（电力电子与电力传动专业论文）统一潮流控制器（upfc）的控制方法研究.pdf

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 ct 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 r f l o wc o n r o i l e r ( u p f c ) c a nc o n t r o lt r a n s m i s s i o n l i n e i m p e d a n c e ，v o l t a g em a g n i t u d ea n dp h a s ea n g l e e i t h e rs e l e c t i v e l yo r s i m u l t a n e o u s l y i n a p p r o p r i a t e c o m b i n a t i o n sa n dc a na l s oc o n t r o l i n d e p e n d e n t l yt h er e a l a n dr e a c t i v ep o w e rf l o wi nat r a n s m i s s i o nc i r c u i t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e ，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 s o ft h eu p f c t h ep w mi n v e r t e r ，o n eo ft h ed e v i c e so ft h eu p f c ，i ss t u d i e da n dt h e d i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls c h e m eo ft h ep w mr e c t i f i e ri sd i s c u s s e di n t h i s p a p e r as i n g l e n e u r o n s e l f a d a p t i v e p i dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d i nt h e s c h e m e ，w h i c hd e c r e a s e st h er e s p o n s et i m eo fd cv o l t a g es h a r p l yw h e nt h e l o a di s c h a n g e d ah y s t e r e s i s b a n dc u r r e n tc o n t r o l l e ri s a n a l y z e da n dt h e c a l c u l a t i n gf o r m u l a sa b o u ti t ss w i t c h i n gf r e q u e n c ya r ed e d u c e d i nt h ep a p e r a c c o r d i n gt o t h ed e t e r m i n a t i v ef a c t o r so fs w i t c h i n gf r e q u e n c y ，t h i sp a p e r p r e s e n t s ac u r r e n tc o n t r o ls c h e m ew i t ha l t e r a b l e h y s t e r e s i sb a n d ，w h i c h r e d u c e st h er a n g eo fs w i t c h i n gf r e q u e n c ya n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o n t r o l l e dc u r r e n t b ym e a n so fv e c t o ra n a l y s i s ，am a t h e m a t i c sm o d e l o ft h es e r i e sp a r to f t h eu p f ci sd e d u c e di nd q oo r t h o g o n a lc 0 o r d i n a t ew i t h i ns y n c h r o n o u s l y r o t a t i n gr e f e r e n c ef r a m e a s t a t ef e e d b a c kd e c o u p l i n gm e t h o di s a p p l i e di n t h e m o d e l c o n s e q u e n t l y ，t h e r e a la n dr e a c t i v ep o w e rc a nb ec o n t r o l l e d i n d e p e n d e n t l y ，f i n a l l y ，ab p n e u r o nn e t w o r kp ic o n t r o ls c h e m ei sp r e s e n t e d f o rt h em a t h e m a t i c sm o d e l ，a n dt h ep a r a m e t e ro ft h ep ic o n t r o l l e rc a nb e f o u n da u t o m a t i c a l l ya n da d j u s t e do n l i n e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h e s c h e m ei m p r o v e st h es e l f a d a p t i v ec a p a b i l i t yo fp ic o n t r o l l e r a n dl o w e r s i n t e r a c t i o no ft h er e a la n dr e a c t i v ep o w e r k e y w o r d s f a c t su p f c s i n g l en e u r o ns e l f - a d a p t i v ep i d c o n t r o l l e r p w mr e c t i f i e r h y s t e r e s i sb a n d c o n t r o l d e c o u p l e n e a t o nn e t w o r kp jc o n t r 0 1 l e r 儿 第一章绪论 1 1 灵活交流输电系统( f a c t s ) 介绍 1 1 1 灵活交流输电系统的概念 灵活交流输电系统( f l e x i b l e a c t r a n s m i s s i o n s y s t e m ) 简称f a c t s ，也译为 柔性交流输电系统。f a c t s 的理论是由美国电力科学研究院( e p r i ) 的著名电力 专家n g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年创建的，他对灵活交流输电系统的定义在1 9 9 5 年经过电力电子学会修正后确定为：“交流输电系统利用高功率电子技术为基础的 控制器及其他静止型控制器改善可控性并且增加输送功率的容量”i “。由此定义 可知，灵活交流输电系统就是在交流输电系统的重要部位，有效地引入新型的单 独或多功能的电力电子装置，实现对交流输电系统的主要参数( 如电压、电抗和 相角等) 进行调节和控制，用以提高交流输电系统的可控性、可靠性和功率传输 能力。f a c t s 综合应用了现代电力电子技术、自动控制技术和计算机技术，是 种全新的交流输电概念，突破了传统交流输电系统的瓶颈，是2 1 世纪交流输电技 术的发展方向。f a c t s 技术( 包括系统应用技术及控制器技术) 已被国内外的一 些较权威的输电技术研究者和工作组称为“未来输电系统新时代的三项支撑技术 ( f a c t s 技术、先进的控制中心和综合自动化技术) 之一”i 2 】，或是“现代电力 系统中的三项具有变革性影响的前沿性课题( 柔性交流输电技术、智能控制、基 于全球卫星定位系统( g p s ) 的新一代动态安全分析与监测系统) 之一”l 3 1 。 1 1 2 灵活交流输电系统的产生背景 ( 1 ) 传统电力输电网运行和发展中的困难产生了客观需要 已有的交流输电网中普遍存在动态响应慢、可控性差的特点。在电力系统的 运行上，长期存在的巡回功率潮流使系统容量相对减小，大系统的低频振荡也曾 使系统耗费很大精力应付，而快速可控的电力电子装置正是消除巡回功率和低频 振荡的有力手段【1 1 。同时，已有输电线的负担日益加重，输送能力不足的矛盾同 显突出，而且输电系统的稳定性和可靠性也提出了更高的要求。传统输电系统在 响应速度、传输能力、可控性和可靠性上都迫切需要改善，因此，灵活交流输电 系统应运而生。 ( 2 ) 现代电力电子技术及相关技术的发展创造了技术条件 l 电力电子技术的发展，使f a c t s 技术产生和发展成为可能。电力电子技术 是电力、控制和电子技术的综合，是在半导体问世后发展起来的，它针对提高交 流输电控制及其效果的需求丽研制的各种电力控制器及其组合就构成了f a c t s 技术。传统的电力电子技术以半控型电力半导体器件( s c r ) 为核心，带动了整 流领域的飞速发展；现代电力电子技术以全控型电力半导体器件( g t r 、g t o 、 功率m o s f e t 、i g b t 、s i t ) 为核心，带动了逆变领域的飞速发展。直流输电线 已有几十年的历史，采用晶闸管以后，其输送功率的可控性良好，这是交流输电 系统所没有的。而晶闸管制成的无功静止补偿器有快速跟踪补偿无功的可控性， 能用任何控制方法调节系统电压和无功功率潮流，这两项技术启发了电业工作者， 知道电力电子的方法促使交流系统更加可控在技术上是行得通的。长期以来，主 要是电力电子器件的容量太小，不能直接作用于电力系统，目前大容量的电力电 子器件如g t o 晶闸管已经商品化，它能在十几微秒内切断和导通6 0 0 0 v 电压、 6 0 0 a 电流的功率，而其重量只有1 - 2 k g 4 1 。电力电子器件配套的驱动、串并联、 保护和冷却等技术同趋完善，在电力系统中应用电力电子技术的基础条件已经具 备。同时，现代控制技术、计算机技术和通信技术等的进一步发展也提供了技术 基础。， ( 3 ) 经济和社会的需要对电力建设提出了要求 在经济和社会上，世界各国面临日益困难的电力建设条件。由于土地征用困 难和人们对高电压的惧怕，目前修建新的输电线的阻力比以往大得多，这就要求 电业公司充分发挥已有输电线的潜力，使其运行趋近于稳定和热极限。而提高动 态和暂态稳定的最有效手段是采用快速反应的可控电力电子裟置。另外电力供应 的市场化，使同一电网上不同公司、不同电厂的电能售价不同，用户购电有可能 选择对他有利的电和供应途径，这就要求系统有更可控的运行环境。 1 1 3 灵活交流输电系统的功能和优点 ( 1 ) 在电力系统中，f a c t s 的主要功能可归纳为垮j ： a 较大范围地控制潮流使之按指定路径流动： b 。保证输电线的负荷可以接近热稳定极艰又不过负荷； c 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： d 依靠限制短路和设备故障的影响来防止线路串级跳闸； e 阻尼那些会损坏设备或限制输电容量的各种电力系统振荡。 f a c t s 的所谓“柔性控制”主要是区别和相对于原来交流电网中的常规“刚 性控制”而言，这不仅由于前者主要依靠电子型技术，后者常是机械型或机电型 技术，而且更重要的差别在于其控制作用的快速性、精确性、连续性、鲁棒性、 有效性等性能中 6 1 。灵活交流输电系统技术从根本上改变了交流输电网过去基本 只依靠机械、慢速、间断及不精确的控制和优化技术措施的局面。f a c t s 装置为 交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力，同时 可以确保系统稳定性，并有助于在事故时防止连锁反应造成的大停电局面。 ( 2 ) f a c t s 作为一种新兴技术，其优点很快显露出来。与传统的以固定或机械 投切方式工作的相应设备相比，它的优点主要表现在1 4 1 ： a 由于采用电子式的开关操作，理论上可以无限次存在而没有机械磨损，这 就大大提高了系统控制的灵活性； b 可达到非常快速的控制( 毫秒级) ，这一点对瞬态稳定性的提高至关重要； c 被控系统参数既可以断续，也可以连续地调节，利用这一点可以设计控制 器以提高系统的阻尼，该站系统的动态稳定性； d 通过对f a c t s 设备的快速、平滑的调节，可方便、迅速地改变系统潮流 分布，这对正常运行方式下控制功率走向以充分挖掘现有网络的传输能力 以及在事故情况下防止因某些线路过负荷而引发的连锁跳闸是十分有利 的： e 有助于建设全网统一的实时控制中心，从而使全系统的安全性和经济性有 一个大的提高，世界各国的实践表明，f a c t s 技术带来了极其客观的综合 效益。 1 1 4 灵活交流输电系统的分类 ( 1 ) f a c t s 控制器按安装地点不同可以分为发电型、输电型和供电型三类i 。”， 如图1 1 所示。 ( 2 ) f a c t s 控制器按其功能和时间发展的先后顺序可以分为三代，美国e p r i 建议的f a c t s 控制器的发展换代阶段有【8 1 ： a 第一代f a c t s 装置。这是从2 0 多年前就出现的s v c 开始的。s v c 是由 晶闸管开关快速控制的并联电容器组和( 或) 电抗器组成的装置，以提供 动态电压支持。其技术基础是常规晶闸管( 即可控硅整流器s c r ) 。后来 出现的第一代f a c t s 装置是晶闸管控制的串联电容器( t c s c ) ，它利用 s c r 控制串接在输电线中的电容器组，以控制线路阻抗，提高输送能力。 b 第二代f a c t s 装置。这一代装置同样具有第一代装置具有的支持电压和控 3 发电型 控制器 静态快速励磁系统 ( p s s l o e c n o e c ) 可控电制动( t c b r ) 可调速发电机( a s g ) 飞轮变速机组( f w g ) 超导储能器( s m e s ) f a c t s 控制器 输电型 控制器 静止无功补偿器( s v c ) 静i r 无功发生器( s v g ) 可切换串联补偿器( t s s c ) 可控串联补偿器( t c s c ) 可控移相器( t c p s ) 静止同步朴偿器( s t a t c o m ) 静止同步串联补偿器( s s s o 统一潮流控制器( u p f c ) 供电型 控制器 有源滤波器( a p f ) 微型储能器( s - s e m s ) 短路电流限制器( f s c c l ) 用户电力型控制器 ( c u s p o w ) 图1 1f a c t s 控制器的分类图 制功率等功能，但在外部回路中不需要大型的电力设备，如电容器组、并 联电抗器或移相变压器等。这些新装罩( s t a t c o m 和s s s c 等) 是借助 于由门极可关断晶闸管( g t o ) 一类全控型器件构成的装置，以电子回路 模拟出电抗器或电容器的作用。装置造价大为降低，性能却明显改进。例 如美国t v a ，以投资1 0 0 0 万美元s t a t c o m 代替了投资达2 0 0 0 万美元的 变压器组。 c 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 其具有一个共同的统一控制系统，即称为第三代f a c t s 控制器。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 复合而成的u p f c 。它的功能更 强大，它以控制线路阻抗、电压或功角的办法同时控制输电系统的有功和 无功潮流。第三代f a c t s 装置发展迅速，已出现c s c 的原理，其中包括 调节双回线潮流的线间潮流控制器( i p f c ) 、控制多回线路的m c s c 以及 功能强大的g u f f c ，且已在为纽约电力系统的实际应用进行研制工作。此 外，值得非常重视的是，a b b 公司新创建的“定制型f a c t s ”概念，它是 量体裁衣地将基于v s c 的控制器与常规带负荷调节抽头变压器( 这在我国 电网中的应用已相当多) 巧妙地复合在一起，形成新型的第三代控制器， 具有一系列更优越的性能和特点。己在发展并将在2 l 世纪广泛应用的另一 种f a c t s 装置是将蓄能装置( 超导蓄能、蓄电池、燃料电池、飞轮等) 中 4 可瞬时抽取或注入的电能经逆变器接入电力系统的装置，称为“蓄能接口” ( e s i ，e n e r g ys t o r a g ei n t e r f a c e ) 。它是将接入电网的电压源逆变器，或者直 流至交流的换流器与蓄能装置的多相斩波器在两者的直流母线处复合在一 起，整体装置采用一共同的闭环控制系统，协调直流至直流换流器和逆变 器的运行，以实现电网、直流母线和蓄能装置之间的有功和无功功率的交 换。换代分类如图1 2 示，为并联连接，口为串联连接，o 为串并联连接。 v j 么引 x l v2 么8 2 图l 。2 主要输电型f a c t s 控制器的换代发展图 1 1 5 灵活交流输电系统的应用研究现状 f a c t s 技术一出现就马上引起了各国专家学者的注意，有关它的学术研究、 技术开发和工程实践已取得大量成果。美国、曰本、英国和丹麦等四个国家己在 其重要的高压输电工程中成功地应用了f a c t s 技术。日本关西电力公司与三菱 电机公司共同研制并于1 9 8 0 年1 月投运了世界上首台s t a t c o m 样机，采用了 晶闸管强制换相的电压型变压器，容量为2 0 m v a r 。1 9 8 6 年1 0 月，由美国电力研 究院( e p r i ) 和西屋电气公司( w e s t i n gh o u s e ) 共同研制的“- 1 m v a r 的 s t a t c o m 投入运行，这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器元件的静止补 偿器。日本关西电力公司与三菱电机公司又采用g t o 研制了+ - 8 0 m v a r 的 s t a t c o m ，并于1 9 9 1 年在犬山变电站1 5 4 k v 系统中投运，维持了该系统长距离 送电线路中间点电压的恒定，实现了提高了系统稳定的目的。1 9 9 3 年3 月，东京 电力分别与东芝公司和日立公司开发了2 台5 0 m v a 的s t a t c o m 在东京所属新 5 信浓变电所投入使用。美国电力研究院( e p r i ) 与田纳西电力局( t e n n e s s e e v a i l e v a u t h o r i t y ，缩写为t v a ) 、西屋电气公司合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a n5 0 0 k v 变电站建造了+ 1 0 0 m v a r 的s t a t c o m ，并于1 9 9 6 年1 0 月成功地投用于美国阳 纳西峡谷电力系统( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t yp o w e rs y s t e m ) ，有效地改善了所在 电网连接点处的电压调整，其直接经济效益是该电力系统免去建造一条新的输电 线路同时又能满足扩充的输电需求。1 9 9 7 年，德国西门子公司将开发研制的8 m v a 的s t a t c o m ( 又称g t o s v c ) 安装在丹麦的r e j s b yh e d e 风场，目的是对风 力发电机组进行动态控制。英国国家电网公司( n a t i o n a lg r i dc o m p a n y ，缩写为 n g c ) 将在其4 0 0 k v 系统内安装正由法国a l s t o m 输配电公司研制的基于 + 7 5 m v a 的s t a t c o m 的静止无功补偿系统，整个静止无功补偿系统的容量将 是0 2 5 5 m v a r ，从而提高英国北部往南部的电力传输功率【9 】。 我国己开始对f a c t s 技术进行有系统的研究开发。其中对5 0 0 干伏超高压 输电线路可控串联补偿( t c s c ) 的研究已取得阶段成果，伊敏一冯屯5 0 0 k v 输 电线路的研究表明，采用2 5 串联补偿电容的可控串补装置，可显著提高暂态稳 定水平和阻尼振荡能力。1 9 9 4 年，河南省电力局和清华大学共同研制了+ - 2 0 m v a r s t a t c o m ，为进行机理研究，首先研制了3 0 0 k v a r 的中间工业试验装置，于1 9 9 5 年并网运行。1 9 9 9 年3 月，+ - 2 0 m v a rs t a t c o m 在河南洛阳的朝阳变电站并网 成功。f a c t s 设备是逐渐加入现行交流输电系统的，而不是摒弃现有系统，与现 行的交流输电系统是并行发展的，可以完全兼容，因此，可以在现有设备不做重 大改动的条件下，针对当时、当地的具体问题，采用经济有效的相应f a c t s 技 术，充分发挥现有电网的潜力，以渐进的方式改变电力系统的面貌，这一特点特 别适合我国发展资金比较紧张的状况。因此，相对于国外市场，中国对f a c t s 技术有着更大的需求，根据华中电网分公司对2 0 1 0 年三峡发电后的华中系统仿真 计算，大约需要新装总计约1 0 0 0 m v a rs t a t c o m 的无功功率，否则在故障时就要 切除相应容量的有功负荷，如果采用s v c ，由于其阻抗特性输出无功在低电压时 降低很多，达到同样效果需要增加到1 2 0 0 m v a r 。可见，二十一世纪中国电网面临 着全面的改造和升级，而灵活交流输电系统作为其中最关键的技术，其投资比例 将至少不低于1 0 。行业需求f a c t s 已被列为“九五”国家级重点项目之一、 国家经贸委三大节能重点项目之一、国家电力公司确认的二十一世纪电力革命性 前沿技术。因此，国家电力公司张贵行总工程师在其题为“中国电网调度必须面 向2 1 世纪、面向全国联网”的文章中指出：“2 1 世纪将是从提高电压等级转向重 点采用电力电子技术以增加交流输电能力的时代”。 6 1 2 统一潮流控制器( u p f o ) 介绍 1 2 1 统一潮流控制器的概念 美国西屋科技中心的g y u g y i l 博士于1 9 9 1 年首次提出了统一潮流控制器 ( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ，缩写为u p f c ) 的概念，u p f c 是f a c t s 家族中 最复杂的也是最有吸引力的一种补偿器，它综合了许多f a c t s 器件的灵活控制 手段，被认为是最有创造性，且功能最强大的f a c t s 元件，它的成功运行被称 作f a c t s 技术发展的重要里程碑( m i l e s t o n eo f f a c t s t e c h n o l o g y ) 5 】，对它的研 究已引起各国电力界的高度重视。u p f c 是由并联补偿的静止同步补偿器 ( s t a t c o m ) 和串联补偿的静止同步串联补偿器( s s s c ) 相结合组成的新型潮 流控制装置，它是将一个出换流器产生的交流电压串入加在输电线相电压上，使 其幅值和相角均可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提 高输送能力以及阻尼系统振荡。表1 1 是由西屋电气公司提供的s t a t c o m 、s s s c 和u p f c 的应用比较，可见，u p f c 具有更丰富的控制功能和优点。 表1 1s t a t c o m 、s s s c 和u p f c 的应用比较 应用s 丑町c o ms s s cu p f c 电压控制 热过负荷 最小损耗 m w 有功潮流控制 暂态稳定 动态稳定 系统绝缘 1 2 2 统一潮流控制器的应用研究进展 美国电力( a m e r i c a ne l e c t r i cp o w e r ，缩写为a e p ) 和西屋公司以及美国e p r i 合作，研制了世界上第一台u p f c ，该装置并联部分s t a t c o m 已于1 9 9 7 年7 月 完成，串联部分s s s c 于1 9 9 8 年6 月投入，已在美国a e p 公司的i n e z 变电所运 行，它只占据一个1 0 0 英尺2 0 0 英尺的标准建筑，雨一台典型的t c s c 却要占据 一个足球场那样大的面积。 统一潮流控制器的研究工作主要集中在四个方面：u p f c 的数学模型、u p f c 的控制策略、u p f c 的电力电子变换器和u p f c 的系统应用。 ( 1 ) u p f c 的数学模型 系统模型是描述其静态和动态特性的信息集合，是分析和综合系统的基本出 发点。建立一个实用的、能详细反映f a c t s 性质的数学模型是f a c t s 研究的重 要课题之一。按描述的对象，f a c t s 的模型可分为暂态模型和稳态模型。暂态模 型分析系统的动态特性与行为，便于电磁暂态过程的数值仿真；而稳态模型则考 虑f a c t s 系统的输入输出特性，对描述电力系统的行为以及潮流控制有帮助【5 1 。 目前的建模方法主要有两种：拓扑建模法与输出建模法。前者主要根据装置 在不同运行状态下不同的拓扑结构分析写出其微分方程，按整个装置具有多少种 拓扑结构以及拓扑结构的转移顺序依次解对应的微分方程组，从而求出装嚣的解 析方程。但是，拓扑建模的复杂程度将随开关数的增加呈指数级增长，且不易形 成模型统一的表达式。输出建模方法比较简单，通常将装景等效为一个电流源或 电压源外接阻抗，再考虑装置本身的一些条件约束，从而得到一组联立方程，但 它忽略了装置内部信息，不利于分析装置的内部特性。开关函数法是种比较好 的建模工具。文献 1 0 】通过引入开关函数的概念，建立了u p f c 的暂态数学模型 的统一表达式，并进一步将其应用予阻尼次同步谐振的研究中。文献【1 1 】基于开 关函数的建模法，介绍了u p f c 的稳态模型和动态模型。文献【1 2 】基于功率注入 法，推导了u p f c 的稳态模型，分析了单个u p f c 的潮流控制能力，并进一步研 究了u p f c 在不同运行方式下的潮流控制效果。文献【1 3 】建立了用一组非线性微 分方程表示的动态模型，然后利用线性最优控制系统理论，设计了u p f c 的最优 控制系统。文献【1 4 】分析了u p f c 的时域模型和动态向量模型弗仿真验证了其有 效性。 ( 2 ) u p f c 的控制策略 f a c t s 设备能否象人们期待的那样，在电力系统中充分发挥其调节潮流、增 强稳定、提高电网传输能力等方面的作用，很关键的一点是在于其控制器设计的 水平。f a c t s 控制器至少应该具备三个功能：能够在线实时地诊断系统的运行状 态，尤其是不稳定状态和功率振荡状态：能根据诊断到的状态选用此时最佳的控 制策略；能够获得控制所需信息。而选择最佳控制策略应根据电力系统本身的运 行特性，在实现其他功能的前提下，综合基于模型的控制理论和智能控制方法， 设计该运行状态下的最佳控制器。根据控制器设计过程对系统信息提取和综合过 程不同。f a c t s 装置的稳定控制策略可分为3 种1 1 5 j ： a 基于系统内部结构的控制方式：李亚普诺夫能量函数法；非线性系统的线 性化方法( 局部线性化，如l o e c ；反馈线性化，如d f l 、微分几何法、 逆系统方法等；观测线性化) ；分散控制法；鲁棒控制和变结构控制方法： 预测控制方法。 b 基于系统外部结构的控制方式：p i d 控制；自抗扰控制。 c 综合智能控制方式；模糊逻辑控制；人工神经网络控制；专家系统控制； 迭代学习控制( i l c ) 。 p i d 控制仍是f a c t s 控制器最常用的控制方法，其生命力在于：理论完善， 概念清晰，调整方便，易于工程实用化。目前除了p i d 控制方法外，应用在实际 工程中的新控制算法还很少。综合智能控制由于具有处理各种非线性的能力，并 行计算能力，自适应、自学习和自组织能力，有希望成为综合解决多机电力系统 控制所面临问题的一种有效手段。文献 1 6 1 将u p f c 的多种控制功能( 包括潮流， 电压，稳定性等) ，按多变量控制器的设计方法，统一设计成一个控制器，有效地 解决多目标控制的协调问题。大多数u p f c 控制器都利用空问旋转矢量坐标系下 的d - q 变换进行分析，文献【1 7 】采用d - q 变换设计了u p f c 的控制方案并进行暂态 分析，给出了直流电容器的设计方法，通过1 0 k 、a 的实验装置验证了该方案的控 制效果。文献【1 8 】利用d q 变换分析了u p f c 的输入输出和中间直流电路方程， 根据u p f c 的各功能特性，设计并仿真验证了系统控制方案。文献 1 9 1 为u p f c 设计了一个径向基神经网络控制器，提高了电力系统的暂态稳定性能，优于一般 的列控制器。文献 2 0 】设计了一个用于u p f c 的串联侧相角控制的非线性p i d 控 制器，不但提高了电力系统的暂态稳定性，而且具有很好的自适应性和鲁棒性。 文献【2 1 】为u p f c 设计了一个动态模糊控制器和一个模糊协调器，模糊规则的设 计使电力系统的动态摇摆最小，动态稳定区域最大，同时不需在线计算也能协调 u p f c 控制器的输入。文献f 2 2 】研究了模糊p i 控制器在u p f c 和s s s c 装置上的 应用，控制器都表现出良好的鲁棒性，获得了潮流的快速调节，有效地阻尼了电 力系统振荡。 ( 3 ) u p f c 的电力电予变换器 u p f c 的主电路含两个电压型变换器，在变换器的控制与实现上主要采用三 种技术：多电平变换器及其叠加技术；矩阵变换器：p w m 变换器。 多电平变换器是在方波变换器的基础上发展起来的，目前有三电平变换器、 五电平变换器和七电平变换器，单个的多电平变换器的输出特性并不好，它必须 与变换器叠加技术联合使用才能获得好的性能。矩阵变换器是一种直接a c a c 变换器( 输出频率可调) ，将其用于统一潮流控制器是矩阵变换器的一种应用尝试， 输入输出频率都是电网频率，通过适当的调制技术，使矩阵变换器的输入电流和 9 注入电网的电压尽量接近正弦波，同时满足电力系统潮流控制所需的电压的幅值 和相位条件。 u p f c 变换器大多采用p w m 技术，p w m 变换器一直以来都是电力电子技术 的重要研究课题之一，国内外大量文献研究了p w m 变换器的控制和实现方法。 文献 2 3 】采用空间矢量脉宽调制方式有效地扩展了逆变器输出基波相电压的线性 范围，能更好地利用电源电压。文献【2 4 提出了电流偏差微分矢量进行电流跟踪 控制的新方案，通过简单的空间电压矢量切换，在限定开关频率的条件下，使电 流获得快速响应的同时抑制了电流的谐波。文献【2 5 】【2 6 】分析了基于p w m 变换器 的s t a t c o m 的原理和方法，设计了直流侧电压的控制方案，提高了直流电压的 稳定性。文献【2 7 】在s t a t c o m 中采用电流源p w m 变换器，能直接对无功电流 进行控制，并有效地减小了电流的谐波成分。文献 2 8 】研究了一种电流源变换器 ( c s i ) 的电压控制方法，达到了零稳态误差和很好的动态性能。文献【2 9 】研究了 开关函数实现的三相电压源变换器( v s i ) 的仿真模型，它能有效地用来设计和 分析p w m 技术的电力变换系统。文献1 3 0 研究了无电压传感器的三相p w m 整流 器的直接功率控制，在电源电压不理想时能提供很好的正弦电流。文献【3 1 】的电 流控制电压型电压源变换器( c c - - v s i ) 有效地提高了电压控制性能，抑制了电 流谐波。文献 3 2 r c j t 究了一种基于神经网络技术的消除谐波p w m 变换器的实现 方法，神经网络的输入为变换器的输出电压，通过神经网络训练后得到变换器的 各个开关角，从而实现了在保证基波分量的条件下，消除了对电网影响很大的低 次谐波。文献 3 3 1 的b p 神经网络控制策略使三相p w m 整流器具有很高的功率 因数和较低谐波畸变的输入电流，并且对环境变化有很强的适应性。文献 3 4 】提 出了一种基于预测电流的电力电子变换器控制方法，具有很快的响应速度。文献 3 5 应用变结构控制方法，调制电力电子元件的开关模式，以获得预期的电压、 电流波形和动态性能，并引入了模糊控制，最大限度地减少了抖动。 ( 4 ) u p f c 的系统应用 改善电力系统运行行为是开发u p f c 的出发点，因此u p f c 必须放入系统中 去考虑，潮流控制、电压控制、暂态稳定控制、阻尼控制是其设计的四个主要目 标。对u p f c 的系统应用的研究一般采用m a ：r u 国和e m t p ( 电磁暂态仿真) 仿真或通过动模试验来进行。文献【3 6 】对u p f c 的并联无功补偿结合相位调节功 能和并联无功补偿结合线路串联补偿功能这两种工作方式进行了仿真，结果表明， u p f c 具有良好的起动特性和稳态性能 路的传输能力。文献【3 7 】经过仿真研究， 可以在无功补偿的同时，有效地提高线 较全面地分析了u p f c 对系统暂态稳定 1 0 的影响、电压调节和潮流控制的能力以及控制参数对系统暂态稳定的影响。文献 【3 8 从对u p f c 的静、动态运行特性的仿真分析可以看出，当以常规的潮流控制 为目的时，在系统受扰的情况下，u p f c 的运行可能会严重偏离其正常运行条件 并加剧系统的故障状态。文献 3 9 】研究了u p f c 中直流侧电压的平衡和控制方案 设计。文献 4 0 1 分析并设计的u p f c 控制方案提高了系统暂态稳定和电压稳定。 总之，u p f c 的系统应用都是围绕着上述四个目标，在分析系统特性和建立相应 的数学模型的基础上设计最佳的控制策略。 1 3 论文的主要研究工作 在参阅国内外大量文献的基础上，介绍了灵活交流输电系统( f a c t s ) 和 统一潮流控制器( u p f c ) ，综述了u p f c 四个方面的应用研究进展。 详细分析了u p f c 的结构原理及基本控制模式，根据其最典型的控制模式， 总结了总体控制系统和三层控制的策略。 对于u p f c 的电力电子变换器，论文研究了p w m 整流电路的电流控制方 法。主要分析了直接电流控制原理，并在电压控制外环中采用了单神经元 p i d 控制器，与传统的p i 控制方案仿真比较表明，该方法对于负载扰动具 有快速的恢复能力，而且算法简单，容易满足系统实时性要求，对直流电 容电压有较好的稳定作用。另外，对于作为电流内环的滞环控制器，推导 了其开关频率的计算公式，并根据制约开关频率的因素，提出了一种变环 宽的滞环控制策略，比较固定环宽的控制方法，该方法既相对稳定了开关 频率，又提高了电流控翩性能。 对于u p f c 的模型及控制方法，论文运用矢量分析的方法，基于d q o 同步 旋转坐标系建立了u p f c 串联侧的数学模型。采用状态反馈解耦的方法， 使有功和无功达至0 了理想的单独控制，分析和仿真证明该系统可以实现完 全解耦。但由于解祸环节的参数鲁棒性差，解耦的效果取决于如何设计解 耦环节的参数实时地随系统参数变化而变化。为了满足工程上广泛应用的 p i 控制器的性能要求，又能克服般p i 控制器参数整定和调整困难的缺 点，论文提出了分别对有功和无功采用b p 神经网络p i 控制器并同时进行 控制的方案，使p i 控制器的参数在线地自动整定和调节，省去了繁琐的人 工整定过程，扩大了功率的调节范围，提高了控制响应速度，并且不必采 用解耦环节，达到了减小有功和无功相互影响的效果。 ) ) ) ) n o 第二章u p f c 结构与原理分析 本章首先介绍了影响输电线路潮流的主要参数，然后在拓扑结构图和等效电 路图的基础上，通过分析u p f c 的结构和控制功能阐明了它的基本工作原理，对 于并联变换器的两种和串联变换器的四种控制模式，给出了最典型工作模式的控 制系统结构，总结了u p f c 的三层控制策略。 2 1 电力传输系统的潮流 2 1 1 影响潮流的因素 k 6 ，6 ， 十如匕扣 图2 1 电力传输系统 简单的电力传输系统由发送端、接受端和电力传输线组成，如图2 1 所示。k 是发送端电压，矿是接受端电压，丑为线路阻抗，则传输的有功和无功潮流可表 达为f 4 1 】： p = 簪s i n t ) 一笔s i n 6 ( 2 1 ) 窜；警( 1 砌邓，t ) ) 一笔( 1 砌呐 ( 2 2 ) 式中，k 和蘸发送端电压的幅值和相角： 昨和6 接受端电压的幅值和相角。 同时，为简化起见，设庐最一4 ，睁瞄昨。 从式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可以看出，电力传输系统中影响潮流的主要是三个参数： 电压、线路阻抗、传输角。可见，调节其中的一个或几个参数就可以达到控制潮 流的目的。 2 1 2 控制潮流的装置 f a c t s 装置出现以前，在交流输电系统中控制潮流的主要有串联( 或并酰) r 乜容器、调相机、移相变压器等装置，这些装置的普遍特点是动态响应慢，可控 性较差。f a c t s 装置的出现极大丰富了控制潮流的方法，而基于同步电压源的 f a c t s 装置则代表了f a c t s 技术今后的发展方向。而统一潮流控制器( u p f c ) 是种功能比较齐全的潮流控制器，它的出现对电力传输系统的潮流控制有着重 要意义。 2 2u p f o 的结构原理 统一潮流控制器( u p f c ) 主要由两个电压源变换器构成，变换器一般选用门极 可关断器件g t o 与续流二极管反并联构成，其中变换器1 通过并联耦合变压器 与线路相连，变换器2 通过串联耦合变压器与线路相连【1 0 】，变换器l 与变换器2 通过中间的直流电容连接，这样有功功率可以在两个变换器之间自由流动，其拓 扑结构如图2 2 。 v s+ v p q v r 变换器l 变换器2 图2 2u p f c 的结构图 由图2 2 可见，u p f c 的串联变压器的一次电压来自变换器2 ，而变换器2 的 输入来自中问的直流电容上的直流电压，直流电压是来自电力系统的整流器的输 出，即变换器1 的输出经变换器2 转换成交流三相电压，这个交流电压的相位和 幅值都是可控的。也就是说变换器2 通过串联耦合变压器向输电线路提供了一个 幅值( os s 。) 和相角( 0 s 6 3 6 0 。) 均可控制的补偿电压，补偿电压 可被看作是一个同步交流电压源，输电线路中的电流流经p 乙，使变换器2 与 输电线路之间发生有功和无功交换。因此，不但可以用它来控制线路两端电压的 相位差，进行有功功率控制，也可以产生一个补偿线路电压降的电势，就象串联 电容的作用一样，对线路有功和无功功率进行控制f 4 j 。所以，统一潮流控制器的 主要功能由变换器2 实现。 变换器1 的基本作用是通过中间的直流电容为变换器2 直流侧提供有功功率， 另外，它本身还可以作为一个无功电源，能独立地与电网发生无功交换，相当于 一个s t a t c o m ，因此，变换器1 的辅助功能是调节节点的电压。可见，图2 2 的u p f c 结构起到了移相器、可调串联电容器及静止调相器的作用，用以综合控 制输电线路的电抗、电压及相角差。也即u p f c 具有灵活的运行特性，可以连续、 迅速地改变串联于输电线内的电压的相角和幅值。直流电容两侧的整流和逆变装 置都需要采用g t o ，以便在可控条件下获得谐波和无功消耗最小。u p f c 的并联 部分接于母线，其主要功能是调节母线电压和无功功率，串联于线路的串联部分 输出电流所产生的电压可在0 。一3 6 0 。四象限范围内变化( 幅值和相位) ，从而与 并联部分相互配合，控制线路的有功和无功潮流。变换器2 与变换器1 在直流侧 互连，是，为了满足变换器2 输出电压在o 。3 6 0 。范围内变化时其所需的注入有 功功率，该功率由变换器1 从母线吸取，通过直流环节，再由变换器2 注入系统。 作为u p f c 整体，并不大量消耗或提供有功功率。 2 3o p e c 的基本控制模式 控制系统不仅为u p f c 的装置提供了实时控制算法，而且还可以选择几种可 能的控制模式。u p f c 由并联变换器和串联变换器组成，这两个相互关联部分需 要相应的控制方法，同时并联变换器可独立作为s t a c o m 控制使用，串联变换 器可独立作为s s s c 控制使用，它们各自又需要对应的控制策略。图2 3 是u p f c 的等效电路图，k 是发送端电压，屹是接受端电压【4 2 l 。 图2 3u p f c 的等效电路图 2 3 1 并联变换器 并联变换器可以等效为一个并联电流源1 。，其工作方式是，从输电线路吸入 一可控电流j 。，电流可分两部分考虑：一部分用来维持直流电容的稳定，给串联 交换器提供需要的有功功率支持，可称之为有功电流分量；另一部分可以提供无 功补偿，称之为无功电流分量，而且它还能用来维持并联端节点电压稳定。并联 变换器有两种控制模式1 4 3 】m ： 1 4 ( 1 ) 无功控制模式：输入设