1、TM712 文献标识：B 文章编号：0 引言随着电力系统的不断发展，运行方式的复杂多变，新的大容量机组和自动调节控制装置的投入，各种控制系统和机械一电气系统间的相互作用，以及对电力系统供电安全性的要求日益提高，对电力系统稳定性的研究提出了一系列的急待解决的问题。电力系统的发展给运行带来一个突出的问题，即电力系统稳定性的控制问题。提高电力系统稳定性的重要措施是对电力系统进行控制调节，目前在电力系统中用来提高系统稳定性的措施主要还是依靠控制发电机运行状况、调节可调变压器的抽头、投切补偿设备等手段。但是这些手段都不同程度地受到系统运行或者自身技术的限制，对电力系统稳定运行的调节效果十分有限。总的来说
2、，电力系统目前的提高稳定性的控制手段还很缺乏，如何高效地控制电力系统稳定运行已经成为电力系统所面临的一个重要挑战，而近年来灵活交流输电系统的出现和发展为解决这些问题提供了重要的思路。灵活交流输电元件的应用必将是逐渐加入现行的交流系统，而不是摒弃现有系统。FACTS与现行的交流输电系统并行发展，可以完全兼容。因此可以期望随着电力电子技术的飞速发展，FACTS将会给传统交流电力系统带来一次革命性的变化。 统一潮流控制器UPFC是一种从原有的潮流控制装置基础上发展而来的新型潮流控制装置，它的功能更强大，具有同时控制电压、相角和阻抗三个参数的能力，可以控制输电线路上的功率潮流。它能提高通向需求快速增长
3、区域的功率潮流，同时为相邻地区提供电压支撑。第三代FACTS装置发展迅速，已出现CSC的原理，其中包括调节双回线潮流的线间潮流控制器（IPFC ）、控制多回线路的MCSC以及功能强大的GUPFC。 本文详细分析了UPFC的基本原理和工作模式，建立了统一潮流控制器（UPFC）动态数学模型，该模型考虑了直流电容上的动态特性，从而使其更适合于系统的动态特性分析。详细总结和分析了UPFC的控制策略。在MATLAB/SIMULINK的环境下，建立了UPFC仿真模型，对UPFC的稳态调节性能和动态响应特性进行了仿真分析，仿真结果表明统一潮流控制器能够实现UPFC的各种基本控制功能并能快速准确地响应系统要求
4、。1 统一潮流控制器（UPFC）基本原理 UPFC概念的提出为解决电力传输系统中存在的一些问题提供一种功能强大的解决方案，将UPFC应用于传统的电力传输系统中能够同时或有选择地控制影响线路传输功率潮流的所有因素（端电压、线路阻抗和相角），其名字中的“统一”二字恰如其分的表现出了UPFC独特的性能。此外UPFC还能独立地控制线路的有功潮流和无功潮流，而这一点是普通的独立FACTS元件如STATCOM、TCSC和SSSC等所无法做到的。以下就对同一潮流控制器（UPFC）的原理、特性进行分析和说明。1.1 统一潮流控制器的系统结构 统一潮流控制器（UPFC）的系统结构是由共用直流侧大电容的两个完全相
5、同的电压源型变流器及两个变压器组成，其结构如图 1 所示。变流器 1 通过变压器 1 并联接入系统，变流器 2 通过变压器 2 串联接入系统。 图1 UPFC结构原理图 Fig.1 structure principle for UPFC 统一潮流控制器是由两个背靠背的变流器通过一个直流储能大电容连接起来的装置，是一种理想的AC到AC的变流器结构。采用这种结构，有功功率可以在两个变流器的交流侧之间沿任何一个方向流动，同时两个完全相同的变流器也可以在自己的交流输出端独立地吸收或发出无功功率。变流器 2 通过串联在线路中的变压器给输电线路注入了幅值和相角可变的电压，可以看作是一个同步交流电压源，线
6、路电流流经这一电压源从而导致了有功功率和无功功率在电压源以及交流线路之间的交换。其中与交流线路交换的无功需求是由变流器自身产生的，而有功功率的需求则被转化为直流功率形式，也就是说直流电容可作为这一串联电压源的有功功率储备，从而对线路进行有功和无功功率的控制。所以，统一潮流控制器的主要功能是由变流器 2 实现的。变流器 1 的基本功能则是通过直流电容提供（或吸收）变流器 2 所需的有功功率，这时的有功功率需求被变流器 1 转化交流形式，并通过并联变压器耦合到交流线路。另外，它本身还可以作为一个无功电源，能独立地与电网进行无功交换，相当于一个STATCOM，因此，变流器 1 的辅助功能是调节节点的
7、电压。值得注意的是，由于串联电压的注入，有功功率可以由变流器 1 与变流器 2 组成的通道再回到线路，而相应的无功功率则是由变流器 2 就地进行补偿，而不需要通过线路传播，说明 UPFC 内部可以没有无功功率流动。1.2 统一潮流控制器的工作原理 由上述可知，统一潮流控制器的系统结构整体上可以分为并联侧和串联侧两部分，这两个部分可以独立工作，如作为静止无功补偿器（STATCOM）、静止串联补偿器（SSSC）、可控移相器（TCPS），也可以结合三种功能综合控制输电线路的电抗、电压及相角差。功能的改变只需要在图1所示的系统结构中添加相应的控制开关和改变相应的控制策略即可完成，这为具备一机多用的功能
8、奠定了基础。下面就并联侧和串联侧的工作原理分别进行介绍。1.2.1 并联侧的工作原理 统一潮流控制器并联侧的调节目的有二：一是有功调节，即稳定直流侧大电容上的电压，从电网吸取有功功率补充串联侧所需要的有功功率和整个UPFC的有功功率消耗；二是无功调节，即可以输出无功功率以稳定接入点的端电压。为了维持直流侧大电容上的电压恒定，若不计整个UPFC装置的内部损耗，则流入UPFC的有功功率必须与流出UPFC的有功功率相等，否则直流电容上将被不断充电（或放电），电压将不能保持恒定。同时就装置本身而言，它并没有可以永久吸收或者发出有功的器件，因此在UPFC的运行过程中，其输出有功功率与输入功功率必须保持平
9、衡，也只有这样才能保证直流侧电容电压的恒定。 图2 STATCOM接入系统图 Fig.2 STATCOM Access Structure 对于并联侧的第二个功能，也即用作静止无功补偿器（STATCOM）的工作原理简述如下。图2为 STATCOM 接入单机系统的简图。图2中 UPFC 的接入系统点的电压为US，US 经过一段线路（阻抗为R+jX，不计线路的对地电容）后接入无穷大系统，也即线路末端电压恒定，线路传输的功率为P+jQ。当 UPFC 的并联侧未接入系统时，在输送功率一定的情况下，线路的电压降落变化为：（1） 上式中为电压降落的纵轴分量，虚部为电压降落的横轴分量。此时电压电流的相量图如
10、图3示。 图3 无功功率补偿时电压电流相量图 Fig.3 voltage and current phasor of compensated reactive power 对于高压输电线路，线路的电阻 R 相对于感抗 X 来说很小，可以忽略不计，同时电压US与线路末端电压 U0间的夹角很小，式（1）中的电压降落横分量可以忽略。在这两种假设的近似情况下，电压降落的相量形式就可以表示为电压损耗的标量形式如下：（2） 可见线路上的电压损耗主要决定于其输送的无功功率。当 UPFC 的并联侧（STATCOM）接入系统后，若其可以补偿的无功为Q1，线路上需要输送的无功就为QS=Q-Q1 。根据式（2），则
11、线路上的电压损耗可以近似表示为：（3） 通过调节补偿无功 ，可以使线路上输送的无功功率QS=Q-Q1减小，则线路上的电压损耗将减少，若 UPFC 并联侧的容量足够大，可以补偿到 UPFC 并联点的电压与无穷大系统的电压相等，则可以使电压损耗为零。1.2.2 串联侧的工作原理 由图1可知，统一潮流控制器的串联侧变流器的输出通过变压器 2 向系统注入电压UB，其电压幅值和相角都是可控的（0UBUBmax，022）。串联侧的工作原理是通过控制UPFC串联注入系统的电压UB的大小和相位来控制线路的有功和无功功率。 主电路中接入UPFC后，由于这里考虑的是串联侧的工作原理，可以不考虑 UPFC并联侧，但
12、并联侧的作用仍存在，即假设并联点的电压在并联侧控制作用下保持为恒定的。串联侧向系统注入的电压UB可以等效为一个同步交流电压源。整个线路的等值电路图如图4示： 图4 线路等值电路图 Fig.4 line equivalence circuit UPFC 串联注入系统的电压UB幅值和相角均可控。由图4，根据电路理论的知识有：（4） 由于并联点电压 已控制恒定，此时改变串联注入电压 的幅值和相位就可以改变电压的幅值和相位。设,如图 5电压调节相量图所示。图5 电压调节相量图 Fig.5 Voltage Regulation Phasor 若UPFC串联侧的输出的大小和相位控制适当，有可能使串联点后电
13、压 和并联点电压的大小相等，只是相位不同，即起到了调相器的作用。同时正因为电压UB的大小和相位可控，根据图5和简单电力系统的功率特性公式有：（5）（6）上两式说明，线路的潮流可以通过改变电压的大小 和相位来控制，而电压的大小和相位可通过改变 UPFC 串联侧的输出来控制，因此统一潮流控制器串联侧变流器的输出可以控制系统的潮流。1.3 统一潮流控制器的工作方式1.3.1 并联部分 在统一潮流控制器中，并联变流器的工作原理是通过并联变压器与输电线路进行功率交换，从而实现有功传输及无功补偿。电流可分两部分考虑，即有功分量和无功分量。其中有功分量用来提供串联变流器所需要的有功功率；无功分量根据使用的目
14、的分为两种情况： 1.无功功率控制模式在无功功率控制模式下，根据给定值感性或容性无功的需求，将其转化为无功电流的给定值，将给定值与电流实际值进行比较，将差值转化为电压作为并联变流器的输入信号。并联部分可以向系统发送或吸收一定的有功功率以维持直流电容电压的稳定和满足系统内部的有功功率损耗。2.节点电压控制模式 在电压控制模式下，并联部分可以控制接入点的电压，使其维持在给定值。1.3.2 串联部分 在统一潮流控制器中，串联变流器主要用来控制向电网注入电压的幅值和相角以改变线路的潮流分布，具体分为四种控制模式： 1.直接电压注入模式 在这种工作模式下，UPFC只产生给定的电压矢量，幅值和相角的大小可
15、以任意给定。实际电压与给定进行比较，误差通过处理作为串联变流器的输入。 2.输电线阻抗补偿模式 控制注入电压的幅值与输电线电流的幅值成比例，这样，从输电线上看，UPFC可等效为一个串联阻抗，即调节线路的阻抗，该阻抗可以是一个复阻抗。如果注入电压矢量与输电线电流矢量正交，就意味着对输电线进行感性或容性的补偿。因此，该工作模式可以用来配合已经存在的输电线串联电容补偿。 3.相角调节模式 根据输入母线电压矢量控制注入电压矢量，但其大小满足以下要求，即使得输出电压偏移给定的角度，但幅值保持不变。同样将实际电压与给定进行比较，对误差进行处理后作为串联变流器的输入。 4.潮流控制模式 在这种控制模式下，U
16、PFC 需独立地控制线路的有功和无功功率。实现原理是通过向线路注入一个适当的补偿电压同时使电路产生一个理想的电流向量，从而达到调节线路潮流的目的。其中串联变流器的给定值是线路希望达到的有功和无功功率传输能力，通过计算将传输功率转换为电流的给定值，将实际电流值经反馈与给定值比较，对误差进行处理后，得到串联变流器的输入控制值。这是传统的输电线补偿所不能做到的，它潮流规划和控制带来了很大的方便。同时也可以有效减少系统扰动带来的影响（如阻尼功率振荡）。1.3.3 单独和关联方式 根据安装的要求，两个变流器可以分开独立运行，并联变流器及相应器件作为一个独立的静止同步补偿器（STATCOM）运行，串联变流
17、器及相应器件作为一个独立的静止同步串联补偿器（SSSC）运行。当工作在这两种状态时，两个变流器均不能产生或吸收有功功率，也就是说它们都只能作为无功补偿器使用。线路的功率仍然可以控制，但是有功功率和无功功率不能单独控制。 根据安装要求，两个变流器也可以关联运行，UPFC 的主要功能是通过串联变流器来调节线路的有功和无功，串联变流器所需的有功功率由并联变流器提供，而这一切必须通过中间的直流电容环节来实现。因此，控制直流电容上电压的稳定是 UPFC关联运行时要解决的重要问题之一。2 系统仿真模型的建立2.1 MATLAB简介MALAB（MATrix LABoratory的缩写）是美国的 CleveM
18、oler博士开发的一套集命令、科学计算于一身的交互式软件，在MATLAB中，矩阵的运算变得非常容易，且随着其版本的更新，MAfLAB还提供了图形绘制、数据处理、图象处理和方便的windows编程等工具，因而它广泛应用在自动控制、图像信号处理、生物医学工程、电力、语音处理、雷达工程、信号分析、振动理论、时序分析与建模、化学统计学、优化设计等领域，成为一种深受广大科研和工程人员所欢迎的工具软件。2.1.1 SIMULINK库MATLAB中提供了一个动态仿真工具软件包SIMULINK，用于对动态系统进行建模、仿真和分析，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统的分析计算，也支持具有多种采样速率的
19、多速率系统的分析计算。SIMULINK为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更方便、灵活的优点。2.1.2 电力系统仿真模块PSB简介 到目前为止，对电力系统进行数字仿真主要有三种方法;状态变量分析法、节点分析法和改进的节点分析法。例如最流行的电力系统仿真软件EMTP采用的就是定步长节点分析法，而主要针对电子电路和电力电子器件仿真的软件SPICE采用的就是改进的变步长节点分析法。相比较而言，EMTP在对不含有换流器的大规模系统进行仿真时具有优势，SPICE则适合于含有电力电子器件的小规模系统仿真。另外，用EMTP或SPICE仿真时，控制系统
20、的实现都比较繁琐或费时。 在PSB中，采用的是变步长状态变量分析算法，较好地实现了电力系统、电力电子器件和控制系统三者的结合，且SIMULINK提供了友好的仿真环境和图形界面，在仿真的同时可以观察仿真结果。 PSB功能强大，为电力系统仿真提供了 Electrical Sources（电源模型）、Elements（元器件模型）、power Electronics（电力电子器件模型）、Machines（机械系统模型）、Connectors（连接线模型）、Measurements（测量模型）、Powerlib Extras（特殊电力系统模型）、Demo（例程库）和powergui（电力系统图形界面模
21、型）等多种电力系统仿真所需的模块。 因此，基于PSB的建模既具有权威性和代表性，又省时省力。本次仿真的UPFC装置就是建立在PSB基础上的。2.2 系统仿真模型的建立2.1.1 系统主电力模型的建立如图6所示，主电路为环网结构，包括两个发电厂 （Power plant#l，power plant#2），5条母线（B1-B5），三条输电线路（L1，L2，L3）和两组500kV/230kV变压器组（Trl，Tr2）。接在230kV输电线路上，总共发出150OMW的两个发电厂，将功率传输给接在母线B5上短路容量为15000MVA等值系统和接在母线B3的20OMW负载，UPFC装设在输电线L2的末端，
22、以控制母线B3上的有功和无功功率。图6 500KV/230KV传输系统 Fig.6 500KV/230KV Transmission System 在建立仿真模型时，如图6所示，主电路中各元件可以这样模拟: l、发电厂 （power plant#l，power plant#2）以原动机为带有励磁系统、变速装置和PSS的水轮机的发电机代替。 2、变压器（Tr1）采用电力系统仿真模块PSB自带的普通的双绕组变压器，连接方式为Y/Y原边电压230kV，副边电压500kV，额定容量为1000MVA。双绕组变压器（Tr2）连接方式为Y/Y,原边电压230kv、副边电压5OOkV、额定容量为800MVA。
23、 3、输电线均以PSB自带模块中的 Distributed Parameter Line来模拟，其中L1为长度为65km的双回输电线，L2和L3均为长度50km的单回输电线。2.1.2 UPFC装置模型的建立如图8所示，UPFC的仿真模型主要包括测量模块，控制模块（功能控制模块、串联测控制模块、并联侧控制模块），输出计算模块（串联测、并联侧输出模块、直流电容电压的计算模块），系统接入模块。图8 UPFC的系统仿真模型Fig.8 Power Flow using a United Power Controller （UPFC）（l）测量模块UPFC的测量模块，主要目的是测量UPFC接入点的电压、
24、电流，并将其转换为UPFC控制模块所需的控制信号。并联侧的测量单元的功能是:首先将并联侧接入系统的电压和电流标幺化，然后运用对称分量法，得到a相正序电压和正序电流，并将正序电压分解为幅值和相角，得到幅值平均值，正序电压的相角theta;同时以正序电压相角theta为基准，将a相正序电压分解为D轴和Q轴分量Vdq，正序电流的分解为D轴和Q轴分量Idq;Id_avg为正序电流的D轴均值;根据公式Q=VqId-VdIq求得并联侧从系统吸收的无功Qm。在建立仿真模型时，UPFC 的结构模型可以这样建立：图9 UPFC装置并联侧测量模块框图Fig.8 Measurement Part of Parall
25、el Connection of UPFC 串联侧的测量单元功能是:首先将串联侧接入系统的电压和电流标么化，然后计算出线路的有功功率和无功功率尸口;同时运用对称分量法，得到a相正序电流，并以并联侧正序电压相角theta为基准，将串联侧的a相正序电流分解为D轴和Q分量Idq。图9 UPFC装置串联部分模型Fig.9 Measurement Part of In Series Connection of UPFC图10 UPFC测量模块Fig.10 Measurement Part of UPFC （2）控制模块 UPFC有四个控制功能，分别是线路的有功和无功功率的控制、并联侧变流器接入点电压控制
26、及直流电容电压保持恒定的控制。根据UPFC的以上控制目标，其控制结构可分成换流器控制（串联侧控制、并联侧控制）与主要功能控制两部分。 功能控制部分的作用主要是根据输电系统的要求，控制UPFC的投入或者退出，定义UPFC的工作方式，可选择UPFC的并联换流器和串联换流器工作于单独控制方式或者关联控制方式，还可以选择并联换流器和串联换流器分别工作于这些模式的组合。可见，UPFC具有非常灵活的控制功能，集调节线路潮流、节点电压、阻抗、相角和无功补偿等众多功能于一体，对电力系统进行实时、有效、快速的控制。串联侧控制模块:串联侧是控制线路有功潮流和无功潮流，有两种工作模式:潮流调节模式和手动电压注入模式
27、。工作模式的切换是通过模型库中的选择开关来实现的。 本仿真中两个变流器的 SPWM 产生均是直接利用 Simulink 中的模块 Discrete PWM Generator 完成的，主要核心思想是利用了单极性的 SPWM 控制策略，将控制电路的输出作为 SPWM 的正弦调制波，将其与 Discrete PWM Generator 模块中内置的三角波进行单极性比较，可以生成六路 SPWM 波形给变流器的六只开关。 整个控制电路模型可以这样建立：并联侧通过实时检测并联点的同步电压及直流电容电压引入反馈，与给定的参考值比较后输入离散 PI 调节器，调节器的输出即为调制波，再输入给 SPWM 生成模块完成对变流器1中六只开关管的触发。串联侧通过实时测量所在线路的潮流引入反馈，与给定的潮流参考值比较后，也经离散 PI 调节器输出 SPWM 控制所需的调制
