利用UPFC提高电力系统稳定性的研究.pdf

剩用 U P F C提高电力系统稳定性的研究 电子质量 ( 2 0 1 6 第o 6 期) 利用 UPF C提 高 电力系统稳 定性 的研 究 S t u d y o n Po we r S y s t e m S t a bi l i t y Enh a n c e me n t b y UPFC 吴新方， 王东峰( 山东科技大学 电气与 自动化工程学院， 山东 青岛 2 6 6 5 9 0) Wu Xi n - f a n g，W a ng Don g - f e ng ( C o l l e g e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n ， S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c ie n c e a n d T e c h n o lo g y ，S h a n d o n g Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0) 摘 要： 现代电力系统越来越庞大和复杂， 为了提高其电能质量 ， 增强运行的稳定性 ， 提出了一种利用统一 潮流控制器f U n i fi e d P o w e r F l o w C o n t r o l l e r ， U P F C ) 来解决这一问题的方法。U P F C 通过向系统中注入可控电 压，和系统进行功率交换，达到控制线路有功 、无功功率 以及稳定接人点 电压的 目的。该文在 M a t l a b S i m u l i n k 平台上， 搭建了一个装设有 U P F C的三相环形电力系统模型， 在模型中通过一定时开关接 入一个三相负载来模拟系统受到的外部扰动。最后， 通过对仿真结果的分析， 验证了 U P F C 确实能够提高 电能质量， 增强电力系统稳定性。 关键词： U P F C ； 电能质量； 可控电压； M a t l a b S i m u l i n k 平台； 电力系统稳定性 中图分类号 ： T M7 6 文献标识 码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 3 0 1 0 7 ( 2 0 1 6 ) 0 6 0 0 1 5 0 5 Abs t r a c t ：Mo de r n Po we r Sy s t em is b e c o m in g mo r e an d mo r e lar g e a n d c o mple x In o r d er t o impr o v e t h e p o we r q u alit y a n d in c r e a s e t h e s t a bil it y o f p o we r s y s t e m ，t h i s p ap e r p r e s e n t e d a me t h od u s i n g UPF C t o s o lv e t h e p r o b le m T h r o u g h in j e c t i n g v o lt a g e i n t o t h e p o we r s y s t e m， e x c h a n g i n g p o we r w i t h t h e s y s t e m， U P F C a c h ie v e s t h e a i ms t o c o n t r o l a c t iv e a n d r e a c t iv e p o we r ， s t a b l e t h e i n j e c t io n p o i n t v o lt a g e T h is p a p e r s e t u p a t h r e e- ph a s e r i n g po we r s y s t e m mo de l in s t a l le d wit h UP FC o n t h e Ma t l a b Si mu l in k p l a t f o r m， in wh ic h s im u la t ed a e x t e r n al dis t u r b a n c e wit h a t h r e e -p h as e s e r i e s lo a d c on n e c t e d b y a t ime br e a k e r F in all y ， t h r o u gh a n aly zin g t h e s imu la t ion r e s u lt s ， we v e r i f ie d t h a t UP F C c a n impr o v e t h e p o we r qu ali t y a n d i n c r ea s e t h e s t a bi li ty o f p o we r s y s t em a c t u ally Ke y wor ds ： UPF C；po wer qu a li t y ； c o n t r oll a b l e v o lt a g e； Ma t lab Simu li n k p l a t f o r m； p o we r s y s t e m s t a b i l it y C L C n u mb e r ： T M7 6 D o c u me n t c o d e ： A Ar t i c l e I D： 1 0 0 3 - 0 1 0 7 ( 2 0 1 6 ) 0 6 0 0 1 5 - 0 5 0引言 现代电力系统朝着长距离 、 大规模 、 超高压 、 高负 荷 、 跨区域联网输电等方向发展， 这就使得其 自身稳定 性变得越来越低。 传统的提高电力系统稳定性的方法如 合理电网结构和运行方式 ， 改善电力系统基本元件的特 性和参数， 加强电网自动化管理等_ l _ 2 】虽然都能在一定程 度上起到效果，但已经很难满足现代电力系统的要求。 近年来 ， 随着电力电子技术、 计算机技术 、 通信技术等的 快速发展 ， 新的快速控制装置不断出现 ， 为复杂、 快速多 变的电力系统运行问题提供了解决方法口 1 。如可控串联 补偿装置( T h y r i s t o r C o n t r o l l e d S e r i e s C o m p e n s a t i o n ， T C S C ) 能够通过调节等效容性电抗来提高电力系统在大扰动 和小扰动作用下系统的稳定一I4 - 5 1 ； 柔性功率调节器( F l e x i b l e P o w e r C o n d i t i o n e r ， F P C ) 能够通过向电网中释放或 吸收电能， 来调节系统的有功和无功功率旧 ； 超导磁储能 系统( S u p e r c o n d u c t i n g Ma g n e t i c E n e r g y S t o r a g e S ME S ) 作为 灵活可控的有功功率源 ， 可调节电网阻尼 ， 实现主动致 稳 ， 在一定程度上解决了功率震荡 问题 ， 提高了电力系 统的稳定性 ； 静止无功补偿器( S t a t i c V a r C o m p e n s a t o r ， s v c ) 和静止同步补偿器( S T A T i c s y n c h r o n o u s C O M p e n s a t o r ， S T A T C O M) 够快速调节注入系统的无功电流， 从而 达到调节系统无功功率的目的 8 1 。这些新的快速控制装 置都能有效提高电能质量 ， 增强电力系统稳定性 ， 但它 们大部分对电力系统的控制量 比较单一， 或者反应时间 较长， 控制能力有限。 作为柔性交流输电系统( F l e x i b l e A C T r a n s mi s s i o n S y s t e m， F A C T S ) 大家族中最核心的一员， U P F C不仅具有 电压调节 、 串联补偿 、 移相等能力， 还能快速独立地控制 作者简介： 吴新方( 1 9 9 0 一 ) ， 男， 在读研究生， 专业为电力电子与电力传动， 研究方向为电力电子技术及其应用 王东峰( 1 9 8 9 一 ) ， 男， 在读研究生， 专业为电气工程， 研究方向为电力系统运行与控制。 1 5 电子质 量 ( 2 0 1 6 第0 6 期) 和 】 用 U P F C 提高电力系统稳定性的研究 输电线路的有功与无功功率 ，调节系统的潮流分布 ， 与 其他控制装置相 比， 具有快速 、 全面、 稳定、 高效等优点， 被认为是最具有创造力 ， 最有前途的电力电子装置19 。 本文研究的主要内容是 U P F C在提高电力系统稳 定性方面的作用。 文章一开始简单介绍了U P F C的基本 结构及其工作原理； 然后设计出了电力系统的主电路模 型； 最后 ， 借助 M a t l a b S i m u l i n k仿真平台， 搭建了电力系 统仿真模型，通过比较 U P F C在工作与否两种情况下 ， 电力系统在扰动后恢复稳定的能力 ， 最终得出结论。 1 UP F C基本原理 1 1 U P F C基本结构 U P F C的基本结构如图 1 所示， 主要是由主电路和 控制电路两部分组成。主电路主要是由两个共用一个 直流电容的全控型电压源变流器 1 和 2构成。 变流器 1 经过耦合变压器 并联在线路母线电压上 ，被称为并 联变流器( 并联侧) ； 变流器 2 通过耦合变压器 串联在 输电线路上， 被称为串联变流器( 串联侧) 。变流器的输 出电压和电流含有一定量的谐波成分 ，需要安装相应 的滤波装置。变流器 1 输出的电压和电流含有的谐波 成分较少 ， 需要加载简单的R L滤波器或不用加载滤波 器； 但变流器 2输出量含有的谐波成分较多 ， 一般要加 载 L C L型滤波器 ， 去除谐波分量。 控制电路通过适当的 控制策略，对并联侧和串联侧的可控功率器件进行通 断控制 。 耍 控制电 路 l 图 1 U P F C的基本结构 1 2 UP F C工作原理 图中变流器 1的输出电压为 V ，电流 ， 。 。 ， V 相位 由上述可知， U P F C的系统结构主要是由并联侧和 超前节点电压 V 的角度为 T M I o变流器 2的输出电压为 串联侧两部分组成 ， 这两部分既可以独立地工作 ， 也可 V ，相位超前 V 的角度为 lJ M 2 ( 幅值和相位都是综合矢 以共同作用， 控制线路的电压及潮流分布。为了便于分 量) 。XI X 分别为并联变压器 T I 和串联变压器 的漏 析其工作原理 ， 现将 U P F C并联侧和串联侧分别用受控 抗。R 一 为包括变流器 1 损耗和变压器 T i 损耗的等效电 电流源和受控电压源进行等效 ， 得出 U P F C的等效数学 阻。R z 为包括变流器 2 损耗和变压器 损耗的等效电 模型如图 2 所示。 阻。根据 U P F C瞬时有功功率平衡关系式 ， 可得到直流 X 电容 C能量变化的表达式 ： 1 6 图 2 U P F C的等效数学模型 d ( c ” 兰 j _ 一 一 - i v l， 1 c o s ( 6 l 崛 一 1) 一 2 ， o s + 一 n ) 】 ( 1 ) = j I C O S ( - “s - O 1) 一 如 。 s z 蟾 一 酬( 2 ) 方程( 1 ) 的含义是直流电容储能的变化率， 等于变流 器吸收的瞬时有功值， 为直流电容 c的电压。正常情 况下 d U J d t = O ， 则 ： V , l , c o s ( 6 l 广 1) = 2 o s 2 位一 0 ) ( 3 ) 方程f 3 ) 是 U P F C的有功功率传递公式， 并联端电流 ， 表达式为： 利用 U P F C提高电力系统稳定性的研究 电子质量 ( 2 0 1 6 第0 6 期) l O b = ( 4 ) 当不考虑逆变器损耗时， 表达式可简化为： l O q = ( 5 ) 1 A1 、 为直流电压源 的逆变输 出，采用S P WM 技术可显著降低输出谐波分量， 其基波分量为 ： V l = Kl 慨 1 ) ( 6 ) V 2 = K 2 U a 1 ) ( 7 ) 式中， 。 、 1 M 2 为调制波和 Ls 短点电压波形的相位移； K。 、 K ： 为调制系数 ， k = V d V ， 其中 是调制波的峰值 ， 是载波峰值。 由图 2 可知 ， 串联侧变流器 2通过串联耦合变压器 向系统中注人一同频率的幅值和相角都可调的注入 电压 ( 0 ， 0 3 T M z8 2 ) 。串联侧的工作原理就是 通过控制注入电压 的大小和相位来控制系统的有功 与无功功率。 并联侧的工作原理是通过并联变压器与输 电线路 进行功率交换 ， 从而实现有功传输及无功补偿 。其调节 目的有二 ： 一是有功调节 ， 即稳定直流侧大电容上的电 l 0 0MTd 压， 从电网吸收有功功率补偿串联侧所需要的有功功率 和整个 U P F C有功功率的消耗 ； 二是无功调节 ， 即可以 输出无功功率以稳定接入点电压。在稳态工作时 ， 若不 计 U P F C自身内部的损耗 ， 流人 U P F C的有功功率等于 其流出的有功功率 ， 保持直流电容两端电压稳定。若电 容电压不稳定 ， 则会加剧电网系统的不稳定 ， 这是绝对 不允许的 。 2含有 UP F C的电力系统模型设计 2 1系统主电路模型设计 如图 3所示 ， 主电路为环网结构 ， 包括两个发电厂 ( P o w e r p l a n t # 1 ， p o w e r p l a n t # 2 ) ， 5条母线( B 1 B 5 ) ， 三条输 电线路 1 ， L 2 ， L 3 ) 和两组 5 0 0 k V 2 3 0 k V变压器组( T r l ， r r 2 ) 。接在 2 3 0 k V输电线路上 ， 总共发出 1 5 0 0 M W 的两 个发电厂 ，将功率传输给接在母线 日 5上短路容量为 1 5 0 0 0 MV A等值系统和接在母线 3的 2 0 0 M W 负载 ， U P F C装设在输电线 2的末端， 以控制母线 曰 3 上的有 功 和无 功功率 2 1 。 1 3 S k Y 2 3 0 k V L1 ： 6 5 k in d o u b l e c i r c u i t l i n e 2 3 O = 5 0 0 M W 1 0 0翮 l 3 8 船， 图 3 5 0 0 k V 2 3 0 k V传输系统示意图 2 2基于 Ma t l a b S i mu l i n k仿真模型设计 装设有 U P F C的系统仿真模型如图4所示。 3仿真结果分析 由图4可看出，在 3 母线处通过一个定时开关接 入一 1 0 0 e 。 W 的负载， 定时开关设定为 5 s 闭合。 这样， 系 统正常运行 5 s 后 ， 突然接入了一个大的三相负载， 原来 的平衡被打破，电网受到了扰动。U P F C被安装在母线 B U P F C和母线 B 3 之间，主要控制母线 B 3上的有功 、 无功功率以及 B U P F C上的电压。所以， 通过仿真比较 日 3 母线上的有功 、无功功率以及 B U P F C上的电压波 形 ， 就能得 出研究结果 。 1 7 电子质 量 ( 2 0 1 6 第0 6 期) 幂 lj 用 U P F C 提高电力系统稳定性的研究 图 4 装设有 U P F C的系统仿真模型 3 1 在扰动情况下。 UP F C对系统功率的影响 3 1 1 UP F C对电力系统有功功率的影响 下面就电力系统在扰动发生后 ， 在 U P F C是否T作 两种情况下，分析系统有功功率的波形 ，来研究 U P F C 对系统有功功率的影响， 如图 5 、 图 6 所示。 2 0 1 O 量 0 - 1 0 -2 0 2 0 1 0 兮 0 Q- -1 0 _2 O 。 I O 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 V S 图5 U P F C不工作时系统有功功率波形 一 。 l 8 1 0 1 2 1 4 1 6 V s 图 6 U P F C工作时系统有功功率波形 由图 5和图 6可 以看 出 ， 没有 U P F C工作 的系统 有 功功率震荡较为强烈， 需要相对较长的时间才能趋于稳 定 ， 而 U P F C工作的系统有功功率震荡较轻， 经过较短 的时间便能恢复稳定。 3 1 2 UP F C对 电力系统无功功率的影响 下面就电力系统在扰动发生后 ， 在 U P F C是否T作 两种情况下 ，分析系统无功功率的波形 ，来研究 U P F C 对系统有功功率的影响 ， 如图 7 、 图 8 所示。 1 8 3 0 2 0 兮 1 0 o o 3 O 一 2 O 3 1 O o 0 一 I 广 、 8 1 0 1 2 1 4 1 6 V s 图7 U P F C不工作时系统无功功率波形 ， 、 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 图 8 U P F C工作时系统无功功率波形 由图7和图 8 可以看出， 相较于 U P F C正常工作的 系统 ，无 U P F C工作的系统线路的无功震荡较为强烈 ， 持续时间较长；而有 U P F C工作的系统震荡时间较短 ， 系统能快速回复平衡。 3 2在扰动情况下 ， U P F C对系统 电压的影响 在扰动情况下， U P F C对系统 电压的影响，如图 9 、 图 1 0 所示 。 1 5 一 e 1 3 0 5 企 ； i 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 图9 U P F C不工作时各母线电压波形 利用 U P F C提高电力系统稳定性的研究 电子质量 ( 2 0 1 6 第0 6 期) 1 5 1 3 0 5 厂 一 i I 1 V 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 图 1 0 UP F C工作时各母线电压波形 由图 9 、 图 1 0可以看出， 无 U P F C工作的系统， 电压 波形震荡较为强烈 ， 恢复周期较长 ， 而有 U P F C工作的 系统 ， 电压震荡相对较为缓和 ， 且较短时间内就能恢复 平衡。 4结 论 通过对扰动情况下电力系统仿真结果的分析， 得出 系统发生大的扰动后 ， 安装了 U P F C的系统 ， 其有功和 无功功率能够快速的恢复稳定 ， 而没有安装 U P F C的系 统则需要较长的时间才能恢复稳定。对于电压， 安装了 U P F C的系统相较于未安装 U P F C的系统 ，电压的震荡 幅度和周期都明显的减小 ， 电压的稳定性得到改善。可 以预测当系统出现更大扰动的情况下 ， 系统有可能无法 稳定运行和通过合乎质量要求的电能，而装设有 U P F C 的电力网络， 就能很大程度上降低这种风险。 因此 ， 可以 证明 U P F C能够应用于电力系统中， 提高电网电能质量 和增强其运行的稳定性。 参考文献 ： 1 】 方勇杰， 薛禹胜 现代 电力系统控制的发展趋势 1 9 9 7年 I F A C C I G R E电力系统及发电厂控制会议评 述 J 电力系统 自动化， 1 9 9 7