吉興全 劉莎莎 劉貴彬 張文昊 李可軍

（1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）的概念是由美國(guó)西屋科技中心的L.Gyugyi博士于1991年提出。自提出以來(lái)倍受各國(guó)學(xué)者的關(guān)注，現(xiàn)已成為眾所周知的提高輸電系統(tǒng)輸送能力的電力電子裝置。其基本思想是用一種統(tǒng)一的可控裝置，在不改變裝置的硬件結(jié)構(gòu)情況下，通過(guò)控制規(guī)律調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓、線路阻抗及相位角等基本參數(shù)，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)補(bǔ)償和移相控制等多種功能，從而有效地控制電力系統(tǒng)潮流。在現(xiàn)有設(shè)備的條件下，研究并利用統(tǒng)一潮流控制器不僅使潮流和電壓的可控性大幅度提高而且減少互聯(lián)系統(tǒng)的備用容量。它既能夠解決我國(guó)在電力建設(shè)方面因資金緊張而不能大規(guī)模的更新設(shè)備的現(xiàn)狀，又能夠通過(guò)采用新技術(shù)來(lái)改善現(xiàn)有電力的傳輸水平以及保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 UPFC 的基本原理

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC），由兩個(gè)背靠背的電壓源型變換器通過(guò)直流電容進(jìn)行傳輸。主要用于對(duì)交流輸電系統(tǒng)進(jìn)行電壓控制和對(duì)線路中有功、無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，圖1為簡(jiǎn)化的UPFC 原理圖。

圖1 UPFC 原理圖

2 UPFC 常規(guī)控制策略

如圖2所示，統(tǒng)一潮流控制器UPFC 采用三層控制策略。UPFC 控制系統(tǒng)裝置中典型的三級(jí)控制方案，具體為：調(diào)度級(jí)控制，該級(jí)控制需要確定UPFC狀態(tài)，依據(jù)上級(jí)調(diào)度部門(mén)指令或?qū)崟r(shí)采集電網(wǎng)數(shù)據(jù)，即確定輸電系統(tǒng)所期望的有功功率PLref、無(wú)功功率QLref、線路母線電壓VSref。應(yīng)用級(jí)控制也叫系統(tǒng)級(jí)控制，該級(jí)控制根據(jù)給定值PLref、QLref和VSref，按照一定的UPFC 的控制策略，計(jì)算出串、并聯(lián)變流器中ΙGBT 的觸發(fā)控制角θsh、θse和調(diào)制比msh、mse。設(shè)備級(jí)控制，該級(jí)控制根據(jù)求得的θsh、θse、msh、mse，在下位機(jī)設(shè)備上進(jìn)行比例積分控制以獲得ΙGBT 的觸發(fā)和關(guān)斷信號(hào)[2]。

圖2 FACTS 裝置中典型的三級(jí)控制方案

2.1 UPFC 并聯(lián)側(cè)PΙ 控制策略

系統(tǒng)輸入并聯(lián)變流器的功率為

式中，XTsh為變壓器Tsh的等效阻抗。

經(jīng)上式可看出，系統(tǒng)流入VSC1 的Vsh相角影響有功功率的大小、方向，Vsh的幅值影響無(wú)功功率交換[3]，因此選Vsh的相角和幅值為控制量[4]。如圖3所示控制框圖，Vsh的幅值由并聯(lián)側(cè)變流器調(diào)制比msh決定，而Vsh相角由θsh決定；kp1、kT1、kp2、kT2為 PΙ 控制的比例系數(shù)，Tmsh、Tθsh為時(shí)間慣性環(huán)節(jié)常數(shù)[5]。

圖3 并聯(lián)變流器控制框圖

2.2 UPFC 串聯(lián)側(cè)PΙ 控制策略

系統(tǒng)輸入串聯(lián)變流器的功率為

由上式看出，當(dāng)-90°＜θR-θj＜90°時(shí)，VR隨θR-θj增大而增大有功功率，而當(dāng) 0°＜θR-θj＜180°時(shí)，VR隨θR-θj增大而增大無(wú)功功率[6]。其中，θR-θj影響有功功率，VR影響無(wú)功功率。所以，選取VR的幅值和相角為控制量。如圖4所示串聯(lián)變流器的控制框圖，Vse的幅值由串聯(lián)側(cè)變流器調(diào)制比mse決定，而Vse相角由θse決定，kp3、kT3、kp4、kT4為 PΙ 控制器的比例系數(shù)，Tmse為慣性時(shí)間常數(shù)[7]。

圖4 串聯(lián)變流器的控制框圖

3 PSCAD 建模

3.1 VSC 電路模型

考慮到開(kāi)關(guān)器件電流上升速率didt和dudt，二次擊穿以及抑制電磁干擾等因素，在ΙGBT 上并聯(lián)了由電感、電容和二極管構(gòu)成的導(dǎo)通限流電路。并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)變流器的電路如圖5所示。

圖5 并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)變流器的電路圖

3.2 SPWM 信號(hào)產(chǎn)生電路

正弦波產(chǎn)生電路，如圖6所示。

圖6 產(chǎn)生正弦波電路

其中，PLL Six Pulse 模塊跟蹤輸入信號(hào)VS，輸出相角列thetaY（與輸入信號(hào)同步變化的）。對(duì)由UPFC 控制相位角shft 和變壓器副邊對(duì)原邊產(chǎn)生30°度角移位（并聯(lián)耦合變壓器接法所產(chǎn)生），通過(guò)Shift（in-sh）模塊得到正弦波的相角。該相角通過(guò)Sin Array 模塊轉(zhuǎn)換成正弦信號(hào)。該正弦波的幅值受 UPFC 控制器產(chǎn)生的幅值調(diào)制比m的控制。最后輸出的信號(hào)RefRon 控制ΙGBT 開(kāi)通時(shí)間的調(diào)制信號(hào)，而RefRoff 控制ΙGBT 關(guān)斷時(shí)間的調(diào)制信號(hào)，它與RefRon 相差180°。

如圖7所示，通過(guò)鎖相環(huán)PLL 得到與輸入信號(hào)VS同步的相位theta 后，乘上載波次數(shù)，被360 除，再取余，把得到的值進(jìn)行變換。TrgRon 是用從[0，90，270，360]到[0，1，-1，0]對(duì)應(yīng)的方法得到的三角載波；TrgRoff 是用從[0，90，270，360]到[0，-1，1，0]對(duì)應(yīng)的方法得到的三角載波。

最終，正弦波參考信號(hào)RefRoff、RefRon 和三角波載波信號(hào)TrgRon、TrgRoff 比較得出得到控制極脈沖、ΙGBT 關(guān)斷時(shí)間。

3.3 控制器模型

對(duì)于控制器的仿真可根據(jù)圖3、圖4在PSCAD中搭建，本文不詳細(xì)畫(huà)出。

4 仿真分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

如圖8所示，發(fā)電機(jī)G 用交流230V 電源代替，無(wú)窮大電源S 電壓為800V，內(nèi)阻為0.4188Ω；變壓器 T 額定容量為15kVA，電壓比為210V/800V；兩條輸電線路均為 340km ， 等值阻抗為ZL=(1.69+j22.7)Ω；連接VSC1 和VSC2 之間的電容9400μF，直流額定電壓400V。變壓器選取參考表1，電流器及其連接電感電容選取參考表2。

圖8 UPFC 仿真系統(tǒng)接線圖

表1 變壓器選取參數(shù)

表2 變流器及其連接電感電容選取參數(shù)

4.2 UPFC 的暫穩(wěn)態(tài)仿真

穩(wěn)態(tài)仿真過(guò)程中，并聯(lián)接入母線電壓Vsref= 800V，直流母線電壓Vdcref=400V，線路無(wú)功功率QL1ref= 0。

如圖9所示，在電路運(yùn)行過(guò)程能夠使直流電壓逐漸趨于設(shè)定額定值400V，L2線路有功達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。我們同時(shí)可以測(cè)得線路L2上有功、無(wú)功功率，UPFC 串、并聯(lián)側(cè)從系統(tǒng)吸收的有功、無(wú)功功率及發(fā)電機(jī)輸出的有功、無(wú)功功率，它們滿足功率平衡。

圖9 穩(wěn)態(tài)仿真圖形

當(dāng)在0.5s 時(shí)，輸電線路1 長(zhǎng)度保持不變，仍340km，輸電線路2 長(zhǎng)為260km。UPFC 投入系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行1.5s 時(shí)，在線路2 中點(diǎn)發(fā)生三相對(duì)稱(chēng)短路，0.5s 后故障切除[8]，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖10所示。

圖10 短路后并聯(lián)側(cè)、電容兩端電壓

如圖10所示，在1.5s 時(shí)出現(xiàn)故障，并聯(lián)接入母線電壓值會(huì)發(fā)生變化，在故障切除在很短的時(shí)間內(nèi)能夠恢復(fù)達(dá)到穩(wěn)定。

5 結(jié)論

基于本文UPFC的潮流調(diào)節(jié)、維持母線電壓的功能進(jìn)行的仿真分析，從上述圖中我們可以看出，UPFC在故障情況下電路運(yùn)行還是處于比較穩(wěn)定。因此，UPFC既能提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，又能抑制電壓暫將和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量。

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