基于PSCAD統一潮流控制器的建模與仿真

吉興全 劉莎莎 劉貴彬 張文昊 李可軍

（1.山東科技大學，山東 青島 266590；2.山東大學電氣工程學院，濟南 250061）

統一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）的概念是由美國西屋科技中心的L.Gyugyi博士于1991年提出。自提出以來倍受各國學者的關注，現已成為眾所周知的提高輸電系統輸送能力的電力電子裝置。其基本思想是用一種統一的可控裝置，在不改變裝置的硬件結構情況下，通過控制規律調節系統的節點電壓、線路阻抗及相位角等基本參數，實現串聯補償、并聯補償和移相控制等多種功能，從而有效地控制電力系統潮流。在現有設備的條件下，研究并利用統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系統的備用容量。它既能夠解決我國在電力建設方面因資金緊張而不能大規模的更新設備的現狀，又能夠通過采用新技術來改善現有電力的傳輸水平以及保障電力系統安全可靠運行，具有重要的理論和實際意義。

1 UPFC 的基本原理

統一潮流控制器（UPFC），由兩個背靠背的電壓源型變換器通過直流電容進行傳輸。主要用于對交流輸電系統進行電壓控制和對線路中有功、無功功率進行動態調節，圖1為簡化的UPFC 原理圖。

圖1 UPFC 原理圖

2 UPFC 常規控制策略

如圖2所示，統一潮流控制器UPFC 采用三層控制策略。UPFC 控制系統裝置中典型的三級控制方案，具體為：調度級控制，該級控制需要確定UPFC狀態，依據上級調度部門指令或實時采集電網數據，即確定輸電系統所期望的有功功率PLref、無功功率QLref、線路母線電壓VSref。應用級控制也叫系統級控制，該級控制根據給定值PLref、QLref和VSref，按照一定的UPFC 的控制策略，計算出串、并聯變流器中ΙGBT 的觸發控制角θsh、θse和調制比msh、mse。設備級控制，該級控制根據求得的θsh、θse、msh、mse，在下位機設備上進行比例積分控制以獲得ΙGBT 的觸發和關斷信號[2]。

圖2 FACTS 裝置中典型的三級控制方案

2.1 UPFC 并聯側PΙ 控制策略

系統輸入并聯變流器的功率為

式中，XTsh為變壓器Tsh的等效阻抗。

經上式可看出，系統流入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的幅值由并聯側變流器調制比msh決定，而Vsh相角由θsh決定；kp1、kT1、kp2、kT2為 PΙ 控制的比例系數，Tmsh、Tθsh為時間慣性環節常數[5]。

圖3 并聯變流器控制框圖

2.2 UPFC 串聯側PΙ 控制策略

系統輸入串聯變流器的功率為

由上式看出，當-90°＜θR-θj＜90°時，VR隨θR-θj增大而增大有功功率，而當 0°＜θR-θj＜180°時，VR隨θR-θj增大而增大無功功率[6]。其中，θR-θj影響有功功率，VR影響無功功率。所以，選取VR的幅值和相角為控制量。如圖4所示串聯變流器的控制框圖，Vse的幅值由串聯側變流器調制比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，Tmse為慣性時間常數[7]。

圖4 串聯變流器的控制框圖

3 PSCAD 建模

3.1 VSC 電路模型

考慮到開關器件電流上升速率didt和dudt，二次擊穿以及抑制電磁干擾等因素，在ΙGBT 上并聯了由電感、電容和二極管構成的導通限流電路。并聯側和串聯側變流器的電路如圖5所示。

圖5 并聯側和串聯側變流器的電路圖

3.2 SPWM 信號產生電路

正弦波產生電路，如圖6所示。

圖6 產生正弦波電路

其中，PLL Six Pulse 模塊跟蹤輸入信號VS，輸出相角列thetaY（與輸入信號同步變化的）。對由UPFC 控制相位角shft 和變壓器副邊對原邊產生30°度角移位（并聯耦合變壓器接法所產生），通過Shift（in-sh）模塊得到正弦波的相角。該相角通過Sin Array 模塊轉換成正弦信號。該正弦波的幅值受 UPFC 控制器產生的幅值調制比m的控制。最后輸出的信號RefRon 控制ΙGBT 開通時間的調制信號，而RefRoff 控制ΙGBT 關斷時間的調制信號，它與RefRon 相差180°。

如圖7所示，通過鎖相環PLL 得到與輸入信號VS同步的相位theta 后，乘上載波次數，被360 除，再取余，把得到的值進行變換。TrgRon 是用從[0，90，270，360]到[0，1，-1，0]對應的方法得到的三角載波；TrgRoff 是用從[0，90，270，360]到[0，-1，1，0]對應的方法得到的三角載波。

最終，正弦波參考信號RefRoff、RefRon 和三角波載波信號TrgRon、TrgRoff 比較得出得到控制極脈沖、ΙGBT 關斷時間。

3.3 控制器模型

對于控制器的仿真可根據圖3、圖4在PSCAD中搭建，本文不詳細畫出。

4 仿真分析

4.1 系統參數設置

如圖8所示，發電機G 用交流230V 電源代替，無窮大電源S 電壓為800V，內阻為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 仿真系統接線圖

表1 變壓器選取參數

表2 變流器及其連接電感電容選取參數

4.2 UPFC 的暫穩態仿真

穩態仿真過程中，并聯接入母線電壓Vsref= 800V，直流母線電壓Vdcref=400V，線路無功功率QL1ref= 0。

如圖9所示，在電路運行過程能夠使直流電壓逐漸趨于設定額定值400V，L2線路有功達到穩定狀態。我們同時可以測得線路L2上有功、無功功率，UPFC 串、并聯側從系統吸收的有功、無功功率及發電機輸出的有功、無功功率，它們滿足功率平衡。

圖9 穩態仿真圖形

當在0.5s 時，輸電線路1 長度保持不變，仍340km，輸電線路2 長為260km。UPFC 投入系統穩定運行1.5s 時，在線路2 中點發生三相對稱短路，0.5s 后故障切除[8]，系統的響應曲線如圖10所示。

圖10 短路后并聯側、電容兩端電壓

如圖10所示，在1.5s 時出現故障，并聯接入母線電壓值會發生變化，在故障切除在很短的時間內能夠恢復達到穩定。

5 結論

基于本文UPFC的潮流調節、維持母線電壓的功能進行的仿真分析，從上述圖中我們可以看出，UPFC在故障情況下電路運行還是處于比較穩定。因此，UPFC既能提高系統的暫態穩定，又能抑制電壓暫將和系統的動態電能質量。

[1] 唐愛紅.統一潮流控制器運行特性及其控制的仿真和實驗研究[D].武漢:華中科技大學:2007.

[2] 馬凡.統一潮流控制器動態特性及相關控制策略研究[D].武漢:華中科技大學: 2007.

[3] 章良棟,岑文輝,劉為.UPFC 的模型及控制器研究[J].電力系統自動化,1998,22(1): 36-39.

[4] 劉黎明,康勇,陳堅,等.UPFC 的交叉耦合控制及潮流調節能力分析[J].中國電機工程學報,2007,27(10):42-48.

[5] TAN Y L,WANG Y Y.Design of series and shunt FACTS controller using adaptive non～linear co～ordinated design techniques[J].ΙEEE Trans on Power System,1997,12(3): 1374-1379.

[6] SEN K K,KERΙ A J F.Comparison of field results and digital simulation results of voltage-sourced converter-based FACTS controllers[J].ΙEEE Trans on Power Delivery,2003,18(1):300-306.

[7] GUO J,CROW M L,SSARANGAPANΙ J.An improved UPFC control for oscillation damping[J].ΙEEE Trans on Power Systems，2009,24(1):288-296.

[8] 蔡松,段善旭,康勇.統一潮流控制器在動態模擬系統中的應用[J].電網技術,2007,31(9):64-69.