UPFC多通道高速控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

王翔 慕小斌 戴鳳嬌 袁佩娥

摘 要：為了滿足UPFC實(shí)際工程中高速、穩(wěn)定的控制要求，基于自研的多通道總線技術(shù)控保平臺(tái)，構(gòu)造了UPFC在dq0坐標(biāo)系下端口受控的耗散哈密頓（PCHD）模型，得到誤差能量函數(shù)。從最本質(zhì)的能量角度出發(fā)，采用注入虛擬阻尼的方法設(shè)計(jì)了UPFC的電流內(nèi)環(huán)控制器，加快了誤差能量的耗散，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。功率外環(huán)采用PI控制提供內(nèi)環(huán)所需期望電流，提高了系統(tǒng)抗擾能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有功和無(wú)功的解耦控制。最后結(jié)合工程案例，搭建了二十七電平UPFC的RTDS實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了能量平衡控制的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：UPFC;多通道總線;控保平臺(tái);PCHD模型;RTDS;能量平衡控制

DOI：10.15938/j.jhust.2021.04.009

中圖分類號(hào)：TM761

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，帶來(lái)了潮流分布不均，輸電能力受限和電能質(zhì)量下降等問(wèn)題。統(tǒng)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(chǔ)上，UPFC可以快速有效調(diào)控潮流、抑制次同步振蕩和增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，且具有控制靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)投運(yùn)多個(gè)UPFC工程[2-6]，并在實(shí)際運(yùn)行中均取得了理想的工程應(yīng)用效果。

近年來(lái)，學(xué)者對(duì)UPFC的控制策略進(jìn)行了深入研究[7-9]。分別對(duì)比了相角控制和矢量控制應(yīng)用于UPFC的效果，發(fā)現(xiàn)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(wǎng)500 kV的UPFC上采用多目標(biāo)自適應(yīng)控制，在系統(tǒng)正常運(yùn)行以及故障下均能達(dá)到理想的控制效果，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行[11]。針對(duì)UPFC控制系統(tǒng)閉環(huán)測(cè)試，提出了UPFC裝置多時(shí)間尺度混合的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真試驗(yàn)方法，試驗(yàn)項(xiàng)目比較全面，運(yùn)行良好[12]。

為了提升電力電子變換器的性能，學(xué)者開(kāi)始關(guān)注能量平衡控制。將能量平衡控制應(yīng)用于電能路由器中，減少了直流母線電容的設(shè)計(jì)余量，且直流母線電壓穩(wěn)定，取得了預(yù)期的控制效果[13];分析了背靠背變換器各級(jí)的能量平衡關(guān)系，采用能量平衡控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)變換器的強(qiáng)魯棒控制，但是開(kāi)關(guān)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(cè)的能量關(guān)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(jìn)展及其存在的問(wèn)題，本文采用基于多通道總線技術(shù)的控保平臺(tái)，研制了220kV 150MW自勵(lì)型UPFC裝置的控制系統(tǒng)，構(gòu)造了UPFC在dq0坐標(biāo)系下端口受控的耗散哈密頓PCHD（port controlled Hamiltonian with dissipation，PCHD）模型，設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)能量平衡控制器;功率外環(huán)采用PI控制提供內(nèi)環(huán)所需期望電流。最后搭建了RTDS硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)所采用的能量平衡控制效果、UPFC對(duì)潮流的均衡和抑制能力等進(jìn)行驗(yàn)證，為UPFC實(shí)際工程應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 UPFC工作原理與數(shù)學(xué)模型

1.1 UPFC工作原理

UPFC主電路如圖1所示，主要由并聯(lián)變壓器、串聯(lián)變壓器以及背靠背變換器等組成[16]。并聯(lián)變換器通過(guò)并聯(lián)變壓器直接并到電網(wǎng)公共點(diǎn)上，主要為了向串聯(lián)變換器提供有功功率，并維持直流母線的電壓穩(wěn)定，同時(shí)向系統(tǒng)注入無(wú)功功率。串聯(lián)變換器通過(guò)串聯(lián)變壓器串入電網(wǎng)中，其幅值變化范圍為0～Uc，相角變化范圍為0～360°。串聯(lián)變換器與線路既可以交換有功功率，又可以交換無(wú)功功率。隨著串聯(lián)注入電壓相位的變化，UPFC能夠?qū)崿F(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、阻抗補(bǔ)償、移相等多種功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)線路有功潮流和無(wú)功潮流的獨(dú)立解耦控制。通過(guò)向線路注入幅值相位可調(diào)的電壓，UPFC可對(duì)電網(wǎng)全部狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)潮流優(yōu)化控制、阻尼功率振蕩、提高暫態(tài)穩(wěn)定性等功能[17]。

1.2 UPFC數(shù)學(xué)模型

UPFC多應(yīng)用于在高電壓、大功率場(chǎng)合下，變換器一般采用MMC結(jié)構(gòu)，具有等效開(kāi)關(guān)頻率高、輸出電壓波形質(zhì)量高和適合模塊化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[18]，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊、橋臂電感和等效電阻組成，子模塊多采用半橋結(jié)構(gòu)。

子模塊可輸出0和UC兩種電平，N個(gè)子模塊可以等效為一個(gè)交流電壓源，橋臂電感和等效電阻可折算到交流側(cè)，可得MMC等效電路如圖2所示，Udc為公共直流側(cè)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(biāo)系下的交流側(cè)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

2 UPFC能量平衡控制器設(shè)計(jì)

UPFC是一個(gè)高階、非線性和強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，總控制方案如圖3所示，分為系統(tǒng)級(jí)、裝置級(jí)和閥級(jí)三層控制，三層控制相互協(xié)調(diào)，以達(dá)到特定的補(bǔ)償效果，本文側(cè)重于裝置級(jí)控制，裝置級(jí)控制主要采用雙閉環(huán)控制，即功率外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。

綜上所述，UPFC的裝置級(jí)整體控制框圖如圖4所示。

3 樣機(jī)研制及RTDS實(shí)驗(yàn)波形

3.1 樣機(jī)研制

為了驗(yàn)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(shù)控保平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了能量平衡控制器樣機(jī)。

自研控保平臺(tái)采用基于RS485的多通道總線技術(shù)，采用終端匹配的總線型廣播式通信結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示。該總線技術(shù)在穩(wěn)定性、擴(kuò)展能力、通信帶寬及動(dòng)態(tài)容錯(cuò)能力等方面表現(xiàn)優(yōu)異：

1）采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力，總線傳輸信號(hào)穩(wěn)定性強(qiáng);

2）物理層由可擴(kuò)展至不少于64路的基于RS-485的總線通道構(gòu)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(gè)節(jié)點(diǎn)直接互聯(lián);

3）總線上各節(jié)點(diǎn)均實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有總線通道的運(yùn)行狀況，當(dāng)總線通道正常時(shí)，通信數(shù)據(jù)包會(huì)動(dòng)態(tài)的分配到正常通道上傳輸;當(dāng)總線通道出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)引導(dǎo)各個(gè)節(jié)點(diǎn)將通信數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)移到其余正常通道上傳輸，從而在某些節(jié)點(diǎn)接口或通道出現(xiàn)故障時(shí)仍能保證所有節(jié)點(diǎn)正常工作，實(shí)現(xiàn)通信動(dòng)態(tài)容錯(cuò)。

圖6分別為數(shù)據(jù)處理模塊和控制器樣機(jī)。樣機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、同步模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信管理模塊及擴(kuò)展模塊等。各個(gè)模塊作為節(jié)點(diǎn)掛接在RS485總線上，每個(gè)模塊上均配備DSP以實(shí)現(xiàn)虛擬共享內(nèi)存機(jī)制，配備FPGA以實(shí)現(xiàn)通道冗余、分配及同步機(jī)制，從而控制數(shù)據(jù)收發(fā)邏輯。樣機(jī)可擴(kuò)展至不少于64路總線通道并發(fā)傳輸信息，每路總線上最大可支持128個(gè)節(jié)點(diǎn)直接互聯(lián)，通訊帶寬大大增加。樣機(jī)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，集采集、計(jì)算、處理、對(duì)外交互于一體，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的直采直控，大大減少中間傳輸及處理環(huán)節(jié)，極大地縮短了通信延時(shí)。

3.2 RTDS實(shí)驗(yàn)波形

按照?qǐng)D4所示的控制框圖搭建二十七電平UPFC的RTDS實(shí)驗(yàn)。

參數(shù)如下：如圖1所示電網(wǎng)采用兩回輸電線路，UPFC裝設(shè)在線路1上;電網(wǎng)電壓等級(jí)為220kV，公共直流母線額定電壓Udc=±20.8kV，每個(gè)橋臂子模塊個(gè)數(shù)N=26，子模塊電容預(yù)充電電壓UC=1.6kV，橋臂電感Ls=6mH。并聯(lián)變壓器變比k1=230kV/21kV，容量為100MVA;串聯(lián)變壓器變比k2=2.5kV/21kV，容量為50MVA。調(diào)制方式采用載波移相調(diào)制，子模塊電容電壓均衡采用文獻(xiàn)[20]的方法，橋臂環(huán)流抑制采用基于負(fù)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(wú)功功率指令階躍的仿真波形，圖（a）為線路無(wú)功功率指令從0階躍到50MVAR，圖（b）為線路無(wú)功功率指令從50MVAR階躍到-50MVAR，本文的實(shí)驗(yàn)波形周期為工頻周期。由圖可知，并聯(lián)側(cè)輸出電流在2個(gè)工頻周期內(nèi)就可以達(dá)到穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，且無(wú)超調(diào)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(lián)側(cè)輸出有功電流很快達(dá)到穩(wěn)定，無(wú)明顯超調(diào)量，靜態(tài)性能良好，線路1和線路2可進(jìn)行快速潮流分配。

圖9為UPFC模式下采用能量平衡線路無(wú)功功率階躍的仿真波形，圖（a）為線路無(wú)功功率指令從50MVAR階躍到-50MVAR，圖（b）為線路無(wú)功功率指令從-50MVAR階躍到50MVAR，線路有功指令無(wú)變化。由圖可知，并聯(lián)側(cè)輸出有功電流在1個(gè)工頻周期內(nèi)快速達(dá)到穩(wěn)定，直流母線電壓穩(wěn)定在20kV左右，動(dòng)靜態(tài)性能良好，達(dá)到無(wú)功功率調(diào)節(jié)的效果。

4 結(jié) 論

本文從UPFC能量平衡角度出發(fā)，建立了其PCHD模型，采用阻尼注入的方法設(shè)計(jì)了能量平衡控制器，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定;外環(huán)采用PI控制，得到內(nèi)環(huán)期望電流。通過(guò)搭建RTDS實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1）自研控保平臺(tái)，采用先進(jìn)的芯片及高效的通訊方式，提高了計(jì)算速度，縮短了控制周期，減少通訊上的延時(shí)，能夠滿足系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行，為UPFC控制系統(tǒng)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(wěn)定運(yùn)行，強(qiáng)魯棒性能優(yōu)良，具有控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可調(diào)參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。

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

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（編輯：溫澤宇）