统一控制策略（共8篇）
统一控制策略 篇1
0引言
FACTS控制器被引入到电力系统中提高了系统的安全性,容量和功率的灵活性。 FACTS装置可以减少无功功率流动,维持总线电压在所需水平,并提高了电力系统的稳定性。因此,它们可以提高电力系统在应急情况下的安全性。统一潮流控制器(UPFC)[1,2]是一种多用途FACTS装置,可单独或同时控制有功功率,无功功率和母线电压,它由Gyugyi在1991年提出并引入电力系统[3,4]。
在背靠背型功率变换器组成的UPFC中,由于直流电容器的存在,增加了UPFC的重量、成本和体积,引起系统额外的功率损失。用三相交流-交流的矩阵变换器(MC)替换背靠背型功率变换器既可以维持相同的功能,同时还由于消除了直流电容器,从而降低了系统的成本、体积,提高了系统的可靠性和使用寿命。MC具有结构简单、结构紧凑、能量可双向流动、可产生正弦输入电流和输出电压、功率因数可调等优点。由于上述优点,MC在UPFC中具有较大的应用价值[5]。
文献[5]中对基于CMC的UPFC展开研究,通过分析其标量模型提出了一种单环解耦控制策略,但精度不够高。文献[6-7]提出的基于CMC的潮流控制策略均基于常规的PI闭环控制,控制效果一般,解耦效果不太好, 响应比较慢。文献[8]对基于CMC的UPFC采用了包含滑模控制的直接功率控制策略,但是控制策略较复杂。 文献[9]构建三环控制系统:功率环、电压环和电流环,令电流跟踪电压的变化,使得系统的动、静态性能和稳定性得到了一定提升,但是由于采用过多环节,控制策略复杂。
预测控制易于数字化实现,建模方便,具有控制精度高、算法简单、对模型要求低等优点,能提高系统的鲁棒性,具有较好的动态控制效果。本文将预测直接功率控制算法引入MC-UPFC控制系统中,首先分析了MC的双空间矢量调制策略,接着建立了MC逆变级的预测直接功率控制模型,然后提出了MC-UPFC串联侧逆变级的功率预测控制策略,最后建立了仿真模型对控制策略进行验证。仿真结果表明:所提控制策略有效地提高了MC-UPFC系统潮流控制的动静态性能,从而验证了所提控制策略的有效性[10]。
1 MC-UPFC电路结构及原理
MC-UPFC基本电路结构如图1所示,MC一端与耦合变压器T2串联接到输电线路2中,另一端与变压器T1并联接到母线上。并联侧为串联侧提供输入电压,提供其所需要的有功功率。串联侧逆通过调节串接在线路上的电压幅值,改变线路的有功功率和无功功率的流动,以达到控制潮流的目的[11]。
2 MC调制策略
根据矩阵转换器的结构,由于输入不能短路和输出不能断路[12,13],统一潮流控制器-MC限制它的开关模式, 只允许有27种模式。众所周知的MC控制方式有两种: 一种是Venturini调制策略;另一种是SVM调制策略。 SVM算法是基于三相输入电流和三相输出电压的,如图2所示。
图2(a)是输入电流矢量图,参考电流的公式为:
式中,
所以占空比和输入电流调制系数分别为:
图2(b)表示输出电压参考矢量可以由相邻两个开关矢量和零矢量合成,其公式如下:
其中:
因此,占空比和输出电压的调制系数为:
3 MC串联侧的预测直接功率控制策略
3.1线路潮流控制原理
在两相静止坐标下,根据瞬时功率[14]理论,主线路上的有功功率和无功功率为:
式中:u2α和u2β是线路母线电压值u2在静止坐标系下的 α和β分量;i2α和i2β是线路电流值i2在静止坐标系下的α 和β分量;p和q分别是线路有功功率和无功功率。
假定三相电网电压平衡[15],输出电流方程为:
经过αβ 静止坐标变换为:
式中:iα和iβ为MC输出电流在 αβ 坐标系中的分量; usα和usβ为MC输出电压在 αβ 坐标系中的分量;eα和eβ为电网电压在 αβ 坐标系中的分量。
假定开关采样周期为Ts,式(15)的离散公式为:
若选定采样周期足够小,可以认为电网电压的值在相邻的两个开关周期内不变[16],即eα(k + 1) = eα(k) , eβ(k + 1) = eβ(k) ,则在连续两个采样周期内有功功率和无功功率的变化 ΔPo和 ΔQo可以表示为:
将式(16)代入式(17),不计电阻压降,写成矩阵形式可得到:
逆变级P-DPC策略的目标是使MC输出的有功功率和无功功率在k+1时刻达到给定值,即:
式中:P*即为式(19)的最佳输出有功功率指令,从而使得输出有功功率跟踪指令;usα(k) ,usβ(k) 为采用空间矢量调制的MC在静止坐标下的输出电压参考信号。
u*sα和u*sβ作为空间矢量脉宽调制算法(SVPWM)的参考给定,由式(20)可得线路潮流给定值p*和q*,控制框图如图3所示。
图3中:P*和Q*分别表示有功功率和无功功率的参考值;us表示MC的输出电压;e表示滤波后输出电压; u1表示主线路的检测电压;i1为主线路电流。通过预测直接功率控制得到线路目标输出功率。
4仿真分析
利用Matlab/Simulink搭建UPFC-MC的系统模型。主要仿真参数如下:线路中等效电阻为0.3 Ω,电感为2 m H;UPFC的串联部分接入电网的串联变压器为Y Δ 接法,原、副边变比为3∶4;输出滤波器的电感为1.5 m H, 系统电网相电压为110 k V,电网角频率为50 Hz;UPFC的并联部分接入电网的并联变压器为Y Δ 接法,原、副边变比为3∶1;电路等效电阻为0.01 Ω。设定功率基准值为100 MW。
0~0.1 s给定值为:Pref=0.1 pu,Qref=0;0.1 s时刻给定值为:Pref=0.2 pu,Qref=0,仿真结果如图4所示。
由图4可以看出,在0.1 s之前,系统实际P和Q值按照给定值准确输出,且波形较好。0.1 s时有功功率参考值突变,无功功率参考值保持为0时,实际检测到的有功功率快速响应,暂态过程中有功超调量较小,且对无功功率影响很小,说明解耦效果较好。0~0.05 s潮流给定值为Pref=0.12 pu,Qref=0.03 pu,0.05 s潮流给定值改为Pref=0.25 pu,Qref=0.05 pu,仿真结果如图5和图6所示。
由图5可以看出,P和Q同时变化时,相互之间干扰很小,解耦性佳。图6为该条件下的线路A相电压电流波形。
设置:0.05 s之前,给定值P为0.1 pu,Q为0 pu。0.05 s开始给定值P为0.2 pu,Q给定值保持为0 pu。在上述给定条件下分别采用PI控制和预测直接功率控制进行仿真实验,得到如图7和图8的波形图。图7为采用PI控制时线路潮流变化图。从图7可以看出,PI控制响应时间慢,有功超调量较大。图8为采用预测直接功率控制系统仿真波形,与PI控制相比,P超调量很小,响应快速,波形平稳,P和Q之间之间干扰非常小,具有更好的动静态性能。
5结论
本文分析了MC空间矢量调制策略,建立了UPFC中MC数学模型,在此基础上提出了UPFC串联侧的MC预测直接功率控制策略。该控制方法使得系统的有功功率和无功功率独立控制,可以大幅提高解耦性能,还使得系统具有较好的动静态性能,且控制简单灵活,便于数字化实现。
摘要：在此以基于矩阵变换器为基础的统一潮流控制器为研究对象,介绍了当前统一潮流控制器的发展状况以及控制策略现状,在此基础上提出预测直接功率控制策略用于该系统,并建立了预测模型,以便有效提高系统的动静态性能。通过Matlab仿真平台搭建了系统模型,通过仿真试验对比了PI控制和预测直接功率控制的波形效果。仿真结果表明了所提控制策略的正确性和有效性,有利于电力系统安全可靠运行和数字化实现。
关键词：统一潮流控制器,矩阵变换器,空间矢量调制,预测直接功率控制
统一控制策略 篇2
-----参加铁厂镇小学关于“双减”背景下“教、学、评”有效统一策略研讨活动的心得体会
铁厂镇中心小学 刘清丽
俗话说“不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海。”很荣幸11月19日铁厂镇小学关于“双减”背景下“教学评”有效统一策略研讨活动在我校举行。这个活动，就我个人而言，我认为是一个很好的学习机会；就作为一名教导主任，尤其是针对“双减”背景下高效性的语文课堂教学而言，我认为是一次很大的机遇。
一、活动前：努力做好充分准备
当听说教研室专家和三小的专家名师会到学校深入课堂听评课时，我有些开心，更多的是激动，我深知部编版的语文课堂教学，我还处于摸着石头过河阶段，我迅速找到朱老师要讲的课文，认真对教材进行了解读，自己做了教学设计。我校要讲汇报课的白老师课前做了大量的工作，多次和我交流课堂建构和教学设计，并借班进行了试讲，我们语文组全体教师也进行了直言不讳的点评。
二、活动中：积极参加认真聆听
11月19日第一、二节课，我和教研室的专家、三小的名师认真聆听了两节课，第一节是白小兰老师执教的《少年闰土》教学目标重难点很明显就是让孩子学会运用多种方式朗读体会人物形象，从白老师的教学设计和组织教学上，展现出了较强的业务水平和独特的能力，教师干练的教风吸引着师生，积极倡导自主、合作、探究的学习方式充分体现了学生的主体地位。俗话说“授之以鱼不如授之以渔”教师能教予学生学习方法，学生有了拐杖才能自读、自悟。教师善于重构教材化繁为简，“深文浅教，深入浅出”，能取舍教材，做到详略得当，注重实效，课堂上妙语连珠，气氛活跃，学生在轻松的氛围中，加深了对课文主旨的理解，可谓独具匠心。总之，白老师精妙的设计，完美的构思，独到的领悟，造就了行云如流水般的课堂。第二节是陕西省特级教师、陕西省优秀教学能手、陕西省学科带头人朱允芳老师执教二年级上册的寓言故事《我要的是葫芦》。这是一节扎实朴实无华的语文课。识字写字教学润物无声，体现了高效率识字的教学理念；写字教学扎实有效，重点指导“怪、想”写法；创造性的使用教材，在于都中，体会问号、句号、感叹号所表达的不同语气。整节课中，教师始终把语言的学习、领会、感悟作为重点，抓住课文中的关键词句，从多角度引导学生领会种葫芦人的心态，以读悟文，品析文句。诗意灵动的课堂，创新独特的板书一展名师风采。接着我们聆听了朱老师《双减我们该怎么做》的专题报告，使我对“双减”政策有了更深入的了解，明白了我们要转变角色适应政策，在“双减”背景下如何提高课堂教学质量和怎样科学合理有层次的设计作业，尤其是有趣的实践性作业。
三、活动后：认真反思不断改进
通过此次活动，尤其是朱老师答疑解惑和代中华老师的《立足学情 精准教学 有效评价》专题指导，让我拨开了云雾看见了曙光，我深深反思如下。
1.认真努力备课是前提。教师要想上好一节课，就必须备好一节课。首先，教师要认真钻研教材，搞懂教材，在认真研读《教师用书》，《教师用书》好比使我们教师行走在黑暗里的指明灯，失去它就如在黑暗中摸索，失去方向。同时要讲二者结合起来研读，一定要结合自己班级学情，边读边思索。其次将单元导读、课后题、课时目标及语文交流平台四结，有机串联起来，四结有机结合起来，设计每一环节是都为这四结服务，心中一定要有单元目标和课时目标。再次，备课时每一环节都要为教学目标服务，都要有理念支撑，这样重点难点才能突出和切实落实，课堂上才会高效。最后，备课时要遵循语文整体性特征，从整体出发，最后回归到整体，千万不该把语文教材分解的支离破碎，失去文本的美感。
2.角色转变是关键。随着新课改和部编教材的带来，我们教师已不再是课堂之上主演，而是课堂上的导演，我们只有导的权利。首先，我们要相信学生，注重学生学习自主性和能力的培养，就需要我们教师注重学生学习方法的指导，有了方法，让学生用方法自己在课堂上变被迫学为自主学，从而真正实现生本课堂。其次，教师要当好导演，当学生回答问题出错或是偏离轨道时，教师一定要及时刹车，不要让一教室的翻车了，还不知道托孩子们回轨道，这样，显而易见，教学目标就难以达成。最后，教师一定尊重学生，当学生回答问题出错时，一定要等到学生回答问题结束时，再给予学生纠正，不能随意打断学生的发言。
3.注重细节是条件。教师要想提高课堂效益和专业技术水平，细节处理尤为重要。首先，语文教师要干练，做到语言要凝练，课堂上不说一句废话，每节课严格约束自己少说废话，久而久之定有转变。其次，要想课堂高效，必须抓住早读，早读学生必须要有教学任务，这个任务一定要紧紧围绕真教学目标，设计一定要实，教师一定要参与指导学生早读，这样才会使课堂高效。最后，教师要不断反思，只有不但反思课堂成败，课堂教学效益才会提高，教师专业水平才会提升，同时，要借他山之石，多学习，尤其是通过网络，学习名师的教学技艺和教育智慧，并不断在自己课堂上实践。
统一控制策略 篇3
关键词：UPFC,机电暂态建模,系统级控制策略,暂态响应特性
随着社会经济发展和能源变革、互联网信息技术和材料科学的进步以及特高压等工程新技术的应用, 传统电力系统正面临新的变革和技术挑战[1，2]。在电网规模扩大、 电压等级升高及互联程度增加的同时,对电网的安全可控程度及其对不同电源、负荷发展变化的适应性要求也愈加提高。 柔性交流输电技术作为电力系统控制和电力电子技术相融合的产物,由于其先进的电网控制特性、显著提高输电限额和改善电力系统静暂态特性的能力以及对电网不同运行方式的广泛适应性,引起电力系统工程界的广泛关注和青睐。 它采用可靠性高的大功率可控硅元件代替机械式高压开关,使电力系统中影响潮流分布的3个主要电气参数(电压、阻抗及功率相角)可按照系统的需要迅速调整,大幅度提高系统稳定性、可靠性[3,4,5,6]。
统一潮流控制器(UPFC)是一种先进的柔性交流输电装置,能同时控制母线电压、线路有功和无功潮流,具有灵活控制系统潮流、最大化电网传输能力及改善系统稳定性等多种功能,代表着柔性交流输电技术发展的制高点[7,8,9,10,11,12]。UPFC的核心是基于全控器件的电压源换流器。 UPFC的变流器含有较高开关频率的电力电子器件,因此适合采用电磁暂态仿真研究其本身的暂态特性,但是受电磁暂态仿真速度和规模的限制,电磁暂态仿真并不适合用于研究大规模交直流系统之间的相互作用。 在对含UPFC的交直流输电系统进行稳定性分析时, 可以忽略谐波对系统的影响,只需考虑柔性直流输电系统基频下的运行与控制特性。 因此建立一个能够正确反映UPFC系统基频暂态特性的机电暂态模型即可较精确地对含有UPFC的交直流系统的稳定性开展研究,并以此来建立适应该交直流系统的系统控制策略。
本文首先简要介绍UPFC的暂态模型; 随后针对南京西环网近况及未来发展中存在的问题, 阐述UPFC在南京西环网投运的可行性、必要性和必然性, 并根据南京西环网的网架特征, 对UPFC的系统控制策略进行讨论与研究; 最后利用建立UPFC暂态模型和系统控制策略对UPFC投运后系统暂态特性进行分析,并得出结论:南京西环网UPFC工程具有较好的暂态特性,所设定的系统级控制策略具有较强适应性。
1 UPFC的暂态建模
UPFC的数学模型由VSC换流器及电流内环控制器模型、外环控制器模型组成。
1.1 VSC换流器及电流内环控制器
UPFC的VSC换流器及电流内环控制器的模型如图1所示。
图1中电流内环控制器通过调节VSC换流器的输出电压参考值udref和uqref,使交流侧电流的d,q轴分量isd和isq跟踪外环控制器输出的电流指令值isdref和isqref。 为消除d,q轴之间的电流耦合和电网电压扰动, VSC换流器可采用电流解耦控制, 其电流控制器的d轴和q轴成为2个独立的控制环。
图1中的UPFC输出电压参考值udref和uqref的计算公式:
现引入2个新的状态变量:
则可得到状态变量Mid和Miq时域下的2个微分方程:
将式(2)代入式(1),得:
1.2外环控制器模型
外环控制器向内环电流控制器提供交流侧电流的d,q轴分量的指令值isdref和isqref。 为达到UPFC的控制目标,VSC换流器主要有定直流电压控制、 定交流电压控制、定线路潮流有功分量控制、定线路潮流无功分量控制、定串联电压幅值控制、定串联电压相角控制等基本控制方式。 为了保持系统有功平衡和直流电压稳定,必须有一个VSC换流器采用定直流电压控制。 VSC换流器所采用的控制方式及控制目标指令值由UPFC系统级控制策略产生。并联VSC换流器可采用定直流电压控制和定交流电压控制,串联VSC换流器可采用定线路有功潮流控制、定线路无功潮流控制或定串联电压幅值控制、定串联电压相角控制。
外环控制方式的框图如图2所示。 U1为并联VSC换流器接入母线电压幅值;P,Q分别为被控线路传输的有功、无功功率;Use,θ 分别为串联变压器向系统注入的电压幅值和相角。 Udcref为直流母线电压幅值的指令值;U1ref为并联VSC换流器接入母线电压幅值的指令值;Pref,Qref分别为被控线路传输的有功、无功功率的指令值;Useref,θref分别为串联变压器向系统注入的电压幅值和相角的指令值。
2南京西环网UPFC工程简介
南京西环网系指南京主城220 k V环网西部是南京城网主要负荷中心。 目前,该区域供电电源主要由500 k V东善桥变、 龙王山变从南北两端共同供电,区域内还有华润板桥电厂、华能南京电厂等机组。 2016年为满足负荷的增长,南京西环网网拟建设500 k V秦淮变向西环网中南部地区供电,同时相应配套秦淮— 滨南第二通道(其中绝大部分为电缆通道)也于同期投运。2017年至2020年,根据规划,南京电网还将投运500 k V秋藤变向西环网供电[13，14],如图3所示。
由于南京主城环网的电网结构及电源、负荷分布特点,上述西环网供电的主要输电通道存在较严重的潮流分布不均情况,其中500 k V龙王山变向西环网的220 k V输电通道潮流偏重, 尤其是西环网内220 k V晓庄南送下关、 中央门断面潮流过重情况尤为突出, 而500 k V东善桥变向西环网的220 k V输电通道潮流较轻, 从而影响了南京电网向西环网的整体供电能力和安全可靠水平。 500 k V秋藤变及配套220 k V送出线路投运后, 虽然在一定程度上减缓了西环网北部220 k V送电断面的潮流,但由于负荷的增加,西环网部分输电断面(晓庄南送断面、绿博园送出断面)潮流仍无法满足N-1校核。 因此负荷的增长迫切需要采取措施来提高西环网的供电能力和安全可靠性。
在南京西环网采用常规规划方案来提升供电能力面临 “两难”局面。 一是近期和远期的“两难”,近期增加通道,代价高昂;远期不发挥作用。 二是供电能力和安全可靠兼顾的“两难”,为保证潮流均衡,需开断西环网,但变电站和电网的安全可靠水平下降。 同时,南京西环网又具备了适合应用柔性输电技术的如下特点:
(1) 从区外两端受电的模式不变, 区内负荷增长较为平缓,电网网架结构相对稳定;
(2) 区内输电通道的开辟极为困难;
(3) 潮流分布不均,在电网总体输电能力不足的同时又有部分输电通道潮流较轻,输电能力得不到发挥。
经研究发现, 近期南京西环网需要减轻晓庄南送断面的潮流,以保证其满足N-1校核;远景(华能南京关停后)则需要提升晓庄南送通道的潮流,减轻秋藤北送通道的输电压力。 另外西环网开机方式对潮流控制的需求也有影响, 当华能南京机组或华能金陵燃机停机时, 可能出现潮流控制需求由减轻潮流到提升潮流的变化。
因此南京西环网装设的柔性潮流控制装置应具备暂态双向调节潮流的能力。 尽管应用UPFC的方案在投资上略高于应用晶闸管分级投切移相器的方案,但在潮流控制能力、 可靠性、 技术成熟度等方面全面占优。 所以在南京西环网更适合建设UPFC工程来解决其潮流分布不均、供电能力受限的问题。
UPFC工程的控制目标是通过控制晓庄南送断面的功率优化南京西环网的潮流分布。 为实现UPFC的潮流控制目标, 南京西环网UPFC工程最终决定在铁北开关站,采用如下系统方案,如图4所示。 在推荐的系统方案下,晓庄变仅有华能南京电厂、铁北2个方向的电源进线。 由于电厂出力及晓庄变负荷在短时间内不会频繁突变, 因此UPFC能够通过控制晓庄—铁北双线潮流将晓庄南送断面的潮流控制到目标值。
3 UPFC接入系统后的控制策略
3.1控制模式
UPFC装置在运行时存在2种控制模式。
(1) 模式1(按功率目标控制模式):UPFC装置按系统级控制策略自动或运行人员手动确定的铁北—晓庄线路的有功、 无功控制目标自动调节UPFC需要输出的电压幅值、相角,从而将铁北—晓庄线路功率控制到设定值。
(2) 模式2(定串联电压模式):UPFC装置直接按运行人员手动指定或装置在最小运行方式下自动指定的UPFC输出电压幅值、 相角目标将UPFC输出电压幅值、相角控制到目标值,从而调节潮流。
上述2种模式中,正常情况下主要使用模式1。 在模式2下,UPFC基本按固定移相角的方式调节电网潮流,控制效果与移相变压器类似。 南京西环网UPFC系统级控制原理框架如图5所示。
在分析电网正常运行状态以及南京电网不同地区N-1故障后UPFC的控制目标值变化情况后, 提出如图6所示的系统级控制策略。 所制定的系统级控制策略, 在电网正常运行状态下优先保证断面潮流控制目标, 在系统发生故障导致线路过载时优先保证线路不超过其功率限值。
3.2控制思路
UPFC在运行过程中,其系统级控制思路。
(1) 系统正常运行状态下, 如果监测的线路一直未过载, 则UPFC装置控制目标由断面功率控制模块产生,保证断面实际功率达到设定值。
(2) 当监测到某条线过载后, 越限控制模块自动投入,系统级控制策略根据过载线路的过载量,发送铁北—晓庄线路功率的目标值给换流器控制装置, 降低或提升铁北—晓庄线路功率,通过实时闭环控制,将过载线路功率降至设定值。 UPFC装置控制目标由断面功率控制模块和越限控制模块共同产生。
(3) 越限控制模块投入后, 过载线路的功率将被固定在设定值, 即使其自然潮流已经低于设定值, UPFC也会进行控制增加该线路的功率至设定值,使得UPFC无法退出功率控制模式。对此,系统控制策略中增加了应对逻辑:实时监测断面实际功率,当断面设定功率减去实际功率小于设定死区(-20 MW)且各监测线路功率限额减去线路实际功率大于设定死区(1 MW)时,越限控制模块退出运行,UPFC装置控制目标重新由断面功率控制模块产生。
(4) UPFC将实时监测铁北站、 晓庄站、 尧化门站、秦淮站和绿博园站(远景)接入的线路,如果监测到任意一条线路因故障断开, 则认为系统处于N-1状态,否则认为系统处于正常运行状态。判断线路过载的功率限额,分为电网正常运行状态和N-1状态2套定值。 根据监测到的电网运行状态自动切换。
(5) 越限控制模块留有一定的控制裕度(暂定2 MW),保证线路输送功率距离线路功率限额存在一定裕度。
(6) 系统控制策略中断面功率设定值由调度员远方给出,如断面功率还未达到设定值时,出现监测的线路过载,则以监测线路不过载为优先控制目标。
(7) 铁北—晓庄线路过载, 优先控制铁北—晓庄线路功率不超过功率限额。
4仿真验证
根据潮流分析结果,2020年华能南京电厂关停、 500 k V秋藤变电站江南侧主变投运后,UPFC需采取的控制策略如下:正常方式下,晓庄南送断面功率控制到450 MW, 以保证220 k V绿博园—码头双线满足N-1校核;N-1后, 晓庄南送断面功率仍控制到450 MW。在该控制策略下,UPFC投入后,正常方式及N-1 (无故障跳开)后晓庄南送断面功率的变化曲线如图7所示。
图7中,UPFC在3 s开始调节线路功率;10 s时晓庄—中央线路无故障跳开。 由图7可知,2020年华能南京电厂关停、500 k V秋藤变电站江南侧主变投运后, 示范工程UPFC在正常方式下能够迅速将晓庄南送断面的功率控制到目标值(450 MW);晓庄南送断面1回线无故障跳开后, 系统能够保持稳定,UPFC能够将晓庄南送断面的功率控制到目标值(450 MW)。
当晓庄南送断面1回线发生三相永久故障时,为保证UPFC装置安全, 在故障切除前UPFC换流器会退出运行,在故障切除后,UPFC将重新投入。 在预定的控制策略下,晓庄南送断面N-1(三相故障跳开)后断面功率变化曲线如图8所示。
图8中,UPFC在3 s开始调节线路功率;9.88 s晓庄—中央线路发生三相永久故障,UPFC退出;10 s故障切除,UPFC重新投入。 当220 k V绿博园—码头1回线发生三相永久故障时,为保证UPFC装置安全,在故障切除前UPFC换流阀会退出运行,在故障切除后, UPFC将重新投入。 在预定的控制策略下,220 k V绿博园—码头双线N-1(三相故障跳开)后剩下1回线功率变化曲线如图9所示。
图9中,UPFC在3 s开始调节线路功率;9.88 s绿博园—码头1回线路发生三相永久故障,UPFC退出; 10 s故障切除,UPFC重新投入。
由图8、图9可知,在晓庄南送断面或220 k V绿博园—码头双线发生较严重地故障冲击(三相故障跳线路)的情况下,系统能够保持稳定,UPFC能够控制潮流使得事故后剩下的1回线潮流不越限。 可见2020年华能南京电厂关停、500 k V秋藤变电站江南侧主变投运后,UPFC仍具有较好的暂态特性,不仅能够在系统未发生扰动时迅速实现功率控制目标; 在系统发生较轻的大扰动(无故障跳线路)及较严重的大扰动(三相故障跳线路)后,均能保持系统稳定,并实现其潮流控制目标。
仿真结果显示, 本文所建立的UPFC机电暂态模型能够很好地描述含UPFC的系统在故障过程中的机电暂态过程; 控制策略对电网正常运行状态以及南京电网不同地区N-1故障均具有较好的适应性。
5结束语
(1) 推导了UPFC的机电暂态模型, 实现了含UPFC的系统潮流计算和机电暂态仿真。
(2) 提出南京西环网UPFC系统级控制策略。 所制定的系统级控制策略, 在电网正常运行状态下优先保证断面潮流控制目标, 在系统发生故障导致线路过载时优先保证线路不超过其功率限值。
统一控制策略 篇4
1 工作原理
UPQC可以看成由串联型有源电力滤波器(SAPF)和并联型有源电力滤波器(PAPF)组成,其基本电路拓扑如图1所示。
为了更明确说明其工作原理,将进一步采用相应的相位分析,补偿相位图如图2所示(假设电网电压US为参考电压,UL为负载电压,Uinj为串联侧注入电压)。
由图2可得,SAPF和PAPF可以分别看成一个可控的理想电压源和一个可控的理想电流源,分别补偿电网电压跌落、谐波和无功。本文提出的新型控制策略,是保持补偿电压注入角γ恒定在90°,同时根据相应的负载功率因数角、电压跌落程度决定串联侧补偿电压的幅值和注入角,使得串联侧不消耗任何有功,同时能够减小并联侧无功补偿容量,则得负载电流和电网电压。
其中,φ为负载电流的滞后角,θ为补偿后负载电压超前原负载电压角度,β为并联侧无功电流补偿注入角度,β=θ+90°或θ-90°。
2 UPQC稳态功率分析
在实际工作过程中,UPQC可以工作在φ>θ、φ=θ和φ<θ3种工况下,但是工作性质是完全一样的,本节将以图3为例对UPQC进行稳态功率分析。
该控制策略能够有效地维持负载电压稳定,且保证负载所需的有功,则可得到式(3)(4)。设k为电网电压跌落程度,串联和并联侧的有功、无功分别用PSer、QSer和PShu、QShu表示,UPQC中总的无功功率用QAll表示。
由于负载所需的有功是恒定的,即
在△OBC中
由以上的各个量计算所得串联侧的有功和无功功率为
将式(6)(7)代入式(8)可得:
在△ODE中,可求得IC1:
将式(3)(6)代入式(10),可得:
其中,ZShu是并联侧的电感阻抗。
将式(3)(11)代入式(12),可得:
式(9)(13)之和就是整个串联、并联系统所需总的无功功率QAll,且QAll=f(k,φ,θ),由于变量k能够反映变量θ,所以QAll=f(k,φ)。
当电网电压跌落20%(k=0.2),根据式(9)(13)得串联侧、并联侧所需容量分别是0.525 p.u.和0.192 7 p.u.(假设U L*=IL*=1 p.u.),QAll=0.717 7 p.u.。而利用传统控制策略下的UPQC在同样的条件下串联侧、并联侧所需容量分别是0.175 p.u.和0.789 3p.u.,则QAll=0.964 3 p.u.[14]。
从以上数据可以看出该新型控制策略能够有效减少整个系统所需的能量,也进一步证明该控制策略的优越性和可行性。
3 UPQC控制策略
3.1 恒频滞环控制
滞环控制具有实现简单,动态响应快,对负载适应能力强等优点。但开关频率不固定易产生过大脉动电流和开关噪声,同时开关频率、响应速度和电流跟踪精度易受环宽影响。为了尽量避免滞环控制缺点,本文采用基于恒频滞环控制策略。
由图4滞环控制电流输出图可得滞环控制的工作周期:
其中,Sr为实际信号上升过程斜率,Sd为实际信号下降过程斜率,Sr*为指令信号斜率。当电路完成以后Sr*、Sd和Sr值将固定不变。要想保持开关频率恒定可以通过改变滞环控制器带宽来实现。
3.2 串联、并联侧控制单元
本文使用的串联侧控制策略不仅能够补偿电网电压的跌落,而且能够有效地消除电网电压谐波。根据控制策略,首先计算补偿后负载电压超前原负载电压角度θ,再通过锁相环和相应的相角计算得到各相的相对于电压跌落的补偿电压Uinj,最后将Uinj与基于p-q理论谐波检测法检测的各相谐波构成串联侧的注入电压U*Ser,通过恒频滞环产生相应的串联侧驱动信号。其控制图如图5所示。
并联侧控制采用单周控制,利用单个积分器实现。除了补偿负载电流的无功和谐波,同时起到保持直流侧电压恒定的作用。让直流侧电压UDC跟踪设置的参考值,其控制原理图如图6所示。
4 仿真实验
对基于串联侧无有功注入的优化控制策略进行仿真,有效证明该控制方式的可行性与准确性。
本文不仅对线性负载进行了仿真,同时对电力系统最恶劣情况(即电网电压含有大量谐波且在0.2 s时电网电压和非线性负载同时发生突变)进行了仿真,仿真波形见图7、8,其中电压仿真波形图依次是电网电压uSi(i=a、b、c,下同)、负载电压uLi、串联侧补偿电压uSeri和直流侧电压UDC,电流波形图依次是负载电流iLi、并联侧补偿电流iCi和电网电流iSi。参数设置:电网电压为100 V且含幅值为5 V的3、5次谐波;额定负载电压为100 V;线性负载R=10Ω,L=1 m H;非线性负载R=10Ω,幅值为5 V的3次、5次谐波源,0.2 s突加幅值为10 V的7次谐波源。
5 结论
a.UPQC新型控制策略具有电路简单、实现方便、动态效果好等优点。用于三相UPQC控制完全可行。
b.采用该新型控制策略UPQC具有响应速度快,时间延迟小,即其动态性能好的特点。在电压骤降(20%)和负载突变期间,负载端电压和电网电流都能快速达到稳定。
c.该模型对电网侧含有谐波同时伴有电压骤降和负载突变的过程,表现出了同时完成电压补偿、谐波抑制和快速负载无功补偿的特性,使用户侧电压和电网电流保持为稳定的正弦基波。从仿真图7(a)和8(a)可以看出,用户侧无论在线性负载还是非线性负载下电压波形为完整的基波。
统一控制策略 篇5
电网中大量非线性负荷、冲击性负荷的不断增加,对电网电能质量的影响日益加重。而随着科技和工业的发展,电力用户对电能质量的要求越来越高。因此,如何提高电网的电能质量问题成为了电力系统研究领域中的一个热点[1,2,3]。
统一电能质量调节器( UPQC) 是一种基于现代电力电子技术的综合电能质量调节装置,它兼顾动态电压恢复器( DVR) 和有源滤波器( APF) 的功能,既能治理电网电压跌落、三相不平衡、谐波等电能质量问题,又能补偿负载引起的谐波、无功电流等问题[4,5,6]。现有的UPQC控制策略根据负载电压补偿前、后的相位和直流侧提供的补偿能量的不同,可以分为同相位控制( UPQC_P)[7,8]、纯无功功率补偿控制( UPQC_Q)[9,10]和能量优化控制[11,12,13]等。同相位控制虽然在实际工程中得到了广泛应用,但是该控制方法的补偿电压与电源电压同相位,只能对电源电压进行幅值的补偿,不能补偿相角变化,仅适用于对相位跳变不敏感的负荷进行电压补偿。纯无功功率补偿控制是通过控制UPQC串联补偿单元输出补偿电压的相位与电网电流相垂直,来达到UPQC仅向电网注入无功功率而不消耗有功功率的目的。然而纯无功功率控制方法受限于UPQC串联补偿单元的电压补偿能力,仅适用于电网电压跌落较小的情况,当电网电压跌落较严重时,该控制方法无法完全补偿电网的电压跌落。文献[11-12]研究了UPQC的能量优化控制方法,但仅针对电网发生三相平衡电压跌落故障的情况,没有考虑电网在三相不平衡电压跌落情况下的能量优化问题。文献[13]研究了三相不平衡电压跌落故障下的UPQC能量优化问题,但仅考虑使UPQC串联补偿单元的有功功率最小,没有综合考虑UPQC串联补偿单元和并联补偿单元总补偿能量的最优化问题。
本研究对三相不平衡电压跌落故障情况下的UPQC能量优化问题进行研究,综合考虑UPQC串联补偿单元电压补偿和并联补偿单元电流补偿所需的总补偿能量; 根据UPQC三相不平衡跌落故障下的基波相量图,分析UPQC的最优稳态功率,并依据UPQC主电路总补偿能量最小的原则,对串联补偿单元补偿电压的注入角 θa、θb、θc进行优化。
1UPQC拓扑结构和工作原理
UPQC的拓扑结构图如图1 所示。它主要由一个串联补偿单元和一个并联补偿单元组成,串联补偿单元和并联补偿单元共用一个直流母线电容。
串联补偿单元通过变压器串联在电网和负载之间,主要用来补偿电网电压的谐波、电压跌落和不平衡等问题,保证负载侧的电压质量; 并联补偿单元与负载并联连接,主要用来补偿负载侧的电流谐波和无功,保证电网侧的电流质量。UPQC工作时,串联补偿单元可等效为一个受控电压源,而并联补偿单元可等效为一个受控电流源,其等效电路图如图2 所示。
2UPQC能量优化
电网发生带有相位跳变的三相不平衡电压跌落时的UPQC相量图如图3 所示。
ULa,ULb,ULc—负载电压;Usa,Usb,Usc—电网电压,其中下标1、2分别表示电网发生电压跌落前和发生电压跌落后;γa,γb,γc—电网电压跌落后电网电压的相位跳变角;θa,θb,θc—电网电压跌落后的补偿后负载电压与电网电压之间的夹角;Uinja,Uinjb,Uinjc—UPQC串联补偿单元输出的补偿电压;αa,αb,αc—补偿电压的相角
电网发生带有相位跳变的三相不平衡电压跌落时的UPQC能量优化即在经UPQC补偿后负载电压保持为额定幅值的三相平衡电压( 相位可以和电压跌落前不同) 的前提下,使得UPQC串联补偿单元和并联补偿单元消耗的总能量最小。
本研究以UPQC单相相量图来推导电网发生带有相位跳变的三相不平衡电压跌落时UPQC消耗的总能量,UPQC单相相量图如图4 所示。
通过UPQC的补偿作用,电网电压跌落前后负载侧的负载电压和负载电流将保持不变,有:
Us1,UL1,Is1,IL1,Ic1,Us2,UL2,Is2,IL2,Ic2—电网电压跌落后的电网电压、负载电压、电网电流、负载电流、串联补偿单元补偿电流;φ—负载功率因数角
电压跌落前电网电压和负载电压相同,所以有:
设其中一相电网电压的跌落量为x( 标幺值) ,即:
则由图4 可以推得UPQC串联补偿单元的补偿电压为:
UPQC串联补偿单元的补偿电压的相角 α 为:
由图4 中Is2、IL2、Ic2相量之间的关系可推得电压跌落后UPQC并联补偿单元的补偿电流和电源电流:
则三相不平衡电压跌落时UPQC串联补偿单元补偿的有功功率和无功功率为:
则UPQC串联补偿单元补偿的能量为:
UPQC并联补偿单元的补偿能量由基波补偿能量和谐波补偿能量两部分构成,基波补偿能量为:
UPQC并联补偿单元谐波补偿能量为:
所以并联补偿单元的补偿能量为:
则UPQC总的补偿能量为: S = Ss+ Sp。S为 θa、θb、θc的函数,所以UPQC的能量优化可以等价于变量为 θa、θb、θc的函数最优化问题,设UPQC串联补偿单元的补偿能力为0. 5UL,则该优化问题可表示为:
由式( 15) 可求得满足UPQC总补偿能量S最小时的 θa、θb、θc,再通过式( 5) 和式( 6) 得到UPQC串联补偿单元所需提供的补偿电压值,从而实现UPQC的能量优化控制。
对式( 15) 所示的优化问题,可以通过粒子群算法( PSO)[14]进行求解。本研究为了实现对统一电能质量调节器的在线实时控制,首先通过PSO算法离线计算出300 种不同三相不平衡电压跌落故障下的优化结果,再基于这300 种优化结果利用Matlab工具箱中的自适应神经模糊推理系统( ANFIS) 工具进行数据训练。实际控制中笔者根据三相不平衡电压跌落故障情况和ANFIS数据训练结果得到所需提供的补偿电压值,从而实现对统一电能质量调节器的在线控制。
3UPQC控制策略
UPQC的控制策略包括串联补偿单元的控制和并联补偿单元的控制两个部分。
3. 1 串联补偿单元的控制
UPQC串联补偿单元的控制框图如图5 所示,串联补偿单元的控制首先需要检测出电压跌落程度、相位跳变角和负载的功率因数角,再根据上述检测量通过UPQC能量优化模块计算出补偿能量最小时的补偿电压。其中,电网电压每一相的跌落程度和故障发生时相位跳变角的检测计算可以采用可用于单相电路的瞬时电压dq0 变换方法[15]。该方法通过基于某一项电压构造出一个虚拟的三相系统,再根据三相电路瞬时无功理论计算出该相电压的幅值和相位跳变角。
3. 2 并联补偿单元的控制
UPQC并联补偿单元的控制框图如图6 所示,并联补偿单元采用滞环电流控制,滞环电流控制具有控制简单、动态响应快和对负载适应能力强的优点。并联补偿单元的控制包括谐波电流补偿和稳定UPQC直流母线电压两方面。
4仿真结果
本研究在PSCAD仿真软件中搭建如图1 所示的仿真系统。系统的仿真参数为: 电网相电压有效值Us=220 V,频率为50 Hz,负载相电流有效值IL= 8 A,负载功率因数为0. 8; UPQC串联补偿单元滤波电感为0. 447 5 mH,滤波电容为13. 25 μF,并联补偿单元滤波电感为6 mH;UPQC直流母线电容5000μF,直流侧电压1500V。
仿真系统中,0. 1 s ~0. 2 s时设置带有相位跳变的三相不平衡电压跌落故障: a相电压跌落量xa= 0. 4,相位跳变角 γa= - 10°; b相电压跌落量xb= 0. 13,相位跳变角 γb= 10. 05°; c相电压跌落量xc= 0. 04,相位跳变角 γc= - 12. 16°。
本研究对上述故障条件下的UPQC进行能量优化并计算能量优化下所需的UPQC补偿能量和补偿电压,与采用同相位控制UPQC( UPQC_P) 、纯无功功率补偿控制UPQC( UPQC_Q) 和文献[13]中UPQC补偿方法时所需的UPQC补偿能量相比较,比较结果如表1所示。由表1 可以看出,采用本研究能量优化控制所需的UPQC补偿能量比采用同相位控制( UPQC_P) 所需补偿能量少12.34%,比采用文献[13]中的串联补偿单元最小有功功率输出控制所需的补偿能量少3. 89%。虽然采用纯无功功率控制时所需的UPQC补偿能量最小,但是此时的a相补偿电压已经超过了UPQC串联补偿单元的补偿能力( 110 V) ,在实际应用中是无法实现的。
UPQC能量优化控制策略下的三相不平衡电压跌落和电流谐波治理仿真结果如图7 ~ 10 所示。由图7、图8 可以看出,采用本研究提出的UPQC能量优化控制策略,通过UPQC串联补偿单元输出能量优化下相对应的补偿电压值,使得负载电压在电网发生三相不平衡电压跌落故障时能够维持为额定的电压幅值,即负载电压不受电网电压跌落故障的影响。由图9、图10 可以看出,通过UPQC并联补偿单元的作用,使得电网电流基本不受非线性负载的影响,总谐波畸变率由UPQC补偿前的27.42%降为补偿后的2.26%。
5结束语
本研究提出了一种考虑三相不平衡电压跌落故障的UPQC能量优化控制策略。根据UPQC三相不平衡跌落故障下的基波相量图,笔者分析了UPQC的最优稳态功率,对UPQC串联补偿单元补偿电压的注入角进行了优化,并通过对补偿电压注入角的控制实现UPQC的能量优化控制。
统一控制策略 篇6
关键词：统一电能质量控制器,换流器,电能质量,电压控制,仿真
0 引言
电能质量直接关系到用户侧设备能否正常安全工作,优质供电不仅与民生息息相关,更是国民经济健康发展和总体效益的重要保证。因此,对于电能质量的分析和控制始终是电力行业的重要课题,当今社会更突显其价值。统一电能质量控制器UPQC(Unified Power Quality Controller)由串联电压源换流器(VSC)和并联VSC以及直流储能单元构成,集动态电压恢复器(DVR)、有源电力滤波器(APF)和静止无功发生器(SVG)为一体,用于补偿电流谐波和无功,抑制电压暂降和骤升,全面提高供电质量[1]。
多换流器式柔性交流输电设备近年被提及,其包括通用型统一潮流控制器(GUPFC)[2]和线间潮流控制器(IPFC)[3]等,用于控制多条线路间潮流的流动,优化网络参数,使系统更加安全、高效地运行。多换流器式统一电能质量控制器(MC-UPQC)由3个VSC构成,即在传统UPQC的基础上增加一个串联VSC,用于连接2条相邻的低压配电网络,同时改善2条线路的电能质量[4,5],它是Custom Power技术的新发展。将MC-UPQC用在中低压配电网中,根据系统需要,通过控制策略的调整可以实现诸如谐波抑制、限流等多目标控制功能,为拥有不同短路电流等级的配电网络互连打下基础,推动电网更加经济合理运行。
1 MC-UPQC系统结构和原理
MC-UPQC可以根据实际需要选择换流器的个数,以连接不同的配电网络,改善电能质量。系统配置的灵活性使MC-UPQC在将来很有可能成为网络互连的首选设备。
1.1 MC-UPQC结构
本文研究的MC-UPQC采用三换流器结构,包括2个串联VSC和1个并联VSC,直流侧共用一组电容,连接2条低压配电线路,如图1所示。其中一个串联VSC在靠近电网公共端一侧串接限流电感,可以用于故障限流或动态电压恢复。
1.2 串联VSC
在图1中,线路2的独立换流器有故障限流和动态电压恢复的功能,其结构不同于一般的串联VSC,内部结构图如图2所示。其中L2为线路串接的限流电感;L为连接电感;K为电感旁路开关,用于装置在DVR与故障限流器(FCL)之间切换。图中省略用于滤除高次开关频率的高通滤波器。
串联VSC作为FCL使用时开关K打开,此时有2种工作模式,即限流模式和备用模式[6]。备用模式是在线路正常工作时的运行模式,限流模式是在线路发生短路故障时的短暂运行模式。装置一旦检测到系统电压跌落,开关K立即闭合,串联VSC作为DVR使用,控制策略随即切换。装置作为DVR运行时需消耗有功功率,作为FCL运行,仅有无功功率流动,没有有功损耗,起到节能效果。
1.3 并联VSC
MC-UPQC的并联VSC用于补偿非线性负荷向系统注入的谐波电流和无功,同时控制直流侧电压保持稳定,与传统的APF完成的功能相当。
1.4 换流器配置原则
MC-UPQC的换流器配置有很大灵活性。本文提出的串联VSC兼备补偿电压暂降、抑制电压谐波和限制短路电流水平的功能,达到优化电源供电和提高系统稳定性的目的;并联VSC兼有抑制负荷谐波及向负载提供足够的无功功率的功能,使系统各节点负荷达到入网标准。可以看出,串联VSC和并联VSC的配合使用,不仅优化供电侧,保证高质量电能供应,同时对用户侧也起到限制作用,确保不会污染电网。
由此,当线路负荷对供电可靠性要求较高、同时又实时向系统注入谐波和索取无功时,即属于非线性敏感负荷时,换流器选择串联VSC和并联VSC配合使用;当线路负荷仅属于敏感负荷、并不会对电网造成污染时,选择串联VSC完全可以满足要求,本文研究的MC-UPQC即属于此种情况。
串联VSC与并联VSC虽然可以独立解耦运行,但作为连接2条配电线路的中间装置,换流器之间存在功率的相互流动,下文给出MC-UPQC的控制策略。
2 MC-UPQC的多目标控制策略研究
MC-UPQC的多目标控制体现了VSC控制的优越性。
2.1 故障限流策略分析
如图3所示,串联VSC作为FCL使用时被调制成受控电压源。
在备用模式下,串联VSC输出电压补偿L2上电压降落,即Us=I·jωL2,在忽略线路阻抗的情况下,线路始端与终端电压相等,矢量图如图4(a)所示;在限流模式下,串联VSC输出电压与限流电感电压降落同相位,电源电压由VSC和限流电感分压,负载得到的电压大幅减小,从而将短路电流值限制在某一安全等级,矢量图如图4(b)所示。
由图4可以看出,作为FCL使用时,串联VSC输出电压有效值为[7]:
其中,Uc为装置处于备用模式输出电压。
直流侧电压应满足:
当负载发生故障时,系统电压有效值为:
其中,If为短路电流。
将式(1)代入式(3),有:
在备用模式下有:
将式(5)代入式(4),忽略线路电阻,有:
从式(6)看出,装置的故障限流能力与限流电感L有关,L选取过小,限流不明显,且需要增加VSC容量;L选取过大,成本较高。当串联限流电感确定后,选取2~3倍的额定电流作为FCL限流模式启动电流。通过调节VSC输出电压幅值将短路电流If限制在Idz≤If
2.2 动态电压恢复策略分析
当系统发生电压暂降时,开关K立即闭合,串联VSC作为DVR使用。串联VSC的故障限流与动态电压恢复联合控制策略如图5所示。
首先通过检测电压大小,判断有无电压暂降发生,从而通过开关K对装置的工作状态进行切换;其次,通过检测限流电感上的压降判断是否有故障发生,从而对装置进行模式转换。电压谐波检测采用基于dq0的检测方法,对单相、两相或三相电压出现的电能质量问题能够进行有效的信号提取。直流侧电压的稳定控制由并联APF完成。
2.3 有源电力滤波控制策略分析
电流谐波检测方法选择基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法,可以迅速并且准确地检测出负载电流畸变波形,用锁相环跟踪电源电压相位,跟踪控制算法采用基于空间矢量的滞环电流控制策略。本文采用传统的PI控制策略控制直流侧电压。需要说明的是,当串联VSC作为DVR运行需要有功支持时,并联VSC可以只采用比例调节,向p轴叠加有功分量从而迅速提供直流侧电压。并联VSC控制策略如图6所示。
2.4 线间潮流控制
由前文分析,MC-UPQC作为FCL使用时,系统只控制无功功率,理想情况下无有功功率损耗。公用电容作为中间环节起到有功功率中转站的作用,即当串联侧需要补偿电压暂降时,直流侧电容为其提供有功支持,直流侧电压降低,通过向p轴叠加有功分量,为电容充电。这样功率就从一条线路流向另一条线路。从整体看,可以说当不同换流器交流端存在有功功率不平衡时,将导致有功功率的流动,并且不需要人为增加额外控制策略。当然,若要人为控制功率流向和大小,即作为线间电能质量调节器(IUPQC)使用[8,9,10],需要通过串并联换流器的联合控制策略,本文不作详细讨论。
3 仿真分析
本文研究的MC-UPQC采用三换流器结构,连接2条配电线路,对2条线路的电能质量问题进行综合治理。换流器具体配置如表1所示[11,12,13,14]。
3.1 VSC1功能仿真
本文假定配电线路1电源为380 V工频交流电,于0.1~0.3 s期间发生电压暂降,幅度为20%。负载为星形阻感负载,通过MC-UPQC的串联滤波器补偿电压跌落,仿真结果如图7所示,从上至下依次为电源侧电压、负荷电压和MC-UPQC串联侧输出电压。
从图7可以看出,串联补偿器在电压暂降期间输出补偿电压,使负载供电电压基本维持不变。VSC1检测到电压跌落及开关K的驱动信号如图8所示,从上到下依次为系统电压和开关K驱动信号。
图9给出换流器输出电压与限流电感电压波形图,可以看出,未发生电压暂降时,换流器输出电压与限流电感电压相位相反,幅值相等;暂降发生后,开关K立即闭合,换流器补偿系统电压跌落。
考察MC-UPQC抑制电压波形畸变的能力,设定电源电压在0.1~0.25 s期间受3次和7次谐波干扰,串联VSC进行电压谐波抑制,图10给出仿真结果,从上至下依次为系统电压和负荷电压。可以看出,负载所得电压基本为标准正弦电压,MC-UPQC抑制电压畸变效果良好。
3.2 VSC2功能仿真
为了研究MC-UPQC并联侧有源滤波效果,本文对线路1进行调整,负载改为三相不控整流阻感负载,图11为仿真结果,从上至下依次为系统侧电流、畸变电流参考波形和并联VSC桥臂侧电流。可以看出基于滞环的空间矢量电流跟踪控制策略有较高的跟踪精度和速度,电源电流基本无畸变。
MC-UPQC的并联侧有APF兼有控制直流侧电压的功能,本文采用PI调节器,直流侧电压波形图如图12所示,控制效果良好。
3.3 VSC3功能仿真
假定线路2为380 V工频交流电向星形电阻负载供电,线路负载侧于0.1~0.3 s发生A相接地故障,MC-UPQC的VSC3由备用模式切换到限流模式,图13给出VSC3输出电压与限流电感电压波形图。可以看出,0~0.1 s,换流器输出电压与限流电感电压相位相反,大小相等,换流器无压降;故障期间,换流器输出电压与限流电感电压相位相同,幅值最大输出。图14给出投入MC-UPQC前后的短路电流有效值对比图,可以看出,MC-UPQC对故障电流抑制效果明显。
VSC3输出有功功率和无功功率情况的仿真结果如图15所示,可以看出,换流器只在模式切换瞬间有少量有功损耗,运行时只消耗无功,这也体现了MC-UPQC节能的特点。
从以上仿真结果看出,MC-UPQC换流器配置灵活,控制策略多样,非常适用于多条线路的综合电能质量控制。
4 工程应用分析
本文提出的MC-UPQC由2个串联型VSC、1个并联型VSC、固态断路器、限流电感、直流侧电容器等组成[15,16]。
由于本文研究的装置用于配电系统中,因此换流器的开关管选择目前常用的IGBT或GTO,均可满足要求,并且技术足够成熟;限流电感选择空心电抗器,此装置已广泛应用于各种限流场合,其起始电压分布均匀,线性度良好;用于模式切换的开关K选用固态断路器,它基于电力电子器件,是柔性交流输电(配电)系统中实现电力系统网络结构快速、准确、灵活控制的重要设备,将固态断路器用于MC-UPQC中,无需器件串并联扩容,完全满足串联VSC模式切换的要求,值得说明的是,频繁通断导致的发热及损耗较大,增加必要的冷却装置可确保安全可靠运行;多个换流器连接的配电线路的电压等级应尽可能相同,这是防止功率的长时间定向流动导致装置发热,缩短寿命;基于DSP2812控制的各种电能质量控制器技术已经较为成熟,在软硬件设计上均可为MC-UPQC的工程应用作相关参考。
5 结论
本文研究的MC-UPQC采用三换流器结构进行多目标控制,集动态电压恢复、故障限流及有源滤波等功能为一体,适用于连接2条配电线路。其中,串联VSC用于故障限流与动态电压恢复,限流期间不消耗有功,并联VSC作为APF使用。
统一控制策略 篇7
随着电力系统中非线性负荷、冲击负荷的不断增加,尤其是电力电子变换装置的广泛应用,电网的谐波畸变越来越严重。同时电网电压也经常出现三相不平衡和谐波干扰现象。另一方面,随着各种复杂的精密的,对电能质量要求较高的装置(如计算机)的普及,人们对电能质量提出了越来越高的要求。低劣的供电质量将导致低劣的产品质量,特别是在重要的工业生产过程中,供电的中断或波动将带来巨大的经济损失。
为了消除用户对电网的影响,实现真正“绿色电网”,世界各国均投入了大量资金和人力对各种电能质量控制设备的理论、拓扑结构和控制策略进行了深入研究,包括有源电力滤波器(Active Power Filters)、不间断电源(Uninterruptible Power System)、动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer)和静止无功补偿装置(SVC)等。这些装置都得到了较广泛的应用,但是每一种装置只能解决特定的一些电能质量问题。如有源电力滤波器(APF)是用于动态抑制非线性负载产生的谐波电流和无功电流;动态电压恢复器(DVR)用于动态抑制电网电压谐波、骤降、闪变等电压质量问题。在这种背景下日本学者H.Akagi于1996年提出新的补偿装置系统——统一电能质量调节器,它能很好地使串联和并联有源滤波器的特点互补,并能在一定程度上抑制电压闪变,但它不能补偿类似电压长时间降落等电压质量问题[1,2]。随着近几年对DVR研究的快速发展,一些学者提出UPQC的串联侧实现DVR功能,并联侧主要实现APF功能,这样既可解决APF工作会受电网电压干扰影响以及在三相不对称条件下运行等问题,又弥补了DVR不能长时间补偿电压变化的缺陷[3]。但是传统的PWM控制方法实际上仍是将UPQC拆分为APF与DVR,从而分别进行控制[4]。为解决控制方法中的问题,文献[5]提出了一种新的无差拍控制,该方法跟踪速度快,控制精度高,但其控制效果依赖与系统状态空间表达式中的参数精确度,鲁棒性较差。文献[6]提出了一种基于混合灵敏度的H∞控制策略,这种方法虽然提高了鲁棒性,但都有大量的矩阵运算或求解微分方程,不仅运算量巨大,且不易实现数字化。
基于上述考虑,本文将一种新型非线性控制方法——单周控制应用于UPQC的控制,该方法不仅结构简单、易于实现,且能在一个开关周期内消除稳态误差。仿真表明该新型的UPQC具有一定的实用性。
1 UPQC系统的拓扑结构和等效电路
图1为三相三线制系统UPQC的拓扑结构,由两个背靠背的电压型变流器组成,其左侧通过变压器串联入电网,右侧则与电网并联。两变流器之间通过超级电容等储能单元连接。本文应用的UPQC的结构让串联侧执行DVR功能,动态补偿电网电压谐波、跌落和闪变等电压质量问题,使负载电压为基波正弦;让并联侧执行APF功能,补偿负载产生的谐波和无功电流,使流入电网的电流为基波正弦。这种结构的特点是省去了整流环节,而采用一定的控制算法使能量能够在交流侧和直流侧之间双向流动,即变流器工作于四象限。图中的L1、C1和L2、C2分别为串联侧和并联侧的滤波电路。
对于图1所示的系统,可将其变换到两相静止参考坐标d-q下,转换后的UPQC系统d轴等效电路如图2所示,q轴与d轴类似。
2 单周控制的结构和原理
单周控制是在开关放大器的PWM控制基础上发展起来的一种大信号非线性控制技术。最早由美国学者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是:控制开关占空比,在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例,从而消除稳态和瞬态误差。图3所示为单周控制的控制器原理图。由图可见,单周控制器主要由控制器(触发器)、比较器、可复位积分器以及时钟组成。当一个时钟脉冲到来时,RS触发器的S触发,由Q输出控制信号,即控制开关K导通;同时Q输出为低电平,积分器开始对输入量进行积分。随着积分值的不断升高,当积分值上升到控制参考值vref时,比较器的输出结果发生变化,触发器R端使能,Q输出为低电平,从而关断控制开关K;同时Q输出为高电平,复位积分器,使积分器清零,直到下一个时钟脉冲到来,开始新的周期。合理的选择积分器的积分时间常数和时钟周期,就可以保证每个开关周期内控制对象的平均值等于给定值vref。
3 单周期控制的UPQC设计
单周控制在有源电力滤波器上的应用已经趋于成熟,但还没有很好的应用到统一电能质量调节器当中,本文对目前在APF上应用的单周控制策略的工作原理进行深入研究,并将尝试应用到动态电压恢复器上,最后根据UPQC结构特点,提出了基于单周控制策略的UPQC。
3.1 并联侧APF单周期控制
为了分析简单,本文首先从单相有源电力滤波器着手分析,再将分析结果推广到三相三线制有源电力滤波器。图4所示为单周控制单相APF原理图。图中R1和R2为用于对直流电压Vc分压,分压结果为KcVc;Vcref为给定的直流侧电压基准;三个电流is、iL和ip的方向为规定的正方向[7]。
设开关周期为Ts,占空比为D,令Vm=(Rs/Re)Vc,则系统进线电流is、电流采样电阻值Rs与逆变器开关占空比D之间的关系为:
由于开关频率远大于电网电压频率,Vm在一个开关周期内可近似视为常数。由此可以看出通过单周控制即可实现式(1)。取单周积分常数Ti=Ts/2,则单周控制方程为:
图5中的控制部分,即是由式(2)得到的。
三相APF的单周控制原理与单相APF的控制原理相似,只是其控制方程由一个变为三个,并认为三相电流采样电阻值Rsa=Rsb=Rsc=Rs,如式(3)所示。
单周控制三相APF的控制电路原理图如图5所示。其基本思想与单相APF相同,只是又增加了两套控制装置,包括触发器、比较器和可复位的积分器等。且驱动信号的输出稍有不同:单相APF是一个触发器控制四个开关,只需一个触发器;而三相APF的每一个触发器控制一个变流器桥臂的上下两个开关,总共需要三个触发器。
3.2 串联侧DVR单周期控制
UPQC的串联侧是作为DVR控制负载电压,并联侧作为APF控制电源电流。要实现UPQC的“统一”控制,就必须对DVR的单周控制方法进行研究。同单周控制的APF一样,为了分析简单,本文先对单相动态电压恢复器(DVR)的单周控制的原理和结构进行分析,再推广到三相DVR。
图6示出单周控制单相DVR的原理,电源经过变压器的原边串接到负载上,由图中规定的正方向可知,负载两端的电压等于电源电压与变压器原边电压之和。由图6可知为保证负载两端电压Vl在接近额定电压的等级上,当电源电压Vs变化时,相应的变压器电压V1就应做出调整[8]。由上面的分析可知:
设变压器的变比为N,则有:
根据单周控制原理,将Vc视为输入量,即x(t);将V2视为希望输出的给定控制参考信号,即vref。即在一个开关周期Ts内有:
由于开关频率远大于电网电压频率,可认为在一个开关周期内,电压Vc和V2均为常数。这样式(6)可以写成:
将式(4)、(5)和(7)合并,得:
式(8)两边同时乘以直流侧电压的分压系数Kc,得:
三相DVR的单周控制原理及控制方程与单相DVR相似,其控制方程如式(10)所示。三相DVR控制电路部分与单相DVR相同,本文就不再赘述。
从本节的分析可以看出,虽然目前基于单周控制的DVR研究较少,但是将单周控制技术应用于DVR是可行的。
3.3 UPQC的单周期控制
根据上述分析,可知基于单周控制的APF,可实现UPQC中的电流控制;基于单周控制的DVR,可实现UPQC中的电压控制。将这串、并联两部分联合起来便可实现真正意义上的单周控制下的UPQC,如图7所示。单周控制的UPQC很好地解决了串联侧和并联侧的同步控制,而且实现起来算法简单,易于数字化实现。
根据式(3)和式(10)即可实现UPQC的单周控制。式(3)中的Rsa、Rsb、Rsc可根据实际的系统参数选定。isa、isb、isc可利用电流传感器直接测量得到。式(10)中的Vla-Vsa、Vlb-Vsb、Vlc-Vsc即电压补偿量可按照文献[8]上单位正序分量提取的方法来获得。
通过上述理论分析,与传统的三角波比较或滞环比较等控制方法相比,基于单周控制的UPQC的优点主要有:一、能在一个开关周期内消除稳态误差;二、电路简单,实现方便;三、不需要过多的编写软件,大部分都可用硬件搭建,调节速度快;四、无需过多的传感器,仿真中总共用到了七个传感器(三个电压传感器测电源电压Vs,一个电压传感器测直流侧电压Vc,三个电流传感器测电源电流is),相对于滞环比较控制方法,少用了三个电流传感器。下面的仿真分析验证了基于单周控制UPQC的可行性,并通过与传统控制方法比较,证实了单周控制的优越性。
4 仿真分析
应用Matlab仿真软件对单周期控制的UPQC进行动态仿真。使用一个5 k V/50 Hz的三相交流电源,经过定时器接入电网或从电网中切除,模拟电网电压跌落问题;非线性负载由三相不控整流桥构成,直流侧为阻性负载,并在A、B两相之间接一个阻感负载来模拟负载的三相不平衡。
由于在实际中超级电容两侧是两个背靠背的电压型变流器,保证电容器与输入、输出侧电压的关系,选择以下参数:电源相电压有效值为220 V,变压器变比为2:1,超级电容器的参考电压Vc=500V,Rsa=Rsb=Rsc=Rs=0.2Ω。
图8所示为电网在0.05 s时并联接入一个三相交流电源,造成电网电压跌落的波形,从上至下依次为A、B、C三相。
电网电压跌落必然造成负载电压随之跌落,通过单周期控制使之产生一个与电网电压跌落量大小相等、方向相反的电压,可使跌落的负载电压在一个周期内得到恢复。图9为补偿后负载电压波形,可以看出,电压在一个周期内得到恢复,证实了单周控制的可行性,并体现了单周控制策略调节速度快的特点。
图10所示为补偿前负载电流波形,从图10中可以看出,由于负载不平衡,造成负载电流三相之间不平衡。
图11为补偿后电源电流波形。当负载谐波电流流入电网时,引起电源电流相应地发生畸变。通过单周控制使之产生一个与负载谐波电流大小相等、方向相反的电流,客观上可以起到阻止谐波流入电网的作用。如图11所示,经过电流补偿之后,电源电流波形近似为三相平衡的正弦波。
图12为单周控制策略与传统的三角波比较方法的实际补偿的电压、电流波形的比较。将(a)和(b)进行对比,可以看出基于单周控制的电压补偿更精确,尤其是在电网电压没有产生跌落的阶段,补偿过程在一个周期内完成,调节速度快,从而对电网的干扰更小。通过比较(c)和(d),可知单周控制策略下UPQC注入电网的补偿电流高频谐波含量较传统控制方法少很多,波形更加平滑。
5 结束语
本文主要对统一电能质量调节器(UPQC)在控制策略上进行深入的分析,将一种新型非线性控制方法——单周控制应用于UPQC,旨在解决传统方法对电能质量进行补偿时的同步性问题和控制的复杂性问题。本文在分析单周期控制在并联侧APF应用的原理的基础上,尝试将其应用在串联侧DVR中,最后完成对整个UPQC的统一同步控制,实现了真正意义上的单周控制统一电能质量调节器。仿真结果表明基于单周控制策略的UPQC不仅可行,而且由于这种控制方法能在一个开关周期内消除稳态误差且控制简单,这使得其补偿精度和速度都优于传统的控制方法。
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基于故障统一模型的故障检测策略 篇8
根据软错误和电路老化的诱导机制不同, 现有单独对软错误或者老化预测结构进行改进不能满足要求。要将预测老化和检测软错误等其它目标故障整合在一个结构中进行违规检测, 建立新的理论基础。通过数字信号学分析可以得到如下结果:由跳变、毛刺或串扰等引起的延迟故障都可以统一描述为信号稳定违规, 因此可以提出统一的故障检测模型, 从而在检测能力、设计复杂度和成本方面达到要求。
1 研究现状
基于上述要求, 对于统一故障模型, SV期望研究的目标故障类型如下:
(1) 软错误。包括单事件翻转 (Single Event Upset, SEU) 和单事件瞬态 (Single Event Transient, SET) [3]。如果一些高能辐射粒子诱导存储单元发生翻转, 这种偶然的翻转被称为SEU。如果粒子导致某个组合逻辑的节点收集了足够多的电荷, 可以产生瞬态电流脉冲。该脉冲转化成电压脉冲并随着组合逻辑向下传播。这种类型的错误被称为SET。基于3种屏蔽效应[4], 软错误可能被捕获:逻辑屏蔽, 电屏蔽和锁存屏蔽。
(2) 老化延迟。老化效应, 例如负温度不稳定性导致的老化延迟可以用来对老化进行预测[5]。通常, 老化延迟是时间的一个累积效应。它的检测时间窗为TGB。
(3) 延迟故障。延迟故障是指传统的延迟故障, 一般由器件故障, 包括由缺陷、串扰、电压不稳等导致的时延故障。这类故障的检测通常都在时钟上升沿之后, 与老化检测类似, 都是后检测带 (Detection Slick) , 检测窗口为TDS (即后检测带间隔) 。对于一般的数字电路可以用这样的逻辑模型表示:组合逻辑的输入信号Si来自上一级触发器, 输出So被后一级的触发器捕获, 触发器间使用同步时钟, 周期为T。
对于软错误、老化延迟和延迟故障, 一般在保护带预测老化延迟, 在后检测带检测延迟故障, 如图1所示。用上述信号模型分别对软错误、老化延迟和延迟故障的故障行为进行了分析: (1) 延迟故障。延迟的So会在TDS期间发生SV, 但没有在TGB期间发生的跳变。延迟故障还会在时钟周期的后端导致So的TVV故障, TVV会在下一个时钟周期引起下一级逻辑发生IVV故障。因此, 对于延迟故障来说, SV、TVV和IVV是等效的。 (2) 老化延迟。延迟的So在TGB期间将会导致SV。但老化延迟不会导致TVV或IVV。 (3) SEU。发生SEU的触发器, 其输出端Si会发生的是SV, 之后Si将保持稳定。因此, SV可能会导致下一级触发器捕获到错误的数据, 继而导致发生TVV以及下一级触发器Si发生IVV, 即SEU将表现为SV、IVV或TVV。 (4) SET。对于宽度<TDS+TGB的SET故障, 其行为与普通的延迟故障相似。因此, 对于SET来说, SV、IVV和TVV也是等效的。
综合上述分析, 结论如下:对于上述引起电路时序发生错误、时序违规的各种故障行为都可以统一为SV, 即统一故障模型。
统一故障检测中最重要的单元是信号稳定性检测单元。图2显示了SVFD在电路中的位置及其主要结构。通过插入检测单元的一个关键路径末端, 触发器采用XOR保护检测, 通过将触发器输入端和输出端两路信号送入一个同或门NXORX。当CLKG低电平期间触发器受到SEU时, 其会在或非门B1输出高电平, 导致X节点放电。
检测电路由3部分组成:稳定性检测器 (Stability Checker, SC) 、输出压缩器 (Compactor) 和输出锁存器 (Output Latch) 。稳定性检测器的基本结构来自于在线老化预测, 与之类似, 稳定性检测器也是通过比较一对预充电的节点状态来判断被检测信号上是否发生SV。下面分析SVFD的工作原理。
如图3所示, 稳定性检测器是通过对动态节点S1和S2状态的监测来控制节点S4的状态, 判断电路是否发生故障。然后把信号输出给输出压缩器用于判断故障类型。当经过预充电阶段后, S1与S2均处于高电平, 电路进入检测状态。当组合逻辑输出的信号Co正常时, M3和M4的栅极状态总是互斥的, 即为“0”、“1”或“1”、“0”, S1与S2其中必有一个发生放电。这种情况下, 节点S4会稳定在高电平, 稳定性检测器的输出A1为0, SV没有发生。与之相反, 当Co在在保护区间发生SV, 这时原本保持在高电平状态的节点发生放电, 即S1和S2均处于低电平状态, 从而打开节点S4的下拉网络, 稳定性检测器的输出A1由0变成1。输出压缩器捕获到A1信号, 从而释放节点X的电荷。与节点X相连的两个锁存器分别在不同时钟CLK和CLK锁存X的值, 根据两个锁存器输出a, b的值来判断具体故障类型。
文献[2]在面积开销、功耗、以及故障检测能力等方面都进行了分析, 发现SVFD对于有时序违规引起的电路故障有着较好的检测结构。然后, 它也存在着明显的缺点: (1) 需要额外的控制信号。与其他检测结构相比, 需要额外的控制信号才能保证SVFD的正常工作, 而引入一路控制信号必然增加它的面积开销。 (2) 不适用于高速电路。在SVFD结构中, 大量的保护器被用来保护动态节点高状态的稳定性, 这会导致节点充放电时间的增加, 使其不适用高速电路。
2 高速信号违规检测结构
考虑上述原因, 针对SVFD的稳定性检测器是影响电路在高速电路中运用的主要障碍。根据这个分析, 论文提出了一种高速信号违规检测结构 (Highspeed Signal Violation Detector, HSVD) , 如图4所示。
新的稳定性检测器 (Stability Checker, SC) 在保留原先结构的基础上, 最大的改动是引进了被用于软错误防护时序单元中使用的Muller C单元 (简称C单元) [6]。图5给出了C单元以及对应的真值表。这样就减少了SC中动态节点和补偿动态节点“弱”逻辑所需的保持器的数量, 大幅减少了检测单元的硬件开销。不仅如此, C单元所具有的保持功能加强了SC输出的N1信号的保持时间, 还提高了输出压缩器中X节点的电荷释放时间, 从而避免在高速电路中因X节点放电不足而可能造成的电路检测失效。这种改进大幅提高了HSVD对高速电路的适应能力。
3 仿真与对比
为验证HSVD的功能, 对单个检测单元进行了晶体管级的Hspice故障模拟仿真。图6是使用32 nm PTM工艺模型[7], 对HSVD中几个关键节点状态在5个周期中变化的仿真波形图。其中系统主时钟信号为CLK, CLKS为控制预测时钟, So是组合逻辑输出信号, CLKG为保持时间的控制信号, NXOR是XOR保护的输出信号;在第4个波形图中, 显示了SC内部节点S1和S2随着上述信号变化而出现的状态变化图形;第5个波形显示的是SC输出信号N1以及XOR保护的输出信号, 从图中可以看出, N1信号具有较好的保持性, N1和B1是输出压缩器的输入信号;最后一个图显示了最终的检测结果, 从中可以看出结果对故障的识别。
与其它方案的比较:将HSVD与其他几种方案进行比较。表1列出了与老化预测策略 (Aging Resistant Stability Checker, ARSC) [8]以及SVFD在晶体管数目、时钟信号数量以及检测完备性上的比较结果。面积开销可以利用晶体管数目来估算。可以看出新结构对比传统ARSC具备明显的性能优势, 而增加的开销微小。与原先的SVFD相比, HSVD的硬件开销更少。
4 结束语
相对于目标故障检测, 多故障统一检测具有明显的应用价值。通过对SV的分析, 提出一种适合高速电路的多故障统一检测策略HSVD, 给出了其电路实现。在HSVD的稳定性检测器中, C单元的使用使HSVD更适用于高速芯片。Hspice仿真验证其功能有效, 与已有的机制方案相比也具有面积和功耗的优势。
摘要：随着集成电路制造工艺持续向纳米尺度的推进, 数字电路受老化、工艺误差、软错误等故障所造成的时序偏差越发突出, 严重威胁了电路的“时序安全”。文中通过分析故障影响信号稳定性侵犯模型, 提出了一种新的故障检测模型。该模型扩展了现有的故障检测能力, 通过使用C单元作为稳定性检测器输出单元, 提高了其对高速的适应性。仿真结果显示, 与已有结果相比其具有明显的速度优势和较小的硬件开销。
关键词：时序偏差,在线故障检测,信号稳定性,老化感知
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