（电力系统及其自动化专业论文）含upfc线路的自适应距离保护研究.pdf

a b s t r a e t 硕士论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g ye n a b l e sa g r o w i n gn u m b e ro ff a c t sd e v i c e st ob ea p p l i e di n t op o w e rs y s t e m s a sat y p i c a l f a c t sd e v i c e ，u p f cc a l lf l e x i b l ya d j u s tt h ep o w e rf l o wi np o w e rs y s t e m ，b u ti tw i l l a l s oc h a n g et h ep a r a m e t e r so ft r a n s m i s s i o nl i n ew h i c hw i l la f f e c tt h ea c t i o no f t r a d i t i o n a lp r o t e c t i o n t h i sp a p e rs t u d i e dt h er e s e a r c ho fu p f ct e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a di n r e c e n ty e a r s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n d w o r k i n gp r i n c i p l eo fu p f c ，a n de s t a b l i s h e d ad o u b l e - a n n u l a rp o w e rs u p p l ys y s t e mt h r o u g hm a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h eu p f ch a v et h ef l e x i b l ec o n t r o lc a p a b i l i t i e si na c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r w i t ht h et w oc a s eo ft h et r a n s m i s s i o nl i n en o tc o n t a i n i n ga n dc o n t a i n i n gu p f c ， t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei m p a c tt ot h ed i s t a n c ep r o t e c t i o no ft r a d i t i o n a li m p e d a n c e m e a s u r e m e n tw h e no c c u r r i n ga l lk i n d so fs h o r t c i r c u i tf a u l t ( s i n g l e p h a s et og r o u n d ， t w o p h a s et og r o u n d ，t w o p h a s e - t o p h a s es h o r t - c i r c u i t ，a n dt h r e e - p h a s es h o r t c i r c u i t f a u l t s ) a td i f f e r e n tf a u l tl o c a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h es h o r t c i r c u i t f a u l to c c u r r e di nt h el i n eb e h i n du p f c ，t h em e a s u r e m e n to f i m p e d a n c ec o n t a i n st w o i n c r e m e n t a li m p e d a n c ew h i c hc a u s e db yu p f cs e r i e si n j e c t e d v o l t a g ea n ds h u n t r e a c t i v ec u r r e n t ，t h e nt h et r a d i t i o n a ld i s t a n c ep r o t e c t i o nc a nn o ta c tp r o p e r l y t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ea l g o r i t h ma n dt h er e a l i z a t i o no ft h ea d a p t i v e p r o t e c t i o ni nr e c e n ty e a r s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st w oa d a p t i v ep r o g r a m sc o p i n g 、i t l l i n c r e m e n t a li m p e d a n c ef o ra d d i n gar e s u l to fu p f c aa u t o a d a p t i v ed i s t a n c e p r o t e c t i o np r o g r a mi st oa u t o m a t i c a l l ya d ju s tt h ei m p e d a n c es e t t i n gv a l u eo ft h e p r o t e c t i o nw i t ho p e r a t i o no fu p f ca f t e rs h o r t c i r c u i tf a u l t ，m a k i n gt h ep r o t e c t i o n s e t t i n ga sav a r i a b l ei m p e d a n c e a n o t h e rp r o g r a mi st oa m e n dt h ev a l u eo f m e a s u r e m e n ti m p e d a n c e ，t h e n ，d e t e r m i n et h ep r o t e c t i o na c t i o ni nt h et r a d i t i o n a l s e t t i n gi m p e d a n c ec i r c l e t h er e s u l t ss h o w st h a tt h e s et w op r o g r a m sw i l le n a b l et h e p r o t e c t i o nc o r r e c t l yr e s p o n dt oa l lk i n d so fs h o r t - c i r c u i tf a u l ti nc a s eo fh a v i n g u p f c s ot h a tt h e yc a ne n s u r et h es a f e t yo f t h ep o w e r s y s t e m k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o n i i s h o r t c i r c u i tf a u l t d i s t a n c e p r o t e c t i o n ，u p f c ，a u t o - a d a p t i v e ， 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他入已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 又川年刍即6 e t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士论文 含u p f c 线路的自适应距离保护研究 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 随着世界经济的发展，电力系统已经进入大系统、超高压远距离输电、跨区 域联网的新阶段。社会经济的发展促使现代输电网的管理和运营模式发生变革， 对其安全、稳定、高效灵活的运行控制要求日益提高。快速发展的电力电子技术 越来越多地被应用于电力系统。出现了所谓的柔性( 灵活) 输电控制技术f a c t s 技术f 。 统一潮流控制器( u p f c ) 作为一种典型的f a c t s 装置，是在交流输电系统 中引人的一种可控制的一次设备，其应用可实现对电力系统电压、线路参数( 如 线路阻抗) 、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度的提高输电线路输 送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗，为未来电力系统动态和稳定控 制提供了一种必要手段。然而，诸如电网的阻抗、电压、相角等电气量同时也是 当前电网继电保护装置的动作判据。因此，u p f c 的应用必然对传统的继电保护 产生影响。 国内对u p f c 的研究属于起步阶段，将来会有越来越多的类似u p f c 这样的 f a c t s 元件运用在电力系统中，所以有必要分析统一潮流控制器的存在对距离 保护产生的影响。 论文的意义和价值就在于对输电线路投入u p f c 后找出适应线路距离保护 的新方法，保证线路保护在正常情况下不误动，发生故障时不拒动，从而保证电 力系统安全，稳定的运行。 1 2 国内外研究现状 1 2 1u p f c 技术的研究现状 u p f c 即统一潮流控制器，是柔性( 灵活) 输电控制技术( f a c t s ) 中的一种。f a c t s 技术结合先进的控制理论和计算机信息处理技术等，可以实现对交流输电网运行 参数和变量( 如电压、相角、阻抗、潮流等) 快速、连续、频繁的调节，进而达 到提高输电系统运行效率、稳定性和可靠性的目的【1 1 。 u p f c 是由美国的l g y u g y i 于1 9 9 2 年首次推出的。是f a c t s 家族中最具 有代表性的一员，集多种控制功能于一体，更具灵活性。它是由并联补偿的静止 同步补偿器( s t a t c o m ) 和串连补偿的静止同步串连补偿器( s s s c ) 相结合组成 的新型潮流控制系统，可以实现线路有功、无功功率的准确调节，并可以提高输 i 绪论硕士论文 送能力和阻尼系统振荡。随着对u p f c 理论研究工作的深入，它的装置研发工作 也在进行。1 9 9 8 年在美国东肯塔基州a e p 的依奈兹变电站安装了第一台u p f c 装置，电压等级是1 3 8 k v ，控制目标是提高线路的输送能力，为系统提供电压支 持，提高输电的可靠性。装置的并联侧和串连侧容量分别是1 6 0 k v a 【。 近年来，我国一些科研院，高校在统一潮流控制器的开发研究方面也做了大 量的工作，所研究的内容涉及统一潮流控制器的各个方面【2 】【3 1 4 1 1 5 】：电磁暂态仿真 研究、系统动态仿真研究、物理模型研究，控制器和控制方式的研究等。 文献 3 建立了可反映u p f c 内部特性的数学模型，对u p f c 的暂态数学模型 及其阻尼次同步谐振的控制策略进行了时域仿真计算。文献 4 】通过u p f c 的数学 模型建立了一个单机无穷大系统，进行控制仿真，结果显示u p f c 在抑制故障后 的功率振荡、维持系统电压稳定方面有良好的作用。文献 5 较全面地分析了u p f c 电压调节和潮流控制的能力、对系统暂态稳定的影响以及控制参数对系统暂态稳 定的影响。 文献 6 】从对u p f c 的静态和动态运行特性的仿真分析得出，当以常规潮流控 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 7 通过软硬件设计以及动模实验仿真，实现了我国第一台双换流桥构 成的u p f c 物理模拟装置。 在控制策略方面，有李亚普诺夫能量函数法，p i 控制，综合智能控制方式【8 】【9 】、 人工神经网络控制、专家系统控制、迭代学习控制【l0 1 。 输电线路投入u p f c 装置后使得其参数( 阻抗值、阻抗角) 发生了改变，而 电网的阻抗、电压、相角等电气量同时也是当前电网继电保护装置的动作判据， 距离保护装置是否还能完全适应，有待研究。继电保护装置是电力系统的重要组 成部分，它对保证系统安全运行起着非常重要的作用。u p f c 装置的加入对距离 保护产生何等影响及该用何种方法来使距离保护重新适应这类装置的加入值得 研究。 文献 1 1 】对含有u p f c 的输电线路参数变化进行分析，但是未给出诸如阻抗、 电压等的影响程度，也没有给出具体的保护解决方案。 也有学者从电力系统谐波方面阐述了u p f c 对继电保护的影响，表明u p f c 的 投入会增加系统电压中的高次谐波，从而影响一些保护正常动作【4 7 1 。 1 2 2 自适应保护的研究现状 1 9 8 3 年美国学者k l r o c k e f e l l e r 等发表的“增进保护性能的一些自适应输 电系统继电器构想，【1 2 】正式给出了自适应保护和自适应继电器的定义，标志着自 适应保护进入了一个正式的发展时期。同期美国学者s h h o r o w i t z 等发表的“自 2 硕上论文含u p f c 线路的自适应距离保护研究 适应输电系统保护【l3 】从输电系统的保护策略、输电线路保护、继电器定值整定、 变压器保护和自动重合闸等方面分析了自适应的可能性。 自适应继电保护可以定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而 实时改变保护性能、特性或定值的保护。这种新型保护的出现引起了人们的极大 兴趣和关注。 有文献总结了各概念l l 习： 自适应继电保护：指保护系统为响应电网状况的变化以保持最优功效而自动 调整其运行参数的能力。 自适应保护继电器：指继电器通过输入的信号或控制作用而实时地在线改变 其整定值、动作特性或逻辑功能的能力。 自适应电网保护：指保护系统中的各继电器在电网状况变化时为保证电网及 其设备运行最优而相互协调、配合的能力。 自适应继电保护的基本思想是使保护尽可能地适应电力系统的各种变化【1 4 j 正常运行情况外，电力系统还可能发生各类型的故障，故障可能是瞬时性或永久 性的，故障又可能是金属性短路也可能是经过渡电阻短路等。现代微机计算的快 速性、强大的逻辑判断能力与记忆功能以及相应的软件的智能性，使整定计算在 线化和自适应在线化实现可能，为自适应继电保护的发展提供了良机【1 5 】【16 1 。而 类似u p f c 这种控制要求比较高的装置一般都装有实时的监控装置，把检测到的 u p f c 的运行状况作为电力系统保护中的参数是现实可能的。 这些年，国内外对于自适应的继电保护在算法、实现方式、新型输电系统等 方面都有研究【1 8 1 【1 9 】【2 0 】【2 5 1 。 1 ) 自适应计算算法 目前普遍采用的全波傅氏算法能有效地消除高次谐波和直流分量，其响应时 间是一个周波。但即使是对出口故障该算法也不能使保护快速动作。为弥补这个 缺点，通常同时使用半波傅氏算法与全波傅氏算法以加速故障的切除【1 6 1 1 2 。由 于半波傅氏算法不能滤除偶次谐波和直流分量，精度较差，故只能用于切除出口 或近处故障。当存在衰减直流分量时全波傅氏算法的精度将降低。对此一般是在 用傅氏算法计算之前先进行一次差分滤波经过差分滤波的傅氏算法能较好地将 其滤出。基波分量的实部和虚部计算也较简单，但时间窗长加上差分滤波的时延 将超过一个周波的时延。随着电力系统的迅速发展，电力系统容量越来越大，对 保护的动作时间要求越来越高。因此有必要充分利用计算机硬件的优势开发速度 更快的数字滤波算法。 傅氏算法和微分方程算法被广泛用于数字距离保护，但采用傅氏算法需考虑 衰减直流分量造成的计算误差并采取适当的补救措施，而解微分方程算法的高频 特性又不能令人满意。针对上述问题，文献 2 2 基于微分方程的自适应窗长算法 l 绪论硕士论文 进行了仿真和动模实验研究。这一算法用有限项变换技术对微分方程进行求解， 故障前算法采用短数据窗，故障后窗长自动增加，而最终窗长取决于故障的严重 程度。 文献 2 3 1 1 2 4 1 介于传统距离保护的衰减直流分量的影响，提出将线路的时域 微分方程先在一个时间段内进行积分，然后进行傅里叶变换，利用变时间窗( 时 间窗小于一个工频周期) 傅里叶变换得到线路的小矢量方程，构造出快速的阻抗 继电器和零序电抗继电器。不同时间窗得到不同的小矢量，由于时间窗小于一个 工频周期，故提高了距离保护的响应速度。 有文献将最j , , - - 乘法应用于距离保护中，构建了基于微分方程的系统模型， 提出通过测量电感参数获得测量电抗，以及基于有功功率概念构建的测量电阻参 数估计模型来解决基于微分方程测量电阻参数估计模型误差大的问题，对参数估 计方法在阻抗保护中应用进行了一个初步探讨1 2 5 1 。 近年来，根据系统故障时产生的行波理论，提出了超高速动作的继电保护原 理一行波保护原理。该原理利用故障初期出现的行波电压、电流或两者组合中含 有的故障信息，在极短时间内检测出故斟2 6 】【2 7 】f 2 8 】。 2 ) 自适应实现方式 有作者【2 9 】【3 0 】【3 l 】【3 2 1 分析电力系统距离保护的特点及人工神经网络所具有的自 适应能力、学习能力和模式识别能力，基于模式识别原理，提出了实现自适应距离 保护的神经网络模型。 有学者对b p 网络实现自适应距离保护进行了研究。选取电力系统模型的故 障训练样本进行训练，使b p 网络能够记忆不同情况下各种故障特征，从而当系统 处于每一种情况下都能获得正确的诊断效果【2 9 j 。表明利用人工神经网络实现最复 杂的保护原理是可行的，而且具有显著的优点，能自适应地调整权值以适应各种 情况。 又有作者提出了人工神经网络继电器【3 3 】【3 4 1 ，基于神经网络的智能保护吲构 造了三个相对独立的子网络来实现人工神经网络式距离保护。分别是振荡判别子 网络( a n n l ) 、故障检测和选相子网络( a n n 2 ) 、故障定位子网络( a n n 3 ) ，它们在一 起组成了一个并行处理的系统，综合判断三个子网络的输出后，确定系统的状态 与故障位置。从系统c t 、p ，r 二次侧引入的电流、电压量经a d 采样后，进行数 据预处理，特征量提取后，并行输入到各个子网络中进行处理。每一个子网络通 过有代表性的各种状态下的样本进行训练，确定网络中神经元的权值和阈值。利 用训练好的子网络对电力系统的状态进行判断，输出状态结果【3 4 】。 有学者采用反时限动作特性【3 5 】【3 6 】，针对其保护范围保守、不利于中远端故 障快速切除的缺陷，提出了基于r - l 模型误差的自适应距离保护【4 5 1 。故障后，实 时计算r l 模型误差，并根据r l 模型误差与测量电杭误差的关系自适应地调整 4 硕十论文含u p f c 线路的自适应距离保护研究 电抗值。仿真结果表明，所提出的自适应方案能有效防止暂态超越，并能显著提 高术端故障时的动作速度，整体性能较反时限动作特性距离保护有了很大提高。 文献 3 7 1 针对电容式电压互感器( c v t ) 暂态过程引起距离保护超越的问题， 提出了c v t 暂态误差的实时估计方法，即根据所选用的基波算法和c v t 的额定 参数求出误差系数，然后根据二次电压的大小实时估计出电压幅值的测量误差。 据此提出了一种自适应距离保护方法，根据误差的大小调整动作门槛。 针对某一构成原理的距离保护继电器，在一些非正常情况下。有学者提出了 自适应的方法【3 8 】【3 9 1 1 4 0 1 1 , 4 1 1 1 , 4 2 1 。 文献 3 8 1 为提高比幅式故障分量距离继电器的耐过渡电阻能力和避免因过 渡电阻引起的同相问题导致不正确的动作，提出了一种可变圆特性的故障分量距 离继电器及其具体实现方法。该继电器由三个动作方程分成两组动作判据构成。 两组判据各采用不同的算法，一组判据通过采样值积分算法实现继电器的快速动 作，另一组判据采用傅里叶算法实现保护的准确测量，两组判据相互补充，实现 快速动作和提高耐过渡电阻能力的统一。 有作者提出的自适应欧姆继电器它能够根据接地电阻的大小自动地调整动 作边界，因而具有极强的抗过渡电阻能力，可以为高压、超高压输电线路提供有 效且可靠的保护1 3 9 1 。 对于突变量距离保护，有学者将广域测量到的对端信息看作对突变量距离保 护的补充，借助对侧的相量信息，提出了一种新的自适应突变量距离保护算法【4 0 l 。 3 ) 针对f a c t s 的自适应保护 4 3 1 1 4 4 1 【4 5 】 f a c t s 对继电保护影响的研究课题最早由国外提出【4 2 1 ，并在其f a c t s 概念和 控制器研究大量成果和实践的基础上，结合继电保护的应用实际，作了相关的理 论分析和仿真计算。 可控串连补偿装置( t c s c ) ，晶闸管控制移相器( t c p s t ) 等这类f a c t s 元件 在技术上与u p f c 有着部分相似的特点。对这些元件的自适应继电保护对研究含 u p f c 线路具有积极意义。 有学者基于动态基频阻抗特点上对t c s c 和f s c 对距离保护产生的影响进行 分析【4 3 1 。对其运行模式故障后的动作行为t c s c 方向元件及纵联保护的影响，认为 f s c 与的线路相比，在t c s c 线路上保护的性能不会降低，在f s c 线路上运行的保 护可以在t c s c 线路上很好地运行。 文献 4 3 中对基于统一潮流控制器( u p f c ) 的传输线阻抗进行了详细的分析， 指出u p f c 在线路不同安装位置对保护动作边界有很大的影响。 文献 4 4 1 基于双端双回线安装u p f c 、t c s c 和晶闸管控制移相器( t c p s t ) 对继 电保护的影响研究，认为f a c t s 设备的出现会导致暂态过程的复杂化，同时影响 5 1 绪论硕士论文 保护的动作边界，并提出利用a n n 的自适应保护方案的展望，但未具体的利用利 用某一自适应技术实现。 总结国内外的研究成果，可以得出以下结论： 目前研究u p f c 技术主要在集中在数学模型，动态仿真模型，控制方式等方 面。对含有u p f c 的输电线路对距离保护的影响，还处于初级阶段，有待研究。 含u p f c 的自适应距离保护技术，有学者提出利用神经网络自适应技术等的设 想，但是具体方法的实现有待进一步研究。 1 3 论文主要工作 6 1 ) u p f c 技术及自适应的保护的研究发展情况。主要研究近年来国内外， 在u p f c 数学建模，动态仿真模型和物理模型的发展，自适应继电保护在算法、 实现方式、适应对象等的发展，以及含u p f c 的自适应保护技术的研究现状。 2 ) 建立含有u p f c 的输电系统仿真模型，研究加入统一潮流控制器( u p f c ) 后输电线路有功和无功传输功率的变化。分析其如何灵活的控制系统的潮流， 并分析其加入后对距离保护测量阻抗的影响。 3 ) 分析含有u p f c 输电线路，正常情况以及不同短路位置的各种短路情况 下对传统距离保护阻抗测量元件的影响，分析造成影响的原因。对所建立的 含u p f c 的输电系统仿真模型，利用m a t l a b 进行仿真分析。 4 ) 针对含有u p f c 后对传统距离保护的影响，提出自适应距离保护方案。 使保护满足正常运行情况下不误动、短路故障正确动作。进行m a t l a b 的仿真 验证。 硕士论文含u p f c 线路的自适应距离保护研究 2u p f c 及其工作原理 2 1u p f c 的概念 u p f c ( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 是由美国的l g y u g y i 于1 9 9 2 年首次推出 的。是f a c t s 家族中最具有代表性的一员，集多种控制功能于一体，更具灵活 性。它的潮流控制功能强、用途广。 通常，f a c t s 控制器可分为串联控制器、并联控制器、串串混合控制器、 串并混合控制器四类1 2 0 j 。串联控制器通过在线路中注入电压实现其控制。当注入 电压与线路电流互为共轭( 串补电容、串补电抗) 时，串联控制器仅能控制无功。 注入电压与线路电流不成共轭时，串联控制器既可以控制有功也可控制无功；并 联控制器通过在连接点注入电流实现其控制。在并联电抗或并联电容情况下，注 入的电流与注入点电压形成共轭，并联控制器仅能控制无功。当注入电流与注入 点电压不成共轭时，并联控制器既可控制无功，也可控制有功；串串混合控制器 是一种在多传输线路上使用的、多个独立串联控制器互相协调控制的一种控制 器。在这种控制器中，各串联控制器独立控制各自线路的无功补偿，同时又通过 直流连线并接在一起，实现多条线路间有功功率的交换；串并混合控制器是一种 使各自独立的串联控制器和并联控制器实现互相协调控制的f a c t s 混合控制 器。串并混合控制器通过串联控制器在线路中注入电压，通过并联控制器在节点 注入电流。串联控制器和并联控制器间可以通过直流通路连接在一起，实现功率 交换；也可以各自保持独立，仅仅实现控制的互相协调。一般情况下，通过使用 并联控制器来控制电压，使用串联控制器来控制潮流、阻尼振荡较为有效。 统一潮流控制器( u p f c ) 就是串并联的混合控制器，是s t a t c o m 和s s s c 的组合，分为二部分，并联部分的静止无功发生器( s t a t c o m ) 和串联部分的 静止同步串连补偿器( s s s c ) 。这两部分可以单独运行，也可以联合统一运行。 u p f c 具有全面的补偿功能，不但能提供独立可控的并联无功补偿，而且可以通 过向线路注入相角不受约素的串联补偿电压，同时可有选择性的控制传输线上的 电压、阻抗和相角，实现有功和无功潮流控n t l l l 4 。 与其他f a c t s 控制器相比，u p f c 控制范围更大，控制方式也更为灵活。 因此，u p f c 被认为是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，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。 7 2f a c t s 原理及u p f c 数学模型硕士论文 2 2u p f c 的工作原理1 1 j 把u p f c 看作是一台s t a t c o m 装置和一台s s s c 装置用直流侧并联起来， 它不仅同时具有s t a t c o m 装置和s s s c 装置的优点，而且还具有它们不具有的 功能，如可以在四个象限运行，串联部分既可以吸收、发出无功功率，也可以吸 收发出有功功率。而并联部分可以为串联部分的有功功率提供通道，即u p f c 装 置有吞吐有功功率的能力，因此具有非常强的控制线路潮流能力。如图2 1 为 u p f c 的原理图。 图2 1u p f c 的原理图 s s s c 通过在线路中注入电压实现其控制，提高电力系统的稳定性，扩大系 统的输送能力；灵活调节并联线路或环网中的潮流分布；抑制次同步振荡和阻尼 功率摇摆。s t a t c o m 通过并联变压器向节点注入电流实现其控制目的。 s t a t c o m 是将系统电压整流成直流并保存在一组直流电容器内，同时经过一组 逆变器将此直流电压逆变为交流电，与系统相连接。如果逆变电压高于系统电压， 则逆变器就像一组电容器向系统提供无功功率；如果电压低于系统电压，它将消 耗无功功率。主要作用有：动态无功发生，无功补偿；电压支撑；改善系统稳定 等。统一潮流控制器可以起到可控串补、无功发生器的作用。事实上，在模型系 统试验中也表明这些功能可以单独实现、顺序实现，也可以同时实现v a r 控制 方式、自动电压控制方式、电压注入方式、自动潮流控制方式等。 如图2 2 为u p f c 的简化等效电路图。串联侧可以看成是一个3 6 0 度内可变 的注入电压向量圪，幅值有上限。并联侧可以看成无功电源加一个连接阻抗连与 母线。由等效电路可以得到以下等式： 圪= k e 脾( 2 1 ) l 一￥ i s = 二啦 ( 2 2 ) 一 z 曲 线 一 母 一线一 电一 硕上论文 含u p f c 线路的自适应距离保护研究 u 2 图2 2 简化等效图 u p f c 工作方式可以分为两大方面，串联侧和并联侧工作方式。其工作参数 由图2 3 所示： 图2 3u p f c 的工作参数图 1 ) u p f c 串联侧的工作方式： ( a ) 串联补偿方式 向系统注入一个与线路电流相垂直的电压矿。逆变器在线路上可以等效为一 个电感或者电容，起到类似于可控串补t c s c 的作用。这时统一潮流控制器与系 统之间只有无功功率的交换而没有有功功率的交换。 ( b ) 电压调节 即串联补偿电压与原电压方向相同或者相反，这样只调节电压大小。 ( c ) 相角调节方式 当串联侧注入电压与线路原电压存在一个相角，这样叠加后的电压向量与原 电压产生一个电压相角。 ( d ) 多功能控制 实现以上三种方式的综合调节。 2 ) u p f c 的并联侧工作方式 ( a ) 定无功补偿方式 9 2f a c t s 原理及u p f c 数学模型硕二i ：论文 即在u p f c 容量范围内提供一定量的超前或者滞后无功补偿。系统的状态变 化时，u p f c 可以通过自动调节来维持输出无功功率的大小。 ( b ) 节点电压调节方式 通过控制向节点注入无功的大小和性质实现，其调节范围的大小受u p f c 控 制能力的限制。 由u p f c 工作原理图，在含有u p f c 的输电线路中，吃为幅值和相角都可 以变化的注入电压。如图2 4 中的吃可以在中最大注入电压为半径，入端电压瑶 端点为圆心的半径内变化。其线路工作向量关系( 忽略升压变压器的阻抗) 可如 图2 4 所示。线路电压向量，以及有功和无功的传输等式如下： 圪= v l + 圪 ( 2 3 ) 尸：v 2 xv xs i n8 ，p ：1 2 ( v ：- v c o s8 ) ( 2 4 ) 义。叉。 圪 图2 4u p f c 工作向量图 由于吃是一个幅值相角可变的向量，故在圪圪懈，色在o - 2 万变化时有功 和无功传输在某个范围内变化。 2 3u p f c 控制模型的建立 2 3 1u p f c 串并联控制之间的关系 u p f c 的控制系统主要分为两部分( 如图2 3 ) ，即串联部分控制和并联部分 控制，统一潮流控制器为实现其功能，在控制上要求：( 1 ) 直流电容器电压可调 或维持恒定；( 2 ) 并联侧无功功率可调；( 3 ) 串联变流器输出交流电压相角可调； ( 4 ) 串联变流器输出交流电压幅值可调。对应的四种控制手段为串、并联换流 器的触发相位和调制比。 并联部分的控制目标是使u p f c 产生适当的补偿电流矢量，即合适的有功 和无功电流分量，并维持直流侧电压稳定。串联部分的控制目标是使u p f c 产生 需要的补偿电压矢量“耐。并联侧的无功电流分量根据维持系统电压的需要来确 l o 硕十论文含u p f c 线路的自适应距离保护研究 定，而有功电流分量则需根据串联侧所需的有功功率来确定。取u p f c 并联侧接 入电压坎和直流侧电容电压吃为并联侧v s c 的反馈量( 为瞬时值) ，线路有 功和无功为串连逆变器的反馈量。 u p f c 装置在运行时，串联部分发出的有功功率为： = 三o ( 2 5 ) ， o 其中f 0 为串联支路上电流t 的有功电流矢量。 并联部分吸收的有功功率为： & = 一 i 一一p ( 2 6 ) 为了确保并联部分吸收的功率满足串联部分的需要，必须有： 丢“。o = 一“l 一一， ( 2 7 ) 这样就可以得到瞬时有功电流分量： 一吾( i o ) u t + 瓦= 一甜l 。一，2 育 2 名 2 3 2 串联部分控制逻辑 串联部分的理论电压幅值圪可以在0 到圪。内变化，相角疋可以在0 到2 万 内变化。常用控制方式有电压注入方式和功率注入方式。其控制原理如图2 5 。 电压注入方式就是给定参考电压，圪珂，通过p w m 调制产生相应的脉 冲，驱动换流器输出与给定参考点电压相同幅值和相角的电压。 功率注入方式就是给定参考有功最，和无功功率q 。，然后产生需要达到控 制的参考 l ：一j 图2 5 串联部分控制 2f a c t s 原理及u p f c 数学模型硕士论文 对于u p f c 的控制方式有很多，如模糊控制，非线性反馈控制，神经网络等。 论文采用常见的p i 控制器，如图2 6 为在m a t l a b 中的选用的p i 控制模型。 夕 l + _ -嗲团一+ 图2 6 p i 控制框图 若给定系统参考值，让检测出来的系统变量和参考值比较，通过p i 调节使 其误差为零。若是给定电压参考值呵，可知= s i n # ，_ = c o s 。 串联侧的控制方程为： 年k l 岖z zj 簟 ( 2 9 ) l 蝇= k x 2 i a 圪+ k x 2 2i ：圪 2 3 3 并联部分控制逻辑 u p f c 的并联侧无功补偿可以维持系统电压稳定。它通过控制u p f c 并联侧 的无功电流来实现，而维持直流侧电压稳定是对有功电流的控制来实现的， 并且需对无功补偿加以限制。控制系统根据无功和有功分量的误差，并利用锁相 环及脉冲驱动环节产生合适的驱动脉冲去控制并联变流开关器件的开关，使之产 生与系统电压同步且有一定相差的电压，从而使并联部分补偿适当的无功以维持 系统电压稳定，吸收适当的有功以维持直流侧电压稳定。图2 7 为u p f c 并联部 分控制框图。 1 2 维持 控 变流器2 图2 7u p f c 装置并联部分控制框图 并联侧同样利用p i 控制使其达到控制目标，当系统母线处电压低于参考值时 硕士论文 含u p f c 线路的自适应距离保护研究 就进行无功补偿。 并联侧的控制方程为： 泛篡二乏譬 2 4 本章小结 ( 2 1 0 ) 分析了统一潮流控制器( u p f c ) 工作原理及其意义。给出了统一潮流控制器 串联侧和并联侧的功能和工作控制方式。说明了统一潮流控制器的控制逻辑，通 过采用p i 控制，可以实现串联电压注入和并联侧无功的调节。 3 含u p f c 输电模型的建口及其对测量阻抗的影响分析硕士论文 3 含u p f c 输电模型的建立以及对距离保护影响的分析 3 1 系统仿真模型的建立 对于含有u p f c 的输电系统模型，并未有文献给出具体参数，论文的输电线 路等部分参数采用m t l a b 中的默认值。建立了一个双电源环形供电的输电系统 进行仿真。如3 1 的系统仿真模型。 图3 1 系统仿真模型图 系统模型的参数： 电源：电源1 ( p o w e rp l a n t l ) ：2 3 0 k v , 1 0 0 0 m v a 电源2 ( p o w e rp l a n t 2 ) ：2 3 0 k v , 1 2 0 0 m v a 利用发电机电源模型，控制电源1 发出有功功率为5 0 0 m w ，电源2 发出 有功功率为1 0 0 0 m w 。 变压器：变压器1 ( t r l ) ，变压器2 ( t r 2 ) ：1 0 0 0 m v a ，2 3 0 5 0 0 k v 。 输电线路：正序阻抗：z l i = 0 0 2 5 4 6 + 0 2 9 3 3 3 i ( q k m ) 零序阻抗：z l 0 = 0 3 8 6 4 + 1 2 9 6 3 4 6 7 9 2 5 7 7 2 9 i ( q k m ) 。 l l = l o o k m ( 2 2 0 k v ) ，l 2 = l 2 1 + l 2 2 = 1 0 0 k m ，l 2 1 = 4 0 k m ，l 3 = 5 0 k m ( 5 0 0 k v ) ， 其中l 2 为u p f c 所加线路，为后面章节分析测量阻抗及其继电保护 的影响，此段分析忽略对地电容的影响。 负载：b 3 处负载p l o a d = 2 0 0 m w ，b 5 处等效负载2 0 0 0 0 m v a ，5 0 0 k v 。 统一潮流控制器参数： 串联补偿部分等效变压器阻抗值zs e r i e s = 0 1 3 3 3 3 + 4 0 0 0 0 0 iq 并连补偿部分等效变压器阻抗值zs h u n t = 0 18 3 3 3 + 5 5 0 0 0 0 iq 串联部分最大注入电压幅值o 1 倍的参考电压( 线电压参考值5 0 0 k v ) 。对于 如图3 1 的5 0 0 k v 的输电线路，艮1 1 2 8 8 7 k v 。并联注入功率的最大值1 0 0 m v a r 。 1 4 硕十论文 含u p f c 线路的自适应距离保护研究 3 2u p f c 控制传输功率仿真 3 2 1 电压注入方式控制 1 ) 设定固定电压控制 首先利用电压注入控制方式控制u p f c 串联部分，对于控制注入电压设定一 个参考值，设定参考电压吃= 0 1 2 6 0 0 ( 参考线电压5 0 0 k v ，相电压2 8 8 7 k v ，所 以实际值2 8 8 7 k v 。6 0 0 为相对于母线b 2 正序电压角度) ，假设对于母线节点b l ， b 2 ，b 3 ，b 4 ，b 5 测量电压及其功率。 从o 秒丌始系统正常运行，在5 秒钟的时候投入u p f c ，仿真时间为1 5 秒。 u p f c 的控制电压输出情况如图3 2 所示。 u p f c 由压幅值v t ( a ) u p f c 电压相危t h e a t ； ! = = = = = = _ j 二二一 重卜一一卜_ 一一 图3 2 同定电压控制的u p f c 电压幅值和相角图 可以看出设定控制电压向量后，u p f c 控制电压幅值和相角在投入运行一段 时间后达到了控制的目标。系统的母线节点电压幅值变化如图3 3 所示： 董：。0 9 ；5f 二二二二= = = = 三j 三三三三刍 弘。 爹0 9 5 母线b 2 的线电压幅值 【，。】，。j。j 051 01 5 t ( s ) c 、 母线b 3 的线电压幅值 蚕：要e 三三三三至三三三三兰三三三 7 051 01 5 t ( 8 ) 。 。 母线b 4 的线电压幅值 蚕：。 5 t )051 01 5 t ( 8 ) 喜l 0 2 多0 9 8 母线b 5 的线电压幅值 051 0 1 5 t ( s ) 图3 3 系统各母线电压幅值的变化 e 丘譬d n ) 3 含u p f c 输电模型的建讧及其对测量阻抗的影响分析硕上论文 从图3 3 看出，u p f c 的注入电压使得系统的电压也发生了变化。在u p f c 装置正向出口端( 在系统图的b u 处) 的测量值可看到投入u p f c 装置后的有 功和无功功率随时间的变化如图3 4 所示： 有功功率p 变化图 t ( s ) 无功功率q 变化图 图3 4u p f c 装置出口端输电线路有功和无功的变化 可以得到在投入u p