（电力系统及其自动化专业论文）统一潮流控制器及其对继电保护的影响.pdf

华北电力大学硕士学位论文 擒要 灵活交溅输电( f a c t s ) 是电力电子技术在魄力交流输电系统中应熙盼一个 黧要方面，统一潮流控制嚣麓分巍躐霜对调节输电线路静嘏压，阻抗稻楣角， 对线路的有功和无功潮流进行快速，有效的控制，是一种灵活的f a c t s 掇制器。 假是，作为一种统一的晶阕管控制装鬟的u p f c ，它的加入必然会绘电力系统运行带 来一些薪鹣潮题，荬孛缀踅要静一条帮是对夔窀豫轳的影嫡。搴谍题奔缓了u p f c 的原理和数举模型。研究了u p f c 谐波对继电保护的影响，分析了对称与不对称 故障条件下，u p f c 对距离保护的影响。在e m t d c p s c a d 仿嶷平台搭建了u p f c 鹣傍奏模鳖，著骰了u p f c 在不溺运 亍工嚣条簿下麓踅褰保护影确酶傍粪研究。 在给出分析结论的同时，提出了减小u p f c 对继电保护影响采取的相应调艇策略 和措施。 关键词：统一潮流控制器( u p f c ) ，继电保护，e m t d c p s c a d a 嚣s t r a c 羊 a st h ef 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 n ss y s t e m ( f a c t s ) ，a n u n i f i e dp o w e rc o n t r o l l e r ( u p f c ) c a l lc o n t r o l c o n c u r r e n t l y o r s e l e c t i v e l y t h e t r a n s m i s s i o nv o l t a g e ，i m p e d a n c ea n da n g l eo ra l t e r n a t i v e l y , t h er e a la n dr e a c t i v ep o w e r f l o wi nt h el i n e h o w e v e rt h ep r e s e n c eo fu p f cs i g n i f i c a n t l ya f f e c t st h eo p e r a t i o no f p r o t e c t i o nr e l a y si nt h ep o w e rs y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t su p f cc o n c e p t ，i t s m o d e l i n gt e c h n o l o g ya n dt h eb a s i cc o n t r o ls t r a t e g i e s ：t h ee f f e c t so fu p f co n p r o t e c t i o ns y s t e m a l s ow e r e a n a l y z e d u n d e rs y m m e t r i ca n d n o n - s y m m e t r i c c o n d i t i o n s s o m ea d a p t i v es c h e m e sh a v eb e e np r o p o s e d r e s u l t so fs i m u l a t i o nw i t h e m t d c p s c a da r eg i v e n r e n x i a n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f 1 i uj i a n f e i k e y w o r d s ：u p f c ，p r o t e c t i o nr e l a y ，e m t d c p s c a d 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 统一潮流控制器及其对继电保 护的影响，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一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了谢意。 学位论文作者签名：! 至i 逐日期：2 1 1 1 ：三：坚 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：伍、劈导师签名： 日期：2 叩彳弓，j 3 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 灵活交流输电系统( f a c t s ) 简介 1 1 1 灵活交流输电系统的概念 灵活交流输电系统( f a c t s ) 也译为柔性交流输电系统，最早是由美国电力科 学研究院著名的电力专家n g h i n g o r a n i 在1 9 8 6 年提出的，1 9 9 7 年i e e e p e s 的工 作组对f a c t s 和f a c t s 控制器等概念做了统一的定义 1 】，具体描述如下： 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 ( f a c t s ) a l t e r n a t i n gc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s i n c o r p o r a t i n gp o w e re l e c t r o n i c b a s e da n do t h e rs t a t i cc o n t r o l l e r st oe n h a n c ec o n t r o l l a b i l i t y a n di n c r e a s ep o w e rt r a n s f e rc a p a b i l i t y f a c t sc o n t r o l l e r ap o w e re l e c t r o n i c b a s e ds y s t e ma n do t h e rs t a t i ce q u i p m e n tt h a t p r o v i d ec o n t r o lo f o no rm o r ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e mp a r a m e t e r s 由此定义知，灵活交流输电系统就是在交流输电系统的重要位置，有效的引入 新型的单独或多功能的电力电子装置，实现对交流输电的主要参数( 如电压，电抗 和相角) 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。从中我们可以看出f a c t s 设备的基础是大功率电力电子器件。此外，f a c t s 也涵盖了其它类型的非电力电子的静态设备如靠开关投切的电容器( m s c ) 、电抗 器静态无功补偿器( m s r ) 等等。 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相支撑技术( 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 】。 1 1 2f a c t s 技术的应用背景 当今世界，电网规模越来越大，电压等级越来越高，保证安全、经济、可靠的 向用户连续供电，成为电力企业迫切需要解决的问题。 f a c t s 装置改善电力系统运行行为的作用主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 调节潮流 改变线路的传输功率，即改变系统的潮流分布，可以调整的参数有电压、线路阻抗和 功率角。利用t c s c 、u p f c 等可以改变线路的阻抗和功率角，有效地控制有功潮流：利用 s v c 和u p f c 可以向系统发出或吸收无功功率，有效地改变网络的无功功率分布。与常规 华北电力大学硕士学位论文 的串联补偿装置、称相器相比，f a c t s 装置的特点是调节速度特别快，大大提高了系统运 行的灵活性。 ( 2 ) 抑制振荡 电力系统中的低频振荡和次同步振荡极大地威胁着系统的安全运行。低频振荡通常 发生在重负荷、长距离的输电系统，目前主要的抑制措施有：励磁控制附加稳定信号、直 流调制、s v c 控制等。新型f a c t s 中的t c s c 为低频振荡控制提供了新的手段。常规的 串联补偿虽可降低线路等值电抗，提高功率传输电力，但在某一频率下却有可能发生次 同步谐振，而t c s c 的阻抗在很大一部分范围内呈现为感性阻抗，大大减少了谐振的可能 性。 ( 3 ) 稳定控制 电力系统暂态失稳在很多情况下是因为单一故障发生后切除部分线路，造成某些线 路严重过负荷，引发连锁跳闸，从而使系统失去稳定。如采用f a c t s 装置，利用其快速可 控性，可在系统紧急情况下迅速调整电力网络的潮流分布，使潮流向仍有输电潜力的线 路转移，这样可大大减少系统失稳的概率。 f a c t s 的优点主要表现在【4 】：1 由于采用电子式的开关操作，理论上可以无限 次存在而没有机械摩擦，这就大大提高了系统控制的灵活性。2 可达到非常快的控 制速度( 毫秒级) 这一点对瞬态稳定性的提高至关重要，3 被控参数既可以断许， 也可以连续的调节，利用这点可以设计控制器以提高系统的阻尼。4 ，通过对f a c t s 设备的快速，平滑的调节，可方便，迅速的改变系统潮流分布，这对正常运行方式 下控制功率走向以充分的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5 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 3f a c t s 控制器的分类： f a c t s 按其安装地点的不同，可分为发电型，输电型和供电型三类嘲。图1 1 即为f a c t s 装置按安装地点的不同的分类图。 华北电力大学硕士学位论文 f a c t s 控制器 八 ll i 静态快速励磁系统 静止无功补偿器 有源滤波器 可控电制动静止无功发生器 微型储能器 可调速发电机可切换串联补偿器 短路电流限制器 飞轮变速机组可控串连补偿器 用户电力型控制器 超导储能器静止同步补偿器 静止同步串连补偿器 统一潮流控制器 图1 1f a c t s 装置安装地点分类图 f a c t s 控制器按与系统接入方式的不同可分为串联控制器、并联控制器、串串 混合控制器、串并混合控制器四类。具体的类别和特点见下表6 】： 表1 1f a c t s 控制器分类及特点描述 n o 类别类型及其简写特点描述 lv s c 基于电压源变换器的静止同步补偿器， 静止同步补偿门级可关断 2 静止无功 s t a t c o m 基于电流源变换器的静止同步补偿器，门 c s c 级可关断 电源 3s v g t c r 晶闸管控制的电抗器。连续可调，门级不i 静止无功补偿关断 4 并联控制器 s v ct s r 晶闸管投切的电抗器，门级不可自关断 s h u n t 5 t s c晶闸管投切的电容器，门级不可自关断 c o t l r l e c t e d 6 c o l l t r o i l e r 静止同步电源b e s s 带电池储能的同步电源，可以快速释放 s t a l l c o m 或吸收能量 带超导储能的同步电源，可以快速释放 7+ s o u r c e = s s gs m e s s 或吸收能量 8 m s c机械式投切的电容器，成本最低 9 m s r 机械式投切的电抗器，成本鳗低 1 0 t c b r晶闸管控制投切的制动电阻 l l 串联控制器静止同步串补基于电压源变换器的静止串联补偿器， s e r i e s s s s c门级可关断 华北电力大学颂士学位论文 1 2 c o n n e c t e d 慕干电流源变换器的静止串联补偿器， c o n t r o l l e r 门级w 美颧 1 3舞壹霹步枣罄十德能嚣蛰毫溉德撬鳇爨止瓣步睾卦 1 4 s s s e + s 羊o r a g g 带越导磁储髓静静止褥步率替 1 5 晶闸管控制串联电容器，连续调节，门甥 t c s c 不谢自关断 1 6 晶阐管投切的串联电容器，门级不可自 t s s c 关龄 l ? 暴瓣警控翻事联毫抗器，连续谣节，门豁 t c s r 不掰自关断 1 8 晶闸管投切的串联电抗器，门级不可自 t s s r 关断 1 9 统一潮流控制器，是s t a t c o m 和s s s c 串并联混合控劁 u p f e 鲍缀窘 2 0 器 t c p s t菇辩管控裁鲍移辅器，可块速灞苇糯燕 c o m b i n e d 2 l s h u n ts e r i e s l p c 相闷功率控制器通道感性容性支路分离 相穆电压 2 2t c v l晶闸管控制的电雁限制器，动态 5 晕低电 其他控制器压抑制水平 2 3 o t h e f s彳c v r 鑫瓣管控翻静电嚣湄譬嚣，霉连续撩铡 捆电簋 1 1 4f a c t s 对继电保护影响的研究提出 疆犟疆确挺疆l 关于f a c t s 瓣继电保护鹃影响蘸专爨磷_ 究是逶藤淹气( g e ) 公 司的m a d a m i a k 和r p a t t e r s o n 在工业界1 9 9 2 年的国际大电网会议( c i g r e ) 大会 第3 4 工作组中提出的。该研究认为必须对f a c t s 在电网中的应用可能对继电保护 产生靛影薅弓l 起关注，主要包殛主系统参数强线疆隧撬、凌受、受楚懿滚楚妖速嶷 亿和f a c t s 控制器动作产垒的暂态过程两个主要方面。该文从常溉串补线路装设 金属飘化物非线性电阻( m o v ) 带来的线路阻抗的快速变化导致继电保护引入自适 应滤波秘能量比较器的实例出发，指出应从f a c t s 对姆线保护、变艇器缳护秘线 路保护这三个方霹入手进嚣评镳。该研究淤t c s c 在奄瓣中靛应瘸为鹜景，通过分 析指出电流差动保护基本不受影响；保护比相元件可能会由于t c s c 波形中自然频 率分凝的影响产生误判；快速保护的方向元件由于同时使用电流电压是可能会受影 璃；t c s c 嚣藏毫翊骧窝放簿戆噪声遣哥魏辩鑫鞭逶遴产生于菝。钤慰筵清嚣，该 文提出了继电保护殿用的基本条件，并通过常用的实际单相和多相继电器进行的测 试表明，t c s c 安装在输电线路中，线路保护的性能没脊或稍有下降。 l 。1 。5f a c t s 对继耄傺护彰噙豹磺究褒状 哟上节可知，f a c t s 对燃电保护影响的研究课题燎早由国外提出 ，并在淇 f a c t s 概念和控剃器研究大量成果和实践的基础上，结合继电保护的应用实球，l 乍 了韬荧翡理论分撩帮稼龚诗算。q y x u a n 与宋隶华奁文献戳中锋冠t c s c 在超商蕊 系统的应用，分析了各种不同凝型故障的频谱分布，提出了基于两个人工神经网络 4 华北电力大学硕士学位论文 ( a n n ) 的线路保护方案。神经元网络的权系数通过一个5 0 0 k v ，3 8 0 k m ，2 6 固 定串补1 0 可控串补的超高压线路仿真样本的数据进行训练，仿真测试表明所提出 的自适应线路保护方案可以满足装设t c s c 的超高压输电线路保护的需要，但还需 要通过现场实践进一步检验。文献【9 】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，为此，文中提出了一种基于a n n 的自适应在线保护边界算法，并通过计算机 仿真加以验证。文献1 1 0 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，同时影响保护的动作边界，并为基于a n n 的自适应保护的方案提供了补偿方 案。文献1 1 1 提出了一个智能化面向对象的新型保护，并通过一条2 2 0 k v 、4 0 0 k m 长，中点使用s t a t c o m 补偿的的线路的保护试验加以验证，但对具体的f a c t s 影响没有详细分析。 目前国内f a c t s 主要的研究方向集中在各种新型f a c t s 设备及其控制器的动 态特性研究方面，大部分采用数值计算仿真程序如e m t p 、e m t d c 、m a t l a b 等 来检验f a c t s 控制器在系统动态过程中的调节特性。1 9 9 6 年，电科院等科研机构 以伊敏，冯屯5 0 0 k v 输电系统为背景，进行了超高压输电系统中灵活交流输电( 可 控串补) 技术的研究。主要研究方向是可控串补分析数学模型和算法、非线性稳定 控制策略等方面。工程应用研究方面，主要涉及到可控串补的技术条件和参数选择 方法、采用可控串补后线路保护的配置方案等内容。 1 9 9 4 至1 9 9 9 年清华大学电机系的f a c t s 研究所研制了2 0 m v a r 的 s t a t c o m ，研究重点为f a c t s 控制器的设计以及各种f a c t s 控制性能的研究， 包括系统暂态稳定、阻尼次同步谐振等方面，其电磁暂态主要的仿真工具是西门子 的n e t o m a c 和e m t p 。文献【1 2 】牛t 使用开关函数分析法研究了系统不对称条件下 s t a t c o m 的运行特点和装置参数对s t a t c o m 的性能影响，有利于进一步分析 s t a t c o m 在不对称故障条件下与电网的相互影响。 s t a t c o m 对距离保护的影响中论文中，研究了s t a t c o m ( 结构和功能相当 于u p f c 的并联侧) 对距离保护的影响。采用e m t d c p s c a d 软件建立的主要包 括2 2 0 k v 、4 0 0 k m 的双端输电系统仿真模型，使用多个p i 型等值电路，考虑分布参 数影响，三相六脉s t a t c o m 安装在线路中点。结论是：s t a t c o m 安装位置越近， 其谐波成分对线路保护的影响越大；次数较低的谐波成分对线路保护影响较大，特 别是三次谐波；三相对称故障条件，由于s t a t c o m 使测量阻抗增大，不利于保护 的快速动作。不对称故障点位置距离s t a t c o m 越近、s t a t c o m 连接变阻抗越小， 则对保护影响越大。在相间故障时测量阻抗影响较大。单相接地时对测量阻抗影响 不 华北电力大学硕士学位论文 1 2u p f c 简介 1 2 10 p f c 的概念 u p f c ( 是s t a t c o m 和s s s c 的组合) 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。 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，他是由换流器产生的幅值和相角 都可以连续变化的交流电压串连加在输电线路的电压上，从而实现线路有功，无功 功率的准确调节，并可以提高输送能力以及阻尼系统振荡。 1 2 2i j p f c 的作用 u p f c 应用于电力系统中，在稳态方面能够实现无功功率的补偿和线路潮流的调 节，合理控制节点电压和线路的有功、无功功率，实现优化运行；在动态方面u p f c 可以 通过快速的无功吞吐，动态的支撑接入点的电压，提高系统的电噩稳定性，施以合适的 控制，u p f c 还能够提高功角稳定性，改善系统阻尼 1 2 3u p f c 的研究 u p f c 的研究工作主要集中在以下几方面： 1 ) 统一潮流控制器的工作原理及其系统构成。2 ) 统一潮流控制器的行为特性及 其对系统的作用效果3 ) 统一潮流控制器的控制策略与控制方法4 ) 统一潮流控制器的 物理模型及实验装置 随着对u p f c 的理论研究工作的深入，它的装置的研发工作也在进行。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 的并联侧和串连侧分别是1 6 0 k v a 。装置的主电路采用g t o 的三电平逆变器【l ”。法 国也有开发研制u p f c 的工业示范装置的计划，计划有g e 和g e c 共同承担。韩国 也在k a n 9 3 i n 变电站安装了额定容量为8 0 m v a 的u p f c 装置 我国近年来，各个高等院校，科研院所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：统一潮流控制器的 建模和潮流计算，控制器和控制方式的研究等。更倍受关注。对u p f c 的研究主要 包括三个方面：电磁暂态仿真研究、系统动态仿真研究和物理模型研究，文献 1 4 ”，】 研究了含u p f c 的潮流解算问题以及优化潮流的分析问题，主要基于u p f c 的静态 等效模型，文献 1 6 ，1 7 讨论了u p f c 对电力系统暂态性能的影响，目前，系统动态仿 6 华北电力大学硕士学位论文 真研究正在开展并逐渐深入。文献1 8 1 较早地进行了这方面的工作，但忽略了u p f c 直 流电容器的充放电动态过程，文献1 9 1 也未考虑直流电容器的动态，文献2 0 1 基于单机无 穷大系统论述了u p f c 的优化控制，文献2 1 2 2 1 较详细地讨论了u p f c 的动态运行机理 提出了计及直流电容器动态的动态模型，并引入交替迭代法实现了u p f c 与系统之间 的接口处理。 1 2 4 u p f c 对继电保护的影响 文献”研究了u p f c 的串联部分的注入电压对距离保护的影响。应用e m t d c 对 韩国k a n g j i n 变电站的u p f c 设备以及周围系统进行模拟，并根据u p f c 在稳态和暂 态条件下不同的运行方式，考察线路阻抗变化的规律。研究了故障条件下，u p f c 自 身保护的动作情况，以及距离保护所感受的阻抗的变化，分析了保护误动作的可能 性以及相应的保护定值修改建议。 文献 2 4 1 以u p f c 安装在母线旁边和安装在线路中间两种情况为例，分析了u p f c 的参数，故障地点都会在一定程度上影响距离保护的测量阻抗。所以，u p f c 的存 在使得测量阻抗低于或者高于实际阻抗。该文还提出了消除u p f c 对距离保护影响 的办法，其一是u p f c 安装在距离保护的安装点上，第二种办法是利用人工神经网 络消除u p f c 的影响。 1 3 本论文的研究内容及意义 鉴于前面对u p f c 在柔性交流输电系统中的地位和发展前景以及在国外电力系 统中已经有实际装置投入运行，国内也在积极发展。所以本课题的研究具有现实意 义。 1 3 1 在e m t d c p s c a d 仿真环境下建立u p f c 的精确仿真模型 u p f c 的建模包括2 2 0 k v 双电源线路的模型，u p f c 的主要电路模型和它的控 制器模型。其中u p f c 的控制方式的选择是关键，也是难点。本论文建立了在e m t d c 仿真环境下的u p f c 模型，u p f c 主要由两个电压源逆变器构成，逆变器的开关器 件采用门极可关断晶闸管。为限制开关器件的电流上升速率和电压上升速率，并减 少器件的开关损耗及瞬态电流，避免二次击穿以及一直电磁干扰，在g t o 上并联 了由电感，电容和二极管构成的导通限流电路。 1 3 2u p f c 的基本控制方式及其实现。5 删 u p f c 的控制方式是现在国内外很多研究u p f c 控制方式的文章，如神经网络 7 华北电力大学硕士学位论文 控制，模糊控制等。本文采用经典的p i 控制方式。u p f c 的控制目的是维持线路有 功功率、无功功率、母线电压和直流侧电容电压为设定值。取u p f c 并联侧接入母 线电压u 和直流侧电容电压u d 。为并联侧v s c 的反馈量，线路有功和无功为串连逆 变器的反馈量。 图1 2 简化的u p f c 原理图 系统输入并联变换器的功率为( 忽略k 和i r ) v 如= 谚l 等| - 警s 协毒( 棚啪s 4 ) c - 叫 因此，调节v l 即可改变逆变器1 向系统输送的无功，从而控制节点s 的电压。故 采用v s 的偏差量反馈调节m l ，因此可通过调节相位61 来调节逆变器1 发出的有功， 以维持直流侧电容电压的恒定，即利用u d 的偏差量反馈调节61 ， r y 川戚l 警| _ 警咖( 击 帆嘶刮 c 吲 众所周知，增大( 暝一巧) 可增加支路有功功率置，增大k 可增加支路无功功率 q 。所以选择k 的幅值和相角作为控制量控制线路的有功和无功 1 3 3u p f c 对继电保护的影响 本论文分析了u p f c 的谐波对继电保护的影响。采用准稳态分析的方法分析电 力系统各种故障情况下u p f c 设备的运行状况和对继电保护的影响。本文采用时域 仿真的方法进行研究。在e m t d c 的仿真环境下，研究u p f c 在稳态下，它的运行 方式对继电保护的影响，在故障条件下，u p f c 的不同运行方式对继电保护的影响。 华北电力大学硕士学位论文 第二章u p f c 的原理和数学模型 2 1u p f c 缩构原理 统一潮流控制嚣主要由两个电送源变换器构成，交换器般选用g t 0 ( 门极可关 断晶闸管g a t et u r n o f ft h y r i s t o r ) 与续流二极镣反并联构成。其中变换器1 通 过并联耦台变压器与线路摆连，变换嚣2 通过串迄耦合变压器与线路枢连，变换器 l 与变换嚣2 逶过壹滚泡褰连接，这群有臻功率霹豁在两个变换器之阕自巍流动。 矮结构图如网l 。 图2 1u p f c 原理圈 盘图i 可爱，u p f c 戆枣连变压器瓣一次电压寒鑫交换嚣2 ，霹交换器2 瓣浚天 来自中间的崴流电容上的巍流电鹾，赢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，这个交流电聪的相位和幅值都是 可控鲍。也就是说变换嚣2 通过串联鹅合变压嚣囱输电线路提供了一个幅馕秘檩角 都可控静补镶瞧压v 。补偿窀鹾可嚣捧是一个鬻步交流宅器源，输电线路豹电 流流经v 。，使变换器2 与输电线路之间发生有功和无功交换。因此，不但可以用来 控制线路两端电压的相位激，进而有功功率控制，也可以产生一个补偿线路电压降 鹣篷势，对线瓣套珐窝炙凌功率遘蠢羧靠。交换器l 戆差奉捧麓是逶过孛黉靛整流 甑容为变换嚣2 直流测提供有功功率，另外，它本身还可以作为一个无功电源，能 独立与电网发嫩无功交换，相当于一个s t a t c o m ，因此，变换器l 的辅助功能是调 麓节点电压。u p f c 的并联部分接于母线，其主要功能是调节母线瞧压和无功功率， 帛联于线路静审连部分输漤电流所产生豹电送辐毽秘相角可交，从而与并联部分相 赢配合，控制线路的有功和无功潮流。变换器2 与变换器1 在娥流侧互连，鼹为了 满足变换器2 输出电压变化所需的注入霄功功率，该功率由变换器1 从母线吸收， 邋遘壹凌繇节，秀交交换嚣2 注入系统。u p f c 骰免整薄，并不大量溃耗或骚供有 功功率“。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 u p f c 的动态模型和控制策略 2 2 1u p f c 的动态模型。“2 们 动态模型考虑直流电容的动态影响，从而考虑到了并联电压源和串连变换器的 互相影响。u p f c 包括一个励磁变压器，一个升压变压器，两个基于门极可关断晶 闸管( g t o ) 的电压源逆变器( v s c ) 以及直流电容。 图2 2 u p f c 的结构图 g t o 采用正弦脉宽调制方法触发，u p f c 的三相微分方程表示为 吒 d t d i 出 嚷 d t + o o o o 一土oo o一土o oo一三 o 0 丘 1 0 ( 2 1 ) l川刊 ，础础 晒o m m | ； 一 p 监珥 华北电力大学硕+ 学位论文 茂 d t d t _ b 疵 姣 也 + 1 o o 一互 ， o o o oo 一羔o l o一土 # ， o o 一曼 t 隧 警爿c o s c 州吨c o s c 一- 叫抖 挣雹，c o s ( r o t + 8 2 - 1 2 0 0 ) c o s 纠别豳 弓l 入p a r k 变捺，则上甏的方程变必： 蛾 d t 出 斑 吒 出 + = 睢褂0 1 f , 1 钝斗3 寥：划一警p j + 皇00 z 0 量0 00 量 f # |!；isd 土o 。三 是 oo 0 0 1 一 圈 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) j对 m 妒 ) 2 2慢o 抖吒嘎 + + | ；泓 髂 一 竺j 竖 生2 1，坼，帅缸 华北电力大学硕士学位论文 瓯 d t d 击 嚷 摩 + 王00 f 0 - l 0 f ， 00 皇 三o o 上 o 0 o 0 1 圈 警= 罢t c 。s 点s ；n 嚆。， 差 一薏r c o s 谚甜n 嚷叫f 囊 忽珞u p f c 审秀压变臻器萋器藏磁变援器戆隧撬殿蘩态影稳，方程交为 阱 曼o 州j l i 。j + 豇麓渊 盼 曼础水黢涮 警= 罢陋s 毒懿琏l 湖+ 薏陋s 磊峨】嘲 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 忽略损耗，在稳态调件下，u p f c 既不吸收输电系统的功率也不注入功率，也 就是说p 。l 和p f l 的和为0 。但是他们鼹个的值并不是为0 。猩物理概念上解释为鸯 滚蛰楼毫器上豹电压一巍为鬻数v d 。 下面的方程反映了两个逆变器之间的相互关系。 只= 一如+ v 岛 霉= i 。r d 手屹毛 慨f c o s s t n 谚， 笔 = 鸺c c 。s 哇s m 岛， 乏 以上方程可凝说明两个邋变器是互稳影响豹。 2 2 2p f c 的控制策略持“3 1 2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 2 ) 鹏峨。 一 一 监咎 kk 们副 缈o oo 御o 1；，；，j一一h一=三 华北电力大学硕士学位论文 u p f c 的多个控制功能设计成多个p i 控制器，采用p i 控制器是为了快速直接的 对扰动或者输入信号进行调整。u p f c 的各个控制器设计成如图所示的比例积分反 馈形式。其中x 。表示系统的控制变量，x r e f 表示系统的期望值，y 式逆变器的输 入信号。分别式m l ，m 2 ，和磊，j ：。u p f c 的内部控制结构可以用两个方程来描述， 一个微分方程，一个代数方程。 图2 3p i 控制器的结构图 u p f c 有四个控制器： u p f c 的串连侧的两个p i 控制器式用来控制，使其跟随用功、无功功率的变化。 系统的变量被检测出来后于相应的期望值进行比较。通过p i 调节器，期望值与测量 值之间的误差将趋于0 。以调节线路有功功率的的控制器为例。 卸= p 町一p l 缉2k22卸(2-13、 y 2 l = 邑2 1 卸 ；= d 。+ y 2 1 。，为控制p 信号的m 2 。无功的控制与有功类似。 并联部分的p i 调节器是通过调节1 1 1 1 1 来维持v 。恒定；调节点来调节v 如其中 并联部分的作用体现在：使用4 作为直流电压调节器，另外，为了维持交流母线电 压，用m l 做无功补偿器，可以产生或者吸收无功。 a k = k 。一- k 。 2 e 1 - k ( 2 一1 4 ) ) ，1 1 。疋i 2 k y l l = y 1 1 + d 为了使u p f c 正常运行，直流侧的电容值必须保持适当的电压。v d 。和v d c r 。f 分 别使检测值和初始设定的直流电压值。在p i 控制器中，这两种信号被比较且误差被 华北电力大学硕士学位论文 放大。p i 控制器的输出信号是d ， 的调节。下面是它的动态特性。 a = 一。 = k e l 2 吃 y 1 2 = k s , 2 a y 1 2 。= y 1 2 + 眈。 可以通过对直流电容的充放电来实现对直流电压 ( 2 1 5 ) 以上是u p f c 采用的四个控制器的动态方程。控制信号m 1 用来调节母线电压， 控制信号点用来调节直流电容电压，信号m 2 ，和j ：用来调节线路上的有功和无功功 率。u p f c 的控制将随着系统参数的变化而变化，如，当控制器的设定值发生变化， u p f c 就会随着设定值的变化而进行调整。 2 3 本章小结 论文首先介绍了u p f c 的工作原理，然后在此基础上研究了u p f c 的动态模型。 相较于稳态模型只考虑u p f c 的输入输出特性而不考虑它的内部性能，计及直流电 容动态过程的u p f c 动态模型可以分析系统的动态特性和行为，便于系统的电磁暂 态仿真。最后论文分析了u p f c 的控制策略。即通过信号m 磊，m 2 和j ：来实现对 交流电压，直流电压和线路有功无功的控制。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章u p f c 对继电保护的影响 3 1 u p f g 的谐波对继电保护的影响 电力电子器件在电力系统中的广泛应用，产生大量高次谐波，u p f c 装置基于大 功率电力电子变换技术实现对电力系统状态量和参数的快速调节，也会产生大量高 次谐波注入电力系统，这对电力系统电能质量及发、供、用电设备造成不良影响， 甚至造成严重危害。 3 1 1 谐波的基本概念2 3 3 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波 的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称其为高次谐波。由于谐波次数必须为基 频的整数倍，对于频率不是工频整数倍的正弦分量称为间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) ， 即介于工频谐波之间的傅立叶频谱分量。频率低于工频基波频率的分量为次谐波， 频率非基波频率整数倍的分量为分数谐波。 谐波含量的度量主要有电压电流有效值表达式、波峰系数、谐波含有率、总谐 波畸变率等。以下仅给出电压谐波的表达式，电流谐波表达式可类似列出。 - 有效值 非正弦周期信号的电压有效值为基波和各次谐波平方和的平方根值。其中u 。 i k 为第k 次谐波电压有效值，n 为电压信号中最高次谐波次数。 u = 扣f 万而f j 而= ( 3 1 ) _ 波峰系数 波峰系数c f ( c r e s tf a c t o r ) 定义为畸变波形的峰值与方均根值( 或基波方均根 值) 之比。若不计相位，则 c f = 压n 斧u ( 3 2 ) 女= 】u 1 其中u t 为第k 次谐波信号有效值，n 为电压电流信号中最高次谐波次数。 一谐波含有率 电压畸变波形的第k 次谐波电压含有率等于其第k 次谐波电压有效值u k 与基波 电压有效值u 1 之比的百分数。 h r 惦鲁删 ( 3 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 总谐波畸变率 总谐波畸变率t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 简称畸变率d f ( d i s t o r t i o n f a c t o r ) ，是各次谐波含有率的平方和的平方根值。电压的总谐波畸变率为 t h d , , = 1 0 0 ( 3 4 ) 其中u - 为基波电压有效值，u k 为第k 次谐波电压有效值。 u p f c 的主要结构是两个通过电容器相连接的电压源逆变器。但是以基于g t 0 的 电压源逆变器是电力系统重要的谐波源之一。所以u p f c 本质上仍是一谐波源。 3 1 2工频突变量距离继电器构成原理 根据文献】，工频突变量距离继电器动作方程为 l a u i u ： u 0 p 伸= u 忡一l 神x z d 缈= a b ，b c ，c a u 卅= u p 一【j + k x 3 1 0 ) z “ 矿= a ，b ，c z z d 为整定阻抗，一般取0 _ 8 一o 8 5 倍线路阻抗，u ：为动作门坎， 电压的记忆量。 3 1 3 谐波对工频变化量阻抗继电器的影响 ( 3 5 ) 取故障前工作 由于反映接地故障的工频变化量阻抗继电器动作特性与反映相间故障的工频 变化量相间方向阻抗继电器动作特性相同，这里以接地故障为例说明谐波对工频变 化量阻抗继电器的影响。 工频变化量阻抗继电器的动作方程为 l a u p i u 缸 ( 3 - - 6 ) f 其中，u ：d 实际上使继电器工作电压的记忆值，一般取1 1 5 倍额定相电压。继电器 实际实现使用的是工作电压的半周积分值 s 。= 陬t ，o ) - - u o p 1 0 a m 等u 。 ( 3 _ 7 ) 式中，u 。，1 。为故障前一周的工作电压值，工频变化量阻抗继电器满足上式即可动作。 假设故障前后系统特征谐波不变化，故障后有非特征次谐波产生，则由周期性 可知，负荷分量和特征谐波分量在工作电压变化量中被消去，变化量中包含了故障 1 6 华北电力大学硕士学位论文 分量襄j 特征次谐渡分爨，半周积分篷失s rr ln s 。，= f k ，( t ) - - u o p 。( f 粒= f l u 。 s i n 如纸f 十。杠 ( 3 - 8 ) i k = l 考察半周积分值s ，逡撵娃工频分整戈正毽瓣拳周区霹积分，使爱梯影法计算突 变量，可知& 。与谐波次数k ，谐波分量大小均有关。对予相同幅值的各次谐波分 屋，低次谐波对工频量计算误差影响照大。由于释次谐波积分值与谐波次数k 成反 比，随着谐波次数的增加，谐波的影响逐渐减小。 壹上努凝，哥夔恭赣各次谮波分爨特鬟是稳次谐渡分量荨箨会影响突燹鬃绦护豹 动作边界，影响保护动作速度并可能引起突变量阻抗继电器的误启动。 3 ，1 4 谐波抑制的方法： 3 1 4 1 被动型抑制方式 1 加装交流滤波装置( 无源滤波器) 该装鬟测蘑谐振琢遴，逶过滤波曦路对震要瀵稼戆裹次谐波进行谰谐，嫠之发生 谐振，用其狂谐振时阻抗最小的特性，翁效消除指定次数的谐波，并在谐波澈附近就近 吸收谐波电流，从而有关次数的谐波电流被滤波器吸收而不能注入电网中去。该装置 的优点是投资少、效率禽、结构简单、运行可靠殿维护方便、运行费用也低，不但起 翻滤渡终麓逐戆超到秃穗替楼静俸弼等。函魏，无深滤波是嚣蓠广泛采焉翡捧锈谐波 及无功补偿的主要手段。但该方法宥以下缺点。 ( 1 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，l c 参数的漂移将 导致滤波黪瞧改变，使滤波整戆不稳定；( 2 ) 滤波特热蒎羧予宅瓣参数，瑟邀嬲貔疆撬霸 谐波频率随着电力系统的运行工况髓时改变，因而l c 网络的设计较困难；( 3 ) 电网的 参数与l c 可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降；( 4 ) 电网中 的莱次谐波电压可能在l c 隧络中产袅很大的谐波电流。该方法是一耪现除段在实 践中最常觅、最实焉的掷籍方法，主鬟用于大容量的整流装置负载。 2 加装有源电力滤波器 有源电力滤波器是一种新型的，能够动态抑制谐波的电力电子装置。它的滤波方 式是：宠簌餐缮对象孛捡溅窭谴渡毫浚，霉零l 震胃控豹葵率半鬈俸器舞( 羚臻装萋) 是 电网注入与谐波源谐波分量( 电流或电捱) 幅值相等、相位相反的谐波分量( 电流或电 压) ，使电源的总谐波为o ，达到实时补偿谐波的目的【4 】， 1 7 华北电力大学硕士学位论文 有源滤波器 负荷谐被源 图3 1a p f 补偿原理 与传统的无源lc 滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点：( 1 ) 不仅能补偿各 次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；( 2 ) 滤波特 性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；( 3 ) 具有自适应功能，可 自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。其缺点主要表 现在它的成本和结构上，随其滤波效果的改进和补充元件的增加，其成本也相应地增 大，结构也趋向复杂化。尽管如此，有源电力滤波器是今后谐波抑制的首选装置。a p f 作为改善电能质量的一项重要技术，在国外已得到广泛应用，它大体上可分为串联型 和并联型。前者适合补偿电压型谐波源负载。后者只适合补偿电流型谐波源负载。 但在大多情况下会与l c 型滤波器混合使用，因为这样会得到较好的综合效益。 3 1 4 2 主动谐波抑制方法： ( 1 ) 变换器与系统连接的变压器采用y 一或y 一接线。 变换器与系统连接的变压器采用y 一或y 一接线。可抑制3 的倍数次的高次 谐波。以变压器采用y 一接线形式为例说明其原理。当高次谐波电流从晶闸管反串 到变压器副边绕组内时，其中3 的倍数次高次谐波电流