0 引言

    統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller,，UPFC）是目前最先進(jìn)柔性交流輸電技術(shù),，因其具有可靈活控制輸電線路潮流^[1-2]、改變線路阻抗,、提高輸電能力^[3],、抑制電網(wǎng)次同步諧振^[4]等多種功能，得到學(xué)者的廣泛研究,。

    UPFC系統(tǒng)由串聯(lián)側(cè)變流器和并聯(lián)側(cè)變流器組成,，中間通過直流電容聯(lián)接。當(dāng)進(jìn)行潮流控制時(shí)需要維持送端交流母線電壓和中間直流電容電壓恒定,，否則會引起過電壓而降低系統(tǒng)性能,，甚至保護(hù)停機(jī)^[5-6]。文獻(xiàn)[5]分析UPFC潮流控制時(shí)的功率平衡,，指出受并,、串聯(lián)側(cè)有功、無功功率不平衡的影響,，控制過程會出現(xiàn)過電壓,，提出交換串、并聯(lián)側(cè)變流器無功控制功能,，提高了無功潮流控制速度,。文獻(xiàn)[6]、[7]是目前常用UPFC協(xié)調(diào)控制,，該控制將串聯(lián)側(cè)變流器有功功率和無功潮流給定值作為前饋,，疊加到并聯(lián)變流器控制環(huán)路中，以改善控制效果,。但是該前饋方法沒有考慮控制器延遲的影響,。文獻(xiàn)[8]、[9]詳細(xì)分析了UPFC中的串聯(lián)側(cè),、并聯(lián)側(cè)變流器有功,、無功功率的交互影響,。文獻(xiàn)[8]主要關(guān)注定量表述控制耦合程度，并未涉及改進(jìn)方法,，而文獻(xiàn)[9]中的無功協(xié)調(diào)控制需要通過PMU測量遠(yuǎn)端線路末端電壓,。

    為改善UPFC系統(tǒng)對直流電容電壓和送端交流電壓的效果，本文提出了一種改進(jìn)功率協(xié)調(diào)控制策略,，在并聯(lián)變流器控制有功、無功控制環(huán)路中疊加改進(jìn)前饋,、減小動態(tài)過程中的直流電容電壓和送端交流電壓的過電壓,。在RT-LAB平臺上，搭建含UPFC的高壓輸電系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真模型,，結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性,。

1 UPFC功率平衡分析

    UPFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中,，V_dc為電容電壓,，V_S、V_R分別為送端,、受端電壓矢量,，V₁、V₂為UPFC接入兩端電壓矢量,，P_s+jQ_s為源端送出功率,，P_sh+jQ_sh為并聯(lián)變流器與線路交換功率，P_se+jQ_se為串聯(lián)變流器與線路交換功率,，P_line+jQ_line為受端接收功率,，I_S為源側(cè)流入電流矢量，I_sh為并聯(lián)變流器輸出電流矢量,，I_line為線路電流矢量,。 

    當(dāng)UPFC系統(tǒng)工作在潮流控制模式時(shí)，需要維持內(nèi)部直流母線電壓V_dc恒定和并聯(lián)變流器側(cè)交流母線電壓V₁幅值恒定,。以V₁作為電壓基準(zhǔn)點(diǎn),，并將d-q坐標(biāo)系的d軸定向V₁，即v_1,，q=0,。采用等功率dq變換，則源側(cè)無功功率Q_s計(jì)算公式為：

    送端電壓V_S通常認(rèn)為幅值不變,，而無功電流會在電感L_s產(chǎn)生壓降,，若要潮流變化時(shí)同時(shí)維持V₁點(diǎn)幅值不變，需滿足Δi_s,，q≈0^[5],。依據(jù)式(2)可知,，只有當(dāng)Δi_sh，q≈

-Δi_se,，q,，才能保證Δi_s，q≈0,。即,，為維持送端電壓幅值不變，線路的無功功率全部由UPFC系統(tǒng)的并聯(lián)側(cè)VSC1提供,。

    接下來分析UPFC系統(tǒng)有功功率平衡,。串、并聯(lián)側(cè)變流器的無功功率不經(jīng)過直流電容C,，僅有功功率通過電容C發(fā)生交換^[5-7],。忽略UPFC內(nèi)部損耗，直流電容電壓的方程為：

    由式(3)易知,，為保持直流母線電容電壓恒定,，要使并聯(lián)變流器輸出有功Psh等于串聯(lián)側(cè)變流器輸入有功P_se，否則,，直流電容電壓會出現(xiàn)波動,。

2 所提改進(jìn)有功/無功協(xié)調(diào)控制策略

    UPFC系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制由并聯(lián)側(cè)變流器控制實(shí)現(xiàn)，常規(guī)功率協(xié)調(diào)控制方法如圖2所示^[5-7],。該控制策略為雙環(huán)控制結(jié)構(gòu),，外環(huán)分別為直流電容電壓外環(huán)和送端交流電壓外環(huán)，內(nèi)環(huán)為交叉解耦的電感電流內(nèi)環(huán),。

    常規(guī)協(xié)調(diào)控制方法將串聯(lián)側(cè)直流電流i_dc,，1經(jīng)過變換作為前饋，與直流電壓外環(huán)PI控制器的輸出相疊加,，作為電感電流d軸的參考值,，以加快直流電壓控制速度。相似地,，將線路無功潮流的參考值變換作為前饋量,，與送端電壓外環(huán)PI控制輸出疊加作為電感電流q軸的參考值，加快送端電壓的控制速度,。最終得到變流器三相驅(qū)動信號S_{sh(a,，b，c)},。

    但是,，該前饋方法忽略了PI控制器延遲和電感的影響，無法實(shí)時(shí)補(bǔ)償電流,，降低功率協(xié)調(diào)的控制效果,。

    結(jié)合圖1和圖2 ,，電感電流的有功控制環(huán)路和無功控制環(huán)路傳遞函數(shù)框圖分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

    分析有功控制環(huán)路前饋,，從前饋點(diǎn)d到電容電流點(diǎn)c的傳遞函數(shù)為：

式中,，k_iP、k_iI分別為并聯(lián)側(cè)VSC電感電流內(nèi)環(huán)的比例,、積分系數(shù),。

    由式(4)可知，只有當(dāng)電感L_sh足夠小,、PI控制器增益足夠大時(shí),，傳遞函數(shù)才可以近似為單位前饋。實(shí)際上,，受電流濾波需求，L_sh不可能足夠小,，且控制穩(wěn)定性的影響,，PI控制器的增益也無法取得足夠大。因而,，采用該協(xié)調(diào)控制時(shí),，無法實(shí)現(xiàn)單位前饋。即,，受控制器增益和電感的影響,，i_dc2跟蹤i_dc1存在一定的延遲，而該延遲會導(dǎo)致直流電容電壓波動^[10],。為此,，本文提出采用改進(jìn)的有功前饋控制策略，如圖3(a)中虛線所示,。該方法將前饋點(diǎn)后移至電壓節(jié)點(diǎn)b,，避免PI控制器影響，另外將電感和微分s引入,，減少電感對前饋影響,。

    本文前饋方法從d點(diǎn)到c的傳遞函數(shù)為：

    與改進(jìn)有功前饋相似，為實(shí)現(xiàn)單位反饋,，增加并聯(lián)電感和微分項(xiàng)s,，將前饋點(diǎn)從a點(diǎn)推后到b點(diǎn)。

3 RT-LAB 硬件在環(huán)仿真分析

    為了驗(yàn)證本文方法的有效性,，以圖4為拓?fù)?，在?shí)驗(yàn)室已有RT_LAB平臺上，搭建了500 kV高壓輸電系統(tǒng)仿真模型,。圖4中發(fā)電機(jī)模型參考文獻(xiàn)[4]模型,，發(fā)電機(jī)G1,、G2采用汽輪機(jī)驅(qū)動，包含有IEEE TYPE ST1A勵磁系統(tǒng),發(fā)電機(jī)G1,、G2額定功率為1 000 MW,，G1給定有功輸出為500 MW，G2給定有功輸出為900 MW,。松弛節(jié)點(diǎn)采用含有阻抗的三相電壓源替代,。串聯(lián)側(cè)VSC采用文獻(xiàn)[7]中交叉解耦控制方法。

    系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí),，UPFC系統(tǒng)在旁路狀態(tài),，不控制線路潮流。系統(tǒng)初始潮流為：發(fā)電機(jī)G1有功功率為499 MW,，無功功率為29 MVar,；發(fā)電機(jī)G2有功功率為899 MW，無功功率為92 MVar,；線路L1流過的有功功率為-95 MW（流向G1）,，無功功率為27 MW，線路L2(UPFC支路)流過的有功功率為589 MW,，無功功率為-27 MVar,。

    設(shè)計(jì)潮流控制和三相故障兩種仿真場景對本文所提控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 潮流控制場景

    給定潮流控制場景為：7 s時(shí)刻UPFC進(jìn)行潮流控制,，改變流過線路L2的潮流,，設(shè)置P_line=598 MW，Q_line=-7 MVar,，即在原始潮流增加100 MW有功功率,，20 MVar無功功率。15 s時(shí)刻重新設(shè)置為P_line=498 MW,，Q_line=-27 MVar,，恢復(fù)初始潮流狀態(tài)。仿真關(guān)鍵波形如圖5所示,。其中,，圖5(a)為L2線路有功功率；圖5(b)為線路無功功率(其中虛線為參考值,，采用斜波給定),；圖5(c)中實(shí)線為UPFC并聯(lián)VSC有功功率，虛線為無功功率,；圖5(d)中實(shí)線為UPFC串聯(lián)VSC有功功率,，虛線為無功功率。

    由圖5(a)和圖5(b)可知,，本文控制方法可有效控制線路潮流,，調(diào)整線路輸出功率跟蹤給定值,。對比圖5(c)和圖5(d)中的有功曲線可知，串聯(lián)側(cè)變流器的輸出有功功率與并聯(lián)側(cè)變流器的有功功率曲線基本相同,。對比圖5(b)和圖5(c)無功功率曲線可知,，線路改變的無功功率大小與并聯(lián)側(cè)變流器輸出無功功率大小基本一致。這驗(yàn)證了第1小節(jié)中關(guān)于UPFC系統(tǒng)有功,、無功功率平衡的分析,。

    對比本文方法和常規(guī)協(xié)調(diào)控制方法，直流母線電壓和UPFC并聯(lián)側(cè)交流電壓的曲線如圖6所示,。圖6中虛線為常規(guī)協(xié)調(diào)控制方法,，實(shí)線為本文改進(jìn)方法。

    由圖6可知,，相比與常規(guī)協(xié)調(diào)控制方法,，潮流變化時(shí)，本文方法直流母線電壓的過電壓明顯減小,。采用常規(guī)協(xié)調(diào)控制時(shí),，直流母線過電壓最大近1 kV，而本文方法的過電壓降低到0.5 kV內(nèi),。相似地,，UPFC并聯(lián)側(cè)交流母線電壓過電壓出現(xiàn)較明顯改善,，由超過20 kV降低到10 kV內(nèi),。但是，由于本文方法中引入了微分控制,，調(diào)節(jié)過程中存在輕微快速波動分量,。

3.2 三相故障場景

    在圖4中故障點(diǎn)所示位置設(shè)置三相短路故障，短路開始時(shí)間為10 s,，短路持續(xù)時(shí)間為20 ms,。本文方法仿真波形如圖7所示，圖形排列與圖5一致,。

    由圖7可知,，故障期間，受短路故障的影響,，UPFC線路輸送端電壓迅速下降,，因而線路L2輸出有功功率迅速下降接近零，無功功率出現(xiàn)較大范圍的振蕩,。受線路電壓影響(送端電壓也出現(xiàn)較大波動,，如圖7(b)所示)，并聯(lián)側(cè)VSC有功和無功功率也出現(xiàn)相應(yīng)振蕩,。串聯(lián)側(cè)有功,、無功功率由于注入串聯(lián)電壓幅值較小,，故其波動幅度較小而不明顯。故障清除后,，系統(tǒng)經(jīng)過衰減振蕩重新回復(fù)穩(wěn)態(tài),。

    相似地，對比常規(guī)協(xié)調(diào)控制方法和本文方法,，故障期間直流母線電壓和UPFC并聯(lián)側(cè)端電壓的波形如圖8所示,，其圖形排列與圖6一致，虛線為常規(guī)控制方法,，實(shí)線為本文改進(jìn)方法,。

    由圖8可知，由于本文協(xié)調(diào)控制方法具有更快協(xié)調(diào)控制效果,，在故障期間直流母線電壓和并聯(lián)側(cè)端電壓跌落深度有一定程度減輕,；而在故障恢復(fù)期間，直流母線電壓和并聯(lián)側(cè)端電壓具有更小的過電壓,，故障恢復(fù)速度得到一定程度的改善,。

4 結(jié)論

    本文通過分析潮流控制時(shí)UPFC系統(tǒng)有功、無功平衡,，提出了一種改進(jìn)功率協(xié)調(diào)控制策略,，設(shè)計(jì)改進(jìn)前饋以實(shí)現(xiàn)單位前饋，快速抑制系統(tǒng)動態(tài)過程中的不平衡功率,?；赗T_LAB的仿真結(jié)果表明，在潮流控制時(shí),，本文改進(jìn)協(xié)調(diào)控制可有效減小送端交流母線電壓和直流母線電壓的過電壓,，在故障場景中，一定程度減小了受故障的影響電壓跌落程度,，加快了故障恢復(fù)速度,。

    但本文改進(jìn)協(xié)調(diào)控制策略僅為并聯(lián)側(cè)變流器控制方法，并沒涉及串聯(lián)側(cè)變流器控制,，將在未來針對相關(guān)方面開展進(jìn)一步的研究工作,。

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作者信息:

許云飛1,，張海寧1,，鐘  誠2，李穎超1,，劉紅楊1

(1.國家電網(wǎng)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020；

2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012)