（电力系统及其自动化专业论文）统一潮流控制器（upfc）的建模与仿真.pdf

m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fu n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r s a b s t r a c t a sat y p i c a lf 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 ) d e v i c e ，au n i f i e d p o w e rf l o wc o n t r o l l e rc a r lp r o v i d em a n yf u n c t i o n i tc a nc o n t r o lt r a n s m i s s i o nl 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 ee i t h e rs e l e c t i v e l yo rs i m u l t a n e o u s l y i na p p r o p r i a t ec o m b i n a t i o n sa n dc a na l s oc o n t r o li n d e p e n d e n t l yt h er e a la n dr e a c t i v e p o w e rf l o wi nt r a n s m i s s i o nc i r c u i t i ti st h em o s tc r e a t i v ea n df l e x i b l ec o n t r o l l e ro f f a c t sf a m i l y t h i sp a p e ra n a l y s e sb a s i cp r i n c i p l eo fu p f ca n di t sc o n t r o l l i n gf u n c t i o n ，a n d c o m p l e t ei t sm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gb yc o n s i d e r i n gt h ed y n a m i ce f f e c to fc a p a c i t o r t h em o d e lo fu p f ci nt h i sp a p e ru s e sap i dc o n t r o l l e ra n di t sc o n t r o ls y s t e ma d o p t s ad e c o u p l e ds t r a t e g y u s i n gm a t l a b ，t h i sp a p e rr e a l i z e st h ep o w e rf l o wa n a l y s e s a n dp o w e rs y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t yc o m p u t a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fp o w e r f l o wi n d i c a t et h a tu p f ch a ss t r o n gc o n t r o lc a p a b i l i t yo fp o w e rf l o wa n dv o l t a g e a n dt h ec o m p u t a t i o no ft h el a t t e rp r o v e st h a tu p f cc a ni m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t y t h r o u g h al a r g en u m b e ro f s i m u l a t i o n st h i sp a p e rg e t st h ep o w e rf l o wc h a n g i n g c h a r t o ft h es h u n tt r a n s m i s s i o nl i n ew h e nc h a n g i n gt h ec o n t r o lt a r g e to fu p f c b y o p t i m i 西n gt h ep a r a m e t e ro fp i dc o n t r o l l e rw i t l lg e n e t i ca l g o r i t h m s u p f cc a n i m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t ym o r ee f f e c t i v e l y t h er e s e a r c hw o r ki sf i n a n c i a l l ys u p p o s e db yd o c t o r - p o i n tf i n a n c i a l l ys u p p o r t e d b yt h ee d u c a t i o nm i n i s t r yo fc h i n au n d e rt h eg r a n tn o 2 0 0 2 0 3 5 9 0 0 4a n dt h e n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f a n h u ip r o v i n c eu n d e rt h eg r a n tn o 0 0 1 0 4 4 2 1 k e y w o r d s ：u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r , p o w e rf l o wr e g u l a t i n gc h a r a c t e r ， t r a n s i e n ts t a b i l i t y , p o w e rf l o wa n a l y s i so fs h u n tl i n e ，o p t i m i z i n g d e s i g no f p a r a m e t e r 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 答辩委员会签名 和哿习v 力矽，秀嗍 委员：调 i 刈 毯b 导师： 钳形稽仓炒砂氏餐 鹣p 亭疹红 欢t 啸鸣 叫f 插图清单 图2 1 统一潮流控制器结构示意图8 图2 2 简单2 节点系统示意图8 图2 3 简单系统的功率特性图9 图2 - 4p 、q 相对变化示意图9 图2 5 含u p f c 的系统示意图- 1 0 图2 - 6 不同6 时u p f c 的控制域1 3 图2 7a e p - - u p f c 结构简图1 4 图3 1u p f c 的简化模型示意图1 5 图3 2u p f c 的输出等效模型1 5 图3 3 含u p f c 的单机无穷大系统- 1 6 图3 - 4 含u p f c 的三机系统1 7 图3 - 5 含u p f c 三机系统的潮流控制1 8 图3 - 6 负荷投入前后系统的变化1 8 图3 7 含2 个u p f c 的三机系统1 9 图3 - 8 含多个u p f c 系统的潮流控制2 0 图3 - 9 含u p f c 的单机无穷大系统示意图2 1 图3 1 0u p f c 的有功设定对其并联线路潮流的影响2 2 图3 1 lu p f c 的无功设定对其并联线路潮流的影响2 3 图3 1 2u p f c 的u s e r 对线路2 潮流的影响- 2 4 图4 1电力系统各单元联系图2 6 图4 2 解耦向量图- 3 0 图4 - 3 单机无穷大系统示意图( 含故障) 3 1 图4 _ 4 暂态稳定计算流程图3 3 图4 5 不含u p f c 系统的暂态稳定仿真3 4 图4 - 6 含u p f c 系统的暂态稳定仿真r3 5 图4 7 遗传算法流程图3 9 图4 - 8 系统的控制原理图4 0 图4 - 9 优化参数后的暂态稳定仿真曲线4 1 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f 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 盒g b 三些去堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我同工作的同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i乏k 一以 签字日期：修年珀五名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留 并向国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。本人授权盒 目曼工些盍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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 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：；乙一比 签字日期：哆年弓月“日 学位论文作者毕业乒去向：谤己黉 ：r 作单位：j 。岳主j 亟六0 导师签程 签字日期：d 、年月记日 电话 邮编 致谢 论文之所以能够顺利完成，首先感谢我的导师丁明教授。正是在丁老师诲 人不倦的教导和支持下我才能够顺利完成硕士阶段的学习与研究，本论文从选 题到最后的定稿都凝聚若丁老师的心血。丁老师渊博的学术水平、严谨的教学 作风使我在学业上受益无穷，从他身上学到的实事求是的科学态度、严谨细腻 的科研方法为我未来的工作和发展打下了坚实的基础。同时，导师在生活上也 给我很多的关怀、帮助和鼓励，在此学生表示衷心的感谢和深深的敬意。同时 感谢大学时代的所有老师对我学业的指导。 本次论文工作得以顺利完成还要感谢吴红斌师兄的指导和参与，此外还要 感谢课题组成员的愉快合作，尤其是李生虎、王敏、汪兴强、张晓艳、陈闽江、 吴蓓、张静、吴义纯、刘波、史慧杰、李小燕、石雪梅、韩平平、谢君、杨飞 虎、张立军等同学和朋友给予我的鼓励和帮助，在此深表谢意。 最后还要感谢我的父母和家人。感谢多年来他们对我的支持。 作者：张一山 2 0 0 3 年3 月日 第一章前言 1 1f a c t s 元件的提出 1 1 1f a c t s 元件的研究背景 灵活交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 简称f a c t s ，也称 为柔性交流输电系统。其技术概念是由美国电力科学研究院( e p r i ) 的 n g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年提出的，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”。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 概念一经提出就受到各国电力科研院所、高等院校、电力公司和制 造厂商的重视，大量的科技论文和研究报告纷纷涌现，显示出f a c t s 技术发展 的巨大潜力，而这与良好的背景条件是密不可分的【2 】： ( 1 ) 由于电网结构日益复杂、运行任务日益繁重、环保要求日益严格等原 因，电网运行在发达国家中产生了一系列困难：功率分布中的自由潮流和负荷 变化越来越大在电网中造成大量电能损耗或被迫降低输送能力口4 】：功率输送过 程中造成“功率绕送”和“功率倒流”的情况口6 】；大量受限制的“瓶颈”环节 【7 i 等。上述这些情况严重影响了电网的正常运行，增大了合理化改造或优化潮 流的困难，更不符合当前日益形成的电力市场的迫切需求，即电力网应具有“输 电通道”( t r a n s m i s s i o na c c e s s ) 或“开放通道”( o p e na c c e s s ) 的能力【8 9 o 此 外随着负荷和电力市场的需求以及环境问题的日益严峻，获得能多送电力的新 建输电线的走廊更加困难( 一些发达国家中己无法在城市附近再修建架空线 路) 。而f a c t s 技术的提出正适应了上述情况。其效果主要体现在提高了输电 网潮流流向的控制能力以及输电线路输送能力两方面。对于发达国家，两者皆 迫切需要：而对于发展中国家，则更倾向于第二个方面 10 】。 ( 2 ) 输电技术的发展史就是交直流两种输电技术的应用竞争史。直流输电 在晶闸管被发明和应用后已经有了巨大发展，日本、美国、法国等都在努力进 行这方面的研制，期望能首先应用于新能源利用、直流背靠背装置以及f a c t s 控制器等容量相对较小的项目上，然后再提高容量，将其扩大应用到大功率的 h v d c 工程。同时，多端直流输电的发展前景将迸一步扩大h v d c 的应用范围l l o ”】。虽然直流输电的应用范围目前还有一定局限性，但随着其元器件、冷却、 结构、保护和控制技术的进一步改进，它将在输电方案的比较中对交流输电方 式形成更大的竞争力。 ( 3 ) 在f a c t s 概念形成前，已有多种后来也属于f a c t s 控制器的装置处于 研制或应用中，其中包括静止无功补偿器( s v c ) 、h i n g o r a n i 同步振荡阻尼器 ( n g h - - s s rd a m p e r ) 【l 、静止调相器( s t a t c o n ) 、静止型快速励磁系统( 包 括p s s 、l o e c 、n o e c 等附加控制) 1 4 - 1 7 、超导磁能蓄存器( s m e s ) 【1 8 】等。此 外，在直流输电装置、交通和驱动等交流变频调速系统、冶金轧机的可控静止 供电等多方面的应用中，已广泛地积累了大量的电力电子技术应用( 包括比晶 闸管更先进的元件应用) 及其控制技术的经验，这就为f a c t s 技术的快速发展 和应用奠定了基础。 ( 4 ) 电力电子技术及元器件是在半导体问世后才发展起来的。它沿着两个 方向发展：一个是集成电路，发展成微电子技术，以信息处理为主要对象：另 一个是大功率器件，发展成电力电子技术，以能量处理为主要对象。7 0 年代以 后，这两种技术又逐渐互相结合，形成新型全控型电力电子器件。8 0 年代中又 出现了智能化功率集成电路，使功率和信息的处理合二为一，从而促成了“第 二次电子革命”【1 ”，在科技发展中产生了巨大的技术作用和经济效益。因此性 能不断改进的电力电子元器件的快速发展为f a c t s 技术的发展创造了可依靠的 支持条件。 综上所述，这些条件可以概括为输电网运行的需要、来自直流输电的竞争 压力、电力电子技术和元器件的发展支持、已有f a c t s 技术产品的研制和运行 经验的积累等四个方面。这四个条件的前两个是发展f a c t s 的需求压力，是充 分条件；后两个是支持性条件，是必要条件。f a c t s 技术发展顺利的原因就在 于两种条件的较完美的结合。 正是由于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，是一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) 己 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” 2 0 1 ， 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，。 1 1 2f a c t s 的研究现状 自f a c t s 技术提出以来，无论是它的学术研究，技术开发还是工程实践都 已取得大量成果。 国外研制应用的进展很快，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1 翻，采用了晶闸管强制换相的电 压型逆变器，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 2 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 l 2 3 1 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。随后日本关西 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 l 0 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【2 4 i 。1 9 9 3 年3 月，东京电力公司分别与东 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 在东京所属新信浓变电所投 入使用【2 i 。美国电为研究院( e p r i ) 与田纳西电力局( t e n n e s s e ev a l l e y 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 ”j ，并于1 9 9 6 年1 0 月投用至今，运行情况 良好，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，同时又满足了扩充的输电需求。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 y h e d e 风场，目的是对风力发电机组进行动态控制【2 ”。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 as t a t c o m 的静止无功补偿系统 2 ”，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。 f a c t s 技术在中国的发展，从总体上说要比世界上工业发达的国家滞后， 但是我国的有关科技领导机构己注意到f a c t s 技术的开拓研究，国家攀登计划、 基金委重点项目、电力部重点科研计划等都列入了f a c t s 内容，有关的一些规 划、科研、生产单位和高校都已开始研究开发工作，如改进计算程序和实验室 设备，建立或补充控制器模型等工作。 我国对s v c 的研究与应用始于7 0 年代末，至今已积累了较多的s v c 运行经 验，其制造技术也已相当成熟。目前我国大陆在5 0 0 k v 系统中运行的进口s v c 有6 台，在钢铁企业中也有较多的应用【3 “。1 9 9 4 年作为原电力部重大科技攻关项 目，河南省电力局和清华大学共同研制了2 0 m v a r 的s 私t c o m 【3 lj 。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 r 的s t a t c o m 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，l o 月2 5 日通过 河南省电力试验研究所的7 2 , 1 , 时满载测试，1 1 月1 5 日又通过了由中国电力科学 研究院进行的性能测试。测试结果表明2 0 m v a r 的s t a t c o m 达到了预期的各项 设计指标。2 0 0 0 年6 月2 7 日，由电力总公司科技环保部主持，在洛阳成功地进行 了鉴定。该装置的研制锻炼了一支拥有我国人数最多的f a c t s 领域高级研究人 才的群体，初步建成了我国实力最强的f a c t s 技术的研究基地，同时使我国成 为国际上第4 个拥有大容量s t a t c o m 的国家，是国内继铁道科学研究院与株州 电气机车研究所联合研制成功电气机车用2 m w 逆变器( 19 9 8 年人民日报有 报道) 后国内自主研制成功的最大容量的逆变器( 5 m v a r ) ，作为国内首台投入 应用的大容量f a c t s 设备，也将成为中国f a c t s 研究应用领域的一个重要里程 碑。国家电力公司电力自动化研究院、中国电力科学研究院、华北电力大学和 东北电力学院等单位都曾在这个领域进行过装置级的研制，分别做出了自己的 贡献。另外电科院等单位和东北电管局在国家自然科学基金会和电力部联合资 助下，合作在东北电力系统的伊敏一冯屯输电线路冯屯侧安装了t c s c ，取消了 经过大森林工程浩大的第三条输电线的建设，并解决了伊敏电厂两台5 0 0 m w 和 两台6 0 0 m w 发电机经双回5 0 0 k v 线路向东北电网主网送电时存在的严重暂态 稳定问题p “。 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。此外相对于国外市场，我国对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 电压时会降低很多，为达到同样效果则需要增加到1 2 0 0 m v a r 。可见，二十一世 纪我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 。行业需求的f a c t s 己被列为“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 l 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”。 1 1 3f a c t s 的局限性 f a c t s 虽然具有许多优点，然而也很有必要对其局限性以及还存在的一些 问题进行一下分析： ( 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。因此就长期的发 展来看，电网中f a c t s 设备的引入带来了短时间内的灵活性，但是减少了长时 期内的灵活性。 ( 2 ) f a c t s 设备的复杂控制结构以及对通信设施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，f a c t s 控制器除了具有工程造价高的缺点外，仍存在许 多需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，将它们的优点有机结合， 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。 1 2u p f c 的研究现状 1 2 1u p f c 的提出 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 d p o w e r f l o w c o n t r o l l e r ，缩写为u p f c ) 的概念d 3 1 ，在一系列的文章中， g y u g y i l 逐渐完善了对u p f c 的描述和分析。u p f c 的基本思想是用一种统一的 晶闸管控制装置，仅仅通过控制规律的变化调节功率和线路参数，分别或同时 实现并联补偿、串连补偿、移相等几种不同的功能，提高线路的传输能力、稳 定性及阻尼振荡等。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 ( m i l e s t o n eo f f a c t st e c h n o l o g y ) d 4 】，对它的研究已引起各国电力界的高度重 视。 1 2 2u p f c 的研究现状 统一潮流控制器的研究工作主要集中在：u p f c 的数学模型、u p f c 的控制 策略以及u p f c 的实际应用。 ( 1 ) u p f c 的数学模型 3 4 , 3 6 1 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。 目前f a c t s 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 求出装置的解析方程【3 ”。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，通常将装置 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。 如果要进一步分析其内部特性，则可以采用开关函数法【3 ”。 就u p f c 来说，潮流计算的方法可分为等效功率注入的解耦方法和联立求解 方法两类，后者的收敛特性比较好。但不管采用什么方法计算u p f c 潮流，大多 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，并通 过这两个电源参数的变化，来调节电力系统的运行状态【3 9 1 。而对于含u p f c 的系 统动态仿真，文献 4 0 1 考虑了两个变换器的脉宽和相角的控制输入，用5 阶非线 性方程来描述u p f c 的动态过程。文献【4 1 利用u p f c 变换器的交流侧与直流侧的 电压及相位与变换器触发角问的关系，在计及直流电容器的u p f c 动态模型基础 上，引入交替迭代法实现u p f c 与电力系统的接口。文献 4 2 在d q 一0 轴坐标 系下，以线路有功、无功及母线电压幅值为反馈输入，建立了含u p f c 的网络方 程和系统的动态方程。 ( 2 ) u p f c 的控制策略 对于一个优秀的f a c t s ：元件控制器至少应该具备以下三个功能1 4 3 l ：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。这些功能涉及 到系统的可观性需要运用系统辨识、状态估计、通信等多方面的知识。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【4 4 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，女i l o e c ；反馈线性化，p h d f l r 4 ”、微分几何法1 4 6 ) 、 逆系统方法f 4 ”等：观测线性化) ；分散控制法；鲁棒控制和变结构控制方法 删；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 ) 1 4 叫 而对于u p f c 的控制策略研究而言，文献 5 0 基于一种李雅普诺夫能量函数 方法即类似通过选择能量函数v ，求解使矿s0 满足的条件，设计了u p f c 抑止系 统振荡的控制方法：文献 3 3 将u p f c 控制系统在功能上分为内部控制和外部控 制，内部控制提供逆变器的触发信号，控制两只变换器以产生所需要的串联注 入电压和并联抽取电流，外部控制主要负责产生串联注入电压和并联抽取电流 的信号；文献 5 1 首先利用功率平衡关系即电容c 储能的变化率等于u p f c 吸收 的总的瞬时功率并用惯性环节描述控制量的输入输出，得出描述u p f c 动态行为 的一组微分方程。将u p f c 的控制目标定为维持线路有功功率、无功功率、节点 电压以及直流侧电容器电压为设定值，前者通过串联变换器的控制来实现，后 者通过并联侧变换器的控制实现，控制方法均采用p i 控制：文献 5 2 考虑u p f c 的电压调节和潮流控制作用，以u p f c 串联侧输出电压的横向量和纵向量以及并 联侧输出电流的横向量为控制输入，以p i 控制方式设计u p f c 的控制器；文献 5 3 应用p i d 和非线性控制理论，对u p f c 分别用作并联补偿器、移相器等运行时的 动态行为进行了研究：罗春雷等推导了含u p f c 单机无穷大系统的功率方程，用 二阶状态方程来描述u p f c 的动态性能并设计了最优控制器1 5 4 j ；文献 5 5 结合系 统的主导特征值选择合适的反馈变量，提出了二阶系统中的变结构控制方法； 奚江惠等在文献 5 6 中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， 以提高电力系统的暂态稳定性；而w a n g 等在文献 5 7 中通过对含有u p f c 的电 力系统建立线性化的p h i l l i p s h e r r o n 模型，利用相位补偿方法设计了u p f c 阻尼控 制器。 但是到目前为止，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。因此本文基于这个考虑，采用了传统的p i d 控制方法，并重点考察了其优 化过程。 ( 3 ) u p f c 的实际应用 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 ) 和西屋电气公司以及美国 e p r i 合作，研制了世界上第一台u p f c ，并安装在a e p 电网的肯塔基州的东部b i g s a n d y 至l j l n e z 的一条1 3 8 k v 线路的i n e z 变电站内。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。 通过此u p f c ，不但彻底解决了电网问题，提高了系统的动态特性，而且使 线路的输送能力得到了充分利用，与没有u p f c 相比，输送能力提高了1 0 0 m w ， 线路功率损耗减少了2 4 m w ，并且推迟了新架设一条3 4 5k v 线路的计划【5 8 1 。 1 , 3 本次研究工作简介 本课题是教育部博士点基金和安徽省自然科学基金项目所属内容，本文重 点做了以下几个方面工作： ( 1 ) 含u p f c 的潮流分析，特别是u p f c 对于其并联线路的影响： ( 2 ) 含u p f c 的暂态稳定性分析，并对u p f c 控制器进行了参数优化； ( 3 ) 通过编制相应的程序和算例分析，验证了以上算法和模型的正确性和 有效性。 在研究过程中，完成中文学术论文一篇，已录用。 第二章u p f c 的基本原理及其控制能力分析 2 1u p f c 的基本结构 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。它是将一个由换流器 2 产生的交流电压通过变压器t 2 串入加在输电线相电压上，使其幅值和相角均可 连续变化，从而实现线路有功功率的准确调节：同时换流器l 通过变压器t 1 并联 接入系统，除了向换流器2 提供有功功率外还可通过t 1 向系统吸收或注入无功功 率，可看作是可控的并联静止无功补偿器。它的结构如图2 1 ： 图2 - 1 统一潮流控制器结构示意图 2 2u p f c 的基本原理及其控制能力分析1 为便于分析，假设一个简单的2 节点系统，如图2 - 2 所示 图2 - 2 简单2 节点系统示意图 上图中v s 、v r 分别是送端电压和受端电压，x 为线路阻抗，且v s = v z 占 v r = v o 。，则送端功率和受端功率为： 以( 警 + = 半+ ，芈掣 嘶( 警 + = 华一，芈掣 显然有功功率和无功功率随占变化而变化，其轨迹如图2 - 3 所示 图2 - 3 简单系统的功率特性图 注：p 、q 已取基准值晶= y 名 而p 和q 的相对变化如图2 - 4 所示： 图2 - 4p 、q 相对变化示意图 在系统中加入u p f c 以后，系统接线如下： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 此时两端功率变为： & 蜥( 拦芦 + 靠( 警+ 封 沼s ， 驴 等一( 警+ 射 沼4 ， 令婶= v z o t ，且0 v v 。双，0 口2 7 r ，贝0 耻删d c 等j 哦+ f f - z 6 - a + 三 沼s ， 耻+ 一( 警j 喃。+ 竿么争口 协e ， 因此可以认为在加入u p f c 后，送端和受端的功率是在未加入u p f c 的功 率基础上再加上由于引入v p q 而产生的s 。 可以展开式( 2 5 ) 和式( 2 - 6 ) 得： s 。：! ：二j ；堡堕一! 二掣+ j ! 半+ ! 二! 二兰；i 乏型 c z ，) 耻华+ 等等+ 寸掣+ 一v v c o s a t 协s ， 由上面两式可以看出，由于引入了v 送端功率和受端功率不仅要随着万 变化而变化，同时也要受到v 及口的影响，若在给定的巧下，考虑到0 v 茎v 。 和0 蔓口2 r t ，则功率变化图应是一个控制域。 对于u p f c 而言，要控制的是受端功率和因引入v p q 后无功的变化，因此 可以分别对送端和受端作出有功和无功相对变化的轨迹。 ，：兰：墅。竺：! ：塑竺 xx q ：掣+ t v v c o s ( 8 - a )xx 令v = a x ， ( 1 ) 当万 并消去口得 。时 p 2 + q 2 2 ( 2 ) 当占= 时 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) f ( p _ 弘”老一m 4 ，孙期2 + ( p _ 势c o 寺 一o ) 渤剖2 = 伊( 跏寺铷 ( 2 1 2 ) ( 3 ) 当占= 时 ( p - 0 8 6 6 ) s n 6 一5 ) 铷6 2 + p - 0 8 6 6 ) c o s 6 一( q _ o _ 5 ) 渤刳2 = 降( 姘詈一2 甜 ( 2 - 1 3 ) ( 4 ) 当占：以时 p=d 而对于受端 p = y 2 s i n 6y ，v s i n o t + xx q = 一掣+ _ v v 广c o s c t 类似于送端的分析，可得： ( 1 ) 当占= 0 时 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) p ：+ d z ：f 堡 2 一 lv ( 2 ) 当j = 时 ( p 一妒 + 0 1 3 4 ) 2 = 等 2 ( 3 ) 当占= 时 ( p - 0 8 6 6 ) 2 + ( 9 + o s ) 2 - ( 等 2 ( 4 ) 当巧= 必时 ( p - 1 ) 2 协，) 2 _ ( 等) 2 因此在占= 0 ，么，么时，他们控制域如图2 6 所示 5 = 0 扫，击 5 6 8 = 埔 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 5 。s ： 5 o 骑 。 夕5。o 芎1 口c山口c一!u正 。s f 1 。 劝广 叫 d 5 l o 。1 p 可c山ac一它c - j o s ? 1 1 3 一一卅i 0 5 050 ：1 。芎1 屯c山翻c一u叱 5 o s 。 0 芴。 1 5 扣50 1 q 1 卫山耳c一屯 2 肛- x t 3 5 0 f 0 一二劢_ 5 扣500 5101 p 6 = 啦 l 。 夕： 0 s t 10 口5 05d0 51041 5 5 扫a 舟 5 0 s 0 【5一二劢1 旬5口0 510 畸1 d 05 乒们 i 。 一 0 s t 10 0 5 旬500 51dj1 d 图2 6 不同6 时u p f c 的控制域 5 2 3 a e p u p f c 介绍 a e p 的u p f c 安装在系统中南部的i n e z 地区7 6 5 1 3 8 k v 电网，该地区大部分 为乡村地区，面积约1 6 3 1 7k m 2 ，人口约6 7 万。由于考虑到该地区迫切需要提高 电力输送能力和电压支持，因此a e p 决定采用安装统一潮流控制器来解决这些 问题【5 9 】。 a e p - - u p f c 包含两个同样的晶闸管开关电路( g t d ) 换流器，它们可以产 生可控的无功功率。2 个换流器能够被组合安装在单一的单元中，以便提供包括 并联及串联的全部潮流补偿和进行电压调节及移相的控制功能。整个设备的组 成包括1 个由静止晶闸管开关电路控制的补偿器和1 个串联电压源逆变器。前者 的额定容量为1 6 0 m v a ，它可提供1 5 0 m v a r 的无功并联补偿和u p f c 满负荷运 行方式下所需要的5 0 m w 的有功功率；后者的容量同为1 6 0m v a ，可提供相角 转换和或串联补偿。2 个逆变器同样都有利于实现静止补偿和串联潮流控制器 之间的潮流转换。它的电路结构如图2 7 所示 6 0 】： 口cuc一u工 图2 - 7a e p - - u p f c 结构简图 可以看出在这样的结构下，可以有多种运行方式。在正常工作状态下，两 个逆变器通过与直流电容器相连，作u p f c 运行；而由于某些原因一个逆变器退 出运行时，另一个逆变器也可以通过断开直流侧开关单独运行。逆变器1 可以由 任一个主变压器( 即通过并联变压器或串联变压器) 接入系统，作s a t c o m 运 行。逆变器2 可以作为s s s c 运行，也可以通过备用变压器接入系统作为一个备 用或是补充的s a t c o m 。在后一种情况下，可以使总的并联无功补偿容量达到 3 2 0 m v a 。这种设计也是由该地区首要解决的任务是并联补偿所决定的。 4 第三章u p f c 的潮流调节特性分析 3 1 含u p f c 的电力系统潮流计算模型及其实现 3 1 iu p f c 在潮流计算中的数学模型 图2 1 所示的u p f c 结构示意图可以等效为图3 - 1 ： 图3 - 1u p f c 的简化模型示意图 其中u p f c 由变压器和换流器( v o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r s ) 构成的串联侧 和并联