莊良文，張彥兵，荊雪記，李志勇，賈德峰，姚致清

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基于RTDS仿真的MMC_UPFC串聯(lián)側(cè)間接電流控制研究

莊良文1，張彥兵1，荊雪記2，李志勇1，賈德峰1，姚致清1

(1.許昌開普檢測(cè)技術(shù)有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

為了更便捷地進(jìn)行MMC_UPFC的仿真建模，采用間接電流控制方案實(shí)現(xiàn)了UPFC串聯(lián)側(cè)換流器的簡(jiǎn)化、有效控制。基于MMC_UPFC系統(tǒng)的相量模型，詳細(xì)推導(dǎo)了該控制策略的仿真建模方法。為提升仿真參數(shù)的真實(shí)性，參照國(guó)內(nèi)某UPFC示范工程技術(shù)參數(shù)，在RTDS的小步長(zhǎng)(ns級(jí))模塊中，設(shè)計(jì)了恒壓移相控制、有功無(wú)功潮流控制及電網(wǎng)擾動(dòng)下UPFC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等多個(gè)試驗(yàn)算例進(jìn)行仿真。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略能夠使MMC_UPFC系統(tǒng)快速、有效地跟隨控制指令，并呈現(xiàn)良好的調(diào)壓移相、潮流控制等調(diào)節(jié)性能。

統(tǒng)一潮流控制器；模塊化多電平；串聯(lián)側(cè)控制；RTDS

0 引言

UPFC是一種兼具串、并聯(lián)型FACTS(柔性交流輸電系統(tǒng))裝置特性，具有調(diào)壓、移相、串補(bǔ)、控制線路潮流等功能的FACTS裝置。可以充分挖掘現(xiàn)有電網(wǎng)潛力，定向、定量控制線路潮流分布、改善弱阻尼互聯(lián)系統(tǒng)的低頻振蕩、解決輸電線路融冰問(wèn)題、為大負(fù)荷受端電網(wǎng)提供無(wú)功支持等[1-5]。

雖然UPFC功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異，但目前世界上投運(yùn)工程卻是寥寥：第一套UPFC工程于1998年美國(guó)投運(yùn)；第二套于2003年韓國(guó)投運(yùn)；第三套南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程于2015年底投運(yùn)；2016年上海UPFC示范工程也即將投運(yùn)。究其原因：UPFC控制系統(tǒng)較為復(fù)雜、全控型器件所組成的換流器容量較小，且電網(wǎng)發(fā)展模式較為粗放。上述現(xiàn)狀導(dǎo)致UPFC投運(yùn)效益低下，工程推廣有限。

近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司大力推進(jìn)跨省、跨區(qū)之間的電力交易，以期實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)能源的資源優(yōu)化配置，提升電網(wǎng)的整體經(jīng)濟(jì)效益。而大范圍的電網(wǎng)互聯(lián)運(yùn)行，需要采取有效手段來(lái)提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性[6]。MMC換流器具有電壓和容量易于拓展、無(wú)濾波器等眾多優(yōu)點(diǎn)，采用MMC換流器的UPFC裝置突破了常規(guī)換流器容量限制的瓶頸，將具有更好的實(shí)際工程效益[1-3]。隨著電網(wǎng)的進(jìn)一步深化改造，MMC_UPFC必將逐步在電力工程中發(fā)揮其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[6]重點(diǎn)介紹了基于RTDS的ns-FPGA仿真板卡進(jìn)行UPFC混合仿真步長(zhǎng)的試驗(yàn)，并未對(duì)UPFC串聯(lián)側(cè)控制策略作描述。文獻(xiàn)[7]以已投運(yùn)的示范工程為背景，提出一種具有線路功率越限控制功能的UPFC系統(tǒng)級(jí)控制策略，并進(jìn)行了試驗(yàn)論證。文獻(xiàn)[8]圍繞MMC_UPFC進(jìn)行建模分析，并基于RTDS做了動(dòng)態(tài)特性仿真。文獻(xiàn)[9]基于對(duì)UPFC的潮流控制特性分析，繪制了各部分功率的三維運(yùn)行曲面，并基于一臺(tái)15 kVA的UPFC試驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了串聯(lián)側(cè)采用交叉耦合控制的可行性。上述文獻(xiàn)的UPFC控制部分，大多采用雙閉環(huán)交叉解耦控制模式，參數(shù)較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給UPFC的建模與控制帶來(lái)一定不便。

基于UPFC串聯(lián)側(cè)基本原理和常規(guī)VSC換流器間接電流控制策略方案以及MMC換流器的特性，實(shí)現(xiàn)了間接電流控制在MMC_UPFC串聯(lián)側(cè)換流器建模中的應(yīng)用。根據(jù)系統(tǒng)幅值相量模型，推導(dǎo)并建立了詳細(xì)的仿真控制模型。在實(shí)時(shí)仿真器RTDS中搭建小步長(zhǎng)(分辨率為ns)仿真模型，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了MMC_UPFC系統(tǒng)所采用的串聯(lián)側(cè)間接電流策略的可行性與有效性。

1 MMC_UPFC工作原理與串聯(lián)側(cè)直接電流控制

1.1 MMC_UPFC的工作原理

兩個(gè)交流系統(tǒng)的潮流傳輸表達(dá)式[10-11]為式(1)。

由式(1)可知，改變交流系統(tǒng)端電壓、線路阻抗或者功率傳輸角，便可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)線路的傳輸功率。而UPFC系統(tǒng)兼具上述眾多功能，應(yīng)用前景廣泛。圖1為MMC-UPFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，基于式(1)原理，通過(guò)控制換流器II，經(jīng)串聯(lián)變壓器向傳輸線路插入一個(gè)可控電壓源(頻率跟隨電網(wǎng)頻率、，)，實(shí)現(xiàn)控制線路的潮流傳輸[12]。圖1中兩個(gè)MMC變換器以AC-AC拓?fù)湫问浇M成系統(tǒng)功率變換部分，可實(shí)現(xiàn)電源同傳輸線路之間有功功率的雙向流動(dòng)，且換流器也可同各自交流端進(jìn)行無(wú)功功率交換。

圖1 MMC_UPFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 MMC_UPFC的串聯(lián)側(cè)間接電流控制

MMC電路采用功率單元級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，高度模塊化設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)子模塊的數(shù)量可適應(yīng)不同的電壓等級(jí)和容量。相比與傳統(tǒng)多電平換流器，基于MMC功率模塊設(shè)計(jì)的UPFC系統(tǒng)可以極大限度的提升系統(tǒng)容量與電壓等級(jí)，使得UPFC更具有實(shí)際工程意義。MMC換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)橋臂有一個(gè)電抗器和個(gè)子模塊(SM)相串聯(lián)組成，每一時(shí)刻上下橋臂共投入個(gè)子模塊工作。

圖2 MMC換流器結(jié)構(gòu)框圖

MMC換流器驅(qū)動(dòng)脈沖的調(diào)制方式主要由逐次電平逼近調(diào)制(NLM)以及載波移相調(diào)制(PSC-PWM)兩種調(diào)制方式[12-13]。鑒于NLM調(diào)制方式動(dòng)態(tài)性能良好，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，仿真試驗(yàn)中MMC換流器的采用該調(diào)制方法。圖2中MMC換流器具有式子(2)所示的數(shù)學(xué)特性[14]。

(3)

由式(3)可知，換流器端口電壓基波分量可以近似的等效為將調(diào)制波進(jìn)行幅值放大，即三相換流器交流電壓的相位、波形對(duì)應(yīng)的跟隨調(diào)制波形。

2 UPFC系統(tǒng)串聯(lián)側(cè)間接電流控制建模

2.1 恒幅移相控制策略仿真建模

圖3 UPFC恒幅移相相量模型

(5)

圖4 恒幅移相控制結(jié)構(gòu)圖

圖4所示為恒幅移相工況下，串聯(lián)換流器的控制結(jié)構(gòu)圖，軸分量控幅值，軸分量控相位。移相角參考值經(jīng)公式(5)計(jì)算出、，同測(cè)量值的分量、作差，經(jīng)PI環(huán)節(jié)，產(chǎn)生MMC換流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)在軸控制環(huán)中增設(shè)穩(wěn)壓控制環(huán)，即三相電壓有效值測(cè)量量同UPFC端電壓給定值1.0(p.u.值)作差經(jīng)PI環(huán)節(jié)處理，疊加進(jìn)軸控制環(huán)中。該控制策略下，系統(tǒng)可以快速跟隨移相指令，且能保持UPFC端電壓幅值穩(wěn)定。

2.2 UPFC潮流控制策略仿真建模

由公式(1)可知，實(shí)現(xiàn)傳輸線路的潮流調(diào)節(jié)有多種控制方式，如：調(diào)節(jié)交流端電壓幅值、相位差、線路阻抗等。對(duì)公式(1)求微分可知，調(diào)節(jié)系統(tǒng)相位來(lái)實(shí)現(xiàn)有功功率的調(diào)節(jié)，及調(diào)節(jié)線路端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)功功率的調(diào)劑，具有調(diào)節(jié)效果顯著、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。故將以控制系統(tǒng)相位差、UPFC串聯(lián)側(cè)端電壓幅值為控制目標(biāo)，并進(jìn)行UPFC系統(tǒng)的建模與仿真。采用間接電流控制策略，控制UPFC系統(tǒng)端電壓的幅值與相位，實(shí)現(xiàn)線路電流即線路潮流傳輸?shù)靡钥刂啤＞唧w的線路潮流控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。由于UPFC系統(tǒng)并聯(lián)側(cè)換流器功能單一，負(fù)責(zé)進(jìn)行穩(wěn)定直流母線電壓穩(wěn)定，調(diào)節(jié)同交流系統(tǒng)的無(wú)功功率交換等，故不再贅述。

圖5 線路潮流控制結(jié)構(gòu)圖

圖5為線路潮流控制仿真建模結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合恒幅移相控制原理可知，的軸分量負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)UPFC端口電壓同受端交流系統(tǒng)的相位差(即線路有功功率傳輸)，軸分量負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)系統(tǒng)端電壓幅值(即線路無(wú)功功率傳輸)。該控制系統(tǒng)的外環(huán)控制由UPFC端電壓控制(或線路無(wú)功功率控制)和線路有功潮流控制組成，系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制由串聯(lián)變壓器的軸、軸分量控制組成。該控制策略有別于電壓電流雙閉環(huán)解耦控制，無(wú)需電流反饋控制，控制結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略下，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，對(duì)相關(guān)換流器的控制仿真具有一定的參考意義。

3 RTDS仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證該MMC_UPFC系統(tǒng)所采用的串聯(lián)側(cè)間接電流控制策略的有效性及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能響應(yīng)性能，并盡可能確保仿真參數(shù)接近實(shí)際工況，故參照國(guó)內(nèi)某UPFC示范工程系統(tǒng)參數(shù)，在RTDS小步長(zhǎng)(ns級(jí))模塊中，搭建實(shí)時(shí)仿真模型。并設(shè)計(jì)恒壓移相控制仿真、線路潮流控制仿真、電網(wǎng)擾動(dòng)下系統(tǒng)響應(yīng)仿真等多組算例進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。該仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 RTDS關(guān)鍵仿真參數(shù)

3.1 恒幅移相實(shí)驗(yàn)仿真

圖6(a)為相位角測(cè)量波形，由圖可以看出UPFC通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)串聯(lián)變壓器電壓，使得同間相位跟隨相角控制指令由14o依次減小到9o再增大到19o°并保持穩(wěn)定。由圖6(b)可知在移相過(guò)程中，電壓幅值保持穩(wěn)定，且電壓在移相指令階躍下發(fā)生反向變化，符合公式(5)的公式推導(dǎo)分析。仿真波形顯示：階躍指令下，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能良好。

圖6(c)為系統(tǒng)潮流定性分析，相位減小時(shí)送端有功功率發(fā)生跌落。相位增加時(shí)送端有功功率變大。由圖3相量圖可知，控制的軸分量實(shí)現(xiàn)移相，由軸分量同線路電流I的相位關(guān)系可知，逆時(shí)針移相為正時(shí)，串聯(lián)側(cè)吸收無(wú)功，反之發(fā)出無(wú)功，同圖6(c)波形相一致。仿真結(jié)果顯示，該簡(jiǎn)化控制策略下，MMC_UPFC系統(tǒng)可以有效、快速的跟隨相位調(diào)節(jié)指令。

3.2 線路潮流仿真實(shí)驗(yàn)

基于圖5的潮流控制策略，制定3種RTDS仿真算例進(jìn)行驗(yàn)證。UPFC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況：有功基準(zhǔn)值為100 MW，線路電壓基準(zhǔn)值為220 kV，送端相位超前受端11o左右，送端系統(tǒng)輸送300 MW有功功率，串聯(lián)側(cè)換流器同線路傳輸功率保持在小功率狀態(tài)，4 s時(shí)刻觸發(fā)上階躍，12 s時(shí)刻觸發(fā)下階躍，20 s時(shí)刻仿真結(jié)束。分別觀測(cè)：母線端有功功率給定值及測(cè)量值、母線端電壓給定值及測(cè)量值、母線端無(wú)功功率測(cè)量值、母線電壓有效值、母線同母線相位差、串聯(lián)換流器同線路有功功率交換、串聯(lián)換流器同線路無(wú)功功率交換，共7組關(guān)鍵變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)線路有功功率由3 p.u.上階躍至4 p.u.，再下階躍至3 p.u.，同時(shí)維持UPFC端電壓幅值恒定為1 p.u.。圖7為該算例關(guān)鍵變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：母線有功功率能夠快速、穩(wěn)定的跟隨功率階躍指令，且母線端電壓控制響應(yīng)良好，僅存在很小的沖擊波動(dòng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好。串聯(lián)側(cè)換流器同線路存在功率交換，提供無(wú)功功率支撐，調(diào)節(jié)線路等效阻抗，改變、間的相位角，實(shí)現(xiàn)有功功率的快速調(diào)節(jié)。

圖7 仿真算例1波形觀測(cè)

算例2：線路有功功率及無(wú)功功率的調(diào)節(jié)控制

算例3：電網(wǎng)擾動(dòng)下線路的潮流控制

圖8 仿真算例2波形觀測(cè)

圖9 仿真算例3波形觀測(cè)

4 結(jié)論

1) 指出UPFC性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大但工程應(yīng)用極少的尷尬現(xiàn)狀原因,隨著MMC的發(fā)展及電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)一步細(xì)化，UPFC的工程應(yīng)用將逐步得到推廣。

2) 分析UPFC串聯(lián)側(cè)工作原理及換流器的特性，提出了間接電流控制在MMC_UPFC串聯(lián)側(cè)的應(yīng)用方案，并基于相量模型推導(dǎo)了該控制策略的仿真建模思路。

3) 為了提升仿真參數(shù)的真實(shí)性，結(jié)合國(guó)內(nèi)某UPFC示范工程參數(shù)，建立RTDS小步長(zhǎng)仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并制定恒幅移相、線路阻抗模擬試驗(yàn)算例。

4) 試驗(yàn)結(jié)果表明所采用的MMC_UPFC串聯(lián)換流器間接電流控制策略能夠使UPFC系統(tǒng)快速跟隨控制指令，并呈現(xiàn)良好的調(diào)壓移相、潮流控制及抗干擾等調(diào)節(jié)性能。

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(編輯 張愛琴)

Simulation research of MMC_UPFC indirect current control strategy based on RTDS

ZHUANG Liangwen1, ZHANG Yanbing1, JING Xueji2, LI Zhiyong1, JIA Defeng1, YAO Zhiqing1

(1. Xuchang KETOP Testing Technology Co., Ltd., Xuchang 461000, China;2. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

A simplified control method for the series side of MMC_UPFC is realized by adopting indirect current control scheme for building simulation model more conveniently. Based on the MMC_UPFC system’s phasor model, the process for modeling and simulation of the simplified control strategy is deduced. Some simulation tests are built on the RTDS’s microsecond-level module based on one demonstration project of UPFC such as constant voltage phase shift control, active and reactive power flow control, and UPFC dynamic response under power grid disturbance, etc. Simulation results show that the simplified control strategy can make the MMC_UPFC system follow the control instruction fast and effectively and present regulation performance like good voltage control and phase shift and power flow control, etc.

UPFC; MMC; series part control; RTDS

10.7667/PSPC160269

2016-03-04；

2016-07-08

莊良文(1979-)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)研究工作；張彥兵(1989-)，男，碩士，助理工程師，從事電力系統(tǒng)仿真工作；E-mail: 412048431@qq.com 荊雪記(1979-)，男，碩士，工程師，從事高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作。