0 引言

    統一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC）是目前最先進柔性交流輸電技術，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]、抑制電網次同步諧振^[4]等多種功能，得到學者的廣泛研究。

    UPFC系統由串聯側變流器和并聯側變流器組成，中間通過直流電容聯接。當進行潮流控制時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性能，甚至保護停機^[5-6]。文獻[5]分析UPFC潮流控制時的功率平衡，指出受并、串聯側有功、無功功率不平衡的影響，控制過程會出現過電壓，提出交換串、并聯側變流器無功控制功能，提高了無功潮流控制速度。文獻[6]、[7]是目前常用UPFC協調控制，該控制將串聯側變流器有功功率和無功潮流給定值作為前饋，疊加到并聯變流器控制環路中，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[8]、[9]詳細分析了UPFC中的串聯側、并聯側變流器有功、無功功率的交互影響。文獻[8]主要關注定量表述控制耦合程度，并未涉及改進方法，而文獻[9]中的無功協調控制需要通過PMU測量遠端線路末端電壓。

    為改善UPFC系統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功率協調控制策略，在并聯變流器控制有功、無功控制環路中疊加改進前饋、減小動態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的高壓輸電系統硬件在環仿真模型，結果驗證了本文方法的有效性。

1 UPFC功率平衡分析

    UPFC系統結構框圖如圖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為并聯變流器與線路交換功率，P_se+jQ_se為串聯變流器與線路交換功率，P_line+jQ_line為受端接收功率，I_S為源側流入電流矢量，I_sh為并聯變流器輸出電流矢量，I_line為線路電流矢量。 

    當UPFC系統工作在潮流控制模式時，需要維持內部直流母線電壓V_dc恒定和并聯變流器側交流母線電壓V₁幅值恒定。以V₁作為電壓基準點，并將d-q坐標系的d軸定向V₁，即v_1，q=0。采用等功率dq變換，則源側無功功率Q_s計算公式為：

    送端電壓V_S通常認為幅值不變，而無功電流會在電感L_s產生壓降，若要潮流變化時同時維持V₁點幅值不變，需滿足Δi_s，q≈0^[5]。依據式(2)可知，只有當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系統的并聯側VSC1提供。

    接下來分析UPFC系統有功功率平衡。串、并聯側變流器的無功功率不經過直流電容C，僅有功功率通過電容C發生交換^[5-7]。忽略UPFC內部損耗，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，要使并聯變流器輸出有功Psh等于串聯側變流器輸入有功P_se，否則，直流電容電壓會出現波動。

2 所提改進有功/無功協調控制策略

    UPFC系統功率協調控制由并聯側變流器控制實現，常規功率協調控制方法如圖2所示^[5-7]。該控制策略為雙環控制結構，外環分別為直流電容電壓外環和送端交流電壓外環，內環為交叉解耦的電感電流內環。

    常規協調控制方法將串聯側直流電流i_dc，1經過變換作為前饋，與直流電壓外環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，無法實時補償電流，降低功率協調的控制效果。

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

    分析有功控制環路前饋，從前饋點d到電容電流點c的傳遞函數為：

式中，k_iP、k_iI分別為并聯側VSC電感電流內環的比例、積分系數。

    由式(4)可知，只有當電感L_sh足夠小、PI控制器增益足夠大時，傳遞函數才可以近似為單位前饋。實際上，受電流濾波需求，L_sh不可能足夠小，且控制穩定性的影響，PI控制器的增益也無法取得足夠大。因而，采用該協調控制時，無法實現單位前饋。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，而該延遲會導致直流電容電壓波動^[10]。為此，本文提出采用改進的有功前饋控制策略，如圖3(a)中虛線所示。該方法將前饋點后移至電壓節點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點到c的傳遞函數為：

    與改進有功前饋相似，為實現單位反饋，增加并聯電感和微分項s，將前饋點從a點推后到b點。

3 RT-LAB 硬件在環仿真分析

    為了驗證本文方法的有效性，以圖4為拓撲，在實驗室已有RT_LAB平臺上，搭建了500 kV高壓輸電系統仿真模型。圖4中發電機模型參考文獻[4]模型，發電機G1、G2采用汽輪機驅動，包含有IEEE TYPE ST1A勵磁系統,發電機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。松弛節點采用含有阻抗的三相電壓源替代。串聯側VSC采用文獻[7]中交叉解耦控制方法。

    系統初始運行時，UPFC系統在旁路狀態，不控制線路潮流。系統初始潮流為：發電機G1有功功率為499 MW，無功功率為29 MVar；發電機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。

    設計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行驗證。

3.1 潮流控制場景

    給定潮流控制場景為：7 s時刻UPFC進行潮流控制，改變流過線路L2的潮流，設置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時刻重新設置為P_line=498 MW，Q_line=-27 MVar，恢復初始潮流狀態。仿真關鍵波形如圖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)中實線為UPFC并聯VSC有功功率，虛線為無功功率；圖5(d)中實線為UPFC串聯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，串聯側變流器的輸出有功功率與并聯側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側變流器輸出無功功率大小基本一致。這驗證了第1小節中關于UPFC系統有功、無功功率平衡的分析。

    對比本文方法和常規協調控制方法，直流母線電壓和UPFC并聯側交流電壓的曲線如圖6所示。圖6中虛線為常規協調控制方法，實線為本文改進方法。

    由圖6可知，相比與常規協調控制方法，潮流變化時，本文方法直流母線電壓的過電壓明顯減小。采用常規協調控制時，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。相似地，UPFC并聯側交流母線電壓過電壓出現較明顯改善，由超過20 kV降低到10 kV內。但是，由于本文方法中引入了微分控制，調節過程中存在輕微快速波動分量。

3.2 三相故障場景

    在圖4中故障點所示位置設置三相短路故障，短路開始時間為10 s，短路持續時間為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，無功功率出現較大范圍的振蕩。受線路電壓影響(送端電壓也出現較大波動，如圖7(b)所示)，并聯側VSC有功和無功功率也出現相應振蕩。串聯側有功、無功功率由于注入串聯電壓幅值較小，故其波動幅度較小而不明顯。故障清除后，系統經過衰減振蕩重新回復穩態。

    相似地，對比常規協調控制方法和本文方法，故障期間直流母線電壓和UPFC并聯側端電壓的波形如圖8所示，其圖形排列與圖6一致，虛線為常規控制方法，實線為本文改進方法。

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

4 結論

    本文通過分析潮流控制時UPFC系統有功、無功平衡，提出了一種改進功率協調控制策略，設計改進前饋以實現單位前饋，快速抑制系統動態過程中的不平衡功率。基于RT_LAB的仿真結果表明，在潮流控制時，本文改進協調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，加快了故障恢復速度。

    但本文改進協調控制策略僅為并聯側變流器控制方法，并沒涉及串聯側變流器控制，將在未來針對相關方面開展進一步的研究工作。

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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.國家電網蒙古東部電力有限公司經濟技術研究院，內蒙古 呼和浩特010020；

2.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林132012)