UPFC控制參數(shù)在電網(wǎng)運行控制中的設置研究

1、摘要目前，世界范圍內大型電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)運行，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技術在世界范圍內有廣闊的應用前景。而統(tǒng)一潮流控制器是柔性交流輸電家族中功能最強大的一員，它具有調節(jié)線路參數(shù)，維持母線節(jié)點電壓，調節(jié)線路潮流等諸多功能。本文從含UPFC的潮流計算，控制策略，參數(shù)設置等方面進行了研究。本文首先從理論出發(fā)，詳細分析電力系統(tǒng)潮流計算的原理以及相關的方法，初步介紹了UPFC的基本結構，工作原理，總結了UPFC的工作方式，建立了UPFC在三相靜止坐標下的動、穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型等，詳細討論計及補償元件時電網(wǎng)模型，分析計及可補償元件運行狀況的改變。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控制策略進行了仿真驗證。關鍵詞：統(tǒng)一潮流控制器；潮流分析；參數(shù)設置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)絡中的輸電可控性與配電及發(fā)電相比較差一些，網(wǎng)絡中潮流的分布會隨著自然負荷的分布而改變，可能造成較大的電能損失，也影響了系統(tǒng)的電能質量。柔性交流輸電（FATCS）技術能有效地提高輸電效率，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行能力，促進電網(wǎng)的大互聯(lián)，潛在著顯著的經(jīng)濟和社會效益。統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是一種功能最強大、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，它包括了電壓調節(jié)、串聯(lián)補償和移相等所有能力，它可以同時并非?？焖俚莫毩⒖刂戚旊娋€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元件應運而生，其中UPFC由于其強大的控制功能，一直在引起國內外學者的廣泛關注。目前，對UPFC的研究一般從2個方面入手：1)UPFC自身的完善，如主電路結構、控制策略等方面的研究；2)U

8、PFC在電力系統(tǒng)中的應用性研究。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研究院合作完成，它是第一個投入運行的統(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結構，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行，一個當做靜止調相器（STATCOM）而另一個當做靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC）。正常情況下他們將作為UPFC運行。日本的Okayama大學也

9、做一個容量為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)運行控制中的設置為研究內容，在總結前人研究成果的基礎上，主要做了以下的工作。1. 在查閱了大量參考文獻的基礎上，詳細分析電力系統(tǒng)潮流計算的原理以及相關的方法，初步分析UPFC原理、作用和參數(shù)設置。2. 詳細討論計及補償元件時電網(wǎng)模型，詳細分析計及可補償元件運行狀況的改變。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，計算某系統(tǒng)的潮流，對UPFC控制參數(shù)進行設置研究，將結果以較清晰的界面反應。4. 將數(shù)據(jù)結果在論文中以表格的形式表示，對仿真結果進行分析，進行理

10、論總結。2 簡單電力系統(tǒng)潮流計算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，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)阻抗時產(chǎn)生的功率損耗和電壓施加于對地導納時產(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，即在運行時發(fā)出無功功率，因此，作為無功功率損耗應取正號，而應取負號。的計算公式如下：， （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 ，導納為S，電壓為kV，功率為MVA

12、。2.線路的電壓降落 設網(wǎng)絡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)絡元件的等值電路1） 電壓降落的概念與相量圖網(wǎng)絡元件的電壓降落是指元件首末端兩點電壓的相量差，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分量及，這兩個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，習慣用功率進行運算。與電壓

13、和電流相對應的一相功率為： 用功率代替電流，可將式（2-7）改寫為 （2-8） 必須注意，與功率損耗計算時一樣，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，也可以把電壓降落相量分解為與同方向和垂直的兩個分量，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。實際的網(wǎng)絡元件都存在電阻，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量時，電壓損耗和電壓偏移是兩個常用的概念。電壓損耗、電壓偏移與電壓降落這三個概念不能混淆，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 當兩點電壓之間的相角差比較小時，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數(shù)表示。由于傳送功率時在網(wǎng)絡元件中要產(chǎn)

16、生電壓損耗。同一電壓等級的電網(wǎng)中各節(jié)點的電壓是不相等的。在工程實際中，常需計算某負荷點到電源點的總電壓損耗，總電壓損耗等于從電源點到該負荷點所經(jīng)各串聯(lián)元件電壓損耗的代數(shù)和。電力網(wǎng)實際電壓幅值的高低對用戶用電設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。用電設備都按工作在額定電壓附近進行設計和制造，為了衡量電壓質量，必須知道節(jié)點的電壓偏移。電壓偏移是指網(wǎng)絡中某節(jié)點的實際電壓同該節(jié)點的額定電壓之差，也可以用額定電壓的百分數(shù)表示。 電壓偏移() （2-17）電壓偏移是電能質量的一個重要指標，國家標準規(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，即運行時消耗無功功率。并聯(lián)支路損耗主要是變壓器的勵磁功率，由等值電路中勵磁支路的導納確定。 由于正常運行時電壓與額定電壓相差不大，因此實際計算中可近似采用額定電壓計算，即變壓器的勵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；為空載電流的百分數(shù)；為變壓器的額定容量，單位為kVA。2.3 開式網(wǎng)絡的潮流計算1. 運算負荷開式網(wǎng)絡的潮流計算就是根據(jù)給定的網(wǎng)絡接線和其它已知條件，計算網(wǎng)絡中的功率分布、功率損耗和未知的節(jié)點電壓。在進行潮流計算前一般先要對網(wǎng)絡的等值電路作化簡

18、處理。以圖2-7（a）的開式網(wǎng)絡為例介紹運算負荷的概念和化簡方法。圖中電源點1通過線路向負荷節(jié)點2、3和4供電。由于電力系統(tǒng)正常運行在額定電壓附近，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)絡和運算負荷化簡的具體做法是對每段線路首末端的節(jié)點都分別加上該段線路充電功率的一半，并將其與相應節(jié)點的負荷功率合并，得到 、和習慣上稱為電力網(wǎng)的運算負荷。此時，原網(wǎng)絡已經(jīng)化簡為由三個集中的阻抗元件相串聯(lián)、四個節(jié)點接有集中負荷的等值網(wǎng)絡。2. 開式網(wǎng)潮流計算1） 已知末端電壓在圖2-7(b)中，已知末端節(jié)點4的電壓，可以從節(jié)點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算方法，采用節(jié)點4的電壓和功率計算線路支路3-4的電壓損耗和功率損耗，從而得到節(jié)點3的電壓以及線路2-3末端的功率，計算時需注意還要加上節(jié)點3的運算負荷；然后按同樣方法依次計算支路2-3和支路1-2的電壓降落和功率損耗，直到計算到首端得到節(jié)點1的電壓和首端功率。在不要求特別精確時，電壓計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4開始向電源點1方向計算功率分布。因為各負荷節(jié)點的實際電壓未知，而正常穩(wěn)態(tài)運行實際電壓總在額定電壓附近，因此第一次迭代時各節(jié)點電壓的初值均采用額定電壓代替實際電壓，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1開始向末端負荷點4方向計算節(jié)點電壓，計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，依次計算各段支路的電壓降落，并求出各節(jié)點電壓。節(jié)點2的計算公式如下： 電壓損耗計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算節(jié)點3、4的電壓。2.4 閉式網(wǎng)絡的潮流計算兩端供電網(wǎng)絡具有兩個供電電源點，如圖2-8所示，a、b為兩電源點。 圖2-8 兩端供電網(wǎng)絡若電源電壓，且負荷點電流為和，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)的實際計算中，負

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

22、可想象在功率分點（節(jié)點2）將網(wǎng)絡解開，此時形成兩個開式網(wǎng)，見圖2-9(b)。將功率分點處的負荷也分成和兩部分（滿足），分別掛在兩個開式網(wǎng)的終端。然后按照上節(jié)方法分別計算兩個開式網(wǎng)的功率損耗和功率分布。在計算功率損耗時，網(wǎng)絡中各點的未知電壓可先用額定電壓代替。當有功功率分點和無功功率分點不一致時，常選電壓較低的分點將網(wǎng)絡解開。在110kV及以上電網(wǎng)中，一般是無功分點電壓最低，故應在無功分點將環(huán)網(wǎng)解開。在具有分支線的閉式電力網(wǎng)中，功率分點只是干線的電壓最低點，不一定是整個電力網(wǎng)的電壓最低點。對于接有n個負荷的兩端供電網(wǎng)絡，可以進一步推廣得到 (2-22)式中， 為整條線路的總阻抗；和分別為第i個負

23、荷點到供電點a和b的總阻抗。由于循環(huán)功率與負荷無關，所以有，可以由此檢驗計算結果是否正確。網(wǎng)絡各段線路的電抗和電阻的比值都相等的網(wǎng)絡稱為均一電力網(wǎng)，而電力系統(tǒng)設計往往采用均一網(wǎng)絡。在兩端供電的均一電力網(wǎng)中，若供電點的電壓也相等，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，而且可以只利用各線段的電阻（或電抗）分別計算。對于各段單位長度的阻抗值都相等的均一網(wǎng)絡，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個負荷點到供電點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的功能結構圖3-1為UPFC的工作原理圖。UPFC 主要由并聯(lián)換流器和串聯(lián)換流器構成，兩者通過共用的直流電容連接成背靠背的形式。這種結構能實現(xiàn)兩個換流器之間有功功率的雙向流動，同時每個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)這個電壓源會導致串聯(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，而有功功率則轉變?yōu)閷χ绷鱾鹊挠泄β市枨?。并?lián)側換流器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，還能夠產(chǎn)生或吸收無功功率，為節(jié)點提供獨立的并聯(lián)無功補償及動態(tài)電壓支撐。由上述工作原理可以看出，在一個系統(tǒng)中安裝適當數(shù)量的UPFC 裝置，在優(yōu)化系統(tǒng)運行、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 裝置都只能調節(jié)影響電力輸送功率的三個參數(shù)中的一個，但UPFC 可以同時調節(jié)三個參數(shù)，即可以同時補償線路參數(shù)、調節(jié)節(jié)點電壓幅值和節(jié)點電壓相位。還能實現(xiàn)并聯(lián)補償、串聯(lián)補償?shù)裙δ?。UPFC

26、調節(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）電壓調節(jié)功能 （b）相角調節(jié)功能 （c）阻抗與補償功能 （d）自動潮流調節(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)側接入點母線電壓為參考，即 (電壓幅值以標幺值表示，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，一個只對應唯一的一個線路功率運行點，給定UPFC串聯(lián)側的輸出電壓，則可以唯一確定線路潮流。因此，UPFC串聯(lián)側的電壓控制是實現(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)潮流控制目標的情況下，基于這一模型可以進行系統(tǒng)潮流計算，進而計算UPFC串聯(lián)側電壓、并聯(lián)側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)特性可通過一個并聯(lián)電流源與一個串聯(lián)電壓源的組合來模擬，但這種模型在給定UPFC 控制目標時，計算較為復雜，收斂困難。這里采用計算更為簡便、實用的附加節(jié)點UPFC潮流計算模型，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母線電壓，因此，該模型將UPFC串聯(lián)側出口等效為PQ節(jié)點，將并聯(lián)側接入點等效為PV節(jié)點。 圖3-4 UPFC潮流計算模型顯然，在忽略有功損耗的情況下，等效PQ節(jié)點注入的有功功率P為UPFC所在線路的有功功率控制目標值，等效PV節(jié)點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值;V為UPFC

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

30、的模型如下所述。SPWM控制量為調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)側與換流器側。在換流器側，兩個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系。 ) (3-10)綜上所述，并將式子的實部與虛部分開，可得如下式子： (3-11) (3-12) (3-13)x 表實部，y 表是虛部，式(3-11)-(3-13)共同構成了標么制下的UPFC 動態(tài)模型。穩(wěn)態(tài)運行下UPFC為無源元件，應保持電容電壓為常數(shù)即2) UPFC的動態(tài)數(shù)學模型由KVL可得如下方程：對于并聯(lián)側: (3-14)對于串聯(lián)側: (3-15)對于

31、UPFC的直流側: (3-16)經(jīng)過派克變換可得: (3-17) (3-18)3.6 UPFC的控制策略UPFC有四個控制功能，分別是串聯(lián)側控制線路的有功和無功功率，并聯(lián)側控制接入點電壓及直流電容電壓。(l)串聯(lián)側控制 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)側控制 并聯(lián)側主要功能是控制接入點電壓及保持直流電容電壓恒定。(3)直流側控制 將基準電壓與實際電壓誤差信號經(jīng)PI調節(jié)器得應補償?shù)挠泄﹄娏鱅d。4 UPFC在Matlab中的仿真分析4.1 UPFC的模塊設計將UPFC的設計分為測量模塊，控制模塊(

32、功能控制模塊、串聯(lián)側控制模塊、并聯(lián)側控制模塊)，輸出計算模塊(串聯(lián)側、并聯(lián)側輸出模塊，直流電容電壓的計算模塊)，系統(tǒng)接入模塊等四大模塊。下面將分別設計這四大模塊。(1)測量模塊的設計UPFC的測量模塊，主要目的是測量UPFC接入點的電壓、電流，并將其轉換為UPFC控制模塊所需的控制信號。(2)控制模塊的設計UPFC有四個控制功能，分別是線路有功和無功功率的控制、并聯(lián)側變流器接入點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，控制結構可分成換流器控制(串聯(lián)側控制、并聯(lián)側控制)與主要功能控制兩部分。 (3)輸出計算模塊的設計UPFC計算模塊包括UPFC串并聯(lián)側輸出電壓計算模塊和

33、直流電壓計算模塊。UPFC串聯(lián)側輸出電壓計算模塊，等效輸出電壓；UPFC并聯(lián)側輸出電壓計算模塊：原理同上述串聯(lián)側輸出電壓計算模塊。UPFC直流電壓計算模塊：UPFC的功率變換部分由兩個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，其中一個重要特性就是從并聯(lián)側流入的有功功率等于流入串聯(lián)側的有功功率。(4)接入模塊的設計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)側的接入模型：實現(xiàn)的功能是根據(jù)UPFC接入點的電壓，串聯(lián)側輸出交流電壓以及串聯(lián)側的等值到線路上的阻抗，計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)側的接入模型：實現(xiàn)功能是：利用系統(tǒng)側電

34、壓、并聯(lián)側輸出交流電壓、并聯(lián)側等值阻抗，計算電流，最終等效為在線路中串入受控電流源。將上述設計的四大模塊測量模塊、控制模塊、計算模塊、接入模塊封裝得到UPFC的總體設計，如圖4-1所示。 圖4-1 UPFC的總體設計圖4.2 UPFC在電網(wǎng)中的應用分析電網(wǎng)利用環(huán)網(wǎng)結構，包括兩個發(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調試及結果分析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轉成Closed模式，此時UPFC未投入線路，進行仿真運行，得到一組該電力系統(tǒng)在無UPFC時，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轉變?yōu)镺pen模式，此時UPFC已投入電力系統(tǒng)，再次進行仿真運行，記錄加入UPFC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)，藍色為加入UPFC后的各項數(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UPFC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UPFC前后系統(tǒng)參數(shù)由表5-1可知，加入UPFC后電壓有所增加，電壓質量提高，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)中的潮流調節(jié)特性進行分析。將UPFC元件的Bypass Breaker轉成External control模式，此時UPFC由外部控制觸發(fā)，串聯(lián)轉換器額定模式為Power

38、flow control(潮流控制)。考慮實際運行情況中的偶然因素，3臺變壓器中只有2臺是可運行的，未裝設UPFC時，裝機容量為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Tr2過載(超過容量99MVA)。為驗證UPFC在維持UPFC接入點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，設基準值仿真時間設為20s，電容電壓設為40kV，在5s時將UPFC投入運行。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時有功功率變?yōu)?.87pu，無功功率保持不變。首先來討論加入UPFC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，接入UPFC，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，有功功率以1pu/s的速率增加，1秒增加至687兆瓦，這樣的結果對應有功功率流經(jīng)TR2。然后再來看各個母線電壓、有功、無功隨時間變化情況圖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UPFC后，Tr2經(jīng)過UPFC的調整使其負載下降為796MVA，此時Tr2沒有過載，同時母線B4的電壓也上升到了0.9942pu，UPFC在線路中起到了調壓的作用。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）有功功率初始值設為5pu，10s后變?yōu)?pu，無功功率初始值設為-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 各個母線功率與電壓穩(wěn)態(tài)值3）有功功率初始值設為5pu，10s后變?yōu)?pu，無功功率初始值設為-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 各個母線功率與電壓穩(wěn)態(tài)值4）有功功率初始值設為5pu，10s后變?yōu)?pu，無功功率初始值設為-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