（电力系统及其自动化专业论文）统一潮流控制器物理模型电流源部分的研制与实现.pdf

堡埋盘堂墅土堂熊迨塞 筮= 嬲连整妻i 篓擞型整型邀速羹整熊熬鲤生i 兰塞避 a b s t r a c t f a c t s ( f l e x i b l ea l t e m a t ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ) i saf o c u si nt h e r e s e a r c ho fn e wt e c h n o l o g yf o rp o w e rs y s t e m a n dm a n yf a c i l i t i e s ，m a i n l y i n c l u d i n gs t 疆0 孰 & s v c h a v e b e e n p u ti n t oi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n h o w e v e r , u p f c ，w h i c hc a nf u l l y c o n t r o lt h e v o l t a g e ，i m p e d a n c e a n d a n g l e o ft h e t r a n s m i s s i o nl i n ea n di sr e g a r d e da st h em o s tp r o m i s i n gm e m b e ro ff a c t s f a m i l y , h a sn o tb e e nu s e dw i d e l y m o s tr e s e a r c h e r s i n t e r e s t sc o n c e n t r a t eo n t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n + i no r d e rt oo b s e r v eu p f c s p r a c t i c a l r e g u l a t i o na b i l i t y , i ti sn e c e s s a r yt om a k e a p h y s i c a lm o d e l ，w h i c hc a na l s oh e l p r e s e a r c h e r sv e r i f yt h e i rc o n t r 0 1s t r a t e g i e sa n d f u l l yu n d e r s t a n di t sc h a r a c t e r i s t i c s t h e p a p e rd i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g no f al0 k v au p f c m o d e l d e s i g n s t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h es h u n tc u r r e n ts o u r c e a n dr e a l i z e st h ec o n t r o ia l g o r i t h m o nad s p p l a t f o r r r l t h ec o n t r o ls y s t e mo f c m r c n ts o l l r e ec a l lb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：c u r r e n t l o o pc o n t r 0 1 d cv o l t a g el o o pc o n t r o la n dv o l t l g e m o d u l a t i o na l g o r i t h m t h e c u r r e n tl o o pa d o p t sd i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 t h ed c v o l t a g el o o pu s e s p ir e g u l a t o r 。 彳沁v o l t a g em o d u l a t i o na l g o r i t h ma d o p t ss v p w mt e c h n i q u e w h i c hi so fi o w h a r m o n i c sd i s t o r t i o na n d h i g hu t i l i t yo f d cb u s v o l t a g e t h es o f t w a r ec o n s i s t so ft w op a r t s ：o n ei s 也es o f ts t a r t u po ft h ec u r r e n t s o u r c e ，w h i c hd o e sn o tn e e dt om e 。t 也es t r i c tr e a l - t i m er e q u i r e m e n t s ，i sw r i t t e n i nc l a n g u a g e w h i l ea n o t h e rp a r t ，t h ec o n t r o la l g o r i t h m ，i sw r i t t e ni na s s e m b l y l a n g u a g e ，弧ec o m b i n a t i o no f t h e t w ol a n g u a g en o t o n l y r e d u c e st h ed i 越c u l t yo f p r o g r a m m i n g ，b u ta l s og u a r a n t e e st h ec o d e s e f f i c i e n c y t h u s ，ag o o dc o n t r o l e f f e c t i v e n e s sc a nb ea c h i e v e dt h r o u g hac h e a ph a r d w a r ep l a t f o r i l l k e yw o r d s ：f a c t s ，u p f c ，i n v e r t e r , p w m ，c o n t r o l 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请殛圭学位的论文是本人在导师的指 导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：当j 9 榈日目日期：加，；年f 月扣目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文大规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本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 保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：重- 1 坪甘p 目日期：z 哆年厂月沙日 导师签名：1 悖乞欠 日期：腓f 月乃日 鲤逸盔堂亟坐篮迨塞 统= 潮远撞剑墨塑罂攫型皇逋通壑佥数翌 剑蔓塞理 第一章绪论 1 1f a c t s 技术的基本概念和发展状况 f a c t s ( f l e x i b l ea l t e r n a t ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，灵活交流输电系 统) 概念最早于1 9 8 8 年由美国e p r j ( 电力研究所) 的n gh i n g o r a n i 提出。 i e e e ( 国际电子电气工程师协会) 与c i g r e ( 高电压大电力系统国际联合 会) 在共同发行的f a c t so v e r v i e w ) ) ( f a c t s 综述) 中正式确定f a c t s 定义是：应用电力电子技术及其它静态控制器，增加系统可控度与提高输电 容量的交流输电系统。f a c t s 设备指能够控制一个或多个输电系统参数的电 力电子系统或其他静止设备1 1 9 1 。 f a c t s 技术可在不改变网络结构的情况下，使互联电网的主干线或联络 线不受常规稳定的约束而接近它的热稳定极限运行，并使其潮流和电压的可 控性大幅度提高，极大地减少互联系统的备用容量，更好地提高联网运行的 经济效益。 f a c t s 的主要功能可归纳如下：较大范围地控制潮流；保证输电 线输送容量接近热稳定极限；在控制区域可以传输更多的功率，减少发电 机的热备用；依靠限制短路和设备故障的影响来防止线路串级跳闸；阻 尼电力系统振荡。 f a c t s 装置包括：静止无功补偿器( s v c ) ，新型静止无功发生器 ( s t a t c o m ) ，可控串补( t c s c ) ，晶闸管控制移相器( t c p a r ) ，统一潮流控 制器( u p f c ) ，晶闸管控制动态掣动( t c d b ) ，晶闸管切换过压保护 ( t s o v b ) ，次同步振荡抑制器f n g hs s r ) 等。 自从f a c t s 概念提出以来，相关基础研究和实际设备的开发得到了迅 猛的发展。目前已获得工业应用的最重要的两种f a c t s 设备为s v c 和 s t a t c o m 。应用于超高压输电系统的s v c 己达到1 8 0 多台。1 9 8 6 年1 0 月， 由美国e p r j 和西屋公司联合研制的世界首台采用大功率g t c l 作为逆变器件 的s t a t c o m 投入运行。此后日本的三菱、东芝，德国的西门子，英国的阿 尔斯通也相继开发出多套s n 玎c o m 。清华大学研制的国内首台s t a t c o m 也于1 9 9 9 年在河南洛阳变电站投入运行【l 。 其他f a c t s 设备的应用较少，特别是功能最强大的统一潮流控制器目 前还只有一台在美国的i n e z 变电站投入运行。 1 2 统一潮流控制器( u p f c ) 的重要地位和研究意义 统一潮流控制器的概念由g y u g y i 于1 9 9 1 年提出。u p f c 概念一经提出， 立即引起了全世界电力研究工作者的极大关注。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。现在，人 第1 页，共7 9 页 武送叁兰壅盘差壁量塞 箜= 熬速蕉盔i 墨貔型燕型擞涟夔盔盐艘受型兰痰避 们已经公认其为f a c t s 家族中最具发展前景和最有应用价值的一员。 u p f c 可敬对交流输电系统进行实噩寸靛铡和动态替偿，灵活的解决电能 传输工业所面临的问题。在传统的电能传输概念的框架内，u p f c 可以同时 或有选择的控制传输线中影响潮流的各个参数，比如电压、隰抗稻相爱。 u p f c 的男一个猿列之憝在于可班独立豹控制线路中的有功和无功。因此， u p f c 是f a c t s 设备家族中功能最强的装置，它既可以作为并联或串联补偿 嚣，也可侈必电愿调节器、澳淡控制器和穆耀器。 根据系统的不同要求，u p f c 可以工作在不同的模式下，如并联电流源 无功补偿模式、自动电压控制模式、串联电压源直接电压注入模式、移相模 式、线路阻获模式、自动灞滚控制模式等。 从目前在美国i n c z 变电站投入运行的u p f c 来看【2 】，确实实现了上述调 节能力，图1 1 为该u p f c 鲍一次接线图： 图1 1i n e z 变电站u p f c 的一次接线图 该套u p f c 由两台容量均为1 6 0 m v a r 的电压源型逆变器构成，通过两台 并联变压器与线路并联，邋过一台串联变鼷器与线路串联，通过控制开关， 可构成灵活的接线方式： ( 1 ) 正常情况下两台逆变器通j 过直流电容耦合，分别作为s t a t c o m 和 s s s c 投入运行； ( 2 ) 逆变器2 通过备用并联变压器与逆变器l 一道作为s t a t c o m 运行， 这时可提供的无功容量为3 2 0 m v a r ，可充分满足地区电压稳定的委求； 移) 断搿壹流断路器，两逆变器独立运行。 安装u p f c 后，充分利用了输电系统的容量，减少有功损失2 4 m w 阻上， 并且在有两条辕电线赦障的馈提下仍然能够绦证变奄菇敬母线电压，茨立了 电压崩溃。 正是由予u p f c 具有诸多杰出的特性，使它成为各国学者研究灼热点。 第2 页，共7 9 页 武迅盘坐亟；堂焦迨塞统二塑远控剑墨物堡撼型电逋遁酆佥曲婴剑生塞赳 但同时也要看到，u p f c 的概念提出的时间还不长，实际投入运行的实例少， 可供借鉴的经验不多，对其运行与控制特性还有待迸一步的研究。同时考虑 到u p f c 结构复杂，成本高昂，直接开发应用级设备风险太大。若能够首先 开发出一个小容量的物理模型，在这个平台上检验控制策略的效果，考察其 对系统参数的控制能力，则可以积累丰富的实际经验，为将来开发工业应用 级设备打好基础。这正是本文要做的工作。 1 3 本文完成的工作 ( 1 ) 详细讨论了一个1 0 k v a 的u p f c 模型的硬件结构，着重对该模型的 弱电部分测量、保护、驱动与控制电路进行了分析； ( 2 ) 将一种快速s v p w m 算法应用于实践，减少了运算量，便于工程实 现。算法采用汇编语言编写，在基于1 m s 3 2 0 f 2 4 1 d s p 的硬件平台上实现， 并给出了实验结果； ( 3 ) 根据简单实用的原则，对电流源采用双闭环控制直流母线电压 闭环控制和电流闭环控制，探讨了在考虑计算和测量延迟的情况下的不同控 制策略及其控制效果，并给出了相应的仿真结果： ( 4 ) 设计编写了电流源的控制软件，包括电流源的软启动和主控制算法。 软件采用c 和汇编的混合语言编写，通用性的程序已经模块化，为下一步电 压源的研制打下了良好的基础。 第3 页，共7 9 页 武迅盘堂亟芏筐迨塞 蕉二潮远撞蒯墨堑堡撼型虫近盈趣垃盟班主| | ! 【皇型望 第二章u p f o 的工作原理与系统结构 2 1u p f o 的基本原理【1 i f 3 】 4 1 2 1 1 基本工作原理 u p f c 可看作是一个与输电线串联的同步电压源，它产生一个基频与系统 频率相同，电压幅值( 0 。) 和相角p 均可调( 0 p 2 石) 的电压向量v p q 。图2 1 给出了其双机系统模型。可以看出，通过调节电压 源的电压与相角，u p f c 可与输电系统交换有功功率和无功功率。不过，u p f c 只能产生无功功率，有功功率必须通过外界供给。在图2 1 的模型中，有功 是通过送端母线提供的。 玉蔓 心妒一、- 一y 一却 j 一一 1、丫 图2 1 双机系统中的u p f c 在实际的装置中，u p f c 由两个“背靠背”的电压源型逆变器构成，如图 2 2 所示，两换流器通过一个直流储能电容构成的直流母线连接起来的。这 是一种理想的a c a c 换流器结构，有功功率可以在两个换流器的交流侧之 间自由流动，并且每个换流器都可以在自己的交流输出端独立的吸收或发出 无功功率。 换流器2 完成u p f c 的主要功能。它通过串联在线路中的变压器向系统 中注入了一个幅值和相角均可控制的电压。该注入电压在系统中相当于一个 同步交流电压源。输电线电流流经电压源时会导致电压源与交流输电系统之 问的功率交换。在交流侧交换的无功功率( 如在串联变压器的末端) 是由 换流器内部产生的。而在交流侧的有功需求被转化为直流功率形式，在直流 母线上表现为正的或负的有功功率需求。 换流器l 的基本功能是提供或吸收直流母线上的有功功率，以满足注入 第4 页共7 9 页 丛迅厶兰亟生生焦丝兰荭= 塑煎蓬划墨趔些撞型生丝监部坌盟翌f 型皇甚型 串联电压而在传输线上引起的有功功率交换，相当于一个和母线并联的可控 电流源。换流器2 引起的直流母线功率需求被换流器l 转化为交流形式，并 通过并联变压器耦合到传输线上。除了满足换流器2 的有功功率需求外，换 流器l 还可以产生或吸收无功功率，从而为线路提供无功功率补偿。值得注 意的是，虽然有功功率是通过换流器l 一直流母线一换流器2 这个路径传输 的，相应的无功功率却是由换流器2 自身产生或吸收的，因此不需要通过线 路传输。换流器l 也可以单独与线路交换无功功率，直流母线上没有无功功 率流动。 图2 2u p f c 的基本结构 2 1 2 u p f c 的控制能力 传统电力系统的运行与控制是以并联无功补偿，串联补偿，相位调节为 基础的，u p f c 通过在线路中注入一个具有合适幅值与相角的电压，可以完成 对上述三者的统一控制。图2 3 是u p f c 基本控制函数的向量表示形式。 褥 ( a ) 电压调节( b ) 线路阻抗调节( c ) 相位调节( d ) 电压、阻抗、相位同时调节 图2 3u p f c 的控制能力 第5 页，共7 9 页 丛丛厶堂! 鲤土生焦丝筮二剜煎量型燮婴型撞型生近监型筮鲍7 监划兰笙丝 图2 3 ( a ) 表不了对电压进行同相或反相连续调节的示慝图。这里， = i a v ，p = 0 。这个功能相当于一个具有无限小可调节步长的可变抽头变 压器。 串联无功功率补偿如图2 3 ( b ) 所示。图中，注入电压= ，与线路 电流正交。这与串联电容或电感补偿的功能相似。如果需要，注入电压可以 保持为常数，不随线路电流的改变而改变。注入电压也可以与线路电流成比 例变化来模拟串联电容或电感的补偿的功能。 图2 3 ( c ) 给出了相角调节( 相移) 的示意图。图中，注入电压= ， 与k 存在一个相角差盯( 超前或滞后) ，但幅值没有改变。这样，u p f c 就作 为一个相角调节器，进行相角调节所需的无功功率由其内部产生。 u p f c 统一完成电压调节、串联补偿、相位调整功能的多重控制如图2 3 ( d ) 所示。由图可见，= a v + + 圪。这是i j p f c 特有的功能特性，没有任何 传统的电力系统设备具有类似的统一控制功能。 从传统的传输线控制来说，u p f c 的潮流控制能力可以用图2 1 中双机构 成的简单系统功角特性说明。根据图2 1 ，接收端的有功功率p 和无功功率 一j q ? 为： h ”等) i ( 1 1 ) 尸一，q = f ( 二 二) ( 1 ) 如果。= 0 ，那么就是未加补偿系统： j d j q ，圳簪) + ( 12 ) 如果0 ，无功功率和有功功率为 h ”一( 警) + ( 13 ) 第5 页，共7 9 页 丛丛厶堂! 鲤j 堂位熊竖筮= 囹远筮型登塑型燕型! 鱼逾近韭坌曲型型1 2 塞盥 设虞和一之间的相位差为j ，且f 睡f = j t f = 矿，如图2 1 所示，则有 矿= 跆，2 = y ( c 。s 害+ s i n 害) 丘= 耽- j a 2 = v s 害咄i n 争 和 ( 1 4 ) ( 1 5 ) ：2 e “2 + 一= 。 c 。s c 害+ 尸，+ ，s i n c 兰+ p ， c t e ， 可以得到下列p 、q 的关系式： p p ，p ) = 岛( 占) + ( p ) = v z 2s i n 8 - w x p qc 。s ( 害+ p ) ( 1 7 ) 和 q r ( 咖) - q “叭吲加- ( 1 - c o s 5 ) 一争c o s ( 鲁训( 18 ) 这里 w ) = 导s i n 艿 ( 19 ) 9 0 ，( 石) = 一i 9 2 ( 1 一c 。s d ) ( 1 1 。) 是系统未补偿时在给定功角j 下的有功功率和无功功率。由于角度在给 定了功角d ( 0 j 仃) 下是在o 一2 厅范围内任意变化的，p m ( p ) 和q 。( p ) 的 变化范围为：一，x 和+ 矿x ，并和功角占无关。 这样，可传送的有功功率为 胛) - 等叫哪胛) + 华( 1 1 1 ) 无功功率为 丛堡厶主丛l ：堂堂丝堑堑二翊丝熊剑登塑些塑型! 竖煎近盟佥曲丛划生甚班 q o 一n j z p q m a x 蜊哪+ 竿( 1 1 2 ) 图2 4 以图形的形式给出了有功功率和无功功率随j 角的变化范围。这 不仅显示了u p f c 对电力系统潮流的控制能力，还表现了它在阻尼电力系统 振荡和改善动态稳定特性方面的强大能力。 蹶： 少 w 6簇i 少_ 。 图2 4 受u p f c 控制的输电线上传输的有功和受端无功需求的变化范围 - ! t 卜西土“w h ：f ：竺笋 # 孓夏簪 ( a ) ( b ) 图2 5 ( a ) u p f c 的向量图表示( b ) 注入电压向量旋转时接收端和 u p f c 发出的有功与无功功率的变化 图2 - 5 给出了k ，圪( 在x 上的压降) 和注入电压之间的关系。 为了解释方便，假设扣3 0 6 ，k = 一= 1 ，z = 0 5 ，= 0 2 5 ( 均为标幺值) 。 第8 页，共7 9 页 鲢逯厶生丝土主筐熊塞堑二翊近琏型壁塑型燕型皂短鲎塑佥丝型 捌生整盥 如前所述，注入电压叠加到线路发送端电压e 上，得到线路发送端电压 矿一胡= 矿v + v 。矿呦一矿r 就是在x 上的电压v ，。当角度p m 在0 - 2 厅范围内 变化时，相量。的末端在一个以相量k 的末端为圆心、半径为。的 圆上移动a 圆内的范围给定了相量的变化范围，从而也给出了线路补偿 的范围。 的旋转将引起圪的幅值和相位同时改变，从而导致传输的有功功率 和无功功率随着p 。的变化呈正弦形式变化，如图2 5 ( b ) 所示。这需要电压 源吸收或发出有功功率和无功功率，这个有功功率和无功功率同样是p 。， 的i f 弦函数。 2 13 独立的有功丰口无功控制 为了研究图2 5 ( a ) 中u p f c 控制传输线潮流的能力，首先假设注入的电 压为0 ，而其他参数不变，从而得到传输的标么化有功功率和无功功率分 别为 w ) = 睾s i n 汹i n 万 0 0 ( 巧) = 一g ，( 占) = - ( 1 - c o s 8 ) = 1 c 。s j 陶2 6 描绘了有功、无功与功角之侧的关系。考虑到y 么= l ，有功功率与 无功助j 簪的关系司以表示为 绕) 1 扛丽 ( 1 1 3 ) 或 q o ，( 占) + 1 r + 阮( j ) 2 = 1( 1 1 4 ) 第9 页，共7 9 页 监迅厶望熊：上芏些丝兰煎二堂逾蕉剑墨塑堡攫型生煎近韭丛鲤型型生盔盟 式1 1 4 给出了一个在p q 图上以j p = 0 ，q ，= 一1 为圆心，半径为i 的圆。 圆l 的每个点都代表了未加补偿时在一个特定的功角下传输的有功功率 和无功功率。例如，在占= 0 时，晶= 0 ，q 。，= 0 。占= 9 0 。时，只= 1 0 ， q o = 一1 0 。 代 、g 2 v ： 7 0 02 i ( c o 蚶_ 1 ) v i j = 0 【 0 一 图2 6 双机系统中有功功率和无功功率随6 变化示意图 假定图2 5 中的v 。0 ，则线路传输的有功功率和无功功率会随着注入 电压的