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摘 要：为了满足UPFC实际工程中高速、穩定的控制要求，基于自研的多通道总线技术控保平台，构造了UPFC在dq0坐标系下端口受控的耗散哈密顿（PCHD）模型，得到误差能量函数。从最本质的能量角度出发，采用注入虚拟阻尼的方法设计了UPFC的电流内环控制器，加快了误差能量的耗散，确保系统的稳定性。功率外环采用PI控制提供内环所需期望电流，提高了系统抗扰能力，实现了对有功和无功的解耦控制。最后结合工程案例，搭建了二十七电平UPFC的RTDS实验，验证了能量平衡控制的可行性和有效性。
关键词：UPFC;多通道总线;控保平台;PCHD模型;RTDS;能量平衡控制
DOI：10.15938/j.jhust.2021.04.009
中图分类号：TM761
文献标志码：A
文章编号：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
随着经济的快速发展，电网结构日益复杂，带来了潮流分布不均，输电能力受限和电能质量下降等问题。统一潮流控制器UPFC（unified power flow controller，UPFC）正是灵活交流输电的重要装备[1]。在保证输送容量的基础上，UPFC可以快速有效调控潮流、抑制次同步振荡和增强系统稳定性，且具有控制灵活、结构简单等优点，国内外已经投运多个UPFC工程[2-6]，并在实际运行中均取得了理想的工程应用效果。
近年来，学者对UPFC的控制策略进行了深入研究[7-9]。分别对比了相角控制和矢量控制应用于UPFC的效果，发现相角控制下UPFC交互影响更大，但是阻尼控制器却可提供更多的阻尼[10]。在苏州南部电网500 kV的UPFC上采用多目标自适应控制，在系统正常运行以及故障下均能达到理想的控制效果，保证电网的安全运行[11]。针对UPFC控制系统闭环测试，提出了UPFC装置多时间尺度混合的实时数字仿真试验方法，试验项目比较全面，运行良好[12]。
为了提升电力电子变换器的性能，学者开始关注能量平衡控制。将能量平衡控制应用于电能路由器中，减少了直流母线电容的设计余量，且直流母线电压稳定，取得了预期的控制效果[13];分析了背靠背变换器各级的能量平衡关系，采用能量平衡控制实现了对变换器的强鲁棒控制，但是开关器件周期难以确定[14];分析了模块化多电平变换器（modular multilevel converter，MMC）逆变交流侧的能量关系，所采用的能量平衡控制器相较于PI控制，具有更好的鲁棒性[15]。
基于上述研究进展及其存在的问题，本文采用基于多通道总线技术的控保平台，研制了220kV 150MW自励型UPFC装置的控制系统，构造了UPFC在dq0坐标系下端口受控的耗散哈密顿PCHD（port controlled Hamiltonian with dissipation，PCHD）模型，设计电流内环能量平衡控制器;功率外环采用PI控制提供内环所需期望电流。最后搭建了RTDS硬件在环实验系统，对所采用的能量平衡控制效果、UPFC对潮流的均衡和抑制能力等进行验证，为UPFC实际工程应用提供参考和借鉴。 1 UPFC工作原理与数学模型
1.1 UPFC工作原理
UPFC主电路如图1所示，主要由并联变压器、串联变压器以及背靠背变换器等组成[16]。并联变换器通过并联变压器直接并到电网公共点上，主要为了向串联变换器提供有功功率，并维持直流母线的电压稳定，同时向系统注入无功功率。串联变换器通过串联变压器串入电网中，其幅值变化范围为0～Uc，相角变化范围为0～360°。串联变换器与线路既可以交换有功功率，又可以交换无功功率。随着串联注入电压相位的变化，UPFC能够实现电压调节、阻抗补偿、移相等多种功能，并能够实现对线路有功潮流和无功潮流的独立解耦控制。通过向线路注入幅值相位可调的电压，UPFC可对电网全部状态参数进行快速调节，从而实现电网潮流优化控制、阻尼功率振荡、提高暂态稳定性等功能[17]。
1.2 UPFC数学模型
UPFC多应用于在高电压、大功率场合下，变换器一般采用MMC结构，具有等效开关频率高、输出电压波形质量高和适合模块化生产等优点[18]，每个桥臂由N个子模块、桥臂电感和等效电阻组成，子模块多采用半桥结构。
子模块可输出0和UC两种电平，N个子模块可以等效为一个交流电压源，桥臂电感和等效电阻可折算到交流侧，可得MMC等效电路如图2所示，Udc为公共直流侧电压，upj为j相上桥臂等效电压，unj为j相下桥臂等效电压，Ls、R为桥臂等效电感和电阻。
式（3）和式（5）为UPFC在dq0坐标系下的交流侧稳态数学模型。
2 UPFC能量平衡控制器设计
UPFC是一个高阶、非线性和强耦合的系统，总控制方案如图3所示，分为系统级、装置级和阀级三层控制，三层控制相互协调，以达到特定的补偿效果，本文侧重于装置级控制，装置级控制主要采用双闭环控制，即功率外环控制和电流内环控制。
综上所述，UPFC的装置级整体控制框图如图4所示。
3 样机研制及RTDS实验波形
3.1 样机研制
为了验证本文所采用能量平衡控制的可行性，在自研的多通道总线技术控保平台上实现了能量平衡控制器样機。
自研控保平台采用基于RS485的多通道总线技术，采用终端匹配的总线型广播式通信结构，其网络拓扑如图5所示。该总线技术在稳定性、扩展能力、通信带宽及动态容错能力等方面表现优异：
1）采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，总线传输信号稳定性强;
2）物理层由可扩展至不少于64路的基于RS-485的总线通道构成，各路通道并行传输，通信带宽大，每路总线上最大可支持128个节点直接互联;
3）总线上各节点均实时监测所有总线通道的运行状况，当总线通道正常时，通信数据包会动态的分配到正常通道上传输;当总线通道出现故障时，会引导各个节点将通信数据包转移到其余正常通道上传输，从而在某些节点接口或通道出现故障时仍能保证所有节点正常工作，实现通信动态容错。
图6分别为数据处理模块和控制器样机。样机采用模块化设计，包括数据采集模块、同步模块、数据处理模块、通信管理模块及扩展模块等。各个模块作为节点挂接在RS485总线上，每个模块上均配备DSP以实现虚拟共享内存机制，配备FPGA以实现通道冗余、分配及同步机制，从而控制数据收发逻辑。样机可扩展至不少于64路总线通道并发传输信息，每路总线上最大可支持128个节点直接互联，通讯带宽大大增加。样机简化了系统结构，集采集、计算、处理、对外交互于一体，实现了数据的直采直控，大大减少中间传输及处理环节，极大地缩短了通信延时。
3.2 RTDS实验波形
按照图4所示的控制框图搭建二十七电平UPFC的RTDS实验。
参数如下：如图1所示电网采用两回输电线路，UPFC装设在线路1上;电网电压等级为220kV，公共直流母线额定电压Udc=±20.8kV，每个桥臂子模块个数N=26，子模块电容预充电电压UC=1.6kV，桥臂电感Ls=6mH。并联变压器变比k1=230kV/21kV，容量为100MVA;串联变压器变比k2=2.5kV/21kV，容量为50MVA。调制方式采用载波移相调制，子模块电容电压均衡采用文献[20]的方法，桥臂环流抑制采用基于负序二倍频变换解耦的控制方法。
图7为STATCOM模式下采用能量平衡控制线路无功功率指令阶跃的仿真波形，图（a）为线路无功功率指令从0阶跃到50MVAR，图（b）为线路无功功率指令从50MVAR阶跃到-50MVAR，本文的实验波形周期为工频周期。由图可知，并联侧输出电流在2个工频周期内就可以达到稳定，动态响应速度快，且无超调量。
图8为SSSC模式下采用能量平衡控制线路有功功率指令阶跃的仿真波形，图（a）为线路有功功率指令从0阶跃到90MW，图（b）为线路有功功率指令从90MW阶跃到140MW。由图可知，串联侧输出有功电流很快达到稳定，无明显超调量，静态性能良好，线路1和线路2可进行快速潮流分配。
图9为UPFC模式下采用能量平衡线路无功功率阶跃的仿真波形，图（a）为线路无功功率指令从50MVAR阶跃到-50MVAR，图（b）为线路无功功率指令从-50MVAR阶跃到50MVAR，线路有功指令无变化。由图可知，并联侧输出有功电流在1个工频周期内快速达到稳定，直流母线电压稳定在20kV左右，动静态性能良好，达到无功功率调节的效果。
4 结 论
本文从UPFC能量平衡角度出发，建立了其PCHD模型，采用阻尼注入的方法设计了能量平衡控制器，保证了系统的稳定;外环采用PI控制，得到内环期望电流。通过搭建RTDS实验，得到如下结论：
1）自研控保平台，采用先进的芯片及高效的通讯方式，提高了计算速度，缩短了控制周期，减少通讯上的延时，能够满足系统长期可靠稳定运行，为UPFC控制系统的成功研制提供了硬件上的支持。 2）能量平衡控制，可保证UPFC安全稳定运行，强鲁棒性能优良，具有控制器设计简单、可调参数少等优点。
UPFC多通道高速控制系统的研制，可为我国后续UPFC工程甚至FACTS工程提供参考和借鉴。
参 考 文 献：
[1] 周孝信，陈树勇，鲁宗相，等. 能源转型中我国新一代电力系统的技术特征[J].中国电机工程学报，2018 ， 38（7）：1893.
ZHOU Xiaoxin， CHEN Shuyong， LU Zongxiang，et al. Technology Features of the New Generation Power System in China[J].Proceedings of the CSEE， 2018， 38（7）：1893.
[2] SCHAUDER C，KERI A，EDRIS A，et al.AEP UPFC Project：Installation，Commissioning and Operation of the ±60MVA STATCOM（phase1）[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13（4）：1530.
[3] ARABI S， HAMADANIZADEH H， FARDANESH B. Convertible Static Compensator Performance Studies on the NY State Transmission System[J]. IEEE Transactions on Power Systems， 2002， 17（3）：701.
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[5] 甄宏寧. 统一潮流控制器在南京电网的应用研究[D]. 北京：华北电力大学，2017.
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[20]武健，刘瑜超，徐殿国. 基于模块多电平变换器的并联有源滤波器控制策略研究[J]. 电工技术学报，2013，28（12）：52.
WU Jian，LIU Yuchao，XU Dianguo. Control Strategy of Shunt Active Power Filter Based on Modular Multilevel Converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013， 28（12）：52.
（编辑：温泽宇）
关键词：UPFC;多通道总线;控保平台;PCHD模型;RTDS;能量平衡控制
DOI：10.15938/j.jhust.2021.04.009
中图分类号：TM761
文献标志码：A
文章编号：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
随着经济的快速发展，电网结构日益复杂，带来了潮流分布不均，输电能力受限和电能质量下降等问题。统一潮流控制器UPFC（unified power flow controller，UPFC）正是灵活交流输电的重要装备[1]。在保证输送容量的基础上，UPFC可以快速有效调控潮流、抑制次同步振荡和增强系统稳定性，且具有控制灵活、结构简单等优点，国内外已经投运多个UPFC工程[2-6]，并在实际运行中均取得了理想的工程应用效果。
近年来，学者对UPFC的控制策略进行了深入研究[7-9]。分别对比了相角控制和矢量控制应用于UPFC的效果，发现相角控制下UPFC交互影响更大，但是阻尼控制器却可提供更多的阻尼[10]。在苏州南部电网500 kV的UPFC上采用多目标自适应控制，在系统正常运行以及故障下均能达到理想的控制效果，保证电网的安全运行[11]。针对UPFC控制系统闭环测试，提出了UPFC装置多时间尺度混合的实时数字仿真试验方法，试验项目比较全面，运行良好[12]。
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基于上述研究进展及其存在的问题，本文采用基于多通道总线技术的控保平台，研制了220kV 150MW自励型UPFC装置的控制系统，构造了UPFC在dq0坐标系下端口受控的耗散哈密顿PCHD（port controlled Hamiltonian with dissipation，PCHD）模型，设计电流内环能量平衡控制器;功率外环采用PI控制提供内环所需期望电流。最后搭建了RTDS硬件在环实验系统，对所采用的能量平衡控制效果、UPFC对潮流的均衡和抑制能力等进行验证，为UPFC实际工程应用提供参考和借鉴。 1 UPFC工作原理与数学模型
1.1 UPFC工作原理
UPFC主电路如图1所示，主要由并联变压器、串联变压器以及背靠背变换器等组成[16]。并联变换器通过并联变压器直接并到电网公共点上，主要为了向串联变换器提供有功功率，并维持直流母线的电压稳定，同时向系统注入无功功率。串联变换器通过串联变压器串入电网中，其幅值变化范围为0～Uc，相角变化范围为0～360°。串联变换器与线路既可以交换有功功率，又可以交换无功功率。随着串联注入电压相位的变化，UPFC能够实现电压调节、阻抗补偿、移相等多种功能，并能够实现对线路有功潮流和无功潮流的独立解耦控制。通过向线路注入幅值相位可调的电压，UPFC可对电网全部状态参数进行快速调节，从而实现电网潮流优化控制、阻尼功率振荡、提高暂态稳定性等功能[17]。
1.2 UPFC数学模型
UPFC多应用于在高电压、大功率场合下，变换器一般采用MMC结构，具有等效开关频率高、输出电压波形质量高和适合模块化生产等优点[18]，每个桥臂由N个子模块、桥臂电感和等效电阻组成，子模块多采用半桥结构。
子模块可输出0和UC两种电平，N个子模块可以等效为一个交流电压源，桥臂电感和等效电阻可折算到交流侧，可得MMC等效电路如图2所示，Udc为公共直流侧电压，upj为j相上桥臂等效电压，unj为j相下桥臂等效电压，Ls、R为桥臂等效电感和电阻。
式（3）和式（5）为UPFC在dq0坐标系下的交流侧稳态数学模型。
2 UPFC能量平衡控制器设计
UPFC是一个高阶、非线性和强耦合的系统，总控制方案如图3所示，分为系统级、装置级和阀级三层控制，三层控制相互协调，以达到特定的补偿效果，本文侧重于装置级控制，装置级控制主要采用双闭环控制，即功率外环控制和电流内环控制。
综上所述，UPFC的装置级整体控制框图如图4所示。
3 样机研制及RTDS实验波形
3.1 样机研制
为了验证本文所采用能量平衡控制的可行性，在自研的多通道总线技术控保平台上实现了能量平衡控制器样機。
自研控保平台采用基于RS485的多通道总线技术，采用终端匹配的总线型广播式通信结构，其网络拓扑如图5所示。该总线技术在稳定性、扩展能力、通信带宽及动态容错能力等方面表现优异：
1）采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，总线传输信号稳定性强;
2）物理层由可扩展至不少于64路的基于RS-485的总线通道构成，各路通道并行传输，通信带宽大，每路总线上最大可支持128个节点直接互联;
3）总线上各节点均实时监测所有总线通道的运行状况，当总线通道正常时，通信数据包会动态的分配到正常通道上传输;当总线通道出现故障时，会引导各个节点将通信数据包转移到其余正常通道上传输，从而在某些节点接口或通道出现故障时仍能保证所有节点正常工作，实现通信动态容错。
图6分别为数据处理模块和控制器样机。样机采用模块化设计，包括数据采集模块、同步模块、数据处理模块、通信管理模块及扩展模块等。各个模块作为节点挂接在RS485总线上，每个模块上均配备DSP以实现虚拟共享内存机制，配备FPGA以实现通道冗余、分配及同步机制，从而控制数据收发逻辑。样机可扩展至不少于64路总线通道并发传输信息，每路总线上最大可支持128个节点直接互联，通讯带宽大大增加。样机简化了系统结构，集采集、计算、处理、对外交互于一体，实现了数据的直采直控，大大减少中间传输及处理环节，极大地缩短了通信延时。
3.2 RTDS实验波形
按照图4所示的控制框图搭建二十七电平UPFC的RTDS实验。
参数如下：如图1所示电网采用两回输电线路，UPFC装设在线路1上;电网电压等级为220kV，公共直流母线额定电压Udc=±20.8kV，每个桥臂子模块个数N=26，子模块电容预充电电压UC=1.6kV，桥臂电感Ls=6mH。并联变压器变比k1=230kV/21kV，容量为100MVA;串联变压器变比k2=2.5kV/21kV，容量为50MVA。调制方式采用载波移相调制，子模块电容电压均衡采用文献[20]的方法，桥臂环流抑制采用基于负序二倍频变换解耦的控制方法。
图7为STATCOM模式下采用能量平衡控制线路无功功率指令阶跃的仿真波形，图（a）为线路无功功率指令从0阶跃到50MVAR，图（b）为线路无功功率指令从50MVAR阶跃到-50MVAR，本文的实验波形周期为工频周期。由图可知，并联侧输出电流在2个工频周期内就可以达到稳定，动态响应速度快，且无超调量。
图8为SSSC模式下采用能量平衡控制线路有功功率指令阶跃的仿真波形，图（a）为线路有功功率指令从0阶跃到90MW，图（b）为线路有功功率指令从90MW阶跃到140MW。由图可知，串联侧输出有功电流很快达到稳定，无明显超调量，静态性能良好，线路1和线路2可进行快速潮流分配。
图9为UPFC模式下采用能量平衡线路无功功率阶跃的仿真波形，图（a）为线路无功功率指令从50MVAR阶跃到-50MVAR，图（b）为线路无功功率指令从-50MVAR阶跃到50MVAR，线路有功指令无变化。由图可知，并联侧输出有功电流在1个工频周期内快速达到稳定，直流母线电压稳定在20kV左右，动静态性能良好，达到无功功率调节的效果。
4 结 论
本文从UPFC能量平衡角度出发，建立了其PCHD模型，采用阻尼注入的方法设计了能量平衡控制器，保证了系统的稳定;外环采用PI控制，得到内环期望电流。通过搭建RTDS实验，得到如下结论：
1）自研控保平台，采用先进的芯片及高效的通讯方式，提高了计算速度，缩短了控制周期，减少通讯上的延时，能够满足系统长期可靠稳定运行，为UPFC控制系统的成功研制提供了硬件上的支持。 2）能量平衡控制，可保证UPFC安全稳定运行，强鲁棒性能优良，具有控制器设计简单、可调参数少等优点。
UPFC多通道高速控制系统的研制，可为我国后续UPFC工程甚至FACTS工程提供参考和借鉴。
参 考 文 献：
[1] 周孝信，陈树勇，鲁宗相，等. 能源转型中我国新一代电力系统的技术特征[J].中国电机工程学报，2018 ， 38（7）：1893.
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[2] SCHAUDER C，KERI A，EDRIS A，et al.AEP UPFC Project：Installation，Commissioning and Operation of the ±60MVA STATCOM（phase1）[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13（4）：1530.
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[4] CHOO J B，CHANG B H.Development of FACTS Operation Technology to the KEPCO Power Network-Installation & Operation[C]// Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference.ASIA PACIFIC：IEEE， 2002：2008.
[5] 甄宏寧. 统一潮流控制器在南京电网的应用研究[D]. 北京：华北电力大学，2017.
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ZHANG Man， ZHANG Chunpeng， JIANG Qirong， et al. Study on Multi-Objective Coordinated Control Strategy of Unified Power Flow Controller[J]. Power System Technology， 2014， 38（4）：1008.
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（编辑：温泽宇）