UPFC控制參數(shù)在電網(wǎng)運(yùn)行控制中的設(shè)置研究

1、摘要目前，世界范圍內(nèi)大型電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，已經(jīng)成為世界各國現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的極大趨勢，F(xiàn)ACTS技術(shù)在世界范圍內(nèi)有廣闊的應(yīng)用前景。而統(tǒng)一潮流控制器是柔性交流輸電家族中功能最強(qiáng)大的一員，它具有調(diào)節(jié)線路參數(shù)，維持母線節(jié)點(diǎn)電壓，調(diào)節(jié)線路潮流等諸多功能。本文從含UPFC的潮流計(jì)算，控制策略，參數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行了研究。本文首先從理論出發(fā)，詳細(xì)分析電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的原理以及相關(guān)的方法，初步介紹了UPFC的基本結(jié)構(gòu)，工作原理，總結(jié)了UPFC的工作方式，建立了UPFC在三相靜止坐標(biāo)下的動、穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型等，詳細(xì)討論計(jì)及補(bǔ)償元件時(shí)電網(wǎng)模型，分析計(jì)及可補(bǔ)償元件運(yùn)行狀況的改變。通過在MatlabSimulink軟件環(huán)境

2、下，搭建UPFC仿真模型，對本文所采用的UPFC控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：統(tǒng)一潮流控制器；潮流分析；參數(shù)設(shè)置AbstractAt present,the development direction of electric power system of all countries is that more and more transmission-line systems of electrics power system is connected each other.FACTS technology has broad application prospects.As one th

3、e most powerful member of Flexible AC Transmission System family,unified power flow controller(UPFC) can adjust the line parameters,bus bar node voltage and line power flow and so on.This paper includes the power flow Calculation of UPFC,control strategies of UPFC and its Parameter settings.This pap

4、er starts from the theory,detailed analysis of the principle of the power system flow calculation and related methods is done.And it preliminarily introduces basic structure of UPFC working principle,summes up all the works of UPFC,establishes UPFCs steady-state and dynamic-state mathematical modes,

5、etc,and detailly discusses the grid model with Compensating elements, analyzes the change of running status with Compensating elements.This paper establishes the UPFC simulation model in the MatlabSimulink platform.This simulation software tests the control strategy of UPFC system proposed in this p

6、aper.Key words:UPFC;Trend analysis; Parameter settings1 緒論1.1 課題的意義 隨著工農(nóng)業(yè)用電量的急劇增加，輸電效率和安全可靠性成為電力系統(tǒng)中迫切需要解決的重要課題。電力網(wǎng)絡(luò)中的輸電可控性與配電及發(fā)電相比較差一些，網(wǎng)絡(luò)中潮流的分布會隨著自然負(fù)荷的分布而改變，可能造成較大的電能損失，也影響了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。柔性交流輸電（FATCS）技術(shù)能有效地提高輸電效率，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力，促進(jìn)電網(wǎng)的大互聯(lián)，潛在著顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是一種功能最強(qiáng)大、特性最優(yōu)越的新一代柔性交流輸電裝置，也是迄今為止通用性最好的FA

7、CTS裝置，綜合了FACTS元件的多種靈活控制手段，它包括了電壓調(diào)節(jié)、串聯(lián)補(bǔ)償和移相等所有能力，它可以同時(shí)并非?？焖俚莫?dú)立控制輸電線路中有功功率和無功功率。UPFC可以控制線路的潮流分布,有效地提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1.2 UPFC的發(fā)展現(xiàn)狀自1986年美國NGHingorani博士提出靈活交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission Systems簡稱FACTS)以來，各種類型的FACTS元件應(yīng)運(yùn)而生，其中UPFC由于其強(qiáng)大的控制功能，一直在引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，對UPFC的研究一般從2個(gè)方面入手：1)UPFC自身的完善，如主電路結(jié)構(gòu)、控制策略等方面的研究；2)U

8、PFC在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用性研究。世界最大的UPFC安裝在美國的肯塔基州東部的Inez變電站，串并聯(lián)電壓變換器的容量均為±160MVA，其中并聯(lián)部分于1997年7月完成，串聯(lián)部分于1999年投入。該工程由AEP，西屋公司及美國電力科學(xué)研究院合作完成，它是第一個(gè)投入運(yùn)行的統(tǒng)一潮流控制器。它的主電路采用由GTO組成的8重化三水平GTO結(jié)構(gòu)，輸出48k±1次諧波。該UPFC采用了二臺容量為160MVA有源（電壓）變流器。這二臺變流器可分別運(yùn)行，一個(gè)當(dāng)做靜止調(diào)相器（STATCOM）而另一個(gè)當(dāng)做靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）。正常情況下他們將作為UPFC運(yùn)行。日本的Okayama大學(xué)也

9、做一個(gè)容量為10KVA的物理模型。1.3本論文的主要工作本文以UPFC控制參數(shù)在電網(wǎng)運(yùn)行控制中的設(shè)置為研究內(nèi)容，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，主要做了以下的工作。1. 在查閱了大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的原理以及相關(guān)的方法，初步分析UPFC原理、作用和參數(shù)設(shè)置。2. 詳細(xì)討論計(jì)及補(bǔ)償元件時(shí)電網(wǎng)模型，詳細(xì)分析計(jì)及可補(bǔ)償元件運(yùn)行狀況的改變。3. 采用Matlab仿真工具，通過在MatlabSimulink軟件環(huán)境下，搭建UPFC仿真模型，計(jì)算某系統(tǒng)的潮流，對UPFC控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置研究，將結(jié)果以較清晰的界面反應(yīng)。4. 將數(shù)據(jù)結(jié)果在論文中以表格的形式表示，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)行理

10、論總結(jié)。2 簡單電力系統(tǒng)潮流計(jì)算2.1 電力線路的功率損耗和電壓降落1. 線路的功率損耗 圖2-1線路的等值電路線路的等值電路示于圖2-1，忽略對地電導(dǎo)，功率為三相功率，電壓為線電壓。阻抗兩端通過的電流相同，均為I， 阻抗兩端的功率則不同，分別為和。電力線路傳輸功率時(shí)產(chǎn)生的功率損耗既包括有功功率損耗，又包括無功功率損耗，線路功率損耗分為電流通過等值電路中串聯(lián)阻抗時(shí)產(chǎn)生的功率損耗和電壓施加于對地導(dǎo)納時(shí)產(chǎn)生的損耗。1） 串聯(lián)阻抗支路的功率損耗電流在線路的電阻和電抗上產(chǎn)生的功率損耗為 （2-1）若電流用首端功率和電壓計(jì)算，則 （2-2）由于采用功率和電壓表示電流，而線路存在功率損耗和電壓損耗，因此線

11、路兩端功率和電壓是不同的，在使用以上公式時(shí)功率和電壓必須是同一端的。式（2-2）表明，如果元件不傳輸有功功率、只傳輸無功功率，仍然會在元件上產(chǎn)生有功功率的損耗。因此避免大量無功功率的流動是電力系統(tǒng)節(jié)能降損的一項(xiàng)重要措施。2） 并聯(lián)電容支路的功率損耗在外加電壓作用下，線路電容將產(chǎn)生無功功率。由于線路的對地并聯(lián)支路是容性的，即在運(yùn)行時(shí)發(fā)出無功功率，因此，作為無功功率損耗應(yīng)取正號，而應(yīng)取負(fù)號。的計(jì)算公式如下：， （2-3）線路首端的輸入功率為： 末端的輸出功率為： 線路末端輸出有功功率首端輸入有功功率之比稱為線路輸電效率。 （2-4） 以上公式中單位如下：阻抗為 ，導(dǎo)納為S，電壓為kV，功率為MVA

12、。2.線路的電壓降落 設(shè)網(wǎng)絡(luò)元件的一相等值電路如圖2-2所示，其中R和X分別為一相的電阻和等值電抗，U和I表示相電壓和相電流。 圖2-2 網(wǎng)絡(luò)元件的等值電路1） 電壓降落的概念與相量圖網(wǎng)絡(luò)元件的電壓降落是指元件首末端兩點(diǎn)電壓的相量差，由等值電路可知： （2-5）以參考軸，己知和，可作出如圖2-3(a)所示的相量圖。 圖2-3 電壓降落相量圖 圖中就是電壓降落相量。把電壓降落相量分解為與電壓相量同方向和相垂直的兩個(gè)分量及，這兩個(gè)分量的絕對值分別記為和，即及，電壓降落可以表示為： （2-6） 和分別稱為電壓降落的縱分量和橫分量，由相量圖可知 （2-7） 在電力系統(tǒng)分折中，習(xí)慣用功率進(jìn)行運(yùn)算。與電壓

13、和電流相對應(yīng)的一相功率為： 用功率代替電流，可將式（2-7）改寫為 （2-8） 必須注意，與功率損耗計(jì)算時(shí)一樣，公式（2-8）中的功率和電壓也必須取同一端的。 則元件首端的相電壓為 （2-9） （2-10） （2-11） 式中為元件首末端電壓相量的相位差。 同樣，若以作參考軸，并且己知電流和時(shí)，也可以把電壓降落相量分解為與同方向和垂直的兩個(gè)分量，如圖2-3(b)所示。 （2-12）如果再用一相功率表示電流 于是 （2-13）而元件末端的相電壓為 （2-14） （2-15） （2-16）從上述推導(dǎo)可以看出，電壓降落相量既可以按照作參考軸分解，也可以按照作參考軸分解，如圖2-4所示。值得注意的是，

14、這兩種分解的縱分量和橫分量分別都不相等，即，。 圖2-4電壓降落相量的兩種分解2） 電壓降落與功率傳輸?shù)年P(guān)系 電壓降落的公式揭示了交流電力系統(tǒng)功率傳輸?shù)幕疽?guī)律。從公式（2-8）和（2-13）看出，元件兩端的電壓幅值差主要由電壓降落的縱分量決定，電壓的相角差則由橫分量確定。在高壓輸電線的參數(shù)中，由于電抗比電阻大得多，若忽略電阻，便得，。這說明在純電抗元件中，電壓降落的縱分量是因傳送無功功率而產(chǎn)生，電壓降落的橫分量則因傳送有功功率產(chǎn)生。也就是說，元件兩端存在電壓幅值差是傳送無功功率的條件，存在電壓相角差則是傳送有功功率的條件。感性無功功率總是從電壓幅值較高的一端流向電壓幅值較低的一端，有功功率則

15、從電壓相位超前的一端流向電壓相位滯后的一端。實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)元件都存在電阻，電流有功分量流過電阻將會增加電壓降落縱分量，電流的無功分量流過電阻則將使電壓降落橫分量有所減少。3） 電壓損耗和電壓偏移在討論電網(wǎng)的電壓水平和電能質(zhì)量時(shí)，電壓損耗和電壓偏移是兩個(gè)常用的概念。電壓損耗、電壓偏移與電壓降落這三個(gè)概念不能混淆，電壓損耗和電壓偏移的定義為元件兩端間電壓幅值的絕對值之差，也用表示。電壓損耗的概念可以用圖2-5表示。 圖2-5電壓損耗由圖2-5可知 當(dāng)兩點(diǎn)電壓之間的相角差比較小時(shí)，與的長度相差不大，電壓損耗近似等于電壓降落的縱分量。電壓損耗還常用該元件額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示。由于傳送功率時(shí)在網(wǎng)絡(luò)元件中要產(chǎn)

16、生電壓損耗。同一電壓等級的電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓是不相等的。在工程實(shí)際中，常需計(jì)算某負(fù)荷點(diǎn)到電源點(diǎn)的總電壓損耗，總電壓損耗等于從電源點(diǎn)到該負(fù)荷點(diǎn)所經(jīng)各串聯(lián)元件電壓損耗的代數(shù)和。電力網(wǎng)實(shí)際電壓幅值的高低對用戶用電設(shè)備的工作是有密切影響的，而電壓相位則對用戶沒有什么影響。用電設(shè)備都按工作在額定電壓附近進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，為了衡量電壓質(zhì)量，必須知道節(jié)點(diǎn)的電壓偏移。電壓偏移是指網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓同該節(jié)點(diǎn)的額定電壓之差，也可以用額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示。 電壓偏移() （2-17）電壓偏移是電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同電壓等級的允許電壓偏移。2.2 變壓器的功率損耗和電壓降落變壓器的等值電路如圖2

17、-6所示。 圖2-6 變壓器的等值電路與線路的容性不同，變壓器的對地并聯(lián)支路是感性的，即運(yùn)行時(shí)消耗無功功率。并聯(lián)支路損耗主要是變壓器的勵(lì)磁功率，由等值電路中勵(lì)磁支路的導(dǎo)納確定。 由于正常運(yùn)行時(shí)電壓與額定電壓相差不大，因此實(shí)際計(jì)算中可近似采用額定電壓計(jì)算，即變壓器的勵(lì)磁損耗可以近似用恒定的空載損耗代替，即 （2-18）式中，為變壓器的空載損耗，單位為kW；為空載電流的百分?jǐn)?shù)；為變壓器的額定容量，單位為kVA。2.3 開式網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算1. 運(yùn)算負(fù)荷開式網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算就是根據(jù)給定的網(wǎng)絡(luò)接線和其它已知條件，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的功率分布、功率損耗和未知的節(jié)點(diǎn)電壓。在進(jìn)行潮流計(jì)算前一般先要對網(wǎng)絡(luò)的等值電路作化簡

18、處理。以圖2-7（a）的開式網(wǎng)絡(luò)為例介紹運(yùn)算負(fù)荷的概念和化簡方法。圖中電源點(diǎn)1通過線路向負(fù)荷節(jié)點(diǎn)2、3和4供電。由于電力系統(tǒng)正常運(yùn)行在額定電壓附近，因此可以將線路等值電路中的對地支路分別用額定電壓下的充電功率代替?；喓蟮牡戎惦娐贩謩e見圖2-7（b）。 圖2-7 開式網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算負(fù)荷化簡的具體做法是對每段線路首末端的節(jié)點(diǎn)都分別加上該段線路充電功率的一半，并將其與相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷功率合并，得到 、和習(xí)慣上稱為電力網(wǎng)的運(yùn)算負(fù)荷。此時(shí)，原網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)化簡為由三個(gè)集中的阻抗元件相串聯(lián)、四個(gè)節(jié)點(diǎn)接有集中負(fù)荷的等值網(wǎng)絡(luò)。2. 開式網(wǎng)潮流計(jì)算1） 已知末端電壓在圖2-7(b)中，已知末端節(jié)點(diǎn)4的電壓，可以從節(jié)點(diǎn)4開

19、始，利用前面介紹的單一元件功率損耗和電壓降落的計(jì)算方法，采用節(jié)點(diǎn)4的電壓和功率計(jì)算線路支路3-4的電壓損耗和功率損耗，從而得到節(jié)點(diǎn)3的電壓以及線路2-3末端的功率，計(jì)算時(shí)需注意還要加上節(jié)點(diǎn)3的運(yùn)算負(fù)荷；然后按同樣方法依次計(jì)算支路2-3和支路1-2的電壓降落和功率損耗，直到計(jì)算到首端得到節(jié)點(diǎn)1的電壓和首端功率。在不要求特別精確時(shí)，電壓計(jì)算中的電壓損耗可近似采用電壓降落的縱分量代替。2） 已知首端電壓第一步，從末端節(jié)點(diǎn)4開始向電源點(diǎn)1方向計(jì)算功率分布。因?yàn)楦髫?fù)荷節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓未知，而正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)際電壓總在額定電壓附近，因此第一次迭代時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓的初值均采用額定電壓代替實(shí)際電壓，從末端到首端依次算

20、出各段線路阻抗中的功率損耗和功率分布。對于支路3-4對于支路2-3 第二步，從電源點(diǎn)1開始向末端負(fù)荷點(diǎn)4方向計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓，計(jì)算中必須利用第一步求得的功率分布以及已知的首端電壓順著功率傳送方向，依次計(jì)算各段支路的電壓降落，并求出各節(jié)點(diǎn)電壓。節(jié)點(diǎn)2的計(jì)算公式如下： 電壓損耗計(jì)算也可以忽略電壓降落的橫分量。 最后按照相同方法依次計(jì)算節(jié)點(diǎn)3、4的電壓。2.4 閉式網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算兩端供電網(wǎng)絡(luò)具有兩個(gè)供電電源點(diǎn)，如圖2-8所示，a、b為兩電源點(diǎn)。 圖2-8 兩端供電網(wǎng)絡(luò)若電源電壓，且負(fù)荷點(diǎn)電流為和，根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電流定律，可寫出下列方程 (2-19)由此可解出 (2-20)在電力網(wǎng)的實(shí)際計(jì)算中，負(fù)

21、荷點(diǎn)的已知量一般是功率，而不是電流。為了求取網(wǎng)絡(luò)中的功率分布，可以先采用近似的算法，忽略網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗，都用額定電壓來計(jì)算功率，令，有，對式（2-20）的各量取共軛值，然后全式乘以，就得到 (2-21)求出供電點(diǎn)輸出的功率和之后，就可在線路上各點(diǎn)按線路功率和負(fù)荷功率相平衡的條件，求出整個(gè)電力網(wǎng)中的功率分布。例如，根據(jù)節(jié)點(diǎn)1的功率平衡可得： 在電力網(wǎng)中功率由兩個(gè)方向流入的節(jié)點(diǎn)稱為功率分點(diǎn)，并用符號標(biāo)出，例如圖2-9（a）中的節(jié)點(diǎn)2。有時(shí)有功功率和無功功率分點(diǎn)可能出現(xiàn)在不同節(jié)點(diǎn)，通常就用和 分別表示有功功率和無功功率分點(diǎn)。 圖2-9 兩端供電網(wǎng)絡(luò)的功率分布在不計(jì)功率損耗求出電力網(wǎng)絡(luò)功率分布之后，

22、可想象在功率分點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)2）將網(wǎng)絡(luò)解開，此時(shí)形成兩個(gè)開式網(wǎng)，見圖2-9(b)。將功率分點(diǎn)處的負(fù)荷也分成和兩部分（滿足），分別掛在兩個(gè)開式網(wǎng)的終端。然后按照上節(jié)方法分別計(jì)算兩個(gè)開式網(wǎng)的功率損耗和功率分布。在計(jì)算功率損耗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)的未知電壓可先用額定電壓代替。當(dāng)有功功率分點(diǎn)和無功功率分點(diǎn)不一致時(shí)，常選電壓較低的分點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)解開。在110kV及以上電網(wǎng)中，一般是無功分點(diǎn)電壓最低，故應(yīng)在無功分點(diǎn)將環(huán)網(wǎng)解開。在具有分支線的閉式電力網(wǎng)中，功率分點(diǎn)只是干線的電壓最低點(diǎn)，不一定是整個(gè)電力網(wǎng)的電壓最低點(diǎn)。對于接有n個(gè)負(fù)荷的兩端供電網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)一步推廣得到 (2-22)式中， 為整條線路的總阻抗；和分別為第i個(gè)負(fù)

23、荷點(diǎn)到供電點(diǎn)a和b的總阻抗。由于循環(huán)功率與負(fù)荷無關(guān)，所以有，可以由此檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果是否正確。網(wǎng)絡(luò)各段線路的電抗和電阻的比值都相等的網(wǎng)絡(luò)稱為均一電力網(wǎng)，而電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往采用均一網(wǎng)絡(luò)。在兩端供電的均一電力網(wǎng)中，若供電點(diǎn)的電壓也相等，則公式（2-22）便簡化為 (2-23)由此可見在均一電力網(wǎng)中有功功率和無功功率的分布彼此無關(guān)，而且可以只利用各線段的電阻（或電抗）分別計(jì)算。對于各段單位長度的阻抗值都相等的均一網(wǎng)絡(luò)，公式（2-22）便可以簡化為 (2-24)式中，為單位長度的阻抗；為整條線路的總長度；和分別為從第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)到供電點(diǎn)a和b的長度。公式（2-24）表明，在這種均一電力網(wǎng)中，有功功率和無功功

24、率分布只由線段的長度來決定，計(jì)算得到了極大的簡化。3 UPFC基本原理和作用3.1 UPFC的功能結(jié)構(gòu)圖3-1為UPFC的工作原理圖。UPFC 主要由并聯(lián)換流器和串聯(lián)換流器構(gòu)成，兩者通過共用的直流電容連接成背靠背的形式。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)換流器之間有功功率的雙向流動，同時(shí)每個(gè)換流器都可以向交流系統(tǒng)發(fā)出或從交流系統(tǒng)吸收無功功率。 圖3-1 UPFC原理圖串聯(lián)側(cè)換流器VSC2通過串聯(lián)變壓器向電網(wǎng)注入幅值和相位可控的電壓，是實(shí)現(xiàn)UPFC潮流控制功能的主要部分。其注入的電壓可等效為一基頻同步電壓源。傳輸線的電流流經(jīng)這個(gè)電壓源會導(dǎo)致串聯(lián)換流器與電網(wǎng)之間的有功、無功功率交換，其中，無功功率可由串聯(lián)換流器產(chǎn)

25、生，而有功功率則轉(zhuǎn)變?yōu)閷χ绷鱾?cè)的有功功率需求。并聯(lián)側(cè)換流器VSC1的基本功能是提供串聯(lián)換流器的有功功率需求，維持直流電容電壓穩(wěn)定;同時(shí)，還能夠產(chǎn)生或吸收無功功率，為節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)立的并聯(lián)無功補(bǔ)償及動態(tài)電壓支撐。由上述工作原理可以看出，在一個(gè)系統(tǒng)中安裝適當(dāng)數(shù)量的UPFC 裝置，在優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行、提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限、增加系統(tǒng)穩(wěn)定裕度等方面，會產(chǎn)生積極影響。3.2 UPFC系統(tǒng)的控制功能在柔性交流輸電系統(tǒng)中，幾乎所有FACTS 裝置都只能調(diào)節(jié)影響電力輸送功率的三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)，但UPFC 可以同時(shí)調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)，即可以同時(shí)補(bǔ)償線路參數(shù)、調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)電壓幅值和節(jié)點(diǎn)電壓相位。還能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償?shù)裙δ?。UPFC

26、調(diào)節(jié)其并聯(lián)部分和串聯(lián)部分的輸出控制電網(wǎng)的參數(shù)，基本功能如圖3-2（a）電壓調(diào)節(jié)功能 （b）相角調(diào)節(jié)功能 （c）阻抗與補(bǔ)償功能 （d）自動潮流調(diào)節(jié)功能 圖3-2 UPFC主要控制功能矢量圖3.3 UPFC潮流控制原理對于圖3-1所示的簡單系統(tǒng)，以UPFC并聯(lián)側(cè)接入點(diǎn)母線電壓為參考，即 (電壓幅值以標(biāo)幺值表示，下同),線路末端電壓為。線路電抗為，忽略UPFC 接入線路的電阻。在UPFC接入系統(tǒng)的情況下，可得到UPFC所在線路有功功率和無功功率，分別為 (3-1) （3-2）假定根據(jù)式( 1) 和式( 2) ，不斷改變串聯(lián)注入電壓的幅值和相位，UPFC接入后線路L 首端的功率特性如圖3-3所示，橫、

27、縱坐標(biāo)分別表示線路首端的有功功率和無功功率，UPFC串聯(lián)注入電壓大小由內(nèi)到外依次為從0.01 0.1p.u.，串聯(lián)電壓相位0 se 360°。 圖3-3 線路L首端功率特性從圖3-3可以看出，一個(gè)只對應(yīng)唯一的一個(gè)線路功率運(yùn)行點(diǎn)，給定UPFC串聯(lián)側(cè)的輸出電壓，則可以唯一確定線路潮流。因此，UPFC串聯(lián)側(cè)的電壓控制是實(shí)現(xiàn)線路潮流控制的可行途徑。3.4 UPFC潮流控制模型UPFC潮流控制模型是連接電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略與UPFC裝置控制的核心環(huán)節(jié)。即在確定系統(tǒng)潮流控制目標(biāo)的情況下，基于這一模型可以進(jìn)行系統(tǒng)潮流計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算UPFC串聯(lián)側(cè)電壓、并聯(lián)側(cè)電流等控制量的輸出，為UPFC的裝置控制提

28、供參考量。按照UPFC的原理分析，UPFC的靜態(tài)特性可通過一個(gè)并聯(lián)電流源與一個(gè)串聯(lián)電壓源的組合來模擬，但這種模型在給定UPFC 控制目標(biāo)時(shí)，計(jì)算較為復(fù)雜，收斂困難。這里采用計(jì)算更為簡便、實(shí)用的附加節(jié)點(diǎn)UPFC潮流計(jì)算模型，如圖3-4所示。由于UPFC可控制所在線路的有功功率、無功功率以及接入點(diǎn)母線電壓，因此，該模型將UPFC串聯(lián)側(cè)出口等效為PQ節(jié)點(diǎn)，將并聯(lián)側(cè)接入點(diǎn)等效為PV節(jié)點(diǎn)。 圖3-4 UPFC潮流計(jì)算模型顯然，在忽略有功損耗的情況下，等效PQ節(jié)點(diǎn)注入的有功功率P為UPFC所在線路的有功功率控制目標(biāo)值，等效PV節(jié)點(diǎn)注入的有功功率與之相反; Q為UPFC所在線路的無功控制目標(biāo)值;V為UPFC

29、并聯(lián)母線電壓控制目標(biāo)值。由以上分析可以看出，采用UPFC的功率注入模型避免了在計(jì)算中修改雅可比矩陣，大大簡化了潮流計(jì)算過程。如圖3-5所示，通過潮流計(jì)算，可以得到節(jié)點(diǎn)1的電壓相位，無功，節(jié)點(diǎn)2的電壓，、已知，對UPFC裝置的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算?？紤]串聯(lián)變壓器等值電抗，引入虛擬節(jié)點(diǎn)u以簡化計(jì)算。 如圖3-5 UPFC簡化等效電路線路電流為 (3-3) 節(jié)點(diǎn)u電壓為 (3-4)串聯(lián)電壓為 (3-5)串聯(lián)側(cè)視在功率為 (3-6)并聯(lián)側(cè)電流為 (3-7)并聯(lián)側(cè)視在功率為 (3-8)3.5 UPFC的數(shù)學(xué)模型 1)UPFC的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型UPFC在對稱運(yùn)行狀態(tài)下，換流器用正弦脈寬調(diào)幅(SPWM)，UPFC

30、的模型如下所述。SPWM控制量為調(diào)制比與正弦控制波形的相位。如圖（3-2），以變壓器為界將UPFC分為交流系統(tǒng)側(cè)與換流器側(cè)。在換流器側(cè)，兩個(gè)換流器的輸出電壓為： (3-9)直流電容上貯存的電場能量的變化率與換流器的有功功率之間有如下關(guān)系。 ) (3-10)綜上所述，并將式子的實(shí)部與虛部分開，可得如下式子： (3-11) (3-12) (3-13)x 表實(shí)部，y 表是虛部，式(3-11)-(3-13)共同構(gòu)成了標(biāo)么制下的UPFC 動態(tài)模型。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下UPFC為無源元件，應(yīng)保持電容電壓為常數(shù)即2) UPFC的動態(tài)數(shù)學(xué)模型由KVL可得如下方程：對于并聯(lián)側(cè): (3-14)對于串聯(lián)側(cè): (3-15)對于

31、UPFC的直流側(cè): (3-16)經(jīng)過派克變換可得: (3-17) (3-18)3.6 UPFC的控制策略UPFC有四個(gè)控制功能，分別是串聯(lián)側(cè)控制線路的有功和無功功率，并聯(lián)側(cè)控制接入點(diǎn)電壓及直流電容電壓。(l)串聯(lián)側(cè)控制 控制電流的幅值、相位，控制線路有功無功功率，電流又可以通過串聯(lián)側(cè)逆變器輸出電壓控制，兩種控制方式：人工電壓注入和潮流控制。(2)并聯(lián)側(cè)控制 并聯(lián)側(cè)主要功能是控制接入點(diǎn)電壓及保持直流電容電壓恒定。(3)直流側(cè)控制 將基準(zhǔn)電壓與實(shí)際電壓誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得應(yīng)補(bǔ)償?shù)挠泄﹄娏鱅d。4 UPFC在Matlab中的仿真分析4.1 UPFC的模塊設(shè)計(jì)將UPFC的設(shè)計(jì)分為測量模塊，控制模塊(

32、功能控制模塊、串聯(lián)側(cè)控制模塊、并聯(lián)側(cè)控制模塊)，輸出計(jì)算模塊(串聯(lián)側(cè)、并聯(lián)側(cè)輸出模塊，直流電容電壓的計(jì)算模塊)，系統(tǒng)接入模塊等四大模塊。下面將分別設(shè)計(jì)這四大模塊。(1)測量模塊的設(shè)計(jì)UPFC的測量模塊，主要目的是測量UPFC接入點(diǎn)的電壓、電流，并將其轉(zhuǎn)換為UPFC控制模塊所需的控制信號。(2)控制模塊的設(shè)計(jì)UPFC有四個(gè)控制功能，分別是線路有功和無功功率的控制、并聯(lián)側(cè)變流器接入點(diǎn)電壓控制及直流電容電壓保持恒定的控制。根據(jù)UPFC的以上控制目標(biāo)，控制結(jié)構(gòu)可分成換流器控制(串聯(lián)側(cè)控制、并聯(lián)側(cè)控制)與主要功能控制兩部分。 (3)輸出計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)UPFC計(jì)算模塊包括UPFC串并聯(lián)側(cè)輸出電壓計(jì)算模塊和

33、直流電壓計(jì)算模塊。UPFC串聯(lián)側(cè)輸出電壓計(jì)算模塊，等效輸出電壓；UPFC并聯(lián)側(cè)輸出電壓計(jì)算模塊：原理同上述串聯(lián)側(cè)輸出電壓計(jì)算模塊。UPFC直流電壓計(jì)算模塊：UPFC的功率變換部分由兩個(gè)變換器通過共用的直流母線連接成背靠背的形式，共用一組直流母線電容，其中一個(gè)重要特性就是從并聯(lián)側(cè)流入的有功功率等于流入串聯(lián)側(cè)的有功功率。(4)接入模塊的設(shè)計(jì)UPFC的系統(tǒng)接入模塊最終是以受控電流源的形式接入系統(tǒng)中。串聯(lián)側(cè)的接入模型：實(shí)現(xiàn)的功能是根據(jù)UPFC接入點(diǎn)的電壓，串聯(lián)側(cè)輸出交流電壓以及串聯(lián)側(cè)的等值到線路上的阻抗，計(jì)算出流過線路的電流，最終等效為在線路中串入受控電流源；并聯(lián)側(cè)的接入模型：實(shí)現(xiàn)功能是：利用系統(tǒng)側(cè)電

34、壓、并聯(lián)側(cè)輸出交流電壓、并聯(lián)側(cè)等值阻抗，計(jì)算電流，最終等效為在線路中串入受控電流源。將上述設(shè)計(jì)的四大模塊測量模塊、控制模塊、計(jì)算模塊、接入模塊封裝得到UPFC的總體設(shè)計(jì)，如圖4-1所示。 圖4-1 UPFC的總體設(shè)計(jì)圖4.2 UPFC在電網(wǎng)中的應(yīng)用分析電網(wǎng)利用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)發(fā)電廠(power plant#1,powerplant#2), 5 條母線(B1-B5)，三條輸電線路(L1,L2,L3)和兩組500kV/230kV 變壓器組(Tr1, Tr2)。接在230kV 輸電線路上，總共發(fā)出1500MW 的兩個(gè)發(fā)電廠，將功率傳輸給接在母線B5 上短路容量15000MVA 等值系統(tǒng)和接在母線B

35、3 的200MW 負(fù)載，UPFC 裝在輸電線L2 末端，控制母線B3 的有功和無功功率，如圖4-2所示。 圖4-2 裝有UPFC的電力系統(tǒng)電路圖4.3 UPFC調(diào)試及結(jié)果分析1.在建立了UPFC 的仿真模型之后，首先探討UPFC對電力系統(tǒng)的影響。1）雙擊仿真模型中的UPFC元件，將Bypass Breaker轉(zhuǎn)成Closed模式，此時(shí)UPFC未投入線路，進(jìn)行仿真運(yùn)行，得到一組該電力系統(tǒng)在無UPFC時(shí)，B1-B5五條母線的有功、無功和電壓，并記錄。2）然后將UPFC元件的Bypass Breaker轉(zhuǎn)變?yōu)镺pen模式，此時(shí)UPFC已投入電力系統(tǒng)，再次進(jìn)行仿真運(yùn)行，記錄加入U(xiǎn)PFC后B1-B5各參

36、數(shù)的變化，得到如圖4-3所示的潮流走向圖，圖中紅色為原始數(shù)據(jù)，藍(lán)色為加入U(xiǎn)PFC后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。 圖4-3系統(tǒng)潮流走向圖由上圖可知，2號發(fā)電廠所產(chǎn)生的電力有899MW通過800兆伏安變壓器組，101MW流向形支路。因此，變壓器TR2超載了約99MVA。本例子說明統(tǒng)一潮流控制器如何可以解除這種情況。 UPFC位于線L2的右端是用來控制在500千伏母線B3的有功和無功功率，以及在B_UPFC總線電壓。為了更清楚直觀的表現(xiàn)UPFC對電力系統(tǒng)的影響，下面，我們以表格的形式表示加入U(xiǎn)PFC前后有功、無功和電壓各自的變化。無UPFC有UPFCP(MW)Q(Mvar)U(kV)P(MW)Q(Mvar)U(kV

37、)B195-160.997197-300.997B2599-640.999690-941.002B3587-260.999687-271.001B4899270.993796160.994B51279-1050,9981277-890.999 表4-1加入U(xiǎn)PFC前后系統(tǒng)參數(shù)由表5-1可知，加入U(xiǎn)PFC后電壓有所增加，電壓質(zhì)量提高，B1到B3的有功、無功也都提高了，有效地提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.現(xiàn)在，對UPFC在電力系統(tǒng)中的潮流調(diào)節(jié)特性進(jìn)行分析。將UPFC元件的Bypass Breaker轉(zhuǎn)成External control模式，此時(shí)UPFC由外部控制觸發(fā)，串聯(lián)轉(zhuǎn)換器額定模式為Power

38、flow control(潮流控制)?？紤]實(shí)際運(yùn)行情況中的偶然因素，3臺變壓器中只有2臺是可運(yùn)行的，未裝設(shè)UPFC時(shí)，裝機(jī)容量為1200MW的電廠(power plant#2)將大部分電能經(jīng)由母線B4, B5之間的變壓器組Tr2(兩臺400MVA 變壓器)傳輸給短路容量15000MVA的等值系統(tǒng)，此時(shí)Tr2過載(超過容量99MVA)。為驗(yàn)證UPFC在維持UPFC接入點(diǎn)電壓幅值恒定的情況下控制線路潮流的能力，使變壓器組Tr2不過載，做了如下仿真，設(shè)基準(zhǔn)值仿真時(shí)間設(shè)為20s，電容電壓設(shè)為40kV，在5s時(shí)將UPFC投入運(yùn)行。1）UPFC控制的線路傳輸有功功率和無功功率起始值為5.87pu 和-0.

39、27pu，10s時(shí)有功功率變?yōu)?.87pu，無功功率保持不變。首先來討論加入U(xiǎn)PFC后對母線B3處有功，無功及電壓的影響。 圖4-4線路有功功率、無功功率、電壓與參考值的變化波形圖由上圖可知，在t =5秒時(shí)，接入U(xiǎn)PFC，有功功率無明顯變化，無功功率從-0.26pu降到-0.27pu。在t =10秒時(shí)，有功功率以1pu/s的速率增加，1秒增加至687兆瓦，這樣的結(jié)果對應(yīng)有功功率流經(jīng)TR2。然后再來看各個(gè)母線電壓、有功、無功隨時(shí)間變化情況圖4-5 系統(tǒng)各母線電壓、有功功率和無功功率B1B2B3B4B5有功/MW1976906877961277電壓/pu0.99671.0021.0010.9942

40、0.9989表4-2 各個(gè)母線功率與電壓穩(wěn)態(tài)值由圖4-5和表4-2可知，在加入U(xiǎn)PFC后，Tr2經(jīng)過UPFC的調(diào)整使其負(fù)載下降為796MVA，此時(shí)Tr2沒有過載，同時(shí)母線B4的電壓也上升到了0.9942pu，UPFC在線路中起到了調(diào)壓的作用。下面改變UPFC控制線路的有功功率和無功功率的初始值和最終值，探討其對各母線電壓與功率的影響。2）有功功率初始值設(shè)為5pu，10s后變?yōu)?pu，無功功率初始值設(shè)為-0.27pu，且始終保持不變。圖4-6 系統(tǒng)各母線電壓、有功功率和無功功率B1B2B3B4B5有功/MW1086026008851279電壓/pu0.99660.99960.99980.99280.9979表4-3 各個(gè)母線功率與電壓穩(wěn)態(tài)值3）有功功率初始值設(shè)為5pu，10s后變?yōu)?pu，無功功率初始值設(shè)為-0.27pu，6s后為-0.2pu。圖4-7 系統(tǒng)各母線電壓、有功功率和無功功率B1B2B3B4B5有功/MW1096026008851279電壓/pu0.99630.99891.0010.99290.9983表4-4 各個(gè)母線功率與電壓穩(wěn)態(tài)值4）有功功率初始值設(shè)為5pu，10s后變?yōu)?pu，無功功率初始值設(shè)為-0.22pu，且始終保持不變。圖4-8 系統(tǒng)各母線電壓、有功功率和無功功率B1B2B3B4B