（电力系统及其自动化专业论文）统一潮流控制器（upfc）稳态运行特性的研究与实验.pdf

a b s t r a c l r e s e a r c ha n de x p e r l m e n to f t h ed a r l e s s r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i co nu p f c a b s t r a c t t h eu n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ( u p f c ) i so n eo ft h em o s te n t e r p r i s i n g r e a l i z a t i o n so ft h ei d e ao ff 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 ) h a v i n gt h e a b i l i t yo fc o n t r o l l i n gm o s to f t h eb a s i cp o w e r s y s t e mp a r a m e t e r s ，u p f cc a nf l e x i b l y a d j u s tt h er e a la n dr e a c t i v ep o w e rt h r o u g h t h et r a n s m i s s i o nl i n e ，d a m pt h eo s c i l l a t i o n ， a n de n h a n c et h es t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e ma n ds oo n t h e s ec h a r a c t e r sm a k eu p f c t h em o s td e s i r a b l ec o n t r o ld e v i c ei na ct r a n s m i s s i o ns y s t e m i nt h i s p a p e lw ep r e s e n t e dt h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t y o fu p f c ，w h i c h i n c l u d et h ec o n t r o lm e t h o d o l o g ya n di t si n f l u e n c eo np o w e rs y s t e mo p e r a t i o n ，a n d p o w e r f u lf m l c t i o no ft h ed i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s o ro ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a tf i r s t a f t e r a n a l y z i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fu p f ca n dt h ep r i n c i p l eo fs p w mb yw h i c hc a l l v a l i d l y r e s t r a i nh u m o r o u s w a v e ，a n d t h e nt h ec o n t r o lm e t h o d sa r e d e s i g n e d f u r t h e r m o r e ，ap r o g r a mf l o wc h a r ta n di t si m p l e m e n t a t i o na r cg i v e nb a s e do nd s e a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra l s o d e s i g n e da n dc o m p o s e dt h em a i ns t r u c t u r e c i r c u i t sw h o s ec e n t e r p o r t s o fa na p p a r a t u sa r em a i n l yc o n s t i t u t e d b yi g b t ，t h e c o n t r o lc i r c u i t sm l o s ec e n t e rp o r t so fa na p p a r a t u sa r em a i n l yc o n s t i t u t e d b yt h e d i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s o ro ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，a n dt h ep r o g r a mw h o s ec e n t e rm a t t e ri s s p w mw i t ht h ec i r c u i t sa n ds o f t w a r e t h e1 g b to fg t 4 0 t 3 0 ih a sr a p i do n o f f s p e e d ，l o wo p e n f o r mv o l t a g e ，h i g hb e a r i n gv o l t a g ea n db i gb e a r i n gc u r r e n ta n ds o o ns t r o n g p o i n t t h ed s po f7 r m s 3 2 0 l f 2 4 0 7h a sf l e x i b l ei n s t r u c t i o n s ，r a p i dp e r f o r m s p e e d ，a n dh i g hr e l i a b i l i t y a n ds oo ns t r o n g p o i n t i t sc o n t r o le f f e c ti sb e t t e rt h a n w h i c hu s es c m 一 垒! 壁壁! - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ ，_ _ _ - _ - at e n t a t i v eu p f cd e v i c ei sb u i l du pa n d l o t so f e x p e r i m e n t si n c l u d i n g c o l l e c l i o n d a t a ，s c a l i n gf r e q u e n c no u t p u t t i n gs p w m w a v ef r o mt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，o u t p u u i n g s p w mw a v ef r o md r i v ec i r c u i t ，o u t p u t t i n gc o m m u t a t e dw a v e f r o mt h ef i r s tc o n v e y o r o u t p u t t i n gw a v ef r o m t h es e c o n dc o n v e r t o ro rw i t hf i l t e r a n ds o o n ，p r o v et h e f e a s i b i l i t yo f t h ed e v i c et h a te s t a b l i s h e st h er a t i o n a l i t yo f t h ed e s i g ni d e a a l lt h a tw i l l a f f o r dt e c h n i q u eh e l pa n de x p e r i m e n tf l a tr o o f i no r d e r t of u r t h e rr e s e a r c ho f u p f c k e y w o r d s ：u p f c ；i o b t ，s p w m ；d s p ； 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广曲大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有伍著作权法规定范罔内学位论文的使用权，其叶 包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采h j 影印、缩印或其他复制于段保存研究生上交的学位沦文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 糊室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名 h朗 魄讯 型：矗：! 导师签名 日期 托b o o 。f 学 主要符号对照表 主要符号对照表 统一潮流控制器 柔性变流输电系统 数字信号处理器 绝缘栅极晶体管 静i r 无功发生器 静止无功补偿器 脉宽调制 正弦脉宽调制 模数转换模块 快速傅屯叶变换 电流 电流有功分量 电流无功分量 电压 有功功率 无功功率 补偿电压 电抗 电容 电阻 ll器|；|；|罴箸，?；p g； 第1 章引言 第1 章引言 1 1 统一潮流控制器产生的背景条件 随着现代电力系统自动化技术及电力电子技术的发展，柔性交流输电系统 ( 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 ) 技术倍受学术界关注。 f a c is 核心技术是将传输线路参数作为控制量束调整潮流，从而实现了输电能力 的高效灵活控制，达到改善电力系统静态和动态稳定的目的。统一潮流控制器 ( u n i f i e dp o w e rf 1 0 wc o n t r o l l e r u p f c ) 是f a c t s 家族功能最强大的装置， 它的产生是f a c t s 技术和电力电子器件不断发展的结果。 1 1 1以u p f o 为代表f a c t s 技术的发展背景 柔性交流输电系统( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，简称f a c t s ) 的 概念最初是由美国电力科学研究院著名的电力专家n g h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年提出 的“1 。1 9 9 7 年在i e e e 电力工程学会上被修正为：所谓f a c t s ，即是装有电力电子 型或其它静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统”。 f a c f s 技术的产生是解决电力输电网运行和发展中各种困难的客观需要。 多年来，由于电网结构同益复杂、运行任务同益繁重、环保要求日益严格等 原因，电网运行在许多国家产生了一系列困难： 首先，由于输电可控性较差( 跟发电、配用电相比) ，功率分布中的自由潮 流和负荷变化很大。 其次，由于输电剐缺少快速控制手段，在功率输送过程中常造成“功率绕送” 和“功率倒流”情况1 “。 再次，交流输电线需要经常投切，以改变电网结构或断开故障，但目前主要 依靠机械型断路器。这种断路器速度慢、维修量大，是形成暂态稳定问题严重的 重要因素，同时也是输电可控性差的主要原因之。 最后，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等原因，使已有输电线的负担日益加重，输送电能力 不足的矛盾h 益突出。 第l 章引言 1 1 2 电力电子技术和元器件本身的发展 电力电子技术及元器件是在半导体问世后发展起来的。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。后来又出现了智能化功 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。性能 不断改进的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靠的支 持条件。 1 1 3 采用f a c t s 技术可取得的主要作用3 不论是从平衡稳态潮流的角度，还是从提高系统动态稳定性进而提高线路输 送能力的角度出发，实现对电力系统的三个基本参数：电压、相位和阻抗的直接 快速控制是至关重要的。而f a c t s 技术正是应用现代电力电子装置和技术，对 电力系统的参数( 电压、相位差、阻抗等) 以及网络结构进行快速灵活控制，极 大地提高现有高压输电线路的输送能力和系统稳定性，使输电更加可靠有效。可 见，f a c t s 技术的提出，是电力系统发展的需要。 具体的说，其主要作用有以下几个方面： 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又不过负荷。 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。 j 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。 1 1 4 电力系统几种主要调压措施 到目阿为止，电力系统主要的调压方式有以下几种： 首先是改变发电机端电压调压。 这种调压手段是一种不需耗费投资，且是最直接的调压方法，应首先考虑采 用。发电机的电压调整是借助于调整发电机的励磁电压，以改变发电机转子绕组 的励磁电流，就可以改变发电机定子端电压。现代同步发电机在端电压偏离额定 值不超过5 范围内，能够以额定功率运行。 对于不同的供电网络，发电机调压所起的作用是不同的。对于发电机不经升 第l 章引言 对于不同的供电网络，发电机调压所起的作用是不同的。对于发电机不经升 压直接供电的小型电力系统中，供电线路不长，线路上的电压损耗不大，借改变 发电机端电压的方法，例如实行逆调压就可以满足负荷点要求的电压质量。对由 发电机经多级变压向负荷供电的大中型电力系统中，线路较长，供电范围较大， 从发电厂到最远处的负荷之间的电压损耗和变化幅度都很大，这时，单靠发电机 调压是不能解决问题的。那么发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质 量要求，即发电机采用逆调压方式。对于远处负荷的电压变动，只能靠其它调压 方法来解决。 对有若干发电厂并列运行的大型电力系统，利用发电机调压，会出现新的问 题。首先，当要提高发电机的电压时，则该发电机就要多输出无功功率，这就要 求进行电压调整的电厂有相当充裕的无功容量储备。另外，电力系统内并联运行 的发电厂中，调整个别发电厂的母线电压，会引起系统中无功功率的重新分配， 这还可能同无功功率的经济分配发生矛盾。 其次是改变变压器变比调压。 变压器调压主要包括利用变压器分接头调压、利用有载调压变压器调压和利 用加压调压变压器调压三种。我国制造的双绕组电力变压器的高压组上，除主分 接头以外，还有几个附加分接头，供不同电压需要时使用。对于不具有带负荷切 换分接头装置的变压器，改变分接头时需要停电，因此必须在事先选好一个合适 的分接头，兼顾运行中出现的最大负荷和最小负荷，使电压偏差不超过允许范围， 这种分接头不适合频繁操作，往往只是作季节性操作。这种无载调压变压器调压 范围不大，一般5 ，当输电线路比较长，负荷变化又很大的情况下，使用无载 调压变压器是不能满足电压偏差要求的，需要采用有载调压变压器。有载调压变 压器的调压范围要大一些，而且可以随时调整，容易满足电力用户对电力偏差的 要求。 再次是改变电力网无功功率分布调压。 当电力系统无功电源不足时，就不能单靠改变变压器的变比来调压，而需要 在适当地点对所缺无功进行补偿，这样就改变了电力网中无功功率分布。电力系 统中的无功电源主要包括同步发电机、同期调相机、并联电容器和其他静止补偿 器。 同步发电机是电力系统中唯一的有功功率电源，同时也是基本的无功功率电 源。当系统中无功电源不足，而有功备用容量又较充裕时，可利用靠近负荷中心 第1 章引言 的发电机降低功率因数运行，多发无功功率以提高f 邑力网的电压水平。但是发电 机的运行点不应越出p q 极限曲线的范围。 静止调相机实际上就是一种不带机械负载的同步电动机，调节其励磁，既可 发出无功功率，又可吸收无功功率。它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联 电容器得到大量采用后，它退居到次要地位。 并联电容器是电网中用得最多的一种专用无功功率补偿设备，但是它存在输 出无功功率与安装处电压平方成正比的缺点。当电压降低时，特别是由于故障而 电压下降时，系统需要得到电压的支撑，而并联电容器的输出无功功率却急剧下 降1 。 静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，它将可控电容 器和电抗器并联使用，电容器可发出无功功率，可控电抗器可吸收无功功率。根 据负荷变动隋况，静止补偿器可以迅速改变输出的无功功率或保持母线电压恒 定。 还有是改变电力网参数。 由于改变线路的电阻和电抗，能起到改变电压损耗的作用，所以我们可以采 用减小线路中的电抗来减小线路中的电压损耗。采用分裂导线就可以明显降低线 路电抗，这样有利于电力系统的稳定性，提高线路的输电能力。采用串联电容补 偿也可减小线路的电抗。 最后，本课题研究的统一潮流控制器( u p f c ) 。 美国西屋科技中心的l ig y u g y 博士于1 9 9 2 年提出了统一潮流控制器 ( u n i f i e dp o w e rf 1 0 wc o n t r o l l e r ，简称u p f c ) 的概念“：它采用一种通用的可 控硅装置，通过控制规律的协调，实现多种控制功能。由于统一潮流控制器能分 别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同的功能，因此成为了f a c t s 家族中最具代表性且最有吸引力的一员。 1 2 国内外应用f a c t s 技术的现状 1 2 1 国9 1 、应用f a c t s 技术的现状 r 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 月投运了世界七 第1 章引言 1 9 8 6 年1 0 月，由美国电力研究院和美国西屋电气公司共同研制的+ 一1 m v a 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 0 作为逆变器的静j l 补偿器。 1 9 9 1 年，h 本关西电力公司与三菱电机公司研制成功+ 一8 0 m v a 的s i a t c o m 并 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，提高了系统稳定斗牛。1 9 9 1 年1 2 月，世界上第一台单相可控硅控制的串联 电容( t s s c ) 已存美国投入试运行，1 9 9 2 年三相可控硅控制的串联电容( t c s c ) 由美固w e s t e r na r e ap o w e ra d m i n i s t a t i or l 安装完成，将传输功率从3 0 0 m w 提 高到4 0 0 m w 。美国e p r i 与阳纳西电力局( t e n n e s s e ev a l l e ya 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 0k v 变电站建造 了 1 0 0m v a rs t a t c o m ”，并于1 9 9 6 年1 0 月投运至今，运行倩况良好。1 9 9 7 年，德国西fj 子公司将开发研制的8m v as t a t c o m ( 又称g t o s v c ) 安装在月 麦的r e j s h yh e d e 风场，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 l6 r i dc o m p a n y ，n g c ) 在其4 0 0 k v 系统内安装了由法国a 1 s t o m 输配 电公司研制的采用了+ 一7 5 m v a 的s t a t c o m 的静止无功补偿系统“。美国在 k e n t u c k y 东部的i n e z 变电站装设的目前世界上唯一的u p f c 装置，是到目前为 l l 容量最大的p a c t s 装置，其串联部分和并联部分容量各为+ 一1 6 0 m v a 。其中并 联部分于1 9 9 7 年7 月完成，串联部分于1 9 9 8 年6 月投入运行“”3 。 1 2 2 国内应用f a c t s 技术的现状 8 0 年代，国内已丌始了f a c t s 系统的理论研究及具体f a c t s 装置和控制 器的研究工作。1 9 8 5 年我国华北电力学院就曾利用晶闸管研制成功1 0 k v a r 的静 止调相机模型装置。我国在附加控制研究方面已居世界领先地位。主要代表是 清华大学的卢强院士【6j i “。以其它控制理论为基础的系统还有多种，1 9 9 5 年中 投运的一台工业样机就采用了我国学者创建的直接反馈线性化的非线性控制策 略”j ，效果也属良好，模糊控制励磁系统也有应用 9 1 。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 0m v a rs t a t c o m 20 1 。 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。电科院首先建 白：，u p f c 控制器的模型，其结果证明了u p f c 良好的效果和功能川。 第l 章引言 1 ，3 统一潮流控制器( u p f c ) 的研究现状 目前，对统一潮流控制器的研究主要集中在四个方面： 1 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。l g y u g y i 较早丌 始研究f a c t s 设备，包括u p f c 。文献 2 4 2 9 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 6 还比较了u p f c 与t c s c 以及u p f c 与t c p a r 在潮流控制方面的性能，得出了u p f c 均优于另外两者的结 论。文献 3 0 研究了用d - q 轴方程描述u p f c 的串联注入电压分支，以此来讨论 u p f c 控制含两条母线系统潮流的效果。 2 暂态稳定控制 对u p f c 的暂态过程的研究采用m a t l a b 、e m t d c 和e m t p ( 电磁暂态仿真) 仿真或通过动模试验来进行，研究u p f c 的控制特性、u p f c 对电力系统稳定性的 作用、电力系统不同运行工况对u p f c 的影响等。文献 3 1 考虑了u p f c 的串联 电压源支路以电流为输入、电压为输出，建立了u p f c 的相应控制环节，并引入 到系统的暂态稳定分析中。文献 3 2 中利用类似能量函数方法设计了u p f c 抑制 线路发生大故障时的电磁振荡，并与t c s c ，t c p s t 进行了抗干扰比较，还得到了 多个f a c t s 元件的综合作用优于单个元件的结论。文献 3 3 中将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，分别分解出有功分量和 无功分量，用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 4 对 u p f c 与s v c 及p s s 在控制的柔性和控制的范围等进行了分析比较，提出了一种 确定u p f c 安装位置的分析方法。文献 3 5 研究了基于u p f c 的多机电力系统的 线性化p h i i p s f e f f r o n 模型，并应用这个模型研究u p f c 控制功能及多机电 力系统的动态稳定性。文献 3 6 研究了u p f c 在各种运行状态的控制特性，分析 研究其对系统暂态稳定性的影响以及u p f c 的控制参数对控制系统稳定性的影 响。文献i 3 7 研究了线路功率波动对u p f c 的动态行为的影响，在电力系统功率 波动的条件下，u p f c 具有阻尼线路功率波动的作用。文献 5 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，以提高电力系统的暂态稳定性。 3 u p f c 的数学模型 文献【3 8 提供了一种把串、并联逆变器等效为两个电压源的数学模型。而 文献 3 9 则提供了一埽中把并联逆变器等效为两个电流源、串联逆变器等效为一 个电压源的模型。文献 4 0 提供了一种考虑脉宽调制变量的u p f c 数学模型。文 第1 章引言 献 4 1 提供了一种动力学的u p f c 模型。文献 4 2 提出了一种动态矢量模型，并 通过仿真结果证明了该数学模型比基于时域的模型精度要高，并可缩短仿真时 问。 4 研究u p f c 的控制方法。 基于f a c t s 的功率电子控制器与机械控制器相比，其主要优点在于响应速度 因而不仅要探究u p f c 的稳态潮流控制的作用，也要研究其提高动态稳定性的功 效，即将u p f c 作为一个被控对象，对已建模型实施有效控制，使其具有要求的动 态性能。采用电子控制，u p f c 可有串联电压源的幅值和相位以及并联电压源的 幅值和相角4 个自由度。u p f c 能够使得注入的串联电压相量像理想的那样连续 而快速地改变大小或相角，因而不仅能在较大的有功功率p 和无功功率q 范围 内建立一个运行点，而且可以灵活地从一个运行点转移到另一个运行点。所以， u p f c 装置的引入，一方面增强了电力系统的可控性，另一方面也向传统的电力系 统控制器的设计提出了挑战，如何运用串联电压源和并联电压源来实现u p f c 控 制并非易事，寻找合适的控制策略和控制器设计方法是其关键所在。 为了既能够通过设定控制器的参考值实现功功率、无功功率等稳态目标，又 能凭借适当调整控制器的参数改善动态和暂态稳定性，前人进行了广泛而深刻 的研究，从理论上找到了许多控制方法，其中比较典型的有以下几种控制策略： 首先是李雅普诺夫能量函数法。文献 4 3 基于李雅普诺夫能量函数法，通 过选择能量函数v ，求解使v 0 满足的条件，设计了u p f c 抑制系统振荡的控制 方法。文献 4 4 忽略了李雅普诺夫能量函数对时间导数中的某些附加项后，推 导出以u p f c 串联侧两端母线电压的相位差为输入信号的控制规律，它对网络结 构、故障地点及系统负荷有较好的鲁棒性。 其次是p i d 控制。文献 4 5 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耿电流 的信号。文献 4 6 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 的一纠微分方程。将u p f c 的控制目标定为维持线路有功功率p ，、无功功率p ，、 节点电压u ，及直流侧电容电压为设定值，前者通过串联逆变器2 的控制来实现， 后者通过并联侧逆变器1 的控制实现，控制方式均采用p i d 控制。文献 4 7 在应 用f u z z y 技术设计控制器方面做了有益的尝试，但该技术在u p f c 综合智能控制 第1 章引言 器的设计和应用方面还存在着较大的困难。 另外，还有一些其它的控制方法。文献 4 8 应用非线性控制理论，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。文献 4 9 推导 了含u p f c 单机无穷大系统的功率方程，用5 阶状态方程来描述u p f c 的动态性能， 并基于线性最优控制理论设计了控制器，但它只是在系统的运行点处进行近似 线性化，一旦系统的实际运行点与设计所选的运行点有较大的偏差时，所设计 的控制器就难以发挥应有的作用。文献 5 0 结合系统的主导特征值选择合适的 反馈变量，提出了2 阶系统中u p f c 的变结构控制方法。文献 5 2 1 通过对含有u p f c 的电力系统建立线性化的ph 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。 1 4 本课题研究的意义 近年来，由于电网容量的增加，对电能质量的要求也与日增加。在电力系 统中应保持无功功率平衡和电压稳定，否则将会引起电压降低，设备损坏，功 率因数下降，严重时会使系统电压崩溃、解裂，造成大面积停电事故。 统一潮流控制器u p f c 作为功能最完善的f a c t s 设备，可以对有功、无功和 电压分别进行控制。兼具串联补偿器和并联补偿器的功能，可以在准确控制系统 电压的同时，对输电线路上的有功与无功潮流进行控制。这对于优化系统的运行、 提高系统的暂态稳定、阻尼系统的振荡具有显著的作用。利用u p f c 可以较大范 围地控制潮流使之按指定路经流动，保证输电线输送容量接近热稳定极限而又不 至于过负荷。在控制区域内可以充分发挥现有输电线路的能力，传输更多的功率。 当补偿容量超过+ 一l o o m v a r 时，采用u p f c 要比传统的采用电容的无功补偿装置 的硬材料成本要低。这些都对电力市场竞争中的电力公司提高经济效益产生巨大 的影响。因此本课题研究具有重要的意义。 1 5 论文的主要工作和亮点 论文的主要工作包括以下几个方面： l 对新型数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的特性和性能进行了研究，并以此 为基础设计和制作了u p f c 的硬件控制电路。 2 引进新型电力电子元件i g b t ，并以此为基础设计u p f c 的主电路。 第1 章引言 3 通过实验来验证装置和控制方法的效果，并研究u p f c 的运行特性。 论文的亮点在于： 1 采用高速、高精度和高集成度的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 作为控制器核心， 节省了大量的硬件电路，克服了哈工大的u p f c 物理模型所具有的缺点。 2 采用了f 弦脉宽调制( s p w m ) 技术，有效地抑制了谐波。 3 换流器2 采用了三相s p w m 逆变器，只需要6 个开关器件为统一潮流 控制器并联侧的控制提供了可能。 4 引进了f f t 算法，控制系统可以实时获取系统电压和电流的相角。 第2 章u p f c 的工作原理分析 第2 章u p f c 的工作原理分析 2 1电力系统电压调整与无功补偿 电能质量是评价电力系统设计与运行优劣的性能标准，其中电压是衡量电 能质量的一个重要指标，电力系统在运行过程中，必须保证各输配电的母线电 压稳定在允许的偏差范围之内，以满足用电设备对使用电压的要求。反之如果 电压升高或降低超过一定值，不仅严重影响用户用电设备的正常运行，甚至会 损坏设备，对电网本身的稳定性也构成威胁。 电压稳定与否主要取决于系统无功功率的平衡。如果用电负荷的无功需求 量波动较大，而电网的无功电源产生的无功功率及其分布不能及时控制和调整， 就会导致母线电压超出允许极限值。另外，从负荷侧看进去的电力系统内阻抗 主要呈现感性( 因为输配电线、变压器、发电机等在工频下主要呈感性阻抗) ， 这使负荷的无功功率的变化对电网电压的稳定性带来极为不利的影响。因此， 电力系统无功补偿和电压调整是保证电网安全、优质、经济运行的重要措施”1 。 为了进一步说明这个问题，我们利用图2 1 给出的交流系统单相简化等效电 交流系统 夭尺穴 o +l v ) 矿怛 图2 - 1 交流系统单相简化等效电路 f i g2 - 1s i n g l e - p h a s e a cs y s t e me q u i v a l e n tc i r c u i t 路来做分析。图中交流供端系统为一个等效电压源和纯感性内阻抗串联。图2 2 描述了负衙为感性条件下电压和电流的相位关系。我们把图中负荷电流，分解成 触 t卜 第2 章u p f c 的上作原理分析 有功分量和无功分量，即，= ，+ 儿，它滞后于负荷受端电压k 。现假定受端电 压为正常额定值t 并且电流的有功分量。保持不变。此时负荷取用的无功功率 i q j ： 参考轴 图2 - 2电流有功分量不变时的相量图 f i g 2 - 2 t h ev e c t o rg r a p ho f i n v a r i a b i l i t ya c t i v ep o w e rh e f to f c u r r e n t 有一增量q ，必然会引起电流无功分量的增加( i p + 。) ，无功功率增大后的 相位关系如图2 2 中带“”符号的相量所示。为简化分析，仍选定负荷端电压 为参考相量，并认为系统的等效电压源矿幅值保持恒定。从图2 2 的相量关系可 以看到，因负荷取用的无功功率增加，引起端电压下降了”。在这种情况下， 即使，仍保持不变，由于受端电压下降，负荷有功功率也会减小。为了加以比 jq = i ： ii 。一卜一 矿 图2 - 3电流无功分量不变时的相量图 f i g2 3 t h ev e c t o rg r a p h o f i n v a r i a b i l i t yr e a c t i v ep o w e r h e f to f c u r r e n t 第2 章u p f c 的上作原理分析 较，我们再假定电流无功分量t ，不变，而有功分量，。出现与图2 2 中t ，的变化 相等的百分数变化，此时得到的相位关系如图2 3 所示。可以看出，电流有功分 量的变化引起的电压波动( 旷) 要远小于无功分量的变化。另外我们还知道， 当输送功率为j d + ，q 时，负荷受端电压偏移百分数通常可近似由下式给出： 坐：( ! 丛。1 0 0 ) ：( a q x x , 。1 0 0 1 ( 2 一1 ) v tv iv i 显而易见，即使系统供端电压幅值保持恒定，由于系统提供的无功功率不足， 当负荷吸收的无功功率增大时，就会引起负荷受端母线上的电压下降。 在电力系统中，为保持电压稳定所进行的电压调整，其实就是电网的无功 补偿和再分配的过程，通常采用调压变压器或改变变压器分接头的方法进行无 功的重新分布。而采用无功补偿调压，一般都需要能提供无功功率的设备，如 发电机、调相机、并联电容器或电抗器及静止补偿器等。在工业配电系统中， 以往较多采用的是功率因数补偿电容器组。它利用金属接触器的投切，并根据 实测电源线的功率因数或负荷电流的大小来改变并联在配电母线上的电容器组 数，以补偿缓慢变化的负荷无功功率，并保证用电设备的总功率因数尽可能接 近于1 。采用这一措施的确可以达到无功补偿的目的，也可以提高电网的功率因 数，使负荷在给定的有功功率的下从电源吸取的电流最小，从而减少交流输配 电线路和其它电气设备的电能损耗，同时也使设备容量的利用率大大提高。但 是，余属接触器投切式补偿电容器由于只能进行分级阶梯状调节，并且受机械 丌关动作的限制，响应速度慢，不能满足对波动频繁的无功负荷进行补偿的要 求。 本文中，我们利用电力电子器件与储能元件构成的统一潮流控制器( u p f c ) ， 其显显著特点在于快速、平滑地调节容性和感性无功功率，实现动态电压串连 补偿。因而常用于防止配电网中部分冲击性负荷引起的电压波动干扰、重负荷 突然投切造成的无功功率强烈变化，以及用于平衡三相之间的波动性不对称负 荷和控制用电线路的功率因数等。利用它还可提供快速电压调整，当大容量互 联电力系统收到扰动，发生低频功率震荡和电压震荡时，起到阻尼和抑制作用， 增强系统的静态稳定性和输电能力。 第2 章u p f c 的工作原理分析 2 2 统一潮流控制器( u p f c ) 的工作原理 统一潮流控制器( u p f c ) 的主要目的是进行电力网络潮流的调整控制，其 基本原理就是在线路中附加一个幅值和相位可调的串联电势，作用在于产生一 换流或者强制循环功率，使得强制循环功率与自然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 串联电容或者电感，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( u p f c ) 的主电路是由两个换流器组成，并通过两个变压器 接入系统，换流器1 通过耦合变压器1 并联接入系统，换流器2 通过变压器2 串 联接入系统。换流器1 与换流器2 通过中间的直流电容相连，如图2 4 所示。 图2 4 统一潮流控制器的结构图 f i g 2 4 t h es t r u c t u r eo f u p f c 换流器l 接有很大的滤波电容相当于内阻很小的直流电源，其基本功能是 经并联耦合变压器与电网之间发生有功交换后，再通过中间的直流电容为换流 器2 提供有功功率的支持。除此以外，换流器1 也能独立地与电网发生无功交 换。所以，换流器1 也具有调节节点电压的辅助功能。 笙! 兰! ! 竖塑! ：堡堕里坌塑 一 换流器2 的交流输出端通过串联耦合变压器2 向系统提供一个电压幅值 ( o 。，) 和相角( o 。s j 3 6 0 。 ) 均可控制的补偿电压，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君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，所以可以控制线路上通过的无功功率和有功功率。电压、阻抗、 相角和功率。其相量图如图2 - 5 所示： i 图2 - 5u p f c 串联例相量图 f 培2 - 5 t h ev e c t o rg r a p ho f u p f cs e r i e s 2 2 1u p f g 并联侧工作原理 如图2 6 所示，换流器1 的输出经过一个数值不大的电抗以( 变压器内抗) 接入i r 交流电网，调节换流器l 输出电压矿的相位，使得矿与交流电网电压_ 同相，则变流器1 输出电流j 为： ，：生羔：，! 丛( 2 2 ) j xlx l 由于矿与矿同相，因此，换流器1 向电网输出的电流与电网电压矿相差9 0 。， 仅仅输出无功电流和无功功率，相当于一个无功发生器。如果令该无功功率发 生器向r 乜_ 网输出感性无功滞后电流为l ，即电流，的有功分量，为零，并设向 第2 章u p f c 的上作原理分析 图2 - 6 统一潮流控制器工作原理图 f i g 2 6 t h e e q u i v a l e n ts c h e m eo fu p f c 电网输出的感性滞后无功功率为q ，那么我们可以得出 ，：旦当 。q x j 矿! 上旦 、， 2 + 钮 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 当输出电压矿高r 电网电压丘时，。 o ，滞后丘9 0 。，其相量图2 - 7 所 图2 - 7 ，滞后矿9 0 0 相量图 f i g2 7 v e c t o rg r a p ho f l a gc u r r e n t 第2 章u p f c 的t i 作原理分析 示，这时无功功率发生器输出滞后的感性无功功率，这时q 0 。当输出电压 低于电网电压吃时，l 0 ，则引入矿的作用相当于补偿了一部分线路电抗。当a v 足够大， 以至于a v = k 1 。= i s z ，即k = ，时，则有= h ，这相当于引入p 使原来电抗 为x 的输电线路其等效电抗变为零，电抗压降被完全补偿。也就是说，当k ，0 时i = j k i ，的作用相当于在线路中串联了一个电容，其等效容抗补偿了线路感 抗。在输电线路中串联电容器补偿线路电抗，是一项应用了很久的调整控制潮 流、提高输电线路输电能力和增强系统稳定性的技术手段。与之相反，如果k 。0 ， 引入y 的作用相当于增加一部分线路电抗，等效于在线路中串联了电抗进行补 偿，可以起到限流和避免线路过载的作用。 2 3 本章小结 本章的主要分析了电力系统无功补偿的原理和必要性，并在此基础上分析 了新型无功补偿装置统一潮流控制器串联侧和并联侧的基本工作原理，阐明了 其强大功能，完全可以用来解决电力系统无功补偿的需求。 第3 章u p f c 的硬件电路 第3 章u p f o 的硬件电路 3 1 u p f o 的主体电路设计 根据上一章对u p f c 工作原理的分析，要实现其对系统潮流、系统电压的 灵活和连续调控达到串联无功补偿的目的，关键技术是换流器2 能够输出高质 量的、幅值和相位均连续可调的正弦电压波，这也是本课题的重点内容。为了达 到实验的目的，我们研制了一套容量为5 k v a 的u p f c 实验装置，如图3 - 1 所示。 a b t r l 换流器 相 控制器 系统参数 t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 控制核心 图3 一lu p f