（电力电子与电力传动专业论文）upfc的仿真分析及其控制器设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a st h em o s tf l e x i b l ec o n t r o l l e ro ft h ef l e x i b l ea et r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) , au n i f i e dp o w e rc o n t r o l l e r ( u p f c ) c a nc o n t r o lc o n c u r r e n t l yo rs e l e c t i v e l y t h et r a n s m i s s i o nv o l t a g e ，i m p e d a n c ea n dp h a s ea n g l e ， a n dt h er e a la n dr e a c t i v e p o w e rf l o wi nt h el i n e 。及l i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r e , p r i n c i p l e 。d y n a m i cm o d e l , p e r f o r m a n c ea n db a s i co p e r a t i n gm o d e l so f t h eu f f c 砌st h e s i ss e t e su pas i m u l i n km o d e lo fu p f ca f t e ra n a l y z ei t sp r i n c i p l e a n d t h e n , t h i sm o d e li sa p p l i e di n t oat h r e e - p h a s es y s t e mt oo b s e r v ei t si n f l u e n c e st o p o w e rq u a l i t y a tf 媸s t , t h i sp a p e rf i n d sw h e t h e ru p f cc o u l dc o m p e n s a t et h es y s t e m v o l t a g e a ssr e s u l li ti so b v i o u st h a tu p f cc o u l dk e e pt h es y s t e mv o l t a g ei ns i n e w a v ew h e ni nt h et h r e e - p h a s ef a u l t o nt h eo t h e rh a n d , i ti sf o u n dt h a tu p f ch a sn o n e g a t i v ei n f l u e n c et ov o l t a g eo ft h es t a b l es y s t e m 。t h e nt h ea b i l i t yo fu p f ct o s t a b i l i z ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e ra f t e rat h r e e - p h a s ef a u l ti nt r a n s m i s s i o nl i n ei s r e s e a r c h e d 1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so fd a m pp o w e rp u l s ew h e nan e w e q u i p m e n ts w i t c h i n t oas t a b l es y s t e mi sa l s oa n a l y z e d 朝把t h i r d , t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h ed y n a m i ci n t e r a c t i o na m o n gi t sm u l t i p l e f u n c t i o n a lu p f ca n dt w ou p f cc o n t r o l l e r si nt h es i n g l em a c h i n e s y s t e m i tg i v e st h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rm o d e lo ft h ep o w e rs y s t e mw h i c ht i m e - d o m a i ns i m u l a t i o n a d o p 毛a n dt h ei n t e g r a t i o nm o d e lo fas i n g l em a c h i n ei n f i n i t es y s t e mt h a te q u i p p e d w i t hau p f c i tg i v e sf o u rs i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u to fu p f cp ic o n t r o l l e r st o c o m p l e t et h ef o u rb a s i cf u n c t i o n s i nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n g ，t h ei n t e r a c t i v ei m p a c t i sf o u n de x i s tb e t w e e nan u m b e ro f c o n t r o lc h a n n e l s a n dt h e r ei sd i f f e r e n ti n t e r a c t i o n b e t w e e nc o n t r o lc h a n n e l sw i t hd i f f e r e n to p e r a t i o n a lp o i n to ft h eu p f c a tl a s t a n a l y s i s ，t h ei n t e r a c t i o na f f e c to ft h et w ou p f cu n d e rd i f f e r e n tc o n t r o lo p e r a t i o ni s p o i n t e d a tl a s t ，i nt h i sp a p e rt h es i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) b a s e dc o n t r o l l e ro f u p f ci sp r o p o s e dt or e d u c eo re l i m i n a t et h ed y n a m i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ea c t i v e a n dr e a c t i v ep o w e rf l o w t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e ds v dc o n t r o l l e ri s e v a l u a t e di nb o t hi d e a la n d p r a c t i c a ls y s t e m s 。t h er e s u l t so b t a i n e da r ct h e nc o m p a r e d i i i a b s t r a c t w i t ht h o s ef o u n df o rt h es t a t i cd e c o u p l e d ( s d ) a n dp ic o n t r o l l e r s i ti so b s e r v e dt h a t t h ep r o p o s e ds v dc o n t r o l l e rc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ed y n a m i ci n t e r a c t i o n b e t w e e nt h ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e rf l o wt l l r o u g ht h el i n ea n di ti sa c h i e v e db y d e c o u p l i n gt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ed i r e c ta n dq u a d r a t u r ea x e sc o n t r o lv a r i a b l e s k e yw o r d s ：f a c t s ：u p f c ：m a t l a b ：s i m u l a t i o n ；i n t e r a c t i o n ：s v d i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得壶当太堂或其他教育枫构的学位或证书面使用过的材料。与 我一同工作的问志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ： 珥 签字日期：劲一年f 。月幻日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了鳃直鬟态堂有关保罄、使用学位论文 的规定，有权保留并向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权壶昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采耀影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位沦文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王耳 签字日期：纠年心月2 d 日 导帮签名：。夕o 签字日期：么与、胡、1 _ 日 。j 、一 第1 章引言 第1 章引言 1 1 研究目的及意义 随着经济的发展，对电能需求量不断增长，对电网输电能力的要求也越来 越高，致使输电网络日益复杂，运行任务日益繁重。建设新的高低压输电线路 所受到的限制日益增大，再加上输电可控性能比较差( 和发电、配用电相比) ， 网络中功率潮流的自然分布会随着负荷变化而变化，可能造成过大的电能损失， 并可能危及安全运行而被迫降低输送功率，从而造成已有输电线的负担日益加 重，输送能力不足的矛盾日益突出。 电力系统向大型互联电网发展，已经成为世界各国现代电力系统发展的共同 趋势。而互联电网的形成使得电网结构日益复杂，运行日益繁重。为适应市场 要求，解决上述困难，灵活交流输电( f a c t s ) 技术便应运而生。目前，f a c t s 己被国际公认是代表了现代电力传输技术发展的方向，它主要通过在电路传输 系统中，安装电力电子设备与装置来达到大电网的安全运行。f a c t s 装置不仅 能够大幅度地提高线路的功率传输水平，还能提高电力系统的稳定性。 f a c t s 这项新技术在我国具有广阔的前景。我国大多数电网的结构比较薄 弱且不合理，耐受事故冲击能力比较差，且不少高压输电线路的输送能力未能 得到发挥，造成资金和能源的损失。随着我国电力工业的不断发展，特别是超 高压、大容量、远距离输电的发展，各大区电网互联已形成必然发展趋势。现 行的电力系统对输电线路的调节与控制，仅局限于继电保护和重合闸，使之成 为电力系统安全经济运行的“瓶颈”。研究运用f a c t s 技术特别是u p f c ，在现 代设备条件下，可使潮流和电压的可控性大幅度提高。并减少互联系统的设备 容量，既适合我国电力建设资金较紧张不适于大规模更新设备的状况，又能够 采用新技术改善现有的电力传输水平及电路系统的安全可靠运行，具有理论和 实际的意义。 繁1 章引言 1 2 瑟活交流输电系统( f a c t s ) 介绍 1 2 1f a c t s 的产生背景 ( 1 ) 薅决毫力簸懑阚终运学期发震中各秘溺难豹窖鬟鬟瑟 在电力工业生产中，由于发电能源分布不均匀，发电中心与负荷中一心不一 致，常常需要长距离转移输送大擞的电力。在赢联电网中，功率的走向主要由 电网络橡决定，用豢攫方法缀鼹窳现大幅度调节，实际功率分布可戆与壤想功 率分布鞠羞甚远。庞璃静止移稿嚣、统一潮流羧制器等f a c 倦元 牛，能够方便 地控制电力网络功率的走向及分布； ( 2 ) 机械惯性限制了机械式羧制动作速度的提高 鑫瑷往交流输电系统孛，虽然计算筑技本穗经得到广泛斑舞l ，整莛裁其控 制手段来讲，仍然鼹机械式的。机械惯性限制了机械式控制动作速度的提高， 严重阻碍了在事故处理及系统稳定控制中的应用，而且可靠性差、器件寿命短。 毫子纯戆控裁手段，稳够实瑷撬城式控裁不霹魄羧戆动传速度，瑟显寿鑫不受 动作次数和动作速度静影响； ( 3 ) 电力电子技术及其大功率半导体器件的产生和发展 寻求瓤的快速控制手段，方便地控制系统参数，一直爨人们追求的爨标。 并置应翔f a c t s 元佟的方案常常院高压直流输电系统豹授资黉少。 1 2 2 灵活交流输电系统的概念 f a c t s 的壤念f l l 蹩由美国著名电力专家n g ，h i n g o r a n i 予1 9 8 6 年剑纛豹， 它是综岔电力电子技术、微处理和徽电子技术、通信技术和控制技术，稀形成 的用于控制交流输电的新技术。f a c t s 技术已被国内外一些较权威性的输电技 术研究鬻秘工作组，预测确定为“来来输电系统掰时代的几项支撑技术( 烫活交 流输电技零、先逶熬e m s 技术粒综合垂动纯技零) 之一2 】，或是“现代激力系 统中三项具有变革性影响的前沿性课题之一”1 3 1 。其主要内涵是，用大功率可控 硅元件代替传统的阻抗、功角、电压控制元件上的机械式高服开关，为交流输 电弼撵镞挟速、连续秘蕤确懿控裁，鞋及霞纯灏渡磅率的黪力；在不改变翔终 结构酌情况下提高电网的输电能力，增强对潮流和电压的可控性。同时，阿大 大提高系统稳定性，并有助于在事故时防止连锁反应造成的火面积停电事故。 2 第1 章引言 1 2 3f | a c t s 的作用及分类 f a c t s 在电力系统中的主要功能归纳为【5 1 ： ( 1 ) 较大范围地控制潮流使之按指定路径流动； ( 2 ) 保证输电线的负荷可以接近热稳定极限； ( 3 ) 在控制的区域内可以传输更多的功率，减少发电机的热备用； ( 4 ) 依靠限制短路和设备故障的影响来防止线路串级跳闸； ( 5 ) 阻尼系统震荡 随着f a c t s 控制器日渐增多，其原理、性能、与系统结合方式等也多种多 样。因此，对控制器的分类办法也各不相同。如文献【2 】【3 】按控制器的安装地点， 将控制器分为输电型、发电型和供电型；文献【6 】按各种控制器的主要功能和作 用，将其分成控制功率潮流、改进暂态稳定和改进电压稳定三大类；文献 7 】按 控制器对动态潮流控制的物理特性，及从接入系统的方式考虑，分为并联补偿、 串联补偿、网络藕合、电压注入和功率转移等型。美国电力科学研究院( e p i u ) 建议的f a c t s 控制器的发展换代阶段有： ( 1 ) 第一代f a c t s 装置 大家所熟知的已运行多年的静止无功补偿器( s v c ) 是由快速可控硅开关控 制的一组并联电容器和( 或) 电抗器组成的装置，以提供电压支撑和维持系统 稳定，但不能直接控制功率潮流，它属于第一代的f a c t s 。后来出现的第一代 下一个成员是可控硅控制的串联补偿器( t c s c ) ，它能够控制特定的较长距离 输电线路的阻抗，提高输送能力。 ( 2 ) 第二代f a c t s 装置 第二代f a c t s 控制器的示范性运行开始出现于上个世纪9 0 年代中期。这 一代装置同样具有第一代控制器的电压支撑和功率控制功能，但在外部回路中 不需要大量的电力设备，如电容器组、并联电抗器或移相变压器等。这些新装 置( 静止同步补偿器s t a t c o m 和静止同步串联补偿器s s s c 等) 借助于门极可 关断晶闸管( g 1 - o ) 这一类全控型器件构成的装置，以电子式模拟电抗器或电 容器的作用，以达到改善运行性能，同时降低f a c t s 装置造价。 ( 3 ) 第三代f a c t s 装置 将两台或多台控制器复合成一组f a c t s 装置，并使其具有一个控制系统， 称为第三代f a c t s 装置。第一种典型装置就是由一台s t a t c o m 和一台s s s c 复合成的，称为统一功率潮流控制器( u p f c ) 。它的功能更强大，具有的独特 3 第1 章引言 能力是同时控制电压、相角和阻抗三个参数，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。 实际上，属于f a c t s 控制器的s v c 在二十世纪七十年代后期就开始出现， 并用于输电线上的电压控制和提高系统的稳定性 9 1 。目前，s v c 己在全世界范围 内得到应用。对于已在研究、试制或应用的f a c t s 控制器按其技术成熟度可划 分为3 类1 9 。第一类是已在应用并可商用供货的，如s v c 、s t a t c o m 、t c s c ； 第二类是正在研制开发并付诸应用试验的，如u p f c ；第三类是刚开始研究设计， 又有良好发展前景，且其基本结构和性能尚未被人们广泛了解的。如可控硅控 制的移相器( t c p s t ) 、相间功率控制器( i p c ) ，以及静止同步串联补偿器( s s s c ) ， 这一类代表了f a c t s 的新发展。 t c s c 既能改进输电线或输电网的暂态和动态稳定性，提高输送能力，又能 快速改变线路阻抗，控制功率潮测】。b p a 电力公司与g e 公司合作研究5 0 0 k v 、 2 5 k m 输电线上的t c s c ，并于1 9 9 3 年在o r e g o n 的s l a t t 德变电所运行，这是目前世 界上电压最高的。由我国东北电力集团、原电力部电科员和东南大学等合作研 究的伊冯串补安装在伊敏至冯屯5 0 0 k v 线路的冯屯侧，其固定串补度为2 5 ，全 部可控【忙】【埘。2 0 0 0 年其第二期工程装机容量达至t j 2 2 0 0 m w ，由内蒙古伊敏电厂 经双回路长达2 8 1 k i n 的5 0 0 k v 的线路，东送至黑龙江省齐齐哈尔的冯屯变电所， 再由双回路5 0 0 线路送往大庆及哈尔滨地区。 s t a t c o m 、s s s c 、u p f c 是基于同步电压源的f a c t s 控制器。有关 s t a t c o m 和u p f c 已有许多文献发表，并已有设备投入使用。s t a t c o m 用 途广泛，除输电网外，还可配置于发电厂和配电网中。例如，1 9 9 1 年，在日本 的换流站安装了一台8 0 m v a r 的s t a t c o m 。1 9 9 5 年，在美国的田纳西约翰城 的s u l l i v a n 变电站( 5 0 0 k v 1 6 1 k v ) 安装了一台1 0 0 m v a r 的s t a t c o m 。德国 西门子的基于4 5 0 0 ，3 0 0 0 a g t o 8 m v a ts t a t c o m 也于1 9 9 7 年4 月在丹麦投入 运行。在我国，由清华大学和河南省电力局合作研制的2 0 m v a r 的s t a t c o m 于1 9 9 9 年3 月在河南省洛阳市朝阳变电站投入运行。结果证明该装置除了具有 调节无功和电压的功能外，还有助于输电稳定性的改善，输送能力的提高。这 是我国自行研制并投入运行的第一台f a c t s 装置。1 9 9 8 年，一台由两个 1 6 0 m v a r 的电压型逆变器构成的u p f c 在美国电力公司正式投运。在我国，对 4 第1 章引言 于u p f c 的研究主要集中于高等学校，由国家“摩登计划b ”及香港特别行政区 r g e 资助的清华大学和香港大学在u p f c 的模型上取得了一些成果，在国内处 于领先。华中理工大学、重庆大学、上海交通大学等高校在u p f c 的建模、控 制器的设计与调节、稳定调控范围、抑制谐振等方面都有一定的研究。哈尔滨 工业大学在清华大学的国家重点实验室做了容量为5 k w 的u 】? f c 的物理实验， 但是没有公开详细的实验结果。现在电力科学研究院、东南大学、清华大学都 在进行u p f c 的研究，电力科学院建立了u p f c 控制器的模型，结果证明了u p f c 良好的效果和功能【l o l 。s s s c 是作用于输电线上的f a c t s 控制器，目前它还处 于研究阶段。 f a c t s 虽然具有许多优点，然而还有必要对其局限性以及存在的问题进行 以下分析： ( 1 ) 在现有电网中，往往由一些瓶颈效应造成整个电网的潜力未能充分利 用，这时虽然可以利用f a c t s 设备对电网进行有效控制，提高电网的利用率。 但是考虑到不断增长和变化的负荷需要，f a c t s 终究只是一个暂时性的手段， 只能在一段时间内减少架设新线路和提高电压等级的必要性： ( 2 ) f a c t s 设备的复杂控制结构以及对通信等相应附属设备的要求，对电 网的运行和控制提出了更为严格的要求； ( 3 ) 就目前看来，控制器除了具有工程造价高的缺点外，仍存在许多需要 进一步研究的技术问题，如：如何使所设计的f a c t s 控制器能适应复杂的系统 运行条件和各种扰动，并具有较强的鲁棒性：f a c t s 控制器和电力设备及其他 控制器之间是否存在不良作用：f a c t s 控制器之间的协调与配合；f a c t s 控制 器与已有常规控制器和继电保护之间的衔接；f a c t s 控制器如何纳入现有的电 网调度控制系统等。已有的各种f a c t s 控制器一般是从不同的角度提出各自不 同的控制策略，均具有各自的适应性和优缺点。如何将他们的优点有机结合， 也是今后值得进一步研究的课题； ( 4 ) f a c t s 设备的引入会带来自身的有功损耗。 5 第1 章引言 1 2 6f a c t s 控制器问的交互影响 ( 1 ) f a c t s 交互影响的现状 交互影响可以如下定义：。在一个多变量系统中，交互是指在传输中某个 操作输入变量影响一系列测量输出变量，或者是某个输出被许多输入所影响。” 一方面，如果交互影响增强了控制效果，则称这种交互影响为正交互；如果交 互影响的结果使系统不稳定或是减弱了控制效果，则称这种交互影响为负交互。 近年来越来越多的研究表明，在单个装置的多个控制回路之间，以及f a c t s 控 制器之间都可能存在着负面的交互影响，从而破坏了系统的稳定性。因此目前 技术的先进性已是不容质疑的，但控制器之间的交互影响与协调，却一直是实 际应用中亟待解决的问题。 目前，统一潮流控制器是f a c t s 控制器中功能最强的控制器，与其它f a c t s 控制器相比，u p f c 的控制范围较大，控制方式灵活，被称为是最新颖和最有创 造性的f a c t s 装置。但是近年来的研究表明，u p f c 中多个控制回路之间可能 存在负的交互影响l ，从而破坏电力系统的稳定性。 静止同步补偿器( s t a t c o m ，s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 是另一种功 能强大、应用广泛的f a c t s 控制器，但文献【1 5 】指出了s t a t c o m 中交流和直 流控制回路之间同样也可能存在着负面的交互影响。 可控串联补偿装置( t c s c ，t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o r ) 和 静止无功补偿器( s v c ，s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r ) 是家族中典型的串联和并联补 偿装置。文献【1 6 】分别研究了s v c 与s v c 间、t c s c 与t c s c 间以及t c s c 与 s v c 间可能存在的负面的交互影响。 最近的研究结果还表明，在其他f a c t s 控制器间，也可能存在着破坏系统 稳定性的负面的交互影响。文献0 7 通过一个简单的单机无穷大系统实例，运用 非线性时域仿真方法，研究了s v c 和s t a t c o m 之问可能存在的交互影响。研 究结果表明，控制器都是闭环的条件下的控制效果，反而不如单独控制器的控 制效果好，系统震荡加大，系统有失去稳定的趋势。这说明装有s v c 和s 1 肖r c o m 的三个控制回路之间存在交互影响，而且是负面的交互影响。 文献i 1 8 1 中分别对p s s ( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ) 和s v c 间，以及p s s 和 t c s c 间的交互影响进行了研究。研究结果表明，在p s s 和s v c 、t c s c 控制器 间同样也可能存在着负面的交互影响。而文献【1 9 】、【2 0 】中的研究结果表明，在 6 第1 章引言 p s s 和f d s ( f a c t sd e v i c es t a b i l i z e r ) 间，也可能存在着交互影响。 ( 2 ) 交互影响的分析方法 目前比较常用的分析方法主要有：相对增益矩阵( r g a ) 法、奇异值分解 法( s v d ) 、m 标准法、基于g r a l t l i a n 的交互影响的分析方法、雅可比行列式特 征值标准法、n o r m a lf o r m s 方法，以及非线性时域仿真方法等。 对于多变量分散控制系统，r g a 方法能够通过考查各输入输出变量之间的 影响，提供控制变量与被控制变量之间的最佳搭配。s v d 是建立在某个频域范 围内，相较原矢量，奇异矢量值改变很小时，系统地交互影响很小的基础上。 n i 标准提供了一个必要的稳定条件，并且对于r g a 矩阵的变量匹配也提供了一 种补充选择法。基于g r a m i a n 的交互影响的分析方法是建立在系统状态空间的 动态模型基础上的。这个方法应用在系统的状态空间模型上。雅可比行列式特 征值标准法是基于求解稳态增益矩阵的逆矩阵的困难性分析基础上的，这种方 法一般不适用于预测匹配对。 1 3 统一潮流控制器的介绍 1 3 1u p f c 的提出及作用 统一潮流控制器( u p f c ) 的概念，最先是由l c _ , y u g y i 等人于1 9 9 2 年提出 的。国外对u p f c 的研究较早，1 9 9 8 年世界上第一台装置，在美国地区的1 3 8 k v 的高压输电线路上的成功运行，足以说明u p f c 的硬件实现是完全可行的，目 前运行良好。而我国起步较晚，在1 9 9 5 年以后才开始研究。u p f c 的基本思想 是一种统一的可控硅控制装置，只需改变其控制规律，就能分别或同时实现并 联补偿、串联补偿、移相和端电压调节等4 种基本功能，以及这些功能间的相 互组合作用。u p f c 既能在电力系统稳定方面实现潮流调节，合理控制有功功率、 无功功率的流动，提高线路的输送能力，实现优化运行，又能在动态方面，通 过快速无功吞吐，动态地支撑接入点的电压，提高系统电压稳定性，若适当控 制，还可以改善系统阻尼，提高功角稳定性。 1 3 2u p f c 的研究现状 统一潮流控制器的研究，主要集中在以下几个方面： ( 1 ) u p f c 的建模 7 第1 章引言 目前u p f c 的建模，大都采用电源模型，即用两个可控的电源来等效u p f c 的串联部分和并联部分，通过控制两个电源参数的变化，进行调节电力系统的 运行状态【2 j j 。文献 2 2 1 将u p f c 的并联控制与串联控制等效为两个电压源，文献 【2 3 将u p f c 的并联控制和串联控制等效为一个电流源和一个电压源，文献【2 4 】 将u p f c 的并联控制和串联控制作用等效为两个电流源和一个电压源。文献【2 5 】 用基于电力系统常用的牛顿一拉夫逊算法，将u p f c 的数学模型通过一个雅可 比方程来描述。文献1 2 6 将u p f c 的数学模型通过矢量图进行了详细的分析。 ( 2 ) 潮流控制 u p f c 的控制目标之一是维持线路的有功功率和无功功率，研究f a c t s 元 件，特别是u p f c 潮流控制问题的文献很多。文献【2 7 、2 8 】阐述了u p f c 的基本 工作原理，指出了u p f c 可以控制母线电压及线路功率，此外文献 2 7 1 还比较了 u p f c 和t c s c 及u p f c 和t c p a r 在潮流控制方面的性能，得到了u p f c 均优 于另外两者的结论。文献【2 8 】研究了用d o q 轴方程描述了u p f c 的串联注入电压 分支，以此讨论了u p f c 控制含两条母线的系统的潮流控制效果；文献【2 9 】给出 了一种可完整计及u p f c 所在线路的对地电纳的雅可比矩阵潮流计算方法；文 献 3 0 1 考虑了含p q v 节点的u p f c 潮流计算；文献 3 h 将u p f c 的潮流控制作用 用串联电压源来表示，研究了u p f c 所在系统参数对u p f c 的潮流控制作用特 性的影响及稳态调控范围。文献【3 2 】给出了一种含u p f c 的稳态潮流计算方法。 ( 3 ) 暂态稳定控制 文献【3 3 】给出了f a c t s 装置用于电力系统稳定控制的综述文献，考虑u p f c 的暂态稳定作用在研究u p f c 的文献中同样占据重要的篇幅。文献【3 4 】利用类似 能量函数方法讨论了u p f c 如何抑制线路发生大故障时产生的电磁振荡，并与 t c s c 、t c p s t 进行了抗干扰比较。文献【3 5 】将u p f c 的串联侧电压以线路电流 为参考，并联侧电流以端电压为参考，分别分解出有功和无功分量，用比例积 分( p i ) 控制方法设计了控制系统，可有效抑制功率振荡；文献【3 6 】对统一潮流 控制器采用零动态控制来提高电力系统暂态稳定性。 ( 4 ) 控制策略 文献【3 7 】将u p f c 的控制分为主控制和辅助控制两部分，对于主控制中的串 联侧控制，提出了几种基本控制方式，并以加权的方式实现u p f c 的多种功能 综合控制，使得u p f c 的多功能优化问题转化为各权值的动态忧化问题。文献【3 8 】 推导了含u p f c 的单机无穷大系统的功率方程，用五阶状态方程来描述u p f c 8 第1 章引言 的动态性能，并基于线性最优控制理论设计了控制器。文献 3 9 1 结合系统的主导 特征值选择合适的反馈变量，提出了两阶系统中u p f c 的变结构控制方法。文 献 4 0 1 探讨了用零动态控制方法设计u p f c 的分接头开关操作。文献 4 1 1 通过对 含有u p f c 的电力系统建立线性化的p h i l s h e r z o n 模型，利用相位补偿方法设计 了u p f c 阻尼控制器。 ( 5 ) 其他方面 研究u p f c 理论还涉及很多方面的内容，文献 4 2 1 研究了u p f c 控制器的参 数选择对稳定性的影响，文献 4 3 1 讨论了如何选择u p f c 的最优化问题，文献 4 4 】 论述了根据不同控制目标选择u p f c 的最佳安装地点，文献【4 5 】研究了u p f c 对 继电保护的影响，还有些文献分别讨论了采用非线性规划中的共扼梯度法及遗 传算法对具有f a c t s 设备的电力系统进行无功优化问题 4 6 j 。 1 3 3u p f c 控制器的交互影响 在目前的大型电力互联网络中，为了提高电力系统的性能，系统中控制器 的数量和复杂程度在不断提高。这样各个控制器之间会产生交互作用，而这些 交互作用可能对整个系统的性能产生不利的影响。因此，对电力系统中控制器 的交互影响分析，以及解耦控制也将成为现代电力工业研究的重点。 而u p f c 的重要特点之一就是它具有多种控制功能，包括潮流控制、电压 控制和稳定性控制等。此外，u p f c 的正常工作，依赖于其连接电容上的直流电 压控制。对于u p f c 所需要完成的多个控制功能，通常的设计是在u p f c 上安 排多个控制器，每一个控制器被赋予一个控制功能。但对于安装在电力系统中 的u p f c 的控制而言，设计者面临的是一个多输入多输出( m i m o ) 系统，在 u p f c 上安排多个控制器的设计，是在设计每一个控制器的时候将其当作单输入 单输出( s i s o ) 系统，这时u p f c 的各个控制功能之间的交互影响不能忽略， 即使每个控制器都能成功地单独设计，也不能保证闭环全系统的稳定性p 。 w a n g h f 和w uo h 讨论，报告了u p f c 的多个控制器之间存在交互影响， 以及在负交互影响下闭环全系统的稳定性不能得到保i l 正1 4 $ 1 。他们给出了装有 u p f c 电力系统的实例，并分别依次设计u p f c 的三个p i 控制器。三个控制器 分别设计的时候都能够保证其控制性能，而当三个控制器全闭环的时候，由于 u p f c 之间的交互影响，控制器性能变坏而且闭环全系统失去了稳定性。 为了研究u p f c 的多个控制功能对电力系统震荡稳定性的影响，文献 5 1 】 9 第1 章引言 以一个三机系统为例，这个系统中装有一台u p f c 且一台发电机侧装有p s s 。结 果显示，u p f c 的直流电容电压控制器和p s s 之间存在负交互影响，并且导致系 统的震荡稳定性受到破坏。 文献 4 9 j 讨论说明了u p f c 的有功功率控制器与无功功率控制器之间，存在 着较强的交互影响。 1 4 论文所做的工作 论文针对统一潮流控制器的多功能性特点，主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 介绍了灵活交流输电系统的研究现状，提出利用灵活交互输电技术的 产生背景、现状及发展情况，特别是统一潮流控制器以满足电力系统安全稳定 运行的迫切需要。系统综述了统一潮流控制器的作用、研究现状及它的交互影 响的情况和分析方法等； ( 2 ) 在参阅大量文献的基础上，详细分析了u p f c 的结构、工作原理、模 型及控制策略： ( 3 ) 在分析了u p f c 原理的基础上，建立了u p f c 的仿真模型。首先在数 学模型的基础上建立了串、并联侧的仿真模型，针对u p f c 强大的功能，建立 了其控制系统的模型。在研究u p f c 对电力系统电能质量的影响时，首先利用 m a t l a b 建立典型三相环形电力系统。然后，将前面建立的u p f c 仿真模型安 装到该环形电网中，根据仿真结果可以得到在故障和非故障系统中，u p f c 对电 网功率和电压的影响； ( 4 ) 接着给出了装有u p f c 的简单电力系统的整合模型。由u p f c 的传统 的控制器设计方法，给出了各控制通道间存在交互影响的实例。并且对电力系 统中控制运行点，对两台u p f c 间的交互作用进行了仿真； ( 5 ) 最后提出一种基于奇异值分解s v d ( s i n g u l a r v a l u ed e c o m p o s i t i o n ) 的 统一潮流控制器，用一减小或消除有功和无功潮流间的动态交互影响。这种s v d 控制器的性能，在理论和实际系统中都得到了评估。所得结果与静态解耦和比 例积分控制器相比，表明s v d 控制器通过解耦直轴和交轴控制变量的交互作用， 进而有效减小有功和无功之间的动态交互影响。 1 0 第2 章u p f c 的工作原理 第2 章u p f c 的工作原理 2 1 基本工作原理 2 1 1u p f c 系统结构 统一潮流控制器的系统构成，如图2 1 所示。它主要包括主电路( 串联单元、 并联单元) 和控制单元两部分。其中串联单元可以对i 处电压进行补偿，使i 处 敏感负荷端的电压满足要求；并联补偿单元可以对i 处的电流进行补偿；控制单 元通过适当的控制策略，对串联和并联单元的可控功率器件进行通断控制。应 用中可根据实际情况，确定u p f c 主回路拓扑结构和控制策略，合理分配各整 流桥的容量，降低整体造价，并使u p f c 的功能得到充分发挥。 u p f c 装置的主电路，由两个共用直流侧电容的电压源换流( v o l t a g e - s o u r c e d co n v e r t e r s ) 器组成，并通过两个变压器接入系统。变流器1 通过变压器 l 并联接入系统，变流器2 通过变压器2 串联接入系统。由于采用了可关断晶闸 管控制，使得并联变流器和串连变流器的输出电压可单独控制。每一个变流器 在交流输出端，都能独立吸收或供给无功功率。如图2 1 所示。 芸黧= ! 竺竺i 三 参敌髓建一l 挣制电路 l = 一 也咏 岫半 干| i f t 抗 图2 1i j p f c 原理图 串联变流器直接与串联变压器t 2 相连，并通过该变压器向系统注入幅值和 相角都可变的电压。通过串联叠加到u p f c 所在线路的接入点电压，可以合成 一个幅值和相角均可变的串联输出电压。这就相当于一个交流电压源，改变其 幅值和相角就能实现交流电压的移相调节和串联补偿。因而，可以控制线路上 通过的有功功率和无功功率。有功功率必须由另一变流器通过直流耦合送来， 第2 章u p f c 的工作原理 而无功功率由u p f c 自身产生。并联变流器1 的主要功能，是通过直流连接线 向换流器2 提供有功功率，而这部分有功功率由交流系统通过耦合变压器提供。 此外，变流器l 还可以在其系统接入点处，产生或吸收无功功率，即除了与串 联输出侧实现有功功率的双向流动外，还可以通过适当的控制起独立的静止无 功补偿作用，对u p f c 的输入端电压进行控制。 电压源变流器的特点是直流电源接有很大的滤波电容，从变流器向直流电 源看过去是电源内阻很小的电压源。直流侧电容容量应该比较大，以保证直流 电压波动不大，并且可以提供无功功率。 在稳态运行条件下，直流侧电容c 两端的电压基本恒定，其作用类似一个 直流电压。u p f c 的两个变流器分n i 作于整流状态和逆变状态。在通常情况下， 并联变流器工作于整流状态，串联变流器工作于逆变状态。无论是u p f c 逆变 侧还是整流侧变流器，从系统向u p f c 看进去都是同样的电路结构，唯一不同 的是有功功率的流向。对于u p f c 的整流侧，有功功率是从系统向u p f c 流入， 而对于u p f c 的逆变侧，有功功率的流向是从u p f c 向系统流动。 2 1 2u p f c 工作原理 统一潮流控制器的等值电路，如图2 2 所示。 矾么丘 r 2 禺n + j 9f j l b l 霉卯彤 届， 图2 2u p f c 的等效数学模型 变流器1 的输出电压为k ，相应电流为么q ，巧相位超前节点电压形的角 度为4 。变流器2 的输出电压为k ，相位超前的角度为磊( 幅值和相位都是 综合矢量) 。五、五分别是并联变压器7 i 和串联变压器五的漏阻抗。足为包括 变流器1 损耗和7 i 损耗的等效电阻，恐为包括变流器2 损耗和己损耗的等效电 1 2 第2 章u p f c 的工作原理 阻。 根据u p f c 瞬时有功功率平衡关系式，, - i p a 得到直流电容c 能量变化的表 达式： 兰挈： v a c o 。( 磊+ 屈一a j ) 一岛+ 属一吩) 】( 2 1 ) 2 3 ( 磊+ 屈一一岛+ 属一吩) 】2 1 警= 石1 - - - v - i , c o s ( s j + 属刮一v , 6 c o s ( 如+ 届一哆) 】 ( 2 2 ) 方程江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， 蚴为直流电容c 的电压。正常情况下西面= 0 ，则 k c o s ( 4 + 届一q ) = k c o s ( 嘎+ 屈一吩) ( 2 3 ) 方程忍3 ) 是u p f c 的有功功率传递公式并联端电流表达式为： 仫。= 鼍兹掣 亿t ， 当不考虑逆变器损耗时，表达式可化简为： f i l e i = 幽告蚴 ( 2 5 ) k 、巧为直流电压源的逆变输出，采用s - p w m 技术可显著降低输出谐 波分量，其基波分量为： k = 毛么( 属+ 4 ) ( 2 6 ) = 如么( 屈+ 嘎) ( 2 7 ) 式中，4 、五为调制波和f 端点电压波形的相位移；毛、屯为调制系数， k = v , l z , ，其中圪是调制波的峰值，巧是载波峰值。 2 1 3u p f c 的工作方式 2 1 3 i 串联变流器的工作方式 u p f c 的主要目的是进行电力网络潮流的的调整控制，其串联变流器的基本 工作原理，就是在线路中附加一个幅值和相位可调的串联电势，作用在于产生 1 3 第2 章u p f c 的工作原理 一换流或者强制循环功率，使得强制循环功率与自然分布的功率叠加可达到理 想值。由于附加的串联电势可以改变线路的电压的大小和相位，相当于在线路 中等值地串联电容或电感，从而通过改变线路的参数而实现潮流的控制。 统一潮流控制器的等值电路，如图2 3 所示。u 和【，为u p f