统一潮流控制器

基于MATLAB的统一潮流控制器（UPFC）的建模与应用 摘要：本文首先综述了统一潮流控制器的发展历史和现状，然后详细分析了统一潮流控制器的基本原理和工作模式，并依此 建立了统一潮流控制的动态数学模型，该模型考虑到直流环节电容储能的动态变化过程，从而使其更适合于系统的动态特性 分析。在MATLAB/SIMULINK的环境下，建立了UPFC仿真模型，对UPFC的稳态调节性能和动态响应特性进行了仿真分析， 仿真结果表明本论文所推导的统一潮流控制器数学模型以及控制策略的正确性，能够实现UPFC的各种基本控制功能，快速 正确地响应系统要求. 关键词：统一潮流控制器；潮流控制 THE MODELING AND APPLICATION OF THE UNIFIED POWER FLOW CONTROLLER BASED ON THE MATLAB QIAN Mei-hong (1.School of electric power, Inner Mongolia University of Technology, Jinchuan Development Zone Hohhot 010080, China) Abstract: A general description of the development and actuality of the Unified Power Flow Controller(UPFC) around the world are given in this Paper at first.Then the basic principle and mode of operation are analyzed detailedly, upon these the model of UPFC built up in this paper in which the dynamic performance of the DC link coupling two parts of the UPFC with transmission line is considered makes it more proper for dynamic characteristic analysis.The model of power distribution systems and UFPC is set up by simulink tools in MATLAB, Based on this model, this paper ranalyzes the power flow regulative performance in stable and dynamic responses.The simulative results validate the validity of mathematical model and control strategy.Moreover, with the proposed control, UPFC is capable to achieve control functions and can respond quickly and accurately to the demands of power system. Key words: PSS parameter; low frequency oscillation; phase-frequency characteristic; step response 中图分类号：TM712 文献标识：B 文章编号： 0 引言 随着电力系统的不断发展，运行方式的复杂 多变，新的大容量机组和自动调节控制装置的投 入，各种控制系统和机械一电气系统间的相互作 用，以及对电力系统供电安全性的要求日益提高， 对电力系统稳定性的研究提出了一系列的急待解 决的问题。电力系统的发展给运行带来一个突出 的问题，即电力系统稳定性的控制问题。 提高电力系统稳定性的重要措施是对电力系 统进行控制调节，目前在电力系统中用来提高系 统稳定性的措施主要还是依靠控制发电机运行状 况、调节可调变压器的抽头、投切补偿设备等手 段。但是这些手段都不同程度地受到系统运行或 者自身技术的限制，对电力系统稳定运行的调节 效果十分有限。总的来说，电力系统目前的提高 稳定性的控制手段还很缺乏，如何高效地控制电 力系统稳定运行已经成为电力系统所面临的一个 重要挑战，而近年来灵活交流输电系统的出现和 发展为解决这些问题提供了重要的思路。灵活交 流输电元件的应用必将是逐渐加入现行的交流系 统，而不是摒弃现有系统。FACTS与现行的交流 2 输电系统并行发展，可以完全兼容。因此可以期 望随着电力电子技术的飞速发展，FACTS将会给 传统交流电力系统带来一次革命性的变化。 统一潮流控制器UPFC是一种从原有的潮流控 制装置基础上发展而来的新型潮流控制装置，它 的功能更强大，具有同时控制电压、相角和阻抗 三个参数的能力，可以控制输电线路上的功率潮 流。它能提高通向需求快速增长区域的功率潮流， 同时为相邻地区提供电压支撑。第三代FACTS装 置发展迅速，已出现CSC的原理，其中包括调节双 回线潮流的线间潮流控制器(IPFC )、控制多回线 路的MCSC以及功能强大的GUPFC。 本文详细分析了UPFC的基本原理和工作模式， 建立了统一潮流控制器(UPFC)动态数学模型，该 模型考虑了直流电容上的动态特性，从而使其更 适合于系统的动态特性分析。详细总结和分析了 UPFC的控制策略。在MATLAB/SIMULINK的环境 下，建立了UPFC仿真模型，对UPFC的稳态调节 性 能和动态响应特性进行了仿真分析，仿真结果表 明统一潮流控制器能够实现UPFC的各种基本控制 功能并能快速准确地响应系统要求。 1 统一潮流控制器(UPFC)基本原理 UPFC概念的提出为解决电力传输系统中存在 的一些问题提供一种功能强大的解决方案，将 UPFC应用于传统的电力传输系统中能够同时或有 选择地控制影响线路传输功率潮流的所有因素(端 电压、线路阻抗和相角)，其名字中的“统一”二 字恰如其分的表现出了UPFC独特的性能。此外 UPFC还能独立地控制线路的有功潮流和无功潮流， 而这一点是普通的独立FACTS元件如 STATCOM、TCSC和SSSC等所无法做到的。以下就对 同一潮流控制器(UPFC)的原理、特性进行分析和 说明。 1.11.1 统一潮流控制器的系统结构统一潮流控制器的系统结构 统一潮流控制器（UPFC）的系统结构是由共 用直流侧大电容的两个完全相同的电压源型变流 器及两个变压器组成，其结构如图 1 所示。变流 器 1 通过变压器 1 并联接入系统，变流器 2 通 过变压器 2 串联接入系统。 图1 UPFC结构原理图 Fig.1 structure principle for UPFC 统一潮流控制器是由两个背靠背的变流器通 过一个直流储能大电容连接起来的装置，是一种 理想的 AC 到 AC 的变流器结构。采用这种结构， 有功功率可以在两个变流器的交流侧之间沿任何 一个方向流动，同时两个完全相同的变流器也可 以在自己的交流输出端独立地吸收或发出无功功 率。 变流器 2 通过串联在线路中的变压器给输电 线路注入了幅值和相角可变的电压，可以看作是 一个同步交流电压源，线路电流流经这一电压源 从而导致了有功功率和无功功率在电压源以及交 流线路之间的交换。其中与交流线路交换的无功 需求是由变流器自身产生的，而有功功率的需求 则被转化为直流功率形式，也就是说直流电容可 作为这一串联电压源的有功功率储备，从而对线 路进行有功和无功功率的控制。所以，统一潮流 控制器的主要功能是由变流器 2 实现的。 变流器 1 的基本功能则是通过直流电容提供(或 吸收)变流器 2 所需的有功功率，这时的有功功 率需求被变流器 1 转化交流形式，并通过并联变 压器耦合到交流线路。另外，它本身还可以作为 一个无功电源，能独立地与电网进行无功交换， 相当于一个 STATCOM，因此，变流器 1 的辅助功 能是调节节点的电压。值得注意的是，由于串联 电压的注入，有功功率可以由变流器 1 与变流器 2 组成的通道再回到线路，而相应的无功功率则 是由变流器 2 就地进行补偿，而不需要通过线路 传播，说明 UPFC 内部可以没有无功功率流动。 1.21.2 统一潮流控制器的工作原理统一潮流控制器的工作原理 由上述可知，统一潮流控制器的系统结构整 体上可以分为并联侧和串联侧两部分，这两个部 分可以独立工作，如作为静止无功补偿器 3 （STATCOM）、静止串联补偿器（SSSC）、可控移 相器（TCPS），也可以结合三种功能综合控制输 电线路的电抗、电压及相角差。功能的改变只需 要在图 1 所示的系统结构中添加相应的控制开关 和改变相应的控制策略即可完成，这为具备一机 多用的功能奠定了基础。下面就并联侧和串联侧 的工作原理分别进行介绍。 1.2.11.2.1 并联侧的工作原理并联侧的工作原理 统一潮流控制器并联侧的调节目的有二：一 是有功调节，即稳定直流侧大电容上的电压，从 电网吸取有功功率补充串联侧所需要的有功功率 和整个 UPFC 的有功功率消耗；二是无功调节，即 可以输出无功功率以稳定接入点的端电压。 为了维持直流侧大电容上的电压恒定，若不 计整个 UPFC 装置的内部损耗，则流入 UPFC 的有 功功率必须与流出 UPFC 的有功功率相等，否则直 流电容上将被不断充电（或放电），电压将不能 保持恒定。同时就装置本身而言，它并没有可以 永久吸收或者发出有功的器件，因此在 UPFC 的运 行过程中，其输出有功功率与输入功功率必须保 持平衡，也只有这样才能保证直流侧电容电压的 恒定。 图2 STATCOM接入系统图 Fig.2 STATCOM Access Structure 对于并联侧的第二个功能，也即用作静止无 功补偿器（STATCOM）的工作原理简述如下。图 2 为 STATCOM 接入单机系统的简图。 图 2 中 UPFC 的接入系统点的电压为 US，US 经过一段线路（阻抗为 R+jX，不计线路的对地电 容）后接入无穷大系统，也即线路末端电压恒定， 线路传输的功率为 P+jQ。当 UPFC 的并联侧未接 入系统时，在输送功率一定的情况下，线路的电 压降落变化为： OO O U RQXP j U XQRP U jQP jXRIjXRU )()( 上式中为电压降落的纵轴分量，虚部 O U XQRP 为电压降落的横轴分量。此时电压电 O U RQXP 流的相量图如图 3 示。 图3 无功功率补偿时电压电流相量图 Fig.3 voltage and current phasor of compensated reactive power 对于高压输电线路，线路的电阻 R 相对于感 抗 X 来说很小，可以忽略不计，同时电压 US与 线路末端电压 U0间的夹角 很小，式（1）中的 电压降落横分量可以忽略。在这两种假设的近似 情况下，电压降落的相量形式就可以表示为电压 损耗的标量形式如下： O U XQ U 可见线路上的电压损耗主要决定于其输送的 无功功率。当 UPFC 的并联侧（STATCOM）接入系 统后，若其可以补偿的无功为 Q1，线路上需要输 送的无功就为 QS=Q-Q1 。根据式（2），则线路上 的电压损耗可以近似表示为： O U QQX U )( 1 通过调节补偿无功 ，可以使线路上输送的无 (1) (2) (3) 4 功功率 QS=Q-Q1减小，则线路上的电压损耗将减 少，若 UPFC 并联侧的容量足够大，可以补偿到 UPFC 并联点的电压与无穷大系统的电压相等，则 可以使电压损耗为零。 1.2.21.2.2 串联侧的工作原理串联侧的工作原理 由图 1 可知，统一潮流控制器的串联侧变流 器的输出通过变压器 2 向系统注入电压 UB，其 电压幅值和相角都是可控的 （0UBUBmax，022）。串联侧的工作 原理是通过控制 UPFC 串联注入系统的电压 UB的 大小和相位来控制线路的有功和无功功率。 主电路中接入 UPFC 后，由于这里考虑的是串 联侧的工作原理，可以不考虑 UPFC 并联侧，但并 联侧的作用仍存在，即假设并联点的电压在并联 侧控制作用下保持为恒定的。串联侧向系统注入 的电压 UB可以等效为一个同步交流电压源。整个 线路的等值电路图如图 4 示： 图4 线路等值电路图 Fig.4 line equivalence circuit UPFC 串联注入系统的电压 UB幅值和相角均 可控。由图 4，根据电路理论的知识有： BSS UUU 由于并联点电压 已控制恒定，此时改变串联 注入电压 的幅值和相位就可以改变电压的幅值 和相位。设,如图 0 . S SUU 1 . S SUU 5 电压调节相量图所示。 图5 电压调节相量图 Fig.5 Voltage Regulation Phasor 若 UPFC 串联侧的输出的大小和相位控制适当， 有可能使串联点后电压 和并联点电压的大小相等， 只是相位不同，即起到了调相器的作用。同时正 因为电压 UB的大小和相位可控，根据图 5 和简单 电力系统的功率特性公式有： 0 sin X UU P OS 0 2 cos X UU X U Q OSS 上两式说明，线路的潮流可以通过改变电压的大 小 和相位来控制，而电压的大小和相位可通过改 变 UPFC 串联侧的输出来控制，因此统一潮流控 制器串联侧变流器的输出可以控制系统的潮流。 1.31.3 统一潮流控制器的工作方式统一潮流控制器的工作方式 1.3.11.3.1 并联部分并联部分 在统一潮流控制器中，并联变流器的工作原 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。电流可分两部分 考虑，即有功分量和无功分量。其中有功分量用 来提供串联变流器所需要的有功功率；无功分量 根据使用 的目的分为两种情况： 1.无功功率控制模式 在无功功率控制模式下，根据给定值感性或 容性无功的需求，将其转化为无功电流的给定值， 将给定值与电流实际值进行比较，将差值转化为 电压作为并联变流器的输入信号。并联部分可以 向系统发送或吸收一定的有功功率以维持直流电 容电压的稳定和满足系统内部的有功功率损耗。 2.节点电压控制模式 在电压控制模式下，并联部分可以控制接入 点的电压，使其维持在给定值。 1.3.21.3.2 串联部分串联部分 在统一潮流控制器中，串联变流器主要用来 控制向电网注入电压的幅值和相角以改变线路的 潮流分布，具体分为四种控制模式： 1.直接电压注入模式 在这种工作模式下，UPFC 只产生给定的电压 (4) (5) (6) 5 矢量，幅值和相角的大小可以任意给定。实际电 压与给定进行比较，误差通过处理作为串联变流 器的输入。 2.输电线阻抗补偿模式 控制注入电压的幅值与输电线电流的幅值成 比例，这样，从输电线上看，UPFC 可等效为一个 串联阻抗，即调节线路的阻抗，该阻抗可以是一 个复阻抗。如果注入电压矢量与输电线电流矢量 正交，就意味着对输电线进行感性或容性的补偿。 因此，该工作模式可以用来配合已经存在的输电 线串联电容补偿。 3.相角调节模式 根据输入母线电压矢量控制注入电压矢量， 但其大小满足以下要求，即使得输出电压偏移给 定的角度，但幅值保持不变。同样将实际电压与 给定进行比较，对误差进行处理后作为串联变流 器的输入。 4.潮流控制模式 在这种控制模式下，UPFC 需独立地控制线路 的有功和无功功率。实现原理是通过向线路注入 一个适当的补偿电压同时使电路产生一个理想的 电流向量，从而达到调节线路潮流的目的。其中 串联变流器的给定值是线路希望达到的有功和无 功功率传输能力，通过计算将传输功率转换为电 流的给定值，将实际电流值经反馈与给定值比较， 对误差进行处理后，得到串联变流器的输入控制 值。这是传统的输电线补偿所不能做到的，它潮 流规划和控制带来了很大的方便。同时也可以有 效减少系统扰动带来的影响（如阻尼功率振荡）。 1.3.31.3.3 单独和关联方式单独和关联方式 根据安装的要求，两个变流器可以分开独立 运行，并联变流器及相应器件作为一个独立的静 止同步补偿器（STATCOM）运行，串联变流器及相 应器件作为一个独立的静止同步串联补偿器 （SSSC）运行。当工作在这两种状态时，两个变 流器均不能产 生或吸收有功功率，也就是说它们都只能作为无 功补偿器使用。线路的功率仍然可以控制，但是 有功功率和无功功率不能单独控制。 根据安装要求，两个变流器也可以关联运行， UPFC 的主要功能是通过串联变流器来调节线路的 有功和无功，串联变流器所需的有功功率由并联 变流器提供，而这一切必须通过中间的直流电容 环节来实现。因此，控制直流电容上电压的稳定 是 UPFC 关联运行时要解决的重要问题之一。 2 系统仿真模型的建立 2.12.1 MATLABMATLAB 简介简介 MALAB(MATrix LABoratory 的缩写)是美国的 CleveMoler 博士开发的一套集命令、科学计算于 一身的交互式软件，在 MATLAB 中，矩阵的运算变 得非常容易，且随着其版本的更新，MAfLAB 还提 供了图形绘制、数据处理、图象处理和方便的 windows 编程等工具，因而它广泛应用在自动控制、 图像信号处理、生物医学工程、电力、语音处理、 雷达工程、信号分析、振动理论、时序分析与建 模、化学统计学、优化设计等领域，成为一种深 受广大科研和工程人员所欢迎的工具软件。 2.1.12.1.1 SIMULINKSIMULINK 库库 MATLAB 中提供了一个动态仿真工具软件包 SIMULINK，用于对动态系统进行建模、仿真和分 析，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线 性系统的分析计算，也支持具有多种采样速率的 多速率系统的分析计算。SIMULINK 为用户提供了 用方框图进行建模的图形接口，与传统的仿真软 件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更方 便、灵活的优点。 2.1.22.1.2 电力系统仿真模块电力系统仿真模块 PSBPSB 简介简介 到目前为止，对电力系统进行数字仿真主要 有三种方法;状态变量分析法、节点分析法和改进 的节点分析法。例如最流行的电力系统仿真软件 EMTP 采用的就是定步长节点分析法，而主要针对 电子电路和电力电子器件仿真的软件 SPICE 采用 的就是改进的变步长节点分析法。相比较而言， EMTP 在对不含有换流器的大规模系统进行仿真时 具有优势，SPICE 则适合于含有电力电子器件的小 规模系统仿真。另外，用 EMTP 或 SPICE 仿真时， 控制系统的实现都比较繁琐或费时。 在 PSB 中，采用的是变步长状态变量分析算 法，较好地实现了电力系统、电力电子器件和控 制系统三者的结合，且 SIMULINK 提供了友好的仿 真环境和图形界面，在仿真的同时可以观察仿真 结果。 PSB 功能强大，为电力系统仿真提供了 6 Electrical Sources(电源模型)、Elements(元器 件模型)、power Electronics(电力电子器件模型)、 Machines(机械系统模型)、Connectors(连接线模 型)、Measurements(测量模型)、Powerlib Extras(特殊电力系统模型)、Demo(例程库)和 powergui(电力系统图形界面模型)等多种电力系 统仿真所需的模块。 因此，基于 PSB 的建模既具有权威性和代表 性，又省时省力。本次仿真的 UPFC 装置就是建立 在 PSB 基础上的。 2.22.2 系统仿真模型的建立系统仿真模型的建立 2.1.12.1.1 系统主电力模型的建立系统主电力模型的建立 如图 6 所示，主电路为环网结构，包括两个发电 厂 (Power plant#l，power plant#2)，5 条母线 (B1-B5)，三条输电线路(L1，L2，L3)和两组 500kV/230kV 变压器组(Trl，Tr2)。接在 230kV 输 电线路上，总共发出 150OMW 的两个发电厂，将功 率传输给接在母线 B5 上短路容量为 15000MVA 等 值系统和接在母线 B3 的 20OMW 负载，UPFC 装设在 输电线 L2 的末端，以控制母线 B3 上的有功和无 功功 率。 图6 500KV/230KV传输系统 Fig.6 500KV/230KV Transmission System 在建立仿真模型时，如图 6 所示，主电路中 各元件可以这样模拟: l、发电厂 (power plant#l，power plant#2)以 原动机为带有励磁系统、变速装置和 PSS 的水轮 机的发电机代替。 2、变压器(Tr1)采用电力系统仿真模块 PSB 自带的普通的双绕组变压器，连接方式为 Y/Y 原 边电压 230kV，副边电压 500kV，额定容量为 1000MVA。双绕组变压器(Tr2)连接方式为 Y/Y,原 边电压 230kv、副边电压 5OOkV、额定容量为 800MVA。 3、输电线均以 PSB 自带模块中的 Distributed Parameter Line 来模拟，其中 L1 为 长度为 65km 的双回输电线，L2 和 L3 均为长度 50km 的单回输电线。 2.1.22.1.2 UPFCUPFC 装置模型的建立装置模型的建立 如图 8 所示，UPFC 的仿真模型主要包括测量 模块，控制模块（功能控制模块、串联测控制模 块、并联侧控制模块），输出计算模块（串联测、 并联侧输出模块、直流电容电压的计算模块）， 系统接入模块。 图8 UPFC的系统仿真模型 Fig.8 Power Flow using a United Power Controller (UPFC) (l)测量模块 UPFC 的测量模块，主要目的是测量 UPFC 接 入点的电压、电流，并将其转换为 UPFC 控制模 块所需的控制信号。 并联侧的测量单元的功能是:首先将并联侧接 入系统的电压和电流标幺化，然后运用对称分量 法，得到 a 相正序电压和正序电流，并将正序电 压分解为幅值和相角，得到幅值平均值，正序电 压的相角 theta;同时以正序电压相角 theta 为基准， 将 a 相正序电压分解为 D 轴和 Q 轴分量 Vdq，正 序电流的分解为 D 轴和 Q 轴分量 Idq;Id_avg为正序 电流的 D 轴均值;根据公式 Q=VqId-VdIq求得并联 侧从系统吸收的无功 Qm。 在建立仿真模型时，UPFC 的结构模型可以这样 建立： 7 图9 UPFC装置并联侧测量模块框图 Fig.8 Measurement Part of Parallel Connection of UPFC 串联侧的测量单元功能是:首先将串联侧接入 系统的电压和电流标么化，然后计算出线路的有 功功率和无功功率尸口;同时运用对称分量法，得 到 a 相正序电流，并以并联侧正序电压相角 theta 为基准，将串联侧的 a 相正序电流分解为 D 轴和 Q 分量 Idq。 图9 UPFC装置串联部分模型 Fig.9 Measurement Part of In Series Connection of UPFC 图10 UPFC测量模块 Fig.10 Measurement Part of UPFC (2)控制模块 UPFC 有四个控制功能，分别是线路的有功和 无功功率的控制、并联侧变流器接入点电压控制 及直流电容电压保持恒定的控制。根据 UPFC 的 以上控制目标，其控制结构可分成换流器控制(串 联侧控制、并联侧控制)与主要功能控制两部分。 功能控制部分的作用主要是根据输电系统的 要求，控制 UPFC 的投入或者退出，定义 UPFC 的工作方式，可选择 UPFC 的并联换流器和串联 换流器工作于单独控制方式或者关联控制方式， 还可以选择并联换流器和串联换流器分别工作于 这些模式的组合。可见，UPFC 具有非常灵活的控 制功能，集调节线路潮流、节点电压、阻抗、相 角和无功补偿等众多功能于一体，对电力系统进 行实时、有效、 快速的控制。 串联侧控制模块:串联侧是控制线路有功潮流 和无功潮流，有两种工作模式:潮流调节模式和手 动电压注入模式。工作模式的切换是通过模型库 中的选择开关来实现的。 本仿真中两个变流器的 SPWM 产生均是直 接利用 Simulink 中的模块 Discrete PWM Generator 完成的，主要核心思想是利用了单极性 的 SPWM 控制策略，将控制电路的输出作为 SPWM 的正弦调制波，将其与 Discrete PWM 8 Generator 模块中内置的三角波进行单极性比较， 可以生成六路 SPWM 波形给变流器的六只开关。 整个控制电路模型可以这样建立：并联侧通 过实时检测并联点的同步电压及直流电容电压引 入反馈，与给定的参考值比较后输入离散 PI 调节 器，调节器的输出即为调制波，再输入给 SPWM 生成模块完成对变流器 1 中六只开关管的触发。 串联侧通过实时测量所在线路的潮流引入反馈， 与给定的潮流参考值比较后，也经离散 PI 调节器 输出 SPWM 控制所需的调制正弦波，再经 SPWM 生成模块完成对变流器 2 中六只开关管 的触发。 实际上并联侧和串联侧的控制思想相似，都 是直接根据所要完成的功能，将受控参数引入反 馈跟踪，从而达到控制的目的，包括对直流环节 电压设定值，UPFC 对母线无功功率补偿设定值， 以及线路流过的有功、无功功率设定值。 控制结构分别如图 11 和图 12 所示。PWM 发生器采用模块库提供的离散三相 PWM 发生器， 该模块可触发 IGBT 的功率模块组成的两电平或 三电平全控桥。 图11 UPFC并联侧控制电路模型 Fig.11 Parallel Connection Control Circuit Part of UPFC 图12 UPFC串联侧控制电路模型 Fig.12 In Series Connection Control Circuit Part of UPFC 3 系统 UPFC 仿真结果与分析 在建立了 UPFC 的仿真模型之后，分别对 UPFC 的潮流调节特性和动态响应特性进行了分析: (1)UPFC 的稳态特性 在仿真中，我们考虑了实际运行情况中的偶 然因素，3 台变压器中只有 2 台是可运行的，未装 设 UPFC 时，装机容量为 1200MW 的电厂 (powerplant#2)将大部分电能经由母线 B4、BS 之 间的变压器组 Tr2(两台 400MVA 变压器)传输给短 路容量为 1500OMVA 的等值系统，此时 Tr2 过载 (超过容量 99MVA)。 为了验证 UPFC 在维持 UPFC 接入点电压幅 值恒定的情况下控制线路潮流的能力，使得变压 器组 Tr2 不过载，我们做了如下仿真，本仿真采 用标么值，设基准值 SB=100MVA，VB=500KV，UPFC 控制的线路传输 有功功率和无功功率起始值为 5.87Pu 和-0.27Pu。 仿真初始参数设定:仿真时间20s，电容电压给定 40kV，在5s时UPFC投入运行，在10s时心从初始 值5.87pu变为6.87Pu，Qref保持不变。仿真结果如 图13所示。 图13 线路有功功率、无功功率与参考值的变化 Fig.13 Variation Of Real Power And Active Power And Reference Value Of Line 图14 系统各母线电压、有功功率和无功功率 Fig.14 Real Power And Active Power Of System 9 图15 UPFC接入点电压及其参考值的变化情况 Fig.15 Variation Of Access Voltage Reference Value 图16 UPFC电容电压 Fig.16 Capacitance Voltage Of UPFC 仿真结果分析:线路有功功率、无功功率和接 入点的电压能够快速跟踪给定值的变化，通过改 变换流器输出电压的幅值和相角，以保证 UPFC 能迅速响应系统潮流调节的需求，并且电容电压 也能在短时间内恢复到给定值，实现了对线路潮 流的有效调节，使得变压器组 Tr2 未过载，保证 了变压器和系统的安全。 (2)UPFC 动态响应特性分析 为了考察含 UPFC 电力系统的动态运行特性， 结合在 Matlab 中建立的模型，我们做了如下几个 方面的仿真试验: 仿真试验 1: 仿真初始参数设定:仿真时间 200ms;电容电压 给定 4OKV;UPFC 系统接入点的电压给定为 lP.u.; 线路有功功率给定 5.87P.u.，无功功率给-0.27P.u.; 在 100ms 时线路有功功率给定变为 0.73P.u.其仿真 结果为: 图17 线路有功功率、无功功率与参考值的变化 Fig.17 Variation Of Real Power And Active Power And Reference Value Of Line 图18 UPFC接入点电压及其参考值的变化情况 Fig.18 Variation Of Access Voltage Reference Value 图19 UPFC电容电压 Fig.19 Capacitance Voltage Of UPFC 图 16-19 仿真结果分析:线路有功功率及其给 定值保持不变，线路无功功率从-0.27P.u.过渡到 0.73P.u.，过渡时间为 5ms，很好的跟踪了无功功 率给定值的变化;并联侧接入点的母线电压基本保 持不变，有微小扰动，;直流环节电压波动较大， 过渡时间约为 4Oms;串联侧换流器的输出电压相位 有移动，幅值几乎不变;并联侧的输出电压幅值和 相位均有的变化。可以看出，串联侧变换器能够 快速准确的跟踪线路无功功率给定的变化，以保 证能迅速响应系统补偿无功功率的需求，并且电 容电压也能在短时间内恢复到给定值。 4 结论 总结以上仿真试验结果，可以得出以下结论: (1)当系统功率需求产生变化的时候，直流侧 会产生有功功率的交换，此时容会处于充电或者 放电的状态以维持功率平衡。并联侧换流器的一 个主要功能控制直流电容电压恒定，从仿真结果 中可以看出，电容电压基本可以控制在给值 40KV，当系统功率需求变化时，电容电压也可以 在短时间内回到平衡状态，现了在 UPFC 并联侧控 制电容电压稳定的功能; (2)当接入点电压给定值产生变化时，并联侧 换流器能跟踪系统需求的变化，向系统输出无功 功率，基本实现了在 UPFC 并联侧保持接入点电压 10 恒定的功能; (3)并联侧换流器和串联侧换流器的输出电压 的幅值和相位角都会产生相应的变化来跟踪系统 的功率需求的变化，实现了在 UPFC 串联侧调节系 统潮流的功能，提高了系统的稳定性和安全性。 本文详细分析了 UPFC 的基本原理和工作模式， 建立了统一潮流控制器(UPFC)动态数学模型，该 模型考虑了直流电容上的动态特性，从而使其更 适合 于系统的动态特性分析。详细总结和分析了 UPFC 的控制策略。在 MATLAB/SIMULINK 的环境下，建 立了 UPFC 仿真模型，对 UPFC 的稳态调节性能和 动态响应特性进行了仿真分析，仿真结果表明统 一潮流控制器能够实现 UPFC 的各种基本控制功能 并能快速准确地响应系统要求。同时在学习和研 究的过程中，作者认为还有以下问题值得深入研 究:为了提高 UPFC 的潮流控制能力需要提高 UPFC 的动态潮流响应速度前已有的各种潮流控制方案 都不太理想，因此有必要探索新的潮流控制方能 控制器等在 UPFC 潮流控制中的应用，以提高 UPFC 的动态响应能力。 参考文献参考文献 1 章良栋，岑文辉，刘为.UPFC的模型及控制器研究.电 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ZHA Liang-Dong.Cen Wen-Hui The research of controller and model of UPFC. Beijing: Electric Power Automation.1998.1，22(l):36-39. 2刘前进，孙元章，黎雄等.基于功率注入法的UPFC潮流 控制研究。清华大学学报(自然科学版)，2001，41(3):55- 58 Liu Qian-Jin,Sun Yuan-Zhang,LiXiong.The Research Power Flow Control Based On Power Injected.tusinghua,2001,41(3):55-58 3颜伟，朱继忠，孙洪波等.UPFC的潮流控制与暂态稳定 性研究.中国电机工程学报，2000.12，20(12):57