UPFC的直接電壓控制及其應(yīng)用

呂文韜， 汪冬輝，沈 忱，羅華峰

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江 臺(tái)州 318000）

UPFC的直接電壓控制及其應(yīng)用

呂文韜1， 汪冬輝1，沈 忱2，羅華峰1

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江 臺(tái)州 318000）

UPFC是一種功能強(qiáng)大的FACTS裝置，具有潮流調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)作用。但目前關(guān)于UPFC串聯(lián)側(cè)定電壓的控制策略研究較少，且已有的控制策略大多基于直接電流控制。以UPFC在dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，將前饋和PI反饋控制相結(jié)合，給出了UPFC的直接電壓控制策略，無需電流內(nèi)環(huán)，簡化了控制結(jié)構(gòu)，提高了控制響應(yīng)速度。UPFC的直接電壓控制策略特別適合于UPFC向無源網(wǎng)絡(luò)供電，具有良好的抗沖擊負(fù)荷和抗電壓跌落的能力。在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了仿真模型，通過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和模擬電壓跌落仿真，證明了UPFC直接電壓控制策略能夠較好的滿足抗沖擊負(fù)荷和抗電壓跌落要求。

UPFC；直接電壓控制；沖擊負(fù)荷；電壓跌落；無源網(wǎng)絡(luò)供電

0 引言

UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）是一種功能強(qiáng)大的FACTS（柔性交流輸電系統(tǒng)）裝置，它綜合了并聯(lián)型FACTS裝置和串聯(lián)型FACTS裝置的多種靈活控制手段，具有電壓調(diào)節(jié)、串聯(lián)補(bǔ)償和移相等能力，能夠獨(dú)立控制線路中的有功功率和無功功率，有效提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性[1-4]。

目前，各種含VSC（電壓源型換流器）的柔性交直流輸電系統(tǒng)的換流器級(jí)控制基本均采用直接電流控制，并基于直接電流控制衍生出直流側(cè)定電壓控制、并聯(lián)側(cè)定無功（電壓）控制、線路定功率控制以及串聯(lián)側(cè)定電壓控制等[1-9]。

文獻(xiàn)[5-6]提出了UPFC的交叉耦合和交叉解耦控制策略，采用功率、電壓、電流三環(huán)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[7-9]提出了HVDC向無源網(wǎng)絡(luò)供電的定電壓控制策略。

其中文獻(xiàn)[5-7]均為基于直接電流控制的間接電壓控制，不能實(shí)現(xiàn)電壓dq軸分量的解耦控制，且控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)慢。文獻(xiàn)[8-9]基于換流器穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型提出了一種定電壓控制器，但其仍然需要電流采樣值來實(shí)現(xiàn)解耦。

提出了一種UPFC的直接電壓控制策略，將電壓前饋與PI反饋相結(jié)合，其中電壓前饋提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，電壓PI反饋環(huán)節(jié)提高了系統(tǒng)的控制精度，且無需電流內(nèi)環(huán)，無需電流采樣，簡化了控制結(jié)構(gòu)，改善了控制系統(tǒng)的性能。

1 UPFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

為分析方便，此處直接給出UPFC帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的拓?fù)洌鐖D1所示。

圖1 UPFC帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的拓?fù)?/p>

可以看出UPFC可以分為并聯(lián)部分和串聯(lián)部分。其中并聯(lián)部分由并聯(lián)變換器和并聯(lián)變壓器組成，相當(dāng)于一個(gè)STATCOM（靜止無功補(bǔ)償器），主要作用是維持直流電容電壓恒定并兼具并聯(lián)節(jié)點(diǎn)無功補(bǔ)償功能；串聯(lián)部分由串聯(lián)變換器和串聯(lián)變壓器組成，相當(dāng)于一個(gè)SSSC（靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器），其主要作用為通過向線路中串入電壓以進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償、移相以及調(diào)節(jié)線路傳輸功率。STATCOM或SSSC單裝置只能輸出無功，但二者通過直流電容連接起來后便可通過直流電容的橋梁作用傳遞有功，可見UPFC并非STATCOM和SSSC的簡單疊加。

圖1中，usa，usb，usc為系統(tǒng)電壓；u2a，u2b，u2c為UPFC補(bǔ)償后電壓，u12為串聯(lián)變壓器原邊電壓；i1a，i1b，i1c為并聯(lián)變換器出口電流；usha，ushb，ushc為并聯(lián)變換器出口電壓，usea，useb，usec為串聯(lián)變換器出口電壓；C為直流電容，L1與L2分別為并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)濾波電感，R1與R2分別為濾波電感的等效電阻。

2 UPFC的直接電壓控制

2.1 并聯(lián)變換器控制策略

并聯(lián)變換器控制策略如圖2所示，與文獻(xiàn)[1-4]中并聯(lián)變換器控制策略相同，本文不再贅述。圖中 u1d為系統(tǒng)電壓 usa，usb，usc經(jīng)過并聯(lián)變壓器后的d軸分量，u1d為其目標(biāo)值和分別為直流電容電壓目標(biāo)值和實(shí)際值。

圖2 并聯(lián)變換器控制策略

2.2 串聯(lián)變換器控制策略

2.2.1 同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中UPFC的數(shù)學(xué)模型

通常，UPFC的串聯(lián)補(bǔ)償、移相以及潮流調(diào)節(jié)功能由串聯(lián)側(cè)實(shí)現(xiàn)，并聯(lián)側(cè)一般用來穩(wěn)定直流電容電壓，此時(shí)可忽略UPFC的并聯(lián)側(cè)并將UPFC串聯(lián)側(cè)等效為一個(gè)可調(diào)的電壓源，三相abc坐標(biāo)系中UPFC的等效電路如圖3所示。

圖3 三相abc坐標(biāo)系下UPFC的等效電路

考慮串聯(lián)變壓器漏抗的影響，圖中Lse與Rse為串聯(lián)側(cè)等效濾波電感及其等效電阻：

式中：LTse與RTse為串聯(lián)變壓器漏感及其等效電阻。

根據(jù)三相abc坐標(biāo)系下UFPC的等效電路得到三相abc坐標(biāo)系下UPFC的數(shù)學(xué)模型：

式中：Δusea，Δuseb，Δusec為串聯(lián)側(cè)等效濾波電感及其等效電阻上的壓降。

對(duì)式（2）兩邊同時(shí)進(jìn)行派克變換，可得UPFC在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

2.2.2 UPFC的直接電壓控制策略

若忽略串聯(lián)側(cè)等效電感及其等效電阻上的壓降，可得串聯(lián)變換器的輸出電壓為：

但采用式（4）控制策略時(shí)，勢(shì)必導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)2處電壓與目標(biāo)值存在偏差，且負(fù)載電流越大，偏差越大。

為此，引入PI反饋環(huán)節(jié)，令

綜合式（4）與（5）可得UPFC的直接電壓控制策略如圖4所示。

圖4 UPFC的直接電壓控制策略

3 仿真驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

為了驗(yàn)證UPFC直接電壓控制策略的性能，搭建了基于PSCAD/EMTDC的仿真模型，系統(tǒng)部分參數(shù)如表1所示。

表1 UPFC系統(tǒng)參數(shù)列表

3.2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真

加裝UPFC前，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)機(jī)端電壓有效值波形如圖5所示。加裝UPFC后，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)機(jī)端電壓有效值波形如圖6所示。

圖5 加裝UPFC前電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)機(jī)端電壓

圖6 加裝UPFC后電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)機(jī)端電壓

由圖5和圖6可見，加裝UPFC后，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，機(jī)端電壓跌落程度較加裝UPFC前有較大改善，且大約 0.3 s即恢復(fù)額定值，而加裝UPFC前大約需0.5 s恢復(fù)額定值。且可以看出，UPFC的直接電壓控制策略可以使機(jī)端電壓無靜差穩(wěn)定在額定值。

3.3 交流電壓跌落仿真

2.6 s時(shí)，交流母線電壓從10 kV跌落到7 kV，且持續(xù)40 ms（2個(gè)周波），仿真結(jié)果如下。

3.3.1 機(jī)端電壓波形對(duì)比

加裝UPFC前，交流母線電壓跌落時(shí)機(jī)端電壓有效值波形和瞬時(shí)值波形分別如圖7、圖8所示。

圖7 加裝UPFC前電壓跌落時(shí)機(jī)端電壓有效值

圖8 加裝UPFC前電壓跌落時(shí)機(jī)端電壓瞬時(shí)值

加裝UPFC后，交流母線電壓跌落時(shí)機(jī)端電壓有效值波形和瞬時(shí)值波形分別如圖9、圖10所示。

圖9 加裝UPFC后電壓跌落時(shí)機(jī)端電壓有效值

圖10 加裝UPFC后電壓跌落時(shí)機(jī)端電壓瞬時(shí)值

可以看出，加裝UPFC后，機(jī)端電壓跌落程度明顯減輕，且機(jī)端電壓可以無靜差穩(wěn)定在額定值。

3.3.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波形對(duì)比

加裝UPFC前，交流母線電壓跌落時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖11所示。

圖11 加裝UPFC前電壓跌落時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

加裝UPFC后，交流母線電壓跌落時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖12所示。

圖12 加裝UPFC后電壓跌落時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速

從圖11和圖12可以看出，在2.6 s發(fā)生電壓跌落時(shí)，加裝UPFC前電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有明顯波動(dòng)，而加裝UPFC后轉(zhuǎn)速基本未受影響。

4 結(jié)論

（1）提出的UPFC的直接電壓控制策略控制結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快且無靜差。

（2）通過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真和系統(tǒng)電壓跌落仿真，加裝UPFC后，無論是電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)還是交流電流跌落，機(jī)端電壓跌落情況都有明顯改善且能快速恢復(fù)額定值，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本不受影響。

綜上所述，UPFC的直接電壓控制策略能夠較好地滿足抗沖擊負(fù)荷和抗電壓跌落要求，尤其適合于UPFC向無源網(wǎng)絡(luò)供電的情況。

[1]呂文韜，沈忱，江道灼，等.具有電容過壓保護(hù)功能的限流式統(tǒng)一潮流控制器改進(jìn)方案[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)-工學(xué)版，2014，48（5）∶877-881.

[2]沈忱，江道灼，呂文韜，等.限流式統(tǒng)一潮流控制器的啟停控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（22）∶101-105.

[3]沈忱.限流式統(tǒng)一潮流控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)與控制策略研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[4]呂文韜.限流式統(tǒng)一潮流控制器在電力系統(tǒng)應(yīng)用的若干關(guān)鍵問題研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[5]劉黎明，康勇，陳堅(jiān)，等.UPFC的交叉耦合控制及潮流調(diào)節(jié)能力分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（10）∶42-48.

[6]蔡松，段善旭，蔡禮.基于交叉耦合與交叉解耦的UPFC控制性能對(duì)比[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，27（5）∶45-48.

[7]蔡新紅，趙成勇，龐輝，等.向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMCHVDC系統(tǒng)控制與保護(hù)策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（3）∶405-414.

[8]陳海容，徐政.向無源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（33）∶42-48.

[9]王衛(wèi)安，桂衛(wèi)華，馬雅青，等.向無源網(wǎng)絡(luò)供電的模塊化多電平換流器型高壓直流輸電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2012，38（3）∶751-761.

（本文編輯：楊 勇）

Direct Voltage Control of UPFC and its Application

LYU Wentao1，WANG Donghui1，SHEN Chen2，LUO Huafeng1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 318000，China）

Unified power flow controller（UPFC）is a powerful FACTS device，which can regulate the power flow and voltage.But now there is few research on series side voltage control of UPFC.Most of the existing control strategies are based on direct current control.On the basis of the mathematical model of UPFC in twophase dq rotary coordinate system and combining feedforward control with PI feedback control,the paper presents direct voltage control strategy of UPFC，which needs no current inner-loop，simplifies control structure and improves control speed.The direct voltage control strategy of UPFC is particularly suitable for UPFC to supply power for passive networks and is resistant to surge load or voltage sag.A simulation model is built in PSCAD/EMTDC，which demonstrates that the direct voltage control strategy of UPFC has a good ability to resist surge load or voltage sag by the simulation of motor starting and voltage sag simulation.

unified power flow controller；direct voltage control；surge load；voltage sag；power supply for passive networks

TM721.1

B

1007-1881（2015）11-0038-04

2015-09-17

呂文韜（1989），男，主要從事電力電子及電能質(zhì)量相關(guān)工作。