基于RTDS的統一潮流控制器的建模與仿真

許逵，袁旭峰，邱國躍

（1.貴州電力試驗研究院,貴州貴陽,550002;2.貴州大學電氣工程學院,貴州貴陽,550003）

統一潮流控制器（Unified Power Flow Controller,UPFC）的概念是由美國西屋科技中心的L.Gyugyi博士于1991年提出。它作為第三代FACTS元件的典型代表，綜合了許多FACTS器件的靈活控制手段，被認為是FACTS家族中最復雜、也是最有應用價值的一種元件。它是由STATCOM和SSSC基于共同的直流鏈路耦合形成，允許有功功率在SSSC和STATCOM的交流輸出端雙向流動，并在無需任何附加儲能或電源設備的情況下即可同時進行有功和無功功率補償的一種并聯-串聯組合型FACTS控制器。UPFC具有全面的補償功能，不但能提供獨立可控的并聯無功功率補償，而且可以通過向線路注入相角不受約束的串聯補償電壓，同時或有選擇地控制傳輸線上的電壓、阻抗和相角，實現有功和無功潮流控制[1-4]。

目前，對于UPFC的仿真，國內外的學者都進行了大量的研究。有的應用Matlab建立了UPFC的動態仿真模型，但由于軟件內核的原因，仿真結果不能精確地反映UPFC的電磁暫態過程[5]；還有的應用電磁暫態仿真軟件EMTP建立了UPFC的動態模型，并對其暫態過程進行了仿真研究，并對并聯無功補償和并串聯相結合的補償進行了仿真分析[5-7]。但目前在實時數字仿真器（Real Time Digital Simulator,RTDS）中對UPFC進行建模仿真研究的文獻還不多。

實時數字仿真器RTDS是為實現實時仿真電力系統暫態過程而專門設計的并行計算機系統。它的出現為電力系統的設計、運行及研究提供了新的解決方案，為此在國內外電力系統得到了廣泛的應用[8-9]。本文利用RTDS軟件設計了UPFC的仿真模型，應用比例積分（PI）控制方法設計了UPFC的控制器，對其模型進行了仿真分析。

1 統一潮流控制器的基本原理

如圖1所示為一簡化的UPFC原理圖。主要的元件是兩個逆變器，逆變器1通過變壓器和線路并聯，逆變器2通過變壓器與線路串聯。兩個逆變器最終通過直流電容器連接。逆變器2產生電壓V pq疊加到系統電壓上，可以實現線路的無功補償、串聯補償、相移控制以及綜合性的控制目標。逆變器1通過直流電容器提供逆變器2需要的有功，同時，它本身也與系統進行無功的交換。

圖1 UPFC簡化原理圖

2 統一潮流控制器的建模

2.1 變流器電路

并聯側和串聯側的變流器均采用三相橋式全控電路。變流器中的開關器件采用門極關斷晶閘管（GTO），為限制開關器件的電流上升速率和電壓上升率，并減少器件的開關損耗及瞬態電流，避免二次擊穿以及抑制電磁干擾，在GTO上還并聯了由電感、電容和二極管構成的導通限流電路。并聯側和串聯側電路圖如圖2所示。

圖2 RTDS中的變流器電路

2.2 脈沖信號調制電路

變流器的門極控制脈沖采用正弦脈寬(SPWM)控制方式，即將波形發生器產生的同步三角波與同步調制波進行合成比較，形成等幅不等寬的脈沖序列，其寬度變化符合正弦函數變化規律[10]，電路原理如圖3所示。

圖3 脈沖信號調制電路

三角載波的產生電路如圖4所示。通過鎖相環得到輸入信號的同步相位后，通過移相比較單元得到合適的信號，再對信號進行分頻，最后通過轉換電路轉換成三角波信號。

圖4 三角載波產生電路

2.3 UPFC的控制電路

1）并聯側控制

并聯變換器實際上是一個PWM整流器，將其進行矢量變換后的數學模型為[11-12]：

由公式（1）可以直觀地看到，旋轉3/2變換在系統的d、q軸之間引入了耦合，系統d軸的電流變化會引起q軸的電流變化，反之亦然。由于對于變換到以同步角速度旋轉的d、q、0系統中的基波分量都變成了直流量，因此給控制帶來了極大的好處，可以采用普通的PI調節器實現輸出的無差調節。得到控制系統的框圖見圖5。

圖5 并聯變換器的控制框圖

由圖5可知，并聯側換流器采用的是雙閉環控制策略。電壓外環由定直流電壓控制與定交流電壓幅值控制構成，其中給定的直流電壓經過PI控制器后的輸出值為電流內環的d軸分量，給定的交流電壓幅值經過PI控制器后的輸出值為電流內環的q軸分量。實際測量所得的三相電流經d－q變換器轉換為d－q分量，再與電壓外環控制器的輸出量進行比較作為電流內環控制器的輸入量，經PI調節就可以得到電壓的正弦調制波d－q分量，再經過d－q反變換器輸出三相電壓正弦波。最后經過觸發脈沖電路去控制并聯變換器。

2）串聯側控制

串聯變換器實際上是一個電壓型逆變器，將其進行矢量變換后的數學模型為[13-14]：

由式（2）可以直觀地看到，旋轉3/2變換在系統的d、q軸之間引入了耦合，系統d軸的電壓、電流變化會引起q軸的電壓、電流變化，反之亦然。由于對于變換到以同步角速度旋轉的d、q系統中的基波分量都變成了直流量，因此給控制帶來了極大的好處，可以采用普通的PI調節器實現輸出的無差調節。控制系統的框圖見圖6所示。

圖6 串聯變換器的控制框圖

由圖6可知，串聯側換流器采用的是閉環控制策略。閉環控制由定值無功控制與定值有功控制構成，其中給定的無功分量經過PI控制器，其輸出值再與實際測量的三相電流值進行比較后得到電壓的d軸分量；同理，給定的有功分量經過PI控制器，其輸出值再與實際測量的三相電流值進行比較后得到電壓的q軸分量。最后再經過d－q反變換器輸出三相電壓正弦波。

3 統一潮流控制器的仿真分析

3.1 系統參數設置

用于仿真的系統接線圖如圖1所示，UPFC裝置安裝在線路L1的首端。其中，并聯側的線電壓有效值為90.5 kV，初相角為0°，串聯側的線電壓有效值為90.5 kV，初相角為-10°，輸電線路的等效阻抗為Z=3.206+j15.7 Ω。

在UPFC中，并聯側耦合變壓器變比為93 kV/11.5 kV，容量為100 MVA，漏抗為18%，YNy接法，串聯側耦合變壓器變比為20 kV/11.5 kV，容量為100 MVA，漏抗為10%，直流側電容Cd=4800 μF。

3.2 未投UPFC時線路的功率

在RTDS軟件中對未投UPFC的仿真系統進行仿真，仿真結果如圖7所示。

圖7 未投UPFC時線路功率及母線電壓的波形

由圖7可見，線路L1上傳輸的有功功率為0.268 pu，傳輸的無功功率為0 pu，并聯側母線電壓值為0.968 pu。

3.3 線路的有功功率調節

此仿真的目的是觀察在線路L1上投入UPFC后，對線路的有功功率的調節能力。對UPFC裝置的參數進行設定：線路給定有功輸入為0.4 pu，無功給定輸入為0.0 pu，并聯側母線電壓給定輸入為1.0 pu。在系統穩態運行0.2 s時，將UPFC控制開關BLOCK置為1，使UPFC投入。仿真結果見圖8所示。

圖8 投入UPFC時仿真結果

由圖8可見，線路L1上傳輸的有功功率由0.268 pu經過一段時間上升后達到穩定值0.4 pu，傳輸的無功功率經過一段時間的波動后達到穩定值0.0 pu，并聯側母線電壓值由0.968 pu上升一段時間后達到穩定值1.0 pu。當線路有功功率變化時無功功率出現波動是由于采用空間矢量控制算法解耦時，控制有功功率的q軸電壓分量會影響d軸的電壓分量，從而使得無功功率和電壓都出現波動。

3.4 線路的無功功率調節

此仿真的目的是觀察在線路L1上投入UPFC后，對線路的無功功率的調節能力。對UPFC裝置的參數進行設定同3.3節，只修改無功功率的參數設定值為0.4 pu。仿真結果見圖9所示。

圖9 調整UPFC的無功功率后線路功率及母線電壓的波形

由圖9可見，線路L1上傳輸的無功功率經過一段時間上升后達到穩定值0.4 pu，線路L1上傳輸的有功功率始終維持在穩定值0.4 pu，并聯側母線電壓值也始終維持在穩定值1.0 pu。當線路無功功率變化時，由于d軸分量和q軸分量相互影響，線路的有功功率出現波動。

3.5 UPFC對線路故障時的特性仿真

此仿真的目的是觀察在線路L1上投入UPFC后，故障對線路的影響情況。故障設置在線路L1的首端，類型為三相接地故障，持續時間為0.04 s，同時對UPFC裝置的參數進行設定同3.4節，有功功率設為0.5 pu。仿真結果見圖10所示。

圖10 故障時投入UPFC的線路功率及母線電壓的波形

由圖10可見，線路L1上有功功率從0.5 pu降到0.45 pu，有功損失為10%，且在故障消除后，有微小的振蕩，大概在0.02 s后趨于穩定；無功功率從0.4 pu降到-0.05 pu，無功功率反相，在故障消除后，仍有微小的振蕩，大概在0.3 s后趨于穩定；母線電壓從1 pu降到0.8 pu，電壓損失為20%，故障消除后電壓初步上升，大概在0.01 s達到穩定。

4 結論

由上述仿真分析可見，采用雙閉環控制策略設計的統一潮流控制器（UPFC），能夠快速、有效的控制線路潮流，并具有良好的電壓調節能力。而且在線路出現故障時后，也能保持良好的暫態響應。說明了本文在RTDS中搭建的UPFC模型的正確性，為以后在RTDS中進一步研究UPFC的其他功能特性奠定了基礎。

[1] KERIAJF,LOMBARD X,EDRIS A A,etal.Unified Power Flow Controller(UPFC):Modeling and Analysis[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1999，14(2)：648-654.

[2] 謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統的原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2006.

[3] 馬凡.UPFC控制及動態特性實驗研究[J].電網技術，2007，31（17）：64-65.

[4] 劉黎明，康勇，陳堅，等.UPFC的交叉耦合控制及潮流調節能力分析[J].電機工程學報，2007，27(10)：43-48.

[5] 王慶紅，胡國根.統一潮流控制器的Mat lab仿真建模[J].電網技術，2000，24（9）：22-25.

[6] 楊少勇，林集明，陳葛松.統一潮流控制器電磁暫態過程數字仿真的初步研究[J].電網技術，2000，24（2）：20-24.

[7] UZUNOVIC E.EMTP Transient Stability and Power Flow Model and Control of VSC Based FACTS Controllers[D].Ontario:University of Waterloo,2001.

[8] 章建玲，余雷，許漢平，等.RTDS用于FACTS元件特性仿真的研究[J].華中電力，2003，3（16）：21-22.

[9] 葉林，楊仁剛，楊明皓，等.電力系統實時數字仿真器RTDS[J].電工技術雜志，2004（7）：49-52.

[10] 陳國呈.PWM變頻調速及軟開關電力變換技術[M].北京：機械出版社，2001.

[11] 王勉華.三相PWM整流器研究[J].電工技術學報，1996，11(4)：27-30.

[12] 史偉，蔣全.三相電壓型PWM整流器的數學模型和主電路設計[J].東南大學學報:自然科學版，2002，32(1)：50-55.

[13] 彭力.基于狀態空間理論的PWM逆變電源控制技術研究[D].武漢:華中科技大學,2004.

[14] 康勇.高頻大功率SPWM逆變電源輸出電壓控制技術研究[D].武漢:華中科技大學,1994.