基于UPFC风力发电系统控制优化研究
熊宁 朱文广 程虹 王伟 王东山
摘 要： 将统一潮流控制器用于风力发电系统，通过统一潮流控制器优秀的潮流调节功能，对风力发电系统中的功率调节进行有效改善，与传统风电直接接入电网时带来的谐波污染相比，统一潮流控制器的使用能给风力发电注入电力系统的谐波污染带来很大抑制作用，使得系统的功率补偿得到进一步优化。另外，对统一潮流控制器串联侧采用预测控制策略，使得系统的动静态性能有了很大提高，同时降低了控制器的复杂性，有利于EMI滤波器的数字化实现。通过Matlab仿真试验验证了以上策略的有效性和可行性，具有一定应用价值。
关键词： 统一潮流控制器； 风力发电； 无功功率； 预测控制
中图分类号： TN876?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）07?0131?04
Optimization study on wind power generation system control based on UPFC
XIONG Ning1， ZHU Wenguang1， CHENG Hong1， WANG Wei1， WANG Dongshan2
（1. Economic Technology Research Institute， State Grid Jiangxi Electric Power Company， Nanchang 330043， China；
2. Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300384， China）
Abstract： The unified power flow controller （UPFC） is applied to the wind power generation system. The power regulation performance of the wind power generation system is improved effectively by means of the excellent power flow regulation function of the UPFC. In comparison with the harmonic pollution when the traditional wind power generation is accessed into the power grid directly， the UPFC can restrain the harmonic pollution when the wind power generation is injected into the electric power system， and optimize the system power compensation further. The predictive control strategy is adopted in the series side of the UPFC to improve the static and dynamic performances of the system greatly， reduce the complexity of the controller， and is beneficial to the digital implementation of the EMI filter. The effectiveness and feasibility of the above strategy were verified with Matlab simulation experiment， and the scheme has a certain application value.
Keywords： UPFC； wind power generation； reactive power； predictive control
0 引 言
电力系统的无功功率是改善电能质量、降低有功损耗以及保证系统经济、安全运行的重要因素。无功功率关系到系统的电压水平，因此是衡量电能质量的重要指标[1]。它不仅对电力用户有着极为重要的影响，同时也是维持系统安全稳定运行的重要保证；电压的降低，将会造成电网传输能力降低、有功损耗增加、用户电气设备不能正常运行或设备工作效率降低等一系列问题。因此，实现无功功率的优化控制，对降低有功损耗、提高系统安全运行水平有着重要的意义。
风力发电是新能源發电领域最重要的一部分，风能清洁，成本低，目前已经运用于世界各国。然而，传统的风力发电接入电网的电能质量普遍都不高，给系统注入的谐波普遍都较大，且输入的有功功率和无功功率的调节普遍存在响应较慢的问题[2]，使得风力发电系统的动静态性能都不高。统一潮流控制器（UPFC）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，并被引入电力系统[3?5]。背靠背型功率变换器组成的UPFC综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，包括电压调节、串联补偿和移相等所有能力，可以同时并非常快速地独立控制输电线路中有功功率和无功功率[6]。UPFC可以控制线路的潮流分布，有效地提高电力系统的稳定性。
风力发电系统引入UPFC，将对电力系统谐波治理和无功功率优化起到很大的治理作用，利用UPFC优秀的调节性能对风力发电系统的动静态性能也将起到很大的提高作用，响应更迅速[7?8]。预测控制是一种动态实时控制策略，有利于非线性控制，算法简单，控制精度较高，动态性较好[9?10]。为此，本文针对基于UPFC的风力发电系统串联侧采用预测控制策略，并联侧采用PI控制，通过UPFC同步协调控制，对系统的潮流进行控制，对系统的无功功率进行优化研究。
1 UPFC工作原理与结构模型
1.1 UPFC工作原理
UPFC最常见的结构如图1所示。
UPFC是由两个共用直流电容的电压源变换器组成[11]。变换器VSCl通过变压器[Tsh]并联接入系统，其作用相当于一个并联电流源，向连接点注入一个幅值可调的无功电流，控制与系统交换的无功功率从而控制电压[Us]的幅值相位，同时通过直流电容提供串联侧所需的有功功率，保持UPFC内部有功平衡，维持[Vdc]不变。变换器VSC2由变压器[Tse]串联接入系统[12]，相当于一个串联电压源，向系统提供一个幅值和相位均可调的串联电压[U1，]以控制线路上的有功和无功。
1.2 UPFC数学模型
根据图1可知UPFC串联侧满足如下关系：
[PrQr=23VoαVoβ-VoβVoαIoαIoβ] （1）
考慮到串联母线和VSC2侧的变比关系[10]，有：
[NsrbNsru=IsrIo] （2）
因此将有功功率给定值[P?o]和无功功率给定值[Q?o]代入，得到以下关系式：
[I?srαI?srβ=23NsrbNsru1V2oα+V2oβVoαVoβVoβ-VoαP?rQ?r] （3）
由式（3）可知，通过控制注入的电流能改变与系统交换的功率大小，并以此来控制接入点的电压幅值和相位。为使UPFC内部的有功平衡，即保持直流电压恒定，必须满足：
[Pdc=Psh-Pse] （4）
有功的交换将影响[Pdc]的大小，直流电容上电压值将随[Pdc]的改变而改变，因而控制[Ishd]就能控制直流侧的电压。
并联侧与系统交换的无功功率主要由[Ishq]决定，无功功率的交换将直接影响并联点电压。因此UPFC的并联侧可以通过改变[Ish]来影响与系统交换功率的大小，从而控制并联接入点电压[Us]和直流侧电压[Vdc]的大小。
2 风力发电机的动态模型
[dq]坐标系下的电机定子电压方程和机械运动方程为：
[u1d=-Rsi1d+ω1Lqi1q-Lddi1ddtu1q=-Rsi1q-ω1Ldi1d-Lqdi1qdt+ω1ψf] （5）
[Tm-Te=JNpdω1dt+Bwω1] （6）
式中：[u1d，][u1q]分别为定子电压在d轴和q轴的基波分量；[Rs]为定子电阻；[i1d，][i1q]分别为定子在d轴和q轴的电流基波分量；[Ld，Lq]分别为永磁同步发电机的d轴和q轴电感；[ω1]为电角速度；[ψf]为永磁体磁链；J为转子的转动惯量；[Np]为永磁同步发电机的极对数；[Bw]为转动粘滞系数；[Tm]为风力机输入到永磁同步发电机转子的机械转矩；[Te]为发电机的电磁转矩，其表达式为：
[Te=32Npi1q（Lq-Ld）i1d+ψf] （7）
永磁同步发电机，[Ld=Lq，]此时电磁转矩方程为：
[Te=32Npi1qψf] （8）
可以通过调节电流来调节永磁同步发电机和风力机的转速，使之保持最佳叶尖速比的状态。
3 风电系统UPFC预测控制
根据图1，由KVL定理可得VSC2串联侧输出端的电压方程为：
[Lddti2+Ri2+u=u2] （9）
式中：[u2]表示VSC2一次侧输入电压；[u]表示VSC2二次侧输出电压；[i2]表示VSC2二次侧输出电流。[R]和[L]分别表示VSC2二次侧输出滤波电路的电阻和电感[13?14]。在[αβ]坐标系下，式（9）可以表示为：
[Lddti2α+Ri2α+uα=u2αLddti2β+Ri2β+uβ=u2β] （10）
设采样周期为[Ts，]式（10）经离散化，得：
[u2α（k）=Ri2α（k）+uα（k）+Li2α（k+1）-i2α（k）Tsu2β（k）=Ri2β（k）+uβ（k）+Li2β（k+1）-i2β（k）Ts] （11）
本文采用预测电流控制，即在两相静止坐标系下对UPFC的VSC2变流器进行预测控制。将式（11）转化为：
[uα（k）=u2α（k）-Ri2α（k）-Li2α（k+1）-i2α（k）Tsuβ（k）=u2β（k）-Ri2β（k）-Li2β（k+1）-i2β（k）Ts] （12）
式中：[i2α（k+1）]和[i2β（k+1）]分别指第[k+1]次采样周期时输入电流的采样值，这里分别用给定值[i*2α]和[i*2β]代替，可得：
[u*α（k）=u2α（k）-Ri2α（k）-Li?2α（k+1）-i2α（k）Tsu*β（k）=u2β（k）-Ri2β（k）-Li?2β（k+1）-i2β（k）Ts] （13）
式中：[u*α]和[u*β]作为空间矢量脉宽调制算法（SVPWM）的参考给定，由式（8）可得线路潮流给定值[p?o]和[q?o]。控制框图如图2所示。
4 仿真分析
在Matlab的Simulink下建立仿真模型，分别建立含UPFC直驱永磁同步风力发电仿真系统，同时建立预测控制和普通PI控制的风电系统仿真，对其仿真结果进行对比分析。仿真参数为：电网电压和频率分别为690 V和50 Hz，网侧电感和电阻分别为0.6 mH和0.03 Ω。功率基准值为1.5 MW，无功功率指令初始值为0 pu。风速为10 m/s，大气密度为1.225 kg/m3。同步发电机额定功率为1 MW，极对数为28，定子电阻为0.005 Ω，定子d轴和q轴电感皆为4.0 mH，定子额定电压为690 V，定子额定电流为1 000 A。
风速变化图如图3所示，一次侧电压图如图4所示，线路一次侧电流图如图5所示。
不同控制策略下，指令值在0.08 s时从0.15 pu变为0.2 pu，系统的无功功率响应图分别如图6，图7所示。
由图6可以看出，线路无功功率波动较大，动态响应较慢。
由图7不难看出，预测控制下的无功功率响应要明显优于图6普通PI控制下的无功功率，而且动静态性能也更佳。
5 结 论
采用UPFC的风力发电系统具备优秀的潮流控制功能，能快速调节系统的无功功率，使系统电压水平保持在平稳状态。采用预测控制策略的UPFC风力发电系统，相比较于传统的UPFC风力发电系统的无功功率调节性能更佳，更能满足现代电力系统快速调节的要求，控制精度更高，也更有利于元件设计的数字化实现。
参考文献
[1] 郎永强，张学广，徐殿国，等.双馈电机风电场无功功率分析及控制策略[J].中国电机工程学报，2007，27（9）：77?82.
[2] 杨恩星，仇志凌，陈国柱，等.并联双PWM变流器在低速永磁直驱风力发电系统中的应用[J].电力系统自动化，2009，33（10）：95?98.
[3] SCHAUDER C D， GYUGYI L， LUND M R， et al. Operation of the unified power flow controller （UPFC） under practical constraints [J]. IEEE transactions on power delivery， 1998， 13（2）： 630?639.
[4] GOLSHANNAVAZ S， AMINIFAR F， NAZARPOUR D. Application of UPFC to enhancing oscillatory response of series?compensated wind farm integrations [J]. IEEE transactions on smart grid， 2014， 5（4）： 1961?1968.
[5] DUBEY R， SAMANTARAY S R， PANIGRAHI B K， et al. Adaptive distance relay setting for parallel transmission network connecting wind farms and UPFC [J]. International journal of electrical power & energy systems， 2015， 65： 113?123.
[6] 朱鹏程，刘黎明，刘小元，等.统一潮流控制器的分析与控制策略[J].电力系统自动化，2006，30（1）：45?51.
[7] 顾威，李兴源，魏巍.基于UPFC的风电场稳定性动态仿真研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（11）：70?74.
[8] 唐爱红，卢俊，周新民，等.基于UPFC的风力发电功率控制研究[J].武汉理工大學学报，2011（7）：129?132.
[9] 邓文浪，余帅，郭有贵，等.双级矩阵变换器?统一潮流控制器预测控制策略研究[J].电气工程学报，2015，10（6）：27?32.
[10] CHO D G， SONG E H. A simple UPFC control algorithm and simulation on stationary reference frame [C]// Proceedings of 2001 IEEE International Symposium on Industrial Electro?nics. [S.l.]： IEEE， 2001： 1810?1815.
[11] 蔡祯祺，黄民翔，张磊.用于风电场并网中无功电压调节的UPFC仿真分析[J].能源工程，2010（5）：29?33.
[12] HAGH M T， LAFZI A， MILANI R. Dynamic and stability improvement of a wind farm connected to grid using UPFC [C]// Proceedings of 2008 IEEE International Conference on Industrial Technology. [S.l.]： IEEE， 2008： 1?5.
[13] ILANGO G S， NAGAMANI C， SAI A V S S R， et al. Control algorithms for control of real and reactive power flows and power oscillation damping using UPFC [J]. Electric power systems research， 2009， 79（4）： 595?605.
[14] 王琦，易俊，刘丽平，等.基于直流侧储能的新型统一潮流控制器优化设计[J].中国电机工程学报，2015，35（17）：4371?4378.
[15] ALHARBI Y M， YUNUS M S， SIADA A. Application of UPFC to improve the LVRT capability of wind turbine generator [C]// Proceedings of 2012 22nd Australasian Universities Power Engineering Conference. [S.l.]： IEEE， 2012： 1?4.
[16] XU L， CARTWRIGHT P. Direct active and reactive power control of DFIG for wind energy generation [J]. IEEE transactions on energy conversion， 2006， 21（3）： 750?758.
摘 要： 将统一潮流控制器用于风力发电系统，通过统一潮流控制器优秀的潮流调节功能，对风力发电系统中的功率调节进行有效改善，与传统风电直接接入电网时带来的谐波污染相比，统一潮流控制器的使用能给风力发电注入电力系统的谐波污染带来很大抑制作用，使得系统的功率补偿得到进一步优化。另外，对统一潮流控制器串联侧采用预测控制策略，使得系统的动静态性能有了很大提高，同时降低了控制器的复杂性，有利于EMI滤波器的数字化实现。通过Matlab仿真试验验证了以上策略的有效性和可行性，具有一定应用价值。
关键词： 统一潮流控制器； 风力发电； 无功功率； 预测控制
中图分类号： TN876?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）07?0131?04
Optimization study on wind power generation system control based on UPFC
XIONG Ning1， ZHU Wenguang1， CHENG Hong1， WANG Wei1， WANG Dongshan2
（1. Economic Technology Research Institute， State Grid Jiangxi Electric Power Company， Nanchang 330043， China；
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Abstract： The unified power flow controller （UPFC） is applied to the wind power generation system. The power regulation performance of the wind power generation system is improved effectively by means of the excellent power flow regulation function of the UPFC. In comparison with the harmonic pollution when the traditional wind power generation is accessed into the power grid directly， the UPFC can restrain the harmonic pollution when the wind power generation is injected into the electric power system， and optimize the system power compensation further. The predictive control strategy is adopted in the series side of the UPFC to improve the static and dynamic performances of the system greatly， reduce the complexity of the controller， and is beneficial to the digital implementation of the EMI filter. The effectiveness and feasibility of the above strategy were verified with Matlab simulation experiment， and the scheme has a certain application value.
Keywords： UPFC； wind power generation； reactive power； predictive control
0 引 言
电力系统的无功功率是改善电能质量、降低有功损耗以及保证系统经济、安全运行的重要因素。无功功率关系到系统的电压水平，因此是衡量电能质量的重要指标[1]。它不仅对电力用户有着极为重要的影响，同时也是维持系统安全稳定运行的重要保证；电压的降低，将会造成电网传输能力降低、有功损耗增加、用户电气设备不能正常运行或设备工作效率降低等一系列问题。因此，实现无功功率的优化控制，对降低有功损耗、提高系统安全运行水平有着重要的意义。
风力发电是新能源發电领域最重要的一部分，风能清洁，成本低，目前已经运用于世界各国。然而，传统的风力发电接入电网的电能质量普遍都不高，给系统注入的谐波普遍都较大，且输入的有功功率和无功功率的调节普遍存在响应较慢的问题[2]，使得风力发电系统的动静态性能都不高。统一潮流控制器（UPFC）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，并被引入电力系统[3?5]。背靠背型功率变换器组成的UPFC综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，包括电压调节、串联补偿和移相等所有能力，可以同时并非常快速地独立控制输电线路中有功功率和无功功率[6]。UPFC可以控制线路的潮流分布，有效地提高电力系统的稳定性。
风力发电系统引入UPFC，将对电力系统谐波治理和无功功率优化起到很大的治理作用，利用UPFC优秀的调节性能对风力发电系统的动静态性能也将起到很大的提高作用，响应更迅速[7?8]。预测控制是一种动态实时控制策略，有利于非线性控制，算法简单，控制精度较高，动态性较好[9?10]。为此，本文针对基于UPFC的风力发电系统串联侧采用预测控制策略，并联侧采用PI控制，通过UPFC同步协调控制，对系统的潮流进行控制，对系统的无功功率进行优化研究。
1 UPFC工作原理与结构模型
1.1 UPFC工作原理
UPFC最常见的结构如图1所示。
UPFC是由两个共用直流电容的电压源变换器组成[11]。变换器VSCl通过变压器[Tsh]并联接入系统，其作用相当于一个并联电流源，向连接点注入一个幅值可调的无功电流，控制与系统交换的无功功率从而控制电压[Us]的幅值相位，同时通过直流电容提供串联侧所需的有功功率，保持UPFC内部有功平衡，维持[Vdc]不变。变换器VSC2由变压器[Tse]串联接入系统[12]，相当于一个串联电压源，向系统提供一个幅值和相位均可调的串联电压[U1，]以控制线路上的有功和无功。
1.2 UPFC数学模型
根据图1可知UPFC串联侧满足如下关系：
[PrQr=23VoαVoβ-VoβVoαIoαIoβ] （1）
考慮到串联母线和VSC2侧的变比关系[10]，有：
[NsrbNsru=IsrIo] （2）
因此将有功功率给定值[P?o]和无功功率给定值[Q?o]代入，得到以下关系式：
[I?srαI?srβ=23NsrbNsru1V2oα+V2oβVoαVoβVoβ-VoαP?rQ?r] （3）
由式（3）可知，通过控制注入的电流能改变与系统交换的功率大小，并以此来控制接入点的电压幅值和相位。为使UPFC内部的有功平衡，即保持直流电压恒定，必须满足：
[Pdc=Psh-Pse] （4）
有功的交换将影响[Pdc]的大小，直流电容上电压值将随[Pdc]的改变而改变，因而控制[Ishd]就能控制直流侧的电压。
并联侧与系统交换的无功功率主要由[Ishq]决定，无功功率的交换将直接影响并联点电压。因此UPFC的并联侧可以通过改变[Ish]来影响与系统交换功率的大小，从而控制并联接入点电压[Us]和直流侧电压[Vdc]的大小。
2 风力发电机的动态模型
[dq]坐标系下的电机定子电压方程和机械运动方程为：
[u1d=-Rsi1d+ω1Lqi1q-Lddi1ddtu1q=-Rsi1q-ω1Ldi1d-Lqdi1qdt+ω1ψf] （5）
[Tm-Te=JNpdω1dt+Bwω1] （6）
式中：[u1d，][u1q]分别为定子电压在d轴和q轴的基波分量；[Rs]为定子电阻；[i1d，][i1q]分别为定子在d轴和q轴的电流基波分量；[Ld，Lq]分别为永磁同步发电机的d轴和q轴电感；[ω1]为电角速度；[ψf]为永磁体磁链；J为转子的转动惯量；[Np]为永磁同步发电机的极对数；[Bw]为转动粘滞系数；[Tm]为风力机输入到永磁同步发电机转子的机械转矩；[Te]为发电机的电磁转矩，其表达式为：
[Te=32Npi1q（Lq-Ld）i1d+ψf] （7）
永磁同步发电机，[Ld=Lq，]此时电磁转矩方程为：
[Te=32Npi1qψf] （8）
可以通过调节电流来调节永磁同步发电机和风力机的转速，使之保持最佳叶尖速比的状态。
3 风电系统UPFC预测控制
根据图1，由KVL定理可得VSC2串联侧输出端的电压方程为：
[Lddti2+Ri2+u=u2] （9）
式中：[u2]表示VSC2一次侧输入电压；[u]表示VSC2二次侧输出电压；[i2]表示VSC2二次侧输出电流。[R]和[L]分别表示VSC2二次侧输出滤波电路的电阻和电感[13?14]。在[αβ]坐标系下，式（9）可以表示为：
[Lddti2α+Ri2α+uα=u2αLddti2β+Ri2β+uβ=u2β] （10）
设采样周期为[Ts，]式（10）经离散化，得：
[u2α（k）=Ri2α（k）+uα（k）+Li2α（k+1）-i2α（k）Tsu2β（k）=Ri2β（k）+uβ（k）+Li2β（k+1）-i2β（k）Ts] （11）
本文采用预测电流控制，即在两相静止坐标系下对UPFC的VSC2变流器进行预测控制。将式（11）转化为：
[uα（k）=u2α（k）-Ri2α（k）-Li2α（k+1）-i2α（k）Tsuβ（k）=u2β（k）-Ri2β（k）-Li2β（k+1）-i2β（k）Ts] （12）
式中：[i2α（k+1）]和[i2β（k+1）]分别指第[k+1]次采样周期时输入电流的采样值，这里分别用给定值[i*2α]和[i*2β]代替，可得：
[u*α（k）=u2α（k）-Ri2α（k）-Li?2α（k+1）-i2α（k）Tsu*β（k）=u2β（k）-Ri2β（k）-Li?2β（k+1）-i2β（k）Ts] （13）
式中：[u*α]和[u*β]作为空间矢量脉宽调制算法（SVPWM）的参考给定，由式（8）可得线路潮流给定值[p?o]和[q?o]。控制框图如图2所示。
4 仿真分析
在Matlab的Simulink下建立仿真模型，分别建立含UPFC直驱永磁同步风力发电仿真系统，同时建立预测控制和普通PI控制的风电系统仿真，对其仿真结果进行对比分析。仿真参数为：电网电压和频率分别为690 V和50 Hz，网侧电感和电阻分别为0.6 mH和0.03 Ω。功率基准值为1.5 MW，无功功率指令初始值为0 pu。风速为10 m/s，大气密度为1.225 kg/m3。同步发电机额定功率为1 MW，极对数为28，定子电阻为0.005 Ω，定子d轴和q轴电感皆为4.0 mH，定子额定电压为690 V，定子额定电流为1 000 A。
风速变化图如图3所示，一次侧电压图如图4所示，线路一次侧电流图如图5所示。
不同控制策略下，指令值在0.08 s时从0.15 pu变为0.2 pu，系统的无功功率响应图分别如图6，图7所示。
由图6可以看出，线路无功功率波动较大，动态响应较慢。
由图7不难看出，预测控制下的无功功率响应要明显优于图6普通PI控制下的无功功率，而且动静态性能也更佳。
5 结 论
采用UPFC的风力发电系统具备优秀的潮流控制功能，能快速调节系统的无功功率，使系统电压水平保持在平稳状态。采用预测控制策略的UPFC风力发电系统，相比较于传统的UPFC风力发电系统的无功功率调节性能更佳，更能满足现代电力系统快速调节的要求，控制精度更高，也更有利于元件设计的数字化实现。
参考文献
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