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

a b s t r a c t f 1 c x i b l ca c r r a n s m i s s i o ns y s t e mo rf a c t si sa ni m p o f t a n ta s p e c to ft h ep o w e r e l e c t r o n i ct o c h n o 圭o g ya p p l i c a i o ni np o w e ra ct f a n s m i s s i o ns y s t e m 1 c a nm a k et h e p f e s e n p o w e rg r i dr e s o u f c ei n t o 拶e 越u s ea 玎dc a nr e 越i z e h eb e s tu t i 重呈t yo fp o w e r e n e r g y t b e f e f o r et h j sn e wt e c h n o l o g ym a yc a u s oc h e g r e a r e f o r mo n p o w e f t r a n s m i s s i o na n dd i s t “b u t i o ns y s t e mi nt h ef u i u r e u n i f i e dp o w e rf l o wc b n t r o l l e la t y p j c a l a n dt h em o s tn e x i b l ec o n t r o l l e ro ff a c t s ，c a no o n t r 0 1 c o n c u r r e n t l yo r s e l e c t i v e i y h e 拄a n s m i s s o ni i n ev o l a g i m p e d a n c ea n da n 西eo r 奎t e r n a 蛀v e l y ，出ef e a l a n dr e a c t i v ep o w e ff | o wi nf h el j n e 。 t h es t e a d ya n dd y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e l so fu p f ca r ei n v e s 畦g a i e d ，a n dt h e b a s i cc o n l r o lp e r f o r m a n c e sa n dt h ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ea r ea l s od i s c u s s e di nt h i s p a p e r t h e nt h eu p f p o w e rf l o wc o n l r o ic h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l e so fu p f ：c o n l m la f cp u f o f w a r d 。 c u r r 。n tc 。n l f o lo ft h ep w m ( c e p w m ) c o n v e n o n eo ft h ed e v i c 。si nu p f c ， i ss t u d i c da n dt h ec o n t r o ls c b e m e0 fp w m r e c t 试e ri sd i s c u s s e di nt h i sp a p e lb a s e do n t h et r a d i t i 。n a lc o n t r o lo np w mr e c t i f i e l s p a c ev e c i o rp w mp r e d i c t i v ec u r r e n t c o m r o l l e r 量sp r e s e n t e du s i n gt h es w j c c h i n gf u n c f i o nm o d e l f o rt h es y s t e ma sc o m p l e x 勰dc h a n g e a b l ea sp w m ，a s 。l 鼻a d 姻t i v ei n t e l l i g n 趣z z yp l dc o n 【r o l l e ri s 畦s e d 确i 曲 i sv e “f i c dt h a j ld e c r e a s 。sl h ef e s p o n s et i m eo ft h 8s y s t e ms h a r p l ya n 畦d o e sag f e a t h e l pt ob e t t e rt h ec o n i r o lp e r t b r m a n c ea n dr o b u s lo fp w mr e c t i f i e f u f f h e m l o r e ，c h en e u t r a in e c w o f kj nc e j l i g e n tp o w e rn o wc o n t r o l j e r sa r ep r o p o s e d o n h eb a s i so ft r 嬲i t i 。n a ip l dc o n t r o l 蠡河h es f u d yo fu p f cp ，。w e r 曩o wc o l 娃! 。1 i 飞e 盯t 谶c i a ln e u t r a ln c t w o r kp o w e r 曩o wc o n t r o l l e fa n dt b e & z z yn e u t r a ln e t w o 攮p o w e r 蛀o wc o n t r o l l e rw i t ht h ec o m b i n a t o no ff u z z yl o g i ca n dn e u t r a ln e t w o r ks y s t e ma r c d e s i g n e di nf h i sp a p e la n dt h es i n l u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s et w oi n t e u i g e m c o n t r o u e r sa r eb e t t e rt h a nt h ep i dc o n t r o u e rb yc o m p a r i n gt h er e s p o n s et i m ea n dt h e s t e 8 d ya n dd y n a 菇l i cp e r f o i 强a n e e s + k e y w o r c l s ：e 气c t s u p 垂 如z 纠p 壬dc o n t r o l l e r i n t e l i i g e n tp o w e rn o wc o n t r o ln e u t r a ln e t w o r k f h z z yn e u t r a in e t w o r k l i ， 第一章绪论 1 1灵活交流输电系统( f a c t s ) 灵活交流输电系统( f l e x 谗l ea c 髓锄s m i s s i o ns v s 沧m ，麓稳e & c t s ) 怒电力 电子技术在电力交流输电系统中应蠲的重要方面，由荚国电力科学礴究院的著名 电力专家n 。g h i n g o f a n i 博士予1 9 8 6 年提出。n g n g o r a n i 博士对灵活交流输电 系统的定义在1 9 9 5 年经过电力电子学会修证确定为“3 ：“交流输电系统利用高功 率电子技术为攀础的控制器及其静止型控荆器改善可控性并且增加输送功率的容 量”。从灵活交漉输电系统韵定义可以看出，灵活交浚输电系统是乖l 用现代电力电 予技术、计算机技术、现代通信技术和自动控删技术。对传统的交流输电系统进 行根本变革的新的输电概念，它通过电力f 电予技术弓现代控制技术结台实现对电 力系统电压、线路阻抗、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输 a 线路输送缝力彝提高电力系绕稳定水平，降低输i 电损耗。灵活交浚输电系统 ( f ac 1 s ) 这一二卡篷纪，一卜年代螽期出现的新技求，近年来在世器上发展避速，专 家们预计侄未来这项技术将在f 瞧力输送和分配方蕊引超重大变革，对于充分利用 现有电网资源和实现电能的离效利用，将会发挥藏鼹作用。 1 ，1 1 灵活交流输电系统f a e t s 的运用背景 灵活交流赣瞧系统f a c t s 技术嬲出现帮应用的背景是： ( 1 ) 发隧电力市场的需要。当前全球范围内正在邂步实行电力系统市场化的 体制改革。尽管各国改革的模式不同，但其根本宗离都是企业打破电力行业垄断， 促进市场竞争，提高效率，降低成本和电价，从而掇商本国经济在国际市场上的 竞争能力。原俘为公用事业之一的电力面强饕“放松管潮”( d e r e g u l 8 t i o n ) 躲 改革。一些凰家鞭衣法令嫒定瘸户可以发电薨售电给 瞧嗣，完许魄力j ! l = l 户可爨由 选择供电者，允许实行趸售托邀( w h o i e s a l ew h e e l i n g ) ，某些地区甚歪允许实行 电力零售托送。电力市场化改革也给电力系统运行和控制带来一系列的新问题。 报据电力市场运作的要求，发电厂和电力用户可以根据协议通过电网发傍和接受 电力，电喇俸为电力市场静物疆载体，郅发电厂酾 逸力用户闼电力输送秘分配的 通道，电网曹先必须提供能灵活控制潮流的条静还应最大限度地满足电源与雳 户之间输送能力的要求，此外，在发电、输电和供电分别独立经营的条件下，保 持电网的安全稳定运行水平也熄需要解决的重要课题，而常规的交流输电系统却 狠罐适应这变讫。 ( 2 ) 发展互联电阿的需要。冷战结束后，全球和地区经济一体亿的步伐加侠， 山于能源分却耵i 经济发展的1 i s 卜衡及1 乜网互联运行的巨大效益，使大电网互联、 跨国联网输电的趋势不断发展。在发达固家已形成了紧密相连、多电压等级的复 杂互联屯网。如东西欧联网，敬洲发输电联盟( u c p t e ) 早在1 9 5 3 年戴实现了疆 欧各成员函0 予茯交流联冽，以后又运遭壹流网焚圜、瑞典实现j # 闷期联网。 目前西欧电网与东欧国家电网联网诈在逐步实现。其中1 9 9 5 年9 月原民主德国电 网与西欧电喇联网，1 9 9 5 年1 0 月波兰、捷克、匈牙利三国电网与西欧电网同期 互联。此外还有若干拟议中的地区性跨国联网，如环波罗的海地区联网，环地中 海地区联网，东南亚建区联赐，环霜本海地区联网簿，其中波罗的海沿岸i l 雹豹 1 8 家电力公司已予近期合作逑行了一项研究，拟通过韬关国家之闯龅交毒流联 网实现环波罗的海电力共同市场，并已成立了环波罗的海电力合作组织 ( b a l ，t r e l ) 。另据报道，地中海地区的突尼斯与隔海相望的西班牙已实现联网送 电。我国引习边国家的联网也在考虑和规划之中，如拟议中的澜沧江水电( 景洪 电站) 玎发向泰翻送f 过、饿罗灏题髓剩亚水电向。 1 翻华j 等她送电等，如麓实现 帮可以形成跨附的 包飚瓦联，甩予电路定则锭然，哇玉黼内部线路及联络线在运行 中实际的潮流分布与这些线路的设计输送能力相麓铤远；一部分线路已过载或接 近稳定极限，而另一部分线路却被迫在远低于线路额定输送容量下运行。火电网 互联和跨触联网将对电力系统运行带来系列的新阅题。如波兰、捷克、匈牙利 电弼嗣期接入u c p t e 西欧电嘲之后，潮瞧察到弱阻尼酌甚至负疆尼的频率和功率 振荡。当从系到殖或从西到东联网传送的功率越过1 0 0 0 莼瓦时，就商缀荡产生。 美国西部电网1 9 9 6 年7 、8 月避续两次发生连锁反戍式大电网稳定破坏和大面积 停电事故，充分表明这种类型事故是当前及未来电网遥行安全的最大威胁。因此 寻求电网更为有效的控制措施，确保互联电力系统的安全稳定运行是我们灏临的 又一重要课题。遮藏提出了灵活调节线路潮流、突破瓶颈# 受锻、增热泡力线路的 输送能力、以充分帮用现有电冽资源的要求。发达豳家由于环保的严格限制，新 建输电线路十分困难，使得遮一要求更为迫切。传统的调节电力潮流的措施，如 机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿 装爱等，只能实现部分稳态潮流的谖节功能，两且，出于机械开关动作辩闯长、 确应漫，无法适应在暂态过程中妖遮灵活连续调节彀办激流、阻尼系统缀荡爨要 求。因此，电网发展的需求促主鳌了灵活交流输电这项新技术的发展和应用。近年 来，灵活交流输电技术已经在荚豳、日本、瑞典、巴晒等国重要的超离愿输电工 程申得到应用。 1 1 2f a c t s 的功青l 作为在交流输电系统中引入的呵控制的一次设备，f a c t s 装置的应用可实现 对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。特别是可以 实现电力系统动态过程中秘豢角度的控铡，为未来电力系统动态蠢稳定性控制的 薪策略键供了必要手段，主要功能可以归纳为以 1 f 几个方面“： 大范圈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； 在控制区域内可以传输更多的功率，减少发电搬的热备用( 美国可以由通鬻 艉1 8 降低到i 5 以下) ； 依靠限制短路和设衍故障的影响来防i ：线路书缀跳闸； 阻尼那些会损坏设备或限制输电容量的各种电力振荡。 1 ，1 3 灵活交流输电系统应用研究现状 f a 贸s 技术龅概念自8 0 年代后期提出以来，有关学术研究、技术开发釉工程 实践已墩镪大量 茂粜。近年来，灵活交流输l 睦技术已经在荚困、日本、瑞媳、巴 西等罔的飘罂的超高压输电一c 襁中得到应用。有代表性的f a c l 、s 工程有：美国卡 因塔2 3 0k v 可控串补工程；美国斯拉脱5 0 0 k v 可控串补工程；瑞典斯多德可控串 补工程；美圈t v a 公司s u l 主i v a n 静止同步 偿器工程；美国a e p 公司i n e z 统一 灞流控潮嚣工程等。美国卡溺袋2 3 0k v 可茬串零 王程投运螽，霞遮条输电线路的 输送熊力突破了稳定极限，收到盛著的经济效益，毅年就收回投资。1 9 9 9 年1 月 巴西住5 0 0k v 的联络线上安装了两套部分可控串补没备，成功地阻尼了南北电网 联络线的低频振荡。1 9 8 6 年1 0 月，由美国电力研究院e p r i 和美国瑙屋电气公司 ( w e s t i - n g u s ) 共同研制的+ lmva 约s t a t e 0 酲投入运雩亍。1 9 9 1 年，日本 关西电力公司与三菱电瓿公司磷锻成功+ 一8om va 的s t a t e 蕊势在犬由变电 站l 黝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 系统稳定性。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两台50 mva 的s t a t c o m 在东京所属新信浓变电所投入使用。美国西屋电气公司、电力 吾舅究院及羽缎礴电力局( t e n n e s 8 e ev a l l e ya u t h o r i t y ，t v a ) 联会搿铡了一套 + 一1 0 渊v a r 嚣止无功发生嚣圆v g ) 并于1 9 9 6 年l o 月成功地授霜予荚霹| = l ；i 缡嚣峡 谷电力系统( 1 、e n n e s s e ev a e ya u t h o r i t yp o w e rs y s t e m ) 的s u n i v a n5 0 0kv 变电站，有效地改善了所在电网连接点处的电压调憨，直接经济效益是使该电力 系统免去建造一条新的输电线路溺时又篷满足扩充黔输电需求。德隧巍门子公司 在】9 9 7 年将开发研制的8mva 的s 下a t c o 敝又称( ；t 谚一s v c ) 安装在月菠的r e j s b y l e d e 风场，日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 l g r i dc o m p 1 y ，n g c ) 将在其4 0 0 k v 系统内安装由法圈a 1s t o 打1 输配电公司研制的 秉用了 一7 5 艟v a 拘s ，i a t e o 驵的静止无功补偿系统。 我蠲静电无功羚偿器铡造技术霆在9 0 年代发展起寒的，但仅跟予大型工业企 业中的应鼹。在一些高等学校和科研单位对t c s c 、s t a t e 踟以及u p f c 肖所研究， 但多只限于数学模型的建立、物理模型的研究，至多是小容量样机的研制。国家 已决定在“十弧”期闻建设三峡一憨州( 3 0 0 0 m w ) 、安顺一肇庆( 3 0 0 0 m w ) 两条超 高压直流输电线路，蕊上薪近投运的天生辑一广州鳃天广直流输电线路，预计送 电鬻力可达7 8 0 0 酗译。再方瑟上瑗蠢和耨建鲸5 0 0k v 交流输电线路，共计送宅力 可达1 0 0 0 0m w 。由于种种制约因素，我国5 0 0 k v 交流输电线路输送功率一般仅为 ：j 0 ( ) m w 一4 0 ( ) m w ，最多为7 0 0 m w ，远低于北美等地9 0 0 m w 的水平。提高线路输送能 力，除去8 挺决电网结构方面的问题( 如与2 2 0k v 线路形成电磁环网限制了5 k v 线路输送能力翡发掺) ，还可以采j ； ；j 其它羽技拳撼施。翔应用f a c t s 鼓零、采用紧 凑型输r 强线路等。根握工程的具体情况可以采掰综合技术提赢现有输f l l 线路的能 力，充分发挥已有固定资产的作用。不过最近几年我围已丌始对f a c t s 技术进行有 系统的研究玎发。其中对5 0 0 千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。结合伊敏冯屯5 0 0 千伏输电线路的研究表明，袋周2 5 串 联 偿电容豹可控串联 偿漩嚣。可显著提高电力系绞暂态稳定水平和鞋怒振荡 能力。 1 1 4 灵活交流输电系统的发展应用前景 尽管灵活交流输电技术已在多个输电工程中得到应用，并证明了它在提高线 路输送能力、隧尼系统振荡、捩逮调节系统无功、疆裔系统稳定等方瓣鹊优越惶 链，但其捺广应羁的进展步饯院预期的要漫。主要黢戳有：工程造价院常瓶的解 决方案高，因此，只有在常规技术无法解决的情况下，用户才会求助于f a c t s 技 术；f a c t s 技术还需要进一步完普。目前f a c t s 技术的应用还局限于个别工程， 如果大规模应用f a c t s 装黉，还溪解决一些全局性的技术问题，例如：多个f a c t s 装置控割系统的协调配合 薅题；鞭c 伪装置与已有熬鬻蒎控制、继酝镰护憋箍接 问题；f a 四s 控制纳入现有的电网调度控制系统阚怒等等。也有专家认为，f 嬲t s 技术尚研j 能熙快推广应用是因为电力部门对新技术持谨慎观望态度，只肖相当成 4 熟的技术列会火规模应埔。 l 力电子器件的快速发展使灵活交流输电的设想成为现实。近十年来，可控 艇流器、，篾断器件的 惭能力不断键赢。蹦胁，1 0 0 m 册直径的晶闸管的耐压已 达到6 k v 1 0 k v 的承平，通避电沆己达到s k a 以上，8 k v ，6 k a 的可关颧箍闸管元 碍：( 肼0 ) 已有赢 ，。苹个电力 毽予器传鹣1 ：鞭缒力已达囊3 m w 一鹳m 疆醣东平， 使电子歼关j _ | ；j 于高电压、大功率的输配电次系统成为可能。在新的电力电子器 件的研究方【l 【i 电取得重要进展，一方面t f 在研制经济性能好的器件，以便降低设 备造价；：玛一方面，研制玎断功率更大的高性8 器件。最近，国外公司宣布研制 成功以谈优硅( s j e ) 为基片的电力电子器件。鏊片昭融压帮热容鬟可大幅度提高， 而元件鲍损耗却大大黪低，从_ 蔫往元件韵断歼功率可望有数量缓的飞跃。这预示 用固态断路器取代传统机械的高压断路器( 油歼关、六氟化硫丌关、囊空丌关等) ， 使数字化的电力系统成为可能。如果电力系统的高压机械开关一旦被大功率的电 子丌关取代，雕电力系统完全的灵活调节控制便将成为现实。 髓黪电力电子器 孛的羧能提高和造挽骚低，敬电力电予器 牛为核心部件豹 f a c 彳s 装嚣的造价会降 氐，可能会在不远的将来比常规的输配电方案更具竞争力。 同际大f 瞧刚会议履丌了有关s t a t c o m 与s v c 性能价格比的讨论，不少专家认为， 由于s t a t c o m 不需要采用犬爨的电容器就可以实现无功的快速调节，而电容器的 价格多年比较稳定，不大可能大幅度下降；榴反，电力电子器件的价格会不断蹲 低，赦预计s t a t e 0 m 会晓s v c ( 静止无功 搂器) 更有竞争力。蓉将超导德链装 置与s t a t c o m 配合，可以实现系统有功功率的快速调节，这是以往任何的常规设 备不能胜任的。 f a c ，i l s 技术也在不断改进，一些新的f a c t s 装鼹被开发出来，例如可转换静 止； 偿器( c o n v e r t j b l es t a t i cc o f f p e n s a t o r ) ，亨童多个同步电压滚逆变器梅成， 可以澍时控制2 条以上线路潮流( 有功、无功) 、电压、阻获纛相角，并链实现线 路之间功率转换。可转换静止补偿器具有下列功能：( 1 ) 静止同步补偿器的并联 无功补偿功能：( 2 ) 静止同步串联补偿器的功能；( 3 ) 综合潮流控制器功能；( 4 ) 控制2 条线路以上潮流的线间潮流控制( i p f c ) 功能；可转换静止补偿器c s c 被 汰为楚麓3 代灵活交流竣电装嚣。 程我隧，国家 乜力公司张贵行总工程蛹在蒺题为“中国电潮诵波必须蕊自2 l 世纪、面向全国联网”的文章中指出：“21 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”，可见灵活交流输电系统将在国 民经济生活中扮演一个重爱的角色。随着政府澄手打破电力垄断，电力系统实施 “f + 弼分开”，电厂竞价上网，用户可任意密定菜一电厂一的电袋“品牌”，这兢要 求厂家( l 厂) 、供应商( 供电公司) ，降低电能成本，提高电能质量。而同等容 量的大功率电力电子器件要比传统电容器便宜约：j 0 。此外，当补偿容量超过 + 一1 0 0 m v a r 时，采用电力电子技术的f a c t s 要比传统的采用电容的无功补偿装 置的硬材秘成本要低。发电，一发电必须t 虿靠，这就要求在正常运行时，袋墩多种 强防t 强控锱如f a e t s 技术调整潮滚，以提高暂惫稳定。2 0 0 0 年3 胄，我国的发 电装机总容餐突破3 o 亿千瓦。2 0 0 2 年底，我国发电装机容量已达3 3 8 亿千瓦， 电力生产总曩已居世界第二。2 1 世纪初期第1 个5 年，即到2 0 0 5 年，全国发电 装机容量将达到3 5 5 亿千瓦，全国发电量预计达1 6 1 4 0 亿千瓦时左右，年均增长 5 ( 约1 5 0 m w 时) 左右。在这个基磕土，预计到2 0 l o 年和2 0 1 5 年全国发电 量将分鄹达到2 0 4 0 0 亿千瓦时表右和2 4 8 0 0 亿予瓦时左右，全国发电装枫总容量 将分别达4 5 亿千瓦左右和5 5 亿千瓦左右。根据华中电网分公司对2 0 l o 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 1 = f 娟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祷。如果采用s v c ，幽于其阻 抗特性输出无功在低电压时降熊缀多，达到圈样效莱需要增攘蚕1 2 m v a r 。据上 述数据，每年全蕊需新增约7 0 ) ( m v a f 的无功补偿，预计有2 成采用颟搿的容量 总计为1 4 0 0 m v a r 的s b 盯c o m ，市场容量约计t o 亿元人民币。到2 0 l o 年全国 联网完成时若有3 0 ( 总计1 3 亿kw ) 的电能潮流采用u p f c 或其它f a c t s 进 行控制，平均每年1 3 0 0 0 m w 的潮流控制，市场蜜量约计8 0 亿元人民币。可见， 二十一世纪中固电网面箍萋全蕊粒改造帮舟缀，藩灵活交流输电控制系统 ( f a c r s ) 棒为其中最关键的技术，其投资屹倒将至少不低于1 0 。灵罐交流输 电控制系统f a c t s 已被列为“十五”国家级重点项目之一、国家经贸委三大节 能重点项目之一、困家电力公司确认的二十一世纪电力革命性前沿技术。 1 ，2 统一潮流控制器p f c ) 美圈磷鹾科技中心的g y u g y il 博士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 i r o l l e h 缩写为u p f c ) 的概念”，它是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，同时集多种功能于一身，能提供对电力线路 上的阻抗，辛辩角及有功和无功豹任意组合控制，其有缀强的灵活性，对它靛研究 已引起各溺电力界静赢度羹援。 表1 i 列出了u p k ：与葵它无功补偿器件( s t a t c o m 、t c s c 、t c p a r ) 相比， 其对应的功能范围与优势： 袋1 1u p f c 的功能范削及优势表( 注：越多，表示效聚越好。) 器件静态稳定 暂态稳定阻尼低频振荡 阻尼次同步振荡 s 己蝌c o m t c s c1 t c p a r u p f c 1 2 1 统一潮流控制器的用途及实现方式 统潮流控铡器对应的爝途与实现方式如袭1 2 所示“： 表1 2 ；统一潮流控铡器的鞴途及实现方式 功能用途实现方式 注 动态高压用作高压器( 动态) ；逆变器2 产生与系统 也可用电子移相器实 ( 串联消除电压洲变( 烁) ；相电压桐l 四方向的现励磁明同相电压 调节)改交、修歪系统潮电压，糨 ：_ 薹( 可正负) 流，满足系统要求； 按需要，加入串联变 稳定il l 压 压器 动态移相潮流分配的改蒈，系同上，产生垂赢电压也可用电子移相器实 ( ! l ： 联 统经济要求；麟决充 现，用另两楣闻的线 谢节)分利j 蹲j 输电设备，增电压捧为励磁变压嚣 大输送能力的问题； 电源 提高动态暂态系统 稳定性；抑制低频振 荡 可控率斡 提高输电能力；旗制 使串联变压器上产也可耀可控中补，即 ( 串联调低频振荡及次同步生一个与负荷电流t c r 与普通串补并 节) ，改变谐振；解决系统潮流垂直的电压分量联实现。也可用多段 系统线路分配问题旁路电容实现 参数 无功发生支撑系统电压及调换流器遵变嚣，与直与营暹无功发生器 ( 并联调压，保持电压稳定流电容器麸嗣实现s v g 相问 节补偿)性；满足无功需求 2 2 统一潮流控制器应用现状 美网电力( a e p ) 、西屋公镯( w e s t i n gh o u s e ) 以及美国电力科学研究院 ( e p r i ) 合作，研制并在k e n t u c k v 东部的1 n e z 变电站装殴了目前世：界上唯一的 u p f c 装簧，也是到嗣前为止容量最大的f a c t s 装罱，其串联部分即同步静止串 联孝 偿器( s y n e h f o n o u ss t a t i cs e 矗e sc o m p e 蕊a t o r ，s s s e ) 和并联部分邸s 黼0 m 容量备为十一l60m v a ，会诗十一320m v a ，其中并联部分s 珊螺c o m 予 1 7 年7 月完成，串联部分s s s c 于1 9 9 8 年6 尽投入运行。它只占据个1 0 0 英尺2 ( ) 0 英尺的标准建筑，而一台典型的t c s c 却要占据一个足球场那样大的面 积。操作时，工作人员在车州通过计算机可方便地对u p f 进行管理。i n e z 变电 浙故u p f e 将完成抟预定功麓跫：在增大送往一个农村煤矿遗区电力黪弱# 亨还为 一个邻近上始城市保证电压支持，以改进系统的可靠性。 1 2 3u p f c 的研究近况 自从u p f c 这新的灵活的f a c t s 装置的概念被提出以来，国内外就有大量的 文献分别对u p 咒熬模型、控稍及对电力系统本身( 包括经济性和动态稳定往) 豹 影响等舞个方蔼进行了研究和探_ 对。 u p 心的数学模型是对u p f c 进行分析和控制的麓础。根据模型的应用范围大 致可以将各种模型分为三类。 用于分褥系统动静态特性的模型。文献 4 利用m a t l a b 中的动态仿真工具 s j 涮l j k k 逡立了u p f c 的详缨仿真模型，仿真分橱了含u p f c 的蓠单电力系统的静、 动态运 亍特性。文献 5 弓l 入 ：关函数的概念，建立了u p f e 的暂态数学模型。文 献 6 利用丌关函数对u p f c 建立了稳态分析和暂淼分析模型。 用于研究潮流控制特性的模型。文献 7 建立了利用u p f c 控制潮流的3 种优 化模型，并提出了一种有效魏分段濑流控制策路，大大提高了系统纳动态稳定性。 文献 8 】提出了新鲍更广泛的 j p f c 静牛顿一拉夫逊潮流模型，它链蓬意设饕成控制 有功、无功、 _ 龟压的任意组合绒不翔任何控制，并对多个u p f c 在串联或并联运行 的条什下的有效控制提出了合适的建议。文献 9 提出了在稳态潮流和电压控制的 约束条件下【j p f c 的运行策略，发展了u p f c 控制方式的功率注入模型，以考虑一 系列加予u p 阢上的限铡条件。 岗二j 二探讨u p f c 财系统影确的模型。文献 1 0 为了系统研究约方便建立了u p 怼 的最小模型，并用实时模拟仿真嚣证实了u p f c 对线路传输能力的改进。文献 1 1 给出了包宙【p f c 和一个等效两总线电网络的系统方程，以方便了解u p f c 对系统 8 的作嗣翱参数影响。文熬 1 2 攉学出了u p f e 的逆变器鲍调整参数翻母线育功秘无 功及节点 卧l i 的关系方程组，研究u p f c 实验装嚣的控制方案。文献 1 3 l 建立了 u 阿c 谯分析j i ；l 尼系统振荡时的综合模型。文献 1 4 建立了u p f c 新的功率频率模 型，讨论了”f c 各个部分的主控制和他们对系统影| j 向的基本控制策略。文献 1 5 建立了安装了s f a t c 铡的电力系统的线性弛i l l p s h e f f r 。n 模型。文献 1 6 设计 了同步发电枫鞠静止无功孝 偿器系统弱滞磊系绞镁型。文献 1 7 】建立了聂弦歇宽 调制( s p w m ) 的f a c t s 装嚣中控制器在最低开关频率下的电流方程。 在对u p f c | e 勺控制方法研究方面，除了常舰的p i d 控制策略以外，还有各种包 括最优控制，自适应，神经网络控制器等现代控制方法。文献 1 8 基于u p f c 的动 态模型设计了u p f g 兹线性最饶羧髑系统。文献 1 9 没计了静止无 偿嚣的电力系 统蕊厄控制秣的享孛经网络。文献 2 0 设计了辨解m 的无功电流的簧棒岛适应控 制器。 同样剥。u p r c 的变换器研究方面。对三电平逆变器的研究，文献 2 1 研究了基 于二极管钳位的稳定断路器的多电平逆变器的u p f c 的控制和性能。文献 2 2 设计 了基于三电平逆交器的无变压器黥赢脉冲并联於嫠器。文献 2 3 漫诗了一释薪的 ：极箭| | h 移的多电、| ， 逆变器。另外存欠泵控制方+ 薅文献 2 从低成本的单片移t 控制系统m 发提出三相p w m 整流器空问矢量控制简化算法。文i 袱 2 5 提出了u p f c 的瞬时欠量控制算法，极大的擞离了系统的工作速度和效率。针对电流控制策略， 文献 2 6 研究了基于电流源逆变器的s t a t e o m 的建模、分橱和控制，掇出了采用 交流 懿钰内霹：控制和直渡电流井酶控潮两个擦制环瓣耨方法。文簸 2 7 】采蠲斑 的豫蠢4 索弓 表控铡的电压接桶熬电流源逆变器，实现三档串联无功补偿。文献2 8 3 对s t a l c o m 提出了预测电流控制。 大量的文献都针对不同的控制目标提出了各种先进的控制方案。同样按对 u p f c 的控铡鞠标可以将一些控铡方案分为两类。 以潮滚控制为嚣的的控铡策略疆究。文献 2 9 l 礤究了带不藏控毒l 参数的u p 愆 在鲁棒非线性的内点最优潮流拄制中的改进运用。文献 3 0 描述了逐接控制一条 母线上引出的多条传输线的多端综合潮流控制器( m u p f c ) ，这样将比单个的u p f c 更经济。文献 3 1 提出用遗传辫法来解决f a c t s 装疑的优化潮流控制问题。文献 3 2 掇导出了含u p f c 的单机无穷大系统的功率方禚，并用二阶状态方程来糖述 u p f e 的动奄行为，以憩设计了最优控裁系统。文献 3 3 3 以u p f e 率联翻输蹬电压 和并联侧的输出电流为控制输入，设计了u p f e 的控制器。文献 3 4 握融了在不平 衡电压下s t a t c o m 的控制策略。文献 3 5 对在长输电线上用到的串联同步电压源 的控制矧调节问题提出了一：例的控制策略。 为提i 旃系统稳定性而提出的控制系统。文献 3 6 为了提高电力系统的暂态稳 定性搜汁了新的微分追踪器和非线性的| ) 1 d ( n l p i d ) 控制系统，并经过数字仿真 软件包| ) s e a d e m t l ) e 证实是有效艴。文献 3 7 】研究了含u p f e 的电力系统的动态安 全检测控制。文献 3 8 对u p f e 进行暂态分橱并将其运用于直流环节静电容器的设 计。文献 ：玛 研究了采用多电平逆变器的u p f c 的电压平衡和静念解偶控制。文献 4 0 设计了u p f c 的径向基神经网络控制器，大大改善了系统的暂悉稳定性。文献 4 1 利用改进的完全阻尼系统功率波动的控制方法对u p f c 进行控制分析。文献 4 2 】漫计了一个 司步灏磁秘u p f c 的鲁棒控臻l 器米提高系统的餐悉稳定性器l 电压 稳定。文献 4 3 提 b 了将u p 阢的主控制帮辅助控制综合起来的动态控铡策略，使 得系统的筇一摆稳定性以及后续摇摆稳定性都得以提高。文献 4 4 在对u p f c 进行 矢量分折f 向丛础一卜，提出了u p f c 在不同的控制口标下所采取的控制方案。 存研究u p k 对f 1 力系统的影响方盔，经济上，文献 4 5 对f a c t s 和传输耐络 改造遥行了经济比较，发璎在现有的条俘下鼢e 幅还很难与蹲络改造在经济上稿 竞争一，佩随着电力1 时f 器件的发展，f a 四s 将伍经济上更具竞争力。对系统稳定 性的l ；i | j 及抑制系统振荡儿，文献 1 6 分析) u i ，lr c 刈系统稳定性的影响，i ：通 过对3 个系统稳定性指标的测最得出了u p f c 可以大大改善系统稳定性。文献 4 7 分析1 存实际运行条件的约柬下u p f c 的运行擦铡问题。文献 4 8 磺究了u p k 的 分接头切换玎关对于提高电力系统暂态稳定性的母筝用。文献 4 9 】分桥u p f c 在有功 和无功控制的基本原则和它的动态性能。文献 5 0 提出并讨论了多机系统中运行 条件变化的情况下，为提高系统振荡时的稳定性，对f a c t s 装臀的安装地点和反 馈信弓的选择。文献 5 1 将u p f c 的模型方程和系统网络方程、发电桃的动态方程 缝会在+ 超，其仿真结粱凝明了u p f c 在维瓣电压稳定帮胡埔4 功率振荡鲍巨大潜 1 ， 1 3 论文的主要研究工作 埝文将嚣先详细分析u p f r c 的原理、模型、功能特性及其控制方察。 论文接着研究了u p 眨的瞧力电孑交换器攘潮技术，分孝厅了恕流控制电压墅 p w m 变换器的结构车翻其电流控制技术，并黯p w m 空闯矢量控涮和预测电流控 制分别进行了详细的介绍，并将p w m 空间矢鬣控制和预测电流控制结合应用 到u p f c 的并联部分叩a c d c 整流过程中。为更好地控制直流电压，在传统的 p 1 1 ) 控制的基础上运厢模糊控制的优势，提出了模糊自适应n d 控制方案， 取得了比传统方案更好的效巢。 论文最后对0 p f c 的功率捌节模式进行了详细的分析，利用p a r k 变换，讨论 了u p f c 在d q 轴的潮流控制原理，同时提出了人工神经网络控制器和模糊神 经嘲络控制器两种先进的智能潮流控制策略，与传统的p i d 控制潮流方案相 比，人工享孛经麓络控制器鞠模糊神经网络控铡器能更好的跟踪误蒺，更抉敬 响应系统潮漉交纯。 第二章统一潮流控制器的结构与工作原理 2 。1 统一潮流控制器u p f c 的结构 乍为瑟活交流输电系统( 隧c t s ) 中最多样优敕装嚣，统一濑流控制器( u n i f i e d p o w e rf l o wc o n t r o l l e r ，简称u p f c ) 由藤个电压源型的逆变器、联接两个逆变 器的直流环节和两个变压器组成( 如图2 1 ( a ) 所示) ”1 。逆变器l 通过变压器1 并联接入电力系统，逆变器2 通过变压器2 串联接入电力系统，通常把逆变器1 舔为著联逆变嚣，逆变器2 称为串联逆变器。u p 咒豹并联递交嚣和串联遵变器部 分都可以单独豹国系统提供或放系统踱牧有功和无功，当并联逆交嚣部分单独运 行时，其实就相当于一个s t a t c o l ，而当串联逆变器部分单独运行时，相当于一 个s s s c 。逆变器1 ( 并联逆变器) 部分主要负责进行无功补偿和维持端点电压， 同时根据串联部分需要来提供有功支持以维持直流环节的有功功率平衡。逆变器 2 ( 串联逆变器) 帮分良系统注入一个可以任意改变艇佳和相角豹电压，这样u p f c 薤能对传输线路上的电压、阻抗、福角、有功和无功的参数进行单独控制，同时 又能对这烧电路参数进行综合控制。串联逆变器2 的输出端通过变压器2 向系统 注入电压吃q ，电压的幅值和相位是可变的( o a r g ( 吃。) 2n ，o j 吃| 。) ，这个电压串联叠杰h 剽o p 粥的系统菝入点电燕吃上，可以台成令幅僮 和褪角均可变的电压眵，糨鬃图如图1 ( b ) 矫示。 ( a ) 结构原理豳 图2 1u p f c 的结构原理图 f b ) 随鬣嘲 2 。2 统一潮流控制器的稳态模型 设u p f c 的两个逆变器均采用p w m 电压型逆变器，同时只考虑基波分基，那么 我们用一个受控电流源等效并联逆变器( i 。) ，用一个受控电压源等效串联逆变器 ( v ，。) ，便可得到统一潮流控制器鼯稳态模型( 如图2 2 所示) ，在统一潮流控制 器瓣稳态模鍪中，送鲻电压( u p 弼接入系统点懿) 以v 。么6 ；表示，受漾电压以 v ，么6 ，袭示，u p & 接入系统两端的电力传输线用x ，移x ：表示”“。 v so sx lk q l 广 i( i i 、， lu p f c i 岫 图2 ，2u p f e 豹稳冬模戮 2 3 统一潮流控制器的动态数学模型 统一潮流控制器的动态数学模型有多种形式，其中采用空间矢量变换坐标系 搐透豹u p f e 的数学模型应髑簸为普遍。 假设u p f c 酌逆变器采瘸p w 斟_ 技术，箕主电路简化原理如图2 。3 矫示“。 2 3 1 并联逆变器及输入电路的数学模型： 在三相坐标系( a b c ) 下，p w m 逆变器输入电路的电路方程如下： dh 碓j ” 一旦og l 二 。一旦o ： oo一旦 上： 周旋转坐稼系( d q ) 表示各棚最： 料剐 ( 一) l ： 砉叫e ) 丢叱) ( 2 1 ) 眇针刚 h 麓 、ilifliii，i_j 俐w彬 r，“i月【 旷 p 一 c 。s e s j n o 彪 图2 3u p f e 的主电路覆理图 s ( e 2 ) “n ( o 一2 ) c o s ( e + 2 ) “n ( o + 2 ) 经曲c d q 交换后，式( 2 1 ) f ： 孽电路方程可表示如下： d 心1 面川。 一置 2 厶 一| r 一“) - 上： 吉( 阢 吨) 1 一i ” ( 2 2 ) 遴交嚣是一个粪线性都律，忽略其谐波残分，逆交器的输入电挺与直流环节 电艨晒关系可表示如下： v 耐搿m f v 出c o s a f ( 2 。3 ) v m m i s i n a l ( 2 4 ) 其中：掰；为劳联逆变嚣( 输入逆变器) 的调制比：为并联逆变释交流输入电 压取与系统电压班的孝鳝危差。 2 3 ，2 直流环节的数学模烈 如果忽略逆变器的损耗，在并联逆变器和串联遒变器的交流端与赢流端的瞬 时功率应陵平衡，即：v 女i ，一p “屯十v * f q ；屯= + v q f q ，电容电流描述如 f ： 警钉( 。) 眩5 ) 2 3 3 串联逆