0 引言

    统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC）是目前最先进柔性交流输电技术，因其具有可灵活控制输电线路潮流^[1-2]、改变线路阻抗、提高输电能力^[3]、抑制电网次同步谐振^[4]等多种功能，得到学者的广泛研究。

    UPFC系统由串联侧变流器和并联侧变流器组成，中间通过直流电容联接。当进行潮流控制时需要维持送端交流母线电压和中间直流电容电压恒定，否则会引起过电压而降低系统性能，甚至保护停机^[5-6]。文献[5]分析UPFC潮流控制时的功率平衡，指出受并、串联侧有功、无功功率不平衡的影响，控制过程会出现过电压，提出交换串、并联侧变流器无功控制功能，提高了无功潮流控制速度。文献[6]、[7]是目前常用UPFC协调控制，该控制将串联侧变流器有功功率和无功潮流给定值作为前馈，叠加到并联变流器控制环路中，以改善控制效果。但是该前馈方法没有考虑控制器延迟的影响。文献[8]、[9]详细分析了UPFC中的串联侧、并联侧变流器有功、无功功率的交互影响。文献[8]主要关注定量表述控制耦合程度，并未涉及改进方法，而文献[9]中的无功协调控制需要通过PMU测量远端线路末端电压。

    为改善UPFC系统对直流电容电压和送端交流电压的效果，本文提出了一种改进功率协调控制策略，在并联变流器控制有功、无功控制环路中叠加改进前馈、减小动态过程中的直流电容电压和送端交流电压的过电压。在RT-LAB平台上，搭建含UPFC的高压输电系统硬件在环仿真模型，结果验证了本文方法的有效性。

1 UPFC功率平衡分析

    UPFC系统结构框图如图1所示。其中，V_dc为电容电压，V_S、V_R分别为送端、受端电压矢量，V₁、V₂为UPFC接入两端电压矢量，P_s+jQ_s为源端送出功率，P_sh+jQ_sh为并联变流器与线路交换功率，P_se+jQ_se为串联变流器与线路交换功率，P_line+jQ_line为受端接收功率，I_S为源侧流入电流矢量，I_sh为并联变流器输出电流矢量，I_line为线路电流矢量。 

    当UPFC系统工作在潮流控制模式时，需要维持内部直流母线电压V_dc恒定和并联变流器侧交流母线电压V₁幅值恒定。以V₁作为电压基准点，并将d-q坐标系的d轴定向V₁，即v_1，q=0。采用等功率dq变换，则源侧无功功率Q_s计算公式为：

    送端电压V_S通常认为幅值不变，而无功电流会在电感L_s产生压降，若要潮流变化时同时维持V₁点幅值不变，需满足Δi_s，q≈0^[5]。依据式(2)可知，只有当Δi_sh，q≈

-Δi_se，q，才能保证Δi_s，q≈0。即，为维持送端电压幅值不变，线路的无功功率全部由UPFC系统的并联侧VSC1提供。

    接下来分析UPFC系统有功功率平衡。串、并联侧变流器的无功功率不经过直流电容C，仅有功功率通过电容C发生交换^[5-7]。忽略UPFC内部损耗，直流电容电压的方程为：

    由式(3)易知，为保持直流母线电容电压恒定，要使并联变流器输出有功Psh等于串联侧变流器输入有功P_se，否则，直流电容电压会出现波动。

2 所提改进有功/无功协调控制策略

    UPFC系统功率协调控制由并联侧变流器控制实现，常规功率协调控制方法如图2所示^[5-7]。该控制策略为双环控制结构，外环分别为直流电容电压外环和送端交流电压外环，内环为交叉解耦的电感电流内环。

    常规协调控制方法将串联侧直流电流i_dc，1经过变换作为前馈，与直流电压外环PI控制器的输出相叠加，作为电感电流d轴的参考值，以加快直流电压控制速度。相似地，将线路无功潮流的参考值变换作为前馈量，与送端电压外环PI控制输出叠加作为电感电流q轴的参考值，加快送端电压的控制速度。最终得到变流器三相驱动信号S_{sh(a，b，c)}。

    但是，该前馈方法忽略了PI控制器延迟和电感的影响，无法实时补偿电流，降低功率协调的控制效果。

    结合图1和图2 ，电感电流的有功控制环路和无功控制环路传递函数框图分别如图3(a)和图3(b)所示。

    分析有功控制环路前馈，从前馈点d到电容电流点c的传递函数为：

式中，k_iP、k_iI分别为并联侧VSC电感电流内环的比例、积分系数。

    由式(4)可知，只有当电感L_sh足够小、PI控制器增益足够大时，传递函数才可以近似为单位前馈。实际上，受电流滤波需求，L_sh不可能足够小，且控制稳定性的影响，PI控制器的增益也无法取得足够大。因而，采用该协调控制时，无法实现单位前馈。即，受控制器增益和电感的影响，i_dc2跟踪i_dc1存在一定的延迟，而该延迟会导致直流电容电压波动^[10]。为此，本文提出采用改进的有功前馈控制策略，如图3(a)中虚线所示。该方法将前馈点后移至电压节点b，避免PI控制器影响，另外将电感和微分s引入，减少电感对前馈影响。

    本文前馈方法从d点到c的传递函数为：

    与改进有功前馈相似，为实现单位反馈，增加并联电感和微分项s，将前馈点从a点推后到b点。

3 RT-LAB 硬件在环仿真分析

    为了验证本文方法的有效性，以图4为拓扑，在实验室已有RT_LAB平台上，搭建了500 kV高压输电系统仿真模型。图4中发电机模型参考文献[4]模型，发电机G1、G2采用汽轮机驱动，包含有IEEE TYPE ST1A励磁系统,发电机G1、G2额定功率为1 000 MW，G1给定有功输出为500 MW，G2给定有功输出为900 MW。松弛节点采用含有阻抗的三相电压源替代。串联侧VSC采用文献[7]中交叉解耦控制方法。

    系统初始运行时，UPFC系统在旁路状态，不控制线路潮流。系统初始潮流为：发电机G1有功功率为499 MW，无功功率为29 MVar；发电机G2有功功率为899 MW，无功功率为92 MVar；线路L1流过的有功功率为-95 MW（流向G1），无功功率为27 MW，线路L2(UPFC支路)流过的有功功率为589 MW，无功功率为-27 MVar。

    设计潮流控制和三相故障两种仿真场景对本文所提控制方法进行验证。

3.1 潮流控制场景

    给定潮流控制场景为：7 s时刻UPFC进行潮流控制，改变流过线路L2的潮流，设置P_line=598 MW，Q_line=-7 MVar，即在原始潮流增加100 MW有功功率，20 MVar无功功率。15 s时刻重新设置为P_line=498 MW，Q_line=-27 MVar，恢复初始潮流状态。仿真关键波形如图5所示。其中，图5(a)为L2线路有功功率；图5(b)为线路无功功率(其中虚线为参考值，采用斜波给定)；图5(c)中实线为UPFC并联VSC有功功率，虚线为无功功率；图5(d)中实线为UPFC串联VSC有功功率，虚线为无功功率。

    由图5(a)和图5(b)可知，本文控制方法可有效控制线路潮流，调整线路输出功率跟踪给定值。对比图5(c)和图5(d)中的有功曲线可知，串联侧变流器的输出有功功率与并联侧变流器的有功功率曲线基本相同。对比图5(b)和图5(c)无功功率曲线可知，线路改变的无功功率大小与并联侧变流器输出无功功率大小基本一致。这验证了第1小节中关于UPFC系统有功、无功功率平衡的分析。

    对比本文方法和常规协调控制方法，直流母线电压和UPFC并联侧交流电压的曲线如图6所示。图6中虚线为常规协调控制方法，实线为本文改进方法。

    由图6可知，相比与常规协调控制方法，潮流变化时，本文方法直流母线电压的过电压明显减小。采用常规协调控制时，直流母线过电压最大近1 kV，而本文方法的过电压降低到0.5 kV内。相似地，UPFC并联侧交流母线电压过电压出现较明显改善，由超过20 kV降低到10 kV内。但是，由于本文方法中引入了微分控制，调节过程中存在轻微快速波动分量。

3.2 三相故障场景

    在图4中故障点所示位置设置三相短路故障，短路开始时间为10 s，短路持续时间为20 ms。本文方法仿真波形如图7所示，图形排列与图5一致。

    由图7可知，故障期间，受短路故障的影响，UPFC线路输送端电压迅速下降，因而线路L2输出有功功率迅速下降接近零，无功功率出现较大范围的振荡。受线路电压影响(送端电压也出现较大波动，如图7(b)所示)，并联侧VSC有功和无功功率也出现相应振荡。串联侧有功、无功功率由于注入串联电压幅值较小，故其波动幅度较小而不明显。故障清除后，系统经过衰减振荡重新回复稳态。

    相似地，对比常规协调控制方法和本文方法，故障期间直流母线电压和UPFC并联侧端电压的波形如图8所示，其图形排列与图6一致，虚线为常规控制方法，实线为本文改进方法。

    由图8可知，由于本文协调控制方法具有更快协调控制效果，在故障期间直流母线电压和并联侧端电压跌落深度有一定程度减轻；而在故障恢复期间，直流母线电压和并联侧端电压具有更小的过电压，故障恢复速度得到一定程度的改善。

4 结论

    本文通过分析潮流控制时UPFC系统有功、无功平衡，提出了一种改进功率协调控制策略，设计改进前馈以实现单位前馈，快速抑制系统动态过程中的不平衡功率。基于RT_LAB的仿真结果表明，在潮流控制时，本文改进协调控制可有效减小送端交流母线电压和直流母线电压的过电压，在故障场景中，一定程度减小了受故障的影响电压跌落程度，加快了故障恢复速度。

    但本文改进协调控制策略仅为并联侧变流器控制方法，并没涉及串联侧变流器控制，将在未来针对相关方面开展进一步的研究工作。

参考文献

[1] PANDEY R，KORI A K K.Real and reactive power flow control using flexible ac transmission system connected to a transmission line: a power injection concept[J].International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology，2012，1(6)：252-256.

[2] 王海潜，杨林，窦飞，等.统一潮流控制器(UPFC)对次同步振荡的影响及抑制策略[J].电测与仪表，2016，53(15)：33-38.

[3] 王金星，刘青.UPFC接入大电网新能源系统的综合输电控制技术[J].电测与仪表，2018，55(14)：51-57.

[4] MALHOTRA U，GOKARAJU R.An add-on self-tuning control system for a UPFC application[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61(5)：2378-2388.

[5] LIU L，ZHU P，KANG Y，et al.Power-flow control performance analysis of a unified power-flow controller in a novel control scheme[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22(3)：1613-1619.

[6] KANNAN S，JAYARAM S，SALAMA M M A.Real and reactive power coordination for a unified power flow controller[J].IEEE Transactions on Power Systems，2004，19(3)：1454-1461.

[7] 赵峰，赵雨欣，阎宏.统一潮流控制器功率解耦控制策略的研究[J].电测与仪表，2014，51(7)：39-44.

[8] 马朋，刘青，邹家平，等.UPFC有功控制引起的交互影响研究[J].电力自动化设备，2017，37(1)：176-181.

[9] 刘青，马朋，邹家平.UPFC无功潮流控制引起负交互影响的解决方法[J].电力系统保护与控制，2016，44(6)：76-81.

[10] 钟诚，魏来，严干贵.基于模式切换的永磁同步风力发电机组低电压穿越控制策略[J].电力建设，2016，37(12)：68-73.

作者信息:

许云飞1，张海宁1，钟  诚2，李颖超1，刘红杨1

(1.国家电网蒙古东部电力有限公司经济技术研究院，内蒙古 呼和浩特010020；

2.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林132012)