自动化，2000年10月
[15] Swift F J, Wang H F. Application of the Controllable Series Compensatorin damping Power SystemO scillations. IEE Proceedings——Generation, Transmission and Distribution, 1996, 143(4): 359-364
[16] Larson E V, Chow J H et al. Concepts for Design of FACTS Contro llers to Damp Power Swings. IEEE Trans on Power Systems, 1995, 10(2)
[17] 王海风，陈珩，李乃湖，多机电力系统中灵活交流输电稳定器安装地点和反馈信号选择的降阶模态分析法，中国电机工程学报，1998，18(6)：399-402
[18] 王海风，李乃湖，陈衍，近似模态控制分析及其在选择灵活交流输电稳定器安装地点与反馈信号中的应用，中国电机工程学报，1999，19(6)：60-64
[19] 蔡国伟，程浩忠，KWChan，基于网络局部暂态能量的TCSC控制策略的研究，中国电力，2003，36(4)：4-7
[20] 苏建设，柯宁，陈陈，提高暂态稳定的励磁于FACTS协调控制策略设计，中国电机工程学报，2003，23(9)：6-10
[21] 吴国红，贺家李，余贻鑫，等．FACTS装置最佳设置点的选择指标．电力系统自动化，1998，22(9)：57-60
[22] 刘镇，姜学智，李东海．PID控制器的参数调整．电力系统自动化，1997，21(8)：79-83
[23] 扩展等面积法暂态稳定分析的FACTS控制器模型，蔡泽祥，申洪，王荔，电力系统自动化，2000，24(6)：32-34
[24] Wang H F. Selection of Operating Conditions for Coordinated Setting of Robust Fixed2 Parameter Stabilizer. IEE Proceedings——Generation, Trans2mission and Distribution, 1998, 145(2): 111-116
[25] 汪冰，解大，董惠康，陈陈，TCSC系统暂态稳定控制的动态模拟实验研究，电力系统自动化，2001，25(18)，33-35
[26] 王海风，李敏，李乃湖，陈衍等，利用晶闸管控制移相装置和串联补偿器镇定电力系统低频振荡分析，中国电机工程学报，1999，19(8)：66-71
[27] 苏建设，柯宁，陈陈，提高暂态稳定的励磁于FACTS协调控制策略设计，中国电机工程学报，2003，23(9)：6-10
[28] 朱慧瑜，童陆园，郭春林，王仲鸿，FACTS暂态稳定的系统模型的研究，电力系统自动化，2000，22(8)：13-16
[29] M. Klein, G. J. Rogersand P. Kunder, " A Fundemental Study of Inter-Area Oscillations", IEEE Trans, Power Systems Volume-6, Number-3, August 1991, pp914-921.
[30] Canadian Electrical Association Report, " Investigatioon of Frequency Inter-area Oscillation Problem in Large Interconnected Power Systems", Report of Research Project 294T622, prepared byOntario Hydro, 1993
[31] M. Klein, G. J. Rogers, S. Moortyand P. Kunder, " Analytical Investigation of Factors Influencing Power System Stabilizers Performance, " Paper92 WMO16-6EC, Presented at the IEEE PES Winter Meeting, New york, January 1992.
[32] 徐叔梅．联合潮流控制器(UPFC)在美国电力公司投运．电网技术．1998，22(6)
[33] 陈金富，段献忠等．柔性交流输电系统稳态潮流控制分析方法比较电力系统自动化．1997，21(7)
[34] 丁继来，柳悼．基于移相器统—特性的潮流控制．中国电机工程报．1994，14(6)
[35] M. Noroozian, L. Angquist et al. Use of UPFC for Optimal Power Flow Control. IEEE Transactions on Power Delivery. 1997, 12(4)
[36] 陈淮金，白中含UPFC的电力系统潮流计算研究，电力系统自动化．1996，20(3)
[37] 丁奇峰，张伯明．EMS中含FACTS元件的电力系统潮流分析．电力系统自化．1998，22(6)
[38] Bian J, Lemak T. A et al. Power Flow Controller Models for Power System Simulations. 电网技术. 1995, 19(9)
[39] 段献忠，陈金富等．柔性交流输电系统的潮流计算．中国电机工程学报，1998，18(5)
[40] 徐玫，李乃湖等．FACTS装置的潮流控制特性分析．电网技术1997，21(12)．
[41] GYUCYI. L., and SCHAUDER. C. D. e, a/.: The unified power flow controller: ilncw approach to power trmsmission control. IEEE Trans. Power Deliv. 1995. Ⅰ0. (2). pp1085-1093
[42] WANG. H. F, ' Damping function of unified power flow controller', IEEProc. CGener. Transm. Distrib. 1999. 146(1), pp. 81-87
[43] WANG. H. F, ' Application of modeling UPFC into multi-machine powersystem', IEEProc. CGene Transm. Distrib. 1999. 146(3), pp. 306-312
[44] Nabavi-Niaki A, Lravani M R. Steady-state and Dynamic Models of Unified Power Flow Controller for Power System Studies. IEEE Transactions on Power System. 1996, 11(4)
[45] Arabi S, Kundur P. a Versatile FACTS Device Model for Power Flow and Stability Simulations. IEEE Transactions on Power System. 1996, 11(4)
[46] Gyugyi L. a Unified Power Flow Control Concept for Flexible AC Transmission System. TEE Proceedings￡. 1992, 139(4)
[47] Gyugyi L, Schauder C D. the Unified Power Flow Controller: a New Approach to Power Transmission Control. IEEE Transactions on Power Delivery. 1995, 10(2)
[48] Schauder C D, Hamai D M et al. Operation of the Unified Power Flow Controller Under Practical Constrains. IEEE Transactions on Power Delivery. 1997, 12(4)
[49] Noroozian M, Angquist L, Ghandhari M et al. Improving Power System Dynamics by Series-Connected FACTS Devices. IEEE Trans on Power Delivery. 1997, 12(4)
[50] Limyingeharoes. S, Annakkage U D, Pahalawaththa NC. Effect of UPFC on Transient Stability, IEE Proceedings Generation, Transmission and Distribution, 1998, 145(2)
[51] 卢强，孙元章等．面向目标的FACTS设备智能预估控制方法(一)电网技术．1998，22(4)
[52] 卢强，孙元章等．面向目标的FACTS设备智能预估控制方法(二)．电网技术．1998，22(5)
[53] 卢强，孙元章等．面向目标的FACTS设备智能预估控制方法(三)电网技术．1998，22(6)
[54] Nabavi-Niaki A., Iravani M. R., "Steady state and Dynamic Models of Unified Power Flow Controller (UPFC) for Power System Studies", IEEE Transaction on Power System, Vol. 11, No. 4, Nov. 1996.