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黄振宇 刁勤华 倪以信 陈寿孙
1 概述
灵活交流输电系统 (FACTS)为电力系统的灵活性、可控性以及稳定性提供了新的手段，而成为电力系统研究领域的新热点。统一潮流控制器 (UPFC，Unified Power Flow Controller)［1］作为FACTS家族中具有代表性的一员，集多种控制功能于一身，更倍受关注。对UPFC的研究主要包括三个方面：电磁暂态仿真研究、系统动态仿真研究和物理模型研究，目前，系统动态仿真研究正在开展并逐渐深入。文［2］较早地进行了这方面的工作，但忽略了UPFC直流电容器的充放电动态过程，文［3］也未考虑直流电容器的动态，文［4］基于单机无穷大系统论述了UPFC的优化控制，文［5］［6］较详细地讨论了UPFC的动态运行机理，提出了计及直流电容器动态的动态模型，并引入交替迭代法实现了UPFC与系统之间的接口处理。
本文将在文［6］的UPFC动态模型的基础上，考察UPFC的控制系统，将UPFC的控制分为主控制和辅助控制两部分。UPFC并联侧的主控制为母线电压控制和直流电容电压控制，而串联侧的主控制则根据UPFC在系统中的功能不同而不同。UPFC通过串联电压，可完成线路功率控制、串联电抗补偿、串联电压调节和移相等功能，相应的控制环节为线路功率控制、串联补偿控制、变比控制和移相角控制。最后以加权的方式实现UPFC的多种功能综合控制，使得UPFC的多功能优化问题转化为各权值的动态优化问题。UPFC的辅助控制则通过线路功率反馈或母线电压相位差反馈，产生控制信号以调制前述各定值控制中的参考值，如母线电压调制或线路功率调制，以增加系统阻尼，平息持续振荡，并通过小干扰分析考察了辅助控制的效果。最后，综合UPFC的主控制和辅助控制提出了一种新的控制策略，以四机系统［9］为例进行了仿真研究。仿真结果表明了辅助控制的有效性，及所提出的综合控制策略对第一摆稳定性及后续振荡稳定性的控制效果令人满意。
2 UPFC的主控制与辅助控制
图1为含UPFC线路的等效电路，粗体字母表示相量。其中n1、Xt1和n2、Xt2分别为并联变压器T1和串联变压器T2的变比和等效电抗；m1、φ1和m2、φ2分别为并联换流器Conv-1和串联换流器Conv-2的交直流电压比和触发角。文［6］中提出了交流量采用标幺值、直流量采用有名值的混合表达UPFC动态模型如式(1)。
 (1)
式中 
m1、φ1 和m2、φ2 分别为并联换流器和串联换流器的交直流电压比和触发角，由控制系统给出。
图1 UPFC及其安装线路的等效电路
Fig.1 Transmission line with UPFC installed
2.1 UPFC的主控制
UPFC的并联侧可作无功补偿以支撑母线电压，并且为串联侧提供所需的有功交换以维持直流电容电压恒定。如文［6］所述，通过并联换流器的触发角控制和电压比调节，分别实现并联侧的直流电压控制和母线电压控制，如图2所示，输出信号即为并联换流器的触发角φ1和电压比m1。
 
图2 并联侧控制系统
Fig.2 The control system of UPFC shunt side
将UPFC串联侧串联注入电压 pq分解为与端电压S同相的分量q和正交的分量p，如图3的相量图所示。q可调节′S的幅值，而p则主要改变VS的相位，从而改变′S与线路受端电压R(见图1)之间的相对幅值和相位，故它们分别与线路的无功和有功强相关。据此，图4给出了UPFC串联侧的4种基本控制方式，即:线路功率控制、串联补偿控制、变比控制和移相角控制。每种控制的输出都是一个(p,q)对。将这4个(p，q)对加权求和后经过一个平滑环节便可得到最终控制所需的(p,q)对，进而计算得控制信号，即串联换流器的电压比m2和触发角φ2，如图4(e)所示。显然，不同的权值wi对应着不同的控制组合，即不同的控制策略。应用优化理论，实时甚至智能地确定各权值，可望得到UPFC的最优稳态和动态控制效果。但在本文中，仅考虑了权值为0或1的情况，并只应用了简单一阶控制环节。实际上，可用更复杂的控制系统以取得更好的效果。
图3 串联侧相量图
Fig.3 The phasor diagram of UPFC series side
图4中，PLref，QLref，Kref，nref，αref分别为线路有功、无功、串联补偿度、变比以及移相角的参考值。串联补偿控制时，pq与线路电流 L相垂直，故Vpqref与φ2ref由Kref与实测的θS-θL和IL计算得到。移相角控制时，近似认为q＝0，即此时pq与S相垂直，这在工程上是允许的。
(a)线路功率控制
(b)串联补偿控制
(c)变比控制
(d)移相角控制
(e)合成控制
图4 串联侧控制系统
Fig.4 The control system of UPFC series side
2.2 UPFC的辅助控制
图2、4中的dmp—sig即为UPFC辅助控制的输出信号，用以调制各定值控制的参考值，从而达到平息后续振荡的目的。UPFC的辅助控制选用类似于发电机PSS的控制框图，如图5所示。其输入信号可以是线路功率，也可以是线路两端的电压相位差，它们都能反映系统的振荡情况。而输出信号的调制则视当前主控制的不同而不同。
图5 UPFC的辅助控制系统
Fig.5 The supplementary control of UPFC
3 UPFC的控制策略
如上所述，对于UPFC的串联侧，存在4种基本控制方式。在正常稳态运行时，维持线路功率恒定是我们的控制目标，这时线路功率控制是所需要的。然而，在大干扰过程中，发电机的功角振荡是最关心的问题，所以有必要重新考察UPFC的控制系统，以适应新的控制要求。
图6为含UPFC的简单电力系统及其功角曲线(E*为发电机内电势)。对应于UPFC串联侧的4种基本控制方式，功角方程分别近似为：①线路功率控制：P1＝P0；②串联补偿控制： ; ③变比控制： ; ④移相角控制： 。根据等面积法则，减速面积越大越有利于系统的第一摇摆稳定。在以上的4种基本控制中，线路功率控制的减速面积为A1＝0，反映了在图6所示的简单电力系统中，线路功率控制是不适用的，而其余控制方式的最大减速面积分别为A2、A3、A4，近似如图6(b)中BEH、BDG、BCI的面积所示，均比未安装UPFC时的减速面积A0(BCF)要大，从而都有利于抑制系统的第一摇摆稳定。但是实际的电力系统中，各种控制都要受到具体的限幅限制，从而使减速面积也受到限制。典型地，设串联补偿度Kref≤40%，变比nref≤1.2，移相角αref≤30。若运行点功角δ0＝45，故障切除角δc＝75，E＝1.15，V＝1.0，X＝0.1，则最大减速面积(取限幅的上限)为:①串联补偿控制：A2＝10.98; ②变比控制：A3＝4.94; ③移相角控制：A4＝4.36。而装UPFC之前的最大减速面积为A0＝2.59。显然有A2>A3>A4>A0。可见，串联补偿控制对发电机功角的第一摇摆性能最有利。并且串联侧完成串联补偿控制的功能时，不需要并联侧提供有功，故并联侧的全部容量都不用于并联无功补偿，以动态支撑母线电压。
(a)简单电力系统
(b)功角曲线
图6 含UPFC的简单电力系统及其功角曲线
Fig.6 The simple system with UPFC
对于UPFC的动态控制策略，其设计目标为：大干扰后，首先应保证系统的同步运行，在此基础上降低发电机功角的第一摇摆振幅，以提高系统的第一摇摆稳定性；随后应增加系统阻尼，以平息发电机功角的后续振荡，并自然进入稳态运行；同时，在整个过程中，应尽量减少控制方式的切换，因为这种切换对系统实际上也是某种形式的干扰。如图7所示，设系统于B点故障，C点故障清除，系统恢复供电。线路输送功率沿A—B—C变化，发电机加速，功角增大。故障清除后，UPFC的控制系统动作，切换为串联补偿控制。根据前述等面积法则的分析，此时可以最大限度地减小发电机的第一摇摆振幅。线路输送功率沿C—E—G变化，直至点F，减速面积与加速面积平衡，到达功角的第一摆振幅。注意到图7中，最大减速面积为DEG，若此面积不足以平衡加速面积ABCD，则系统将第一摆失步，表明此时UPFC的容量不足，所以在系统规划时应仔细选择UPFC的容量以保证系统在扰动后的同步运行。功角达第一摆振幅（F点）后，UPFC的控制系统再次动作，切换为线路功率控制（功率设定值可不同于故障前），同时施加辅助控制，平息后续振荡，如图7中曲线FHA所示，经过若干次摇摆后，回到稳定运行点A。整个过程中仅需两次切换，通过线路功率控制，使联络线上的功率能够维持在设定的水平，无需再作切换以满足稳态运行的要求。
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