UPFC多通道高速控制系統關鍵技術研究

王翔 慕小斌 戴鳳嬌 袁佩娥

摘 要：為了滿足UPFC實際工程中高速、穩定的控制要求，基于自研的多通道總線技術控保平臺，構造了UPFC在dq0坐標系下端口受控的耗散哈密頓（PCHD）模型，得到誤差能量函數。從最本質的能量角度出發，采用注入虛擬阻尼的方法設計了UPFC的電流內環控制器，加快了誤差能量的耗散，確保系統的穩定性。功率外環采用PI控制提供內環所需期望電流，提高了系統抗擾能力，實現了對有功和無功的解耦控制。最后結合工程案例，搭建了二十七電平UPFC的RTDS實驗，驗證了能量平衡控制的可行性和有效性。

關鍵詞：UPFC;多通道總線;控保平臺;PCHD模型;RTDS;能量平衡控制

DOI：10.15938/j.jhust.2021.04.009

中圖分類號：TM761

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2021）04-0063-07

Abstract：In order to meet the high-speed and stable control requirements in unified power flow controller（UPFC） engineering， based on the self-developed multi-channel bus technology control and protection platform， the port controlled hamiltonian dissipation（PCHD） model under dq0 frame of reference is constructed， and the error storage function is obtained. From the most essential energy point of view， the controller of UPFC is designed by injecting virtual damping in current inner loop， which can accelerate the dissipation of error storage and ensure the stability of the system. The PI control in power outer loop is used to provide the desired current required by the current inner loop， which can improve disturbance rejection ability of the system and realize decoupling control of active and reactive power. Finally， the real time digital simulation（RTDS） experiment of 27-level UPFC combined with engineering case is built， and the feasibility and effectiveness of energy balance control are verified.

Keywords：unified power flow controller; multi-channel bus; control and protection platform; port controlled Hamiltonian with dissipation model; real time digital simulation; energy balance control

0 引 言

隨著經濟的快速發展，電網結構日益復雜，帶來了潮流分布不均，輸電能力受限和電能質量下降等問題。統一潮流控制器UPFC（unified power flow controller，UPFC）正是靈活交流輸電的重要裝備[1]。在保證輸送容量的基礎上，UPFC可以快速有效調控潮流、抑制次同步振蕩和增強系統穩定性，且具有控制靈活、結構簡單等優點，國內外已經投運多個UPFC工程[2-6]，并在實際運行中均取得了理想的工程應用效果。

近年來，學者對UPFC的控制策略進行了深入研究[7-9]。分別對比了相角控制和矢量控制應用于UPFC的效果，發現相角控制下UPFC交互影響更大，但是阻尼控制器卻可提供更多的阻尼[10]。在蘇州南部電網500 kV的UPFC上采用多目標自適應控制，在系統正常運行以及故障下均能達到理想的控制效果，保證電網的安全運行[11]。針對UPFC控制系統閉環測試，提出了UPFC裝置多時間尺度混合的實時數字仿真試驗方法，試驗項目比較全面，運行良好[12]。

為了提升電力電子變換器的性能，學者開始關注能量平衡控制。將能量平衡控制應用于電能路由器中，減少了直流母線電容的設計余量，且直流母線電壓穩定，取得了預期的控制效果[13];分析了背靠背變換器各級的能量平衡關系，采用能量平衡控制實現了對變換器的強魯棒控制，但是開關器件周期難以確定[14];分析了模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）逆變交流側的能量關系，所采用的能量平衡控制器相較于PI控制，具有更好的魯棒性[15]。

基于上述研究進展及其存在的問題，本文采用基于多通道總線技術的控保平臺，研制了220kV 150MW自勵型UPFC裝置的控制系統，構造了UPFC在dq0坐標系下端口受控的耗散哈密頓PCHD（port controlled Hamiltonian with dissipation，PCHD）模型，設計電流內環能量平衡控制器;功率外環采用PI控制提供內環所需期望電流。最后搭建了RTDS硬件在環實驗系統，對所采用的能量平衡控制效果、UPFC對潮流的均衡和抑制能力等進行驗證，為UPFC實際工程應用提供參考和借鑒。

1 UPFC工作原理與數學模型

1.1 UPFC工作原理

UPFC主電路如圖1所示，主要由并聯變壓器、串聯變壓器以及背靠背變換器等組成[16]。并聯變換器通過并聯變壓器直接并到電網公共點上，主要為了向串聯變換器提供有功功率，并維持直流母線的電壓穩定，同時向系統注入無功功率。串聯變換器通過串聯變壓器串入電網中，其幅值變化范圍為0～Uc，相角變化范圍為0～360°。串聯變換器與線路既可以交換有功功率，又可以交換無功功率。隨著串聯注入電壓相位的變化，UPFC能夠實現電壓調節、阻抗補償、移相等多種功能，并能夠實現對線路有功潮流和無功潮流的獨立解耦控制。通過向線路注入幅值相位可調的電壓，UPFC可對電網全部狀態參數進行快速調節，從而實現電網潮流優化控制、阻尼功率振蕩、提高暫態穩定性等功能[17]。

1.2 UPFC數學模型

UPFC多應用于在高電壓、大功率場合下，變換器一般采用MMC結構，具有等效開關頻率高、輸出電壓波形質量高和適合模塊化生產等優點[18]，每個橋臂由N個子模塊、橋臂電感和等效電阻組成，子模塊多采用半橋結構。

子模塊可輸出0和UC兩種電平，N個子模塊可以等效為一個交流電壓源，橋臂電感和等效電阻可折算到交流側，可得MMC等效電路如圖2所示，Udc為公共直流側電壓，upj為j相上橋臂等效電壓，unj為j相下橋臂等效電壓，Ls、R為橋臂等效電感和電阻。

式（3）和式（5）為UPFC在dq0坐標系下的交流側穩態數學模型。

2 UPFC能量平衡控制器設計

UPFC是一個高階、非線性和強耦合的系統，總控制方案如圖3所示，分為系統級、裝置級和閥級三層控制，三層控制相互協調，以達到特定的補償效果，本文側重于裝置級控制，裝置級控制主要采用雙閉環控制，即功率外環控制和電流內環控制。

綜上所述，UPFC的裝置級整體控制框圖如圖4所示。

3 樣機研制及RTDS實驗波形

3.1 樣機研制

為了驗證本文所采用能量平衡控制的可行性，在自研的多通道總線技術控保平臺上實現了能量平衡控制器樣機。

自研控保平臺采用基于RS485的多通道總線技術，采用終端匹配的總線型廣播式通信結構，其網絡拓撲如圖5所示。該總線技術在穩定性、擴展能力、通信帶寬及動態容錯能力等方面表現優異：

1）采用平衡發送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力，總線傳輸信號穩定性強;

2）物理層由可擴展至不少于64路的基于RS-485的總線通道構成，各路通道并行傳輸，通信帶寬大，每路總線上最大可支持128個節點直接互聯;

3）總線上各節點均實時監測所有總線通道的運行狀況，當總線通道正常時，通信數據包會動態的分配到正常通道上傳輸;當總線通道出現故障時，會引導各個節點將通信數據包轉移到其余正常通道上傳輸，從而在某些節點接口或通道出現故障時仍能保證所有節點正常工作，實現通信動態容錯。

圖6分別為數據處理模塊和控制器樣機。樣機采用模塊化設計，包括數據采集模塊、同步模塊、數據處理模塊、通信管理模塊及擴展模塊等。各個模塊作為節點掛接在RS485總線上，每個模塊上均配備DSP以實現虛擬共享內存機制，配備FPGA以實現通道冗余、分配及同步機制，從而控制數據收發邏輯。樣機可擴展至不少于64路總線通道并發傳輸信息，每路總線上最大可支持128個節點直接互聯，通訊帶寬大大增加。樣機簡化了系統結構，集采集、計算、處理、對外交互于一體，實現了數據的直采直控，大大減少中間傳輸及處理環節，極大地縮短了通信延時。

3.2 RTDS實驗波形

按照圖4所示的控制框圖搭建二十七電平UPFC的RTDS實驗。

參數如下：如圖1所示電網采用兩回輸電線路，UPFC裝設在線路1上;電網電壓等級為220kV，公共直流母線額定電壓Udc=±20.8kV，每個橋臂子模塊個數N=26，子模塊電容預充電電壓UC=1.6kV，橋臂電感Ls=6mH。并聯變壓器變比k1=230kV/21kV，容量為100MVA;串聯變壓器變比k2=2.5kV/21kV，容量為50MVA。調制方式采用載波移相調制，子模塊電容電壓均衡采用文獻[20]的方法，橋臂環流抑制采用基于負序二倍頻變換解耦的控制方法。

圖7為STATCOM模式下采用能量平衡控制線路無功功率指令階躍的仿真波形，圖（a）為線路無功功率指令從0階躍到50MVAR，圖（b）為線路無功功率指令從50MVAR階躍到-50MVAR，本文的實驗波形周期為工頻周期。由圖可知，并聯側輸出電流在2個工頻周期內就可以達到穩定，動態響應速度快，且無超調量。

圖8為SSSC模式下采用能量平衡控制線路有功功率指令階躍的仿真波形，圖（a）為線路有功功率指令從0階躍到90MW，圖（b）為線路有功功率指令從90MW階躍到140MW。由圖可知，串聯側輸出有功電流很快達到穩定，無明顯超調量，靜態性能良好，線路1和線路2可進行快速潮流分配。

圖9為UPFC模式下采用能量平衡線路無功功率階躍的仿真波形，圖（a）為線路無功功率指令從50MVAR階躍到-50MVAR，圖（b）為線路無功功率指令從-50MVAR階躍到50MVAR，線路有功指令無變化。由圖可知，并聯側輸出有功電流在1個工頻周期內快速達到穩定，直流母線電壓穩定在20kV左右，動靜態性能良好，達到無功功率調節的效果。

4 結 論

本文從UPFC能量平衡角度出發，建立了其PCHD模型，采用阻尼注入的方法設計了能量平衡控制器，保證了系統的穩定;外環采用PI控制，得到內環期望電流。通過搭建RTDS實驗，得到如下結論：

1）自研控保平臺，采用先進的芯片及高效的通訊方式，提高了計算速度，縮短了控制周期，減少通訊上的延時，能夠滿足系統長期可靠穩定運行，為UPFC控制系統的成功研制提供了硬件上的支持。

2）能量平衡控制，可保證UPFC安全穩定運行，強魯棒性能優良，具有控制器設計簡單、可調參數少等優點。

UPFC多通道高速控制系統的研制，可為我國后續UPFC工程甚至FACTS工程提供參考和借鑒。

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（編輯：溫澤宇）