基于Sen Transformer的新型統一潮流控制器的仿真與實驗

陳柏超 曾永勝 劉俊博 袁佳歆

（武漢大學電氣工程學院 武漢 430072）

1 引言

隨著現代電力電子技術的飛速發展，柔性交流輸電系統（Flexible AC Transmission System，FACTS）技術廣泛受到關注。

經過二十年的發展，FACTS家族已經歷了三代成員，由最基本的晶閘管投切電容器組，發展到并聯補償的靜止調相器和串聯補償的靜止同步串聯補償器[1]，最后發展為最新的統一潮流控制器UPFC。

UPFC集成了以往所有 FACTS器件的調節性能，但其昂貴的造價和功率限制束縛了它在實際系統的推廣，而且復雜潮流對UPFC的影響，特別是對暫態擾動下潮流恢復與跟蹤潮流控制指令的快速性，還有待進一步分析與實踐驗證。

S.T.也是近年來出現的一種改進型移相變壓器，它繼承了傳統移相變壓器容量大和成本低的優點，而且它的動作響應時間由晶閘管決定，相對于傳統的機械式動作時間，已經大幅度降低。但由于其二次側抽頭的數目有限，導致其控制點無法精確地達到系統控制任務的需求。

混合式潮流控制器（Hybrid Power Flow Controller，HPFC）是將統一潮流控制器與S.T.合理統一起來[2,3]。HPFC綜合了S.T.的大容量、穩定性好和UPFC的快速靈活調節性能，具有創新的理論意義和巨大的工程應用價值。但是目前對HPFC的理論研究工作僅限于HPFC的部分特性，尚未涉及到任何相關實驗，因此本文將對HPFC的調節性能展開數學分析、仿真研究和實驗驗證。

2 混合式潮流控制器（HPFC）介紹

2.1 UPFC的原理

UPFC裝置主電路由串聯變換器和并聯變換器組成，兩個變換器共用一組直流母線電容，以背靠背的形式連接而成，其結構如圖1所示。

圖1 UPFC模型Fig.1 The model of UPFC

并聯變換器通過變壓器接入系統，實現向系統注入感性或容性無功、提供有功功率、穩定接入點電壓的功能。串聯變換器通過串聯變壓器接入系統，主要負責電壓補償、相位調節、潮流控制的功能[4]。

UPFC對系統電壓和潮流的控制主要依靠串聯變換器實現，并聯變換器配合供給其所需功率。UPFC向系統注入幅值和相位可獨立控制的電壓，其控制范圍可在半徑與容量成正比的一個圓內進行調節，從而實現對系統潮流靈活、有效的控制[5]。

2.2 S.T.的原理

S.T.也是串、并聯混合FACTS元件，它是一種基于變壓器和晶閘管控制抽頭技術的改進型移相變

圖2 S.T.的結構和控制范圍Fig.2 The structure and control extent of S.T.

2.3 混合式潮流控制器

UPFC與 S.T.都可以等效為串并聯電源，串聯部分用來控制系統電壓。UPFC的360°調相及靈活性使其成本大大升高，這就限制了其調節容量；S.T.的調節靈活性受限于晶閘管開關的動作速度，且抽頭數目不能趨于無窮大，即注入電壓只能是正六邊形上的有限點，但 S.T.具有大容量的優點，因此在潮流控制中，S.T.可以承擔主要的調節任務[7]。混合式潮流控制器將UPFC與S.T.串接起來，利用兩者的優勢互補，控制系統潮流。

3 HPFC的物理模型及性能分析

3.1 潮流控制特性

在高壓電網中，傳輸線的等值電阻R遠遠小于等值電抗X，在潮流計算時可以忽略其影響。分析單機—無窮大系統傳輸模型，有

無窮大系統電壓不變，傳輸線的參數也不變，在首末端電壓相位差恒定的情況下，由式（1）和（2）可知，傳輸有功、無功的變化量ΔP、ΔQ正比于電源電壓的變化量ΔE，即HPFC注入系統的電壓。除了這種同步控制有功和無功的模式外，HPFC還可以單獨控制有功和無功，當Esinδ恒定時，有功不變，單獨控制無功；當Ecosδ恒定時，無功不變，單獨控制有功。

UPFC正常運行時，本身不產生有功功率，忽略其有功損耗，串并聯側的有功相互抵消，但兩部分無功可以有差值，這個差值就是注入到系統的無功[8]。當串聯側潮流的有功控制過大時，由于UPFC容量一定，其無功功率容量就很小，此時UPFC無功補償能力相當有限。在 HPFC運行時，S.T.可承擔絕大部分的潮流控制任務，UPFC負責小范圍內精細調節，其剩下容量都可以用作無功補償[9]。因此在特定情況下HPFC的無功補償能力要強于同等潮流范圍的UPFC。

3.2 調節能力分析

S.T.二次側各相每個繞組分接頭數量n決定了相量的個數N，N的計算公式為

由式（3）可以得出n和N的對應關系見表1。

表1 n與N的關系Tab.1 Relationship between n and N

由表 1可見，抽頭數量n越大，STV˙可以取的相量就越多。

的變化范圍與UPFC的容量同比例變化。令原始送端電壓Vs為原點，則HPFC總的補償電壓的取值范圍變成了以N個不同的為半徑的圓。設抽頭將二次側繞組均勻等分，以n=2，N=19的情況為例進行分析，HPFC、UPFC和S.T.的調節范圍如圖3所示。

圖3 HPFC的控制范圍Fig.3 The control extent of HPFC

表2 n與k的關系Fig.2 Relationship between n and k

可以看出，隨著n的增加，k值會不斷減小，當n足夠大時，比值會下降到 5%以下，這意味著混合式潮流控制器的成本可大大降低，同時還可以抑制使用大容量UPFC帶來的一系列影響。

3.3 HPFC與UPFC的比較

HPFC綜合了 S.T.的大范圍點控制和 UPFC的小范圍面控制能力，大容量S.T.與小容量 UPFC協同控制可以等效大容量UPFC的潮流控制范圍，在此條件下，HPFC相比于UPFC有下列優點:

（1）成本下降。傳統UPFC的主要成本在于大容量電力電子器件，HPFC中 S.T.的n值適當時，其成本主要在于電磁元件，在達到同等容量的潮流控制下，電磁元件的成本小于電力電子器件。

（2）響應時間合理。S.T.的響應時間為百 ms級，應對大容量的潮流控制，UPFC的響應時間為ms級，應對小范圍的精確控制，兩者配合，能滿足電力系統中絕大部分的應用情況。

（3）穩定性更好。大容量UPFC在相應復雜潮流變化時的穩定性也難以保證。而 S.T.利用成熟的有載調壓技術，可以保證HPFC在大范圍多變化潮流下有快速、穩定的相應指令[10-11]。

（4）電磁環境好。相對于傳統 UPFC，HPFC很大程度上減少了電力電子器件的應用，相關的開關損耗，電磁干擾也大大減少。而且由電壓逆變產生的諧波也相應減少，保證輸配電的質量。

4 仿真

利用Matlab/Simulink建立了HPFC的系統仿真模型，如圖4所示的HPFC在電力系統控制電壓的簡單仿真的框圖。HPFC由S.T.與UPFC串聯組成，S.T.從系統送端串入，系統電壓為其提供勵磁，且其輸出電壓直接串接在系統線路之中； UPFC的并聯變壓器與系統相接，作為功率供送點，其串聯側輸出電壓由串聯變壓器接入系統。以上兩者電壓串聯后接上傳輸線路，構成HPFC的電壓補償，即

圖4 仿真框圖Fig.4 Simulation diagram

以下是模擬系統故障引起電壓下降，HPFC支撐電壓，使系統正常運行的仿真。設定故障發生在0.1s，S.T.和 UPFC的動作延時分別為 20ms和100ms。電氣變量都用標幺值表示，仿真結果如圖5所示。

如圖5a所示，在0.1s之前，M點的電壓穩定，標幺值為 1(pu) 左右，0.1s時由于系統故障，電壓下降至 0.75(pu)，此時 UPFC和 S.T.都開始起動，UPFC響應速度快，在0.12s將電壓抬升至0.8(pu)，S.T.的響應較慢，在 0.2s時注入電壓，將電壓抬升至正常值。此圖驗證了HPFC的電壓調節功能。

如圖5b所示，上、下兩圖縱坐標分別為M點的有功和無功功率的標幺值。在0.1s之前，M點傳輸的有功無功的標幺值分別為 0.042(pu)和-1.3(pu)，0.1s時由于系統故障，有功功率下降至0.025(pu)，無功功率上升至-0.75(pu)，此時 UPFC和 S.T.都開始發出動作指令，UPFC響應速度快，在 0.12s將有功功率抬升至 0.028(pu)，無功功率下調至-0.95(pu)，S.T.的響應較慢，在 0.2s時投入運行，將有功和無功功率都調節至正常值。此圖說明了HPFC的穩定傳輸功率的功能。

圖5 HPFC的調節功能Fig.5 Regulatory function of HPFC

5 實驗

圖6 硬件實驗框圖Fig.6 Hardware experiment diagram

S.T.通過繼電器來控制，而 UPFC主要由電力電子器件組成，且結構較為復雜，其中變換器1工作在整流狀態，實驗中使用一單相的不可控整流橋，變換器2工作在逆變狀態，實驗中使用一單相全橋可控逆變器，由DSP2812和驅動放大裝置來控制。DSP2812發出相應的控制脈沖，如圖7a中的曲線2。此脈沖經放大后，驅動逆變器中 MOS開關管的導通和關斷，圖7b所示為驅動后的控制波形。

為了確定UPFC注入電壓的相位，實驗中設計了可以實時監測系統相位的同步電路，同步電路與DSP相連。當系統電壓到了過零點且由負變正時，同步電路輸出上升沿，當系統電壓由正變負時，同步電路輸出下降沿。只有當DSP檢測到同步電路輸入的上升沿時，才命令發出控制脈沖，由此控制UPFC注入電壓的相位。

由于UPFC注入系統的電壓并非正弦，而是基波分量為正弦的 PWM波，本實驗中采用的是特定諧波消除法（Selected Harmonic Elimination PWM，SHEPWM），其波形圖如圖7c所示。其諧波含量很大，難以直觀地讀出幅值和相位，所以將其傳輸到計算機中利用NI signal express軟件進行基波分析。

實驗中取系統相電壓峰值（以下電壓值都為峰值）為20V，相位為0°。設定S.T.注入系統的電壓為10V，相位為0°。UPFC的注入電壓為50V，相位為-90°。

圖7 實驗波形Fig.7 Experimental waveforms

將示波器中波形導入到計算機中，如圖 8a所示，將“Export signals（THD）”選定為“Input Signal”，此時可讀出 M1點的電壓基波頻率為 49.98Hz。將“Export signals（THD）”選定為“Fundamental Tone”，如圖8b所示，此時波形圖變為輸入波形的基波分量，從圖中讀出電壓峰值29V，相位為0°。

同樣，將 M2點的電壓波形進行分析，如圖 9a所示，M2點的電壓基波頻率為49.93Hz。其基波分量如圖9b所示。

圖8 M1點的電壓波形分析Fig.8 M1 voltage waveform analysis

圖9 M2點的電壓波形分析Fig.9 M2 voltage waveform analysis

由此可知，雖然UPFC的注入電壓含有較大諧波，但利用示波器分析軟件同樣可以分析注入電壓前后的幅值和相角關系，省去了濾波過程。利用這種方法，取系統電壓為 20∠0°，S.T. 注入電壓為10∠10°，改變實驗參數，得到了一組在不同dV˙時的實驗數據，見表3。

表3 實驗測量值和理論值Tab.3 Experimental value and academic value（單位：V）

從表3數據可知，由于系統電壓幅值取得較低，只有20V，所以可以明顯看出S.T.和UPFC的調節電壓的作用。UPFC的注入電壓幅值選取了兩個值（50V和 20V），相角選取了具有代表性的四個值（-90°、60°、90°和 180°），說明 UPFC部分注入電壓范圍是以dmaxV˙ 為半徑的圓。S.T.的注入電壓設定為10 0∠°，代表了從正六邊形的中心到其中一個頂點的向量，改變其幅值和相位可以得到類似的結論。從M2點電壓測量值和理論值的比較可知，誤差均在0.5%以內。

6 結論

本文對HPFC的原理研究、仿真和實驗三個方面分析，驗證了其調節系統電壓、相角、有功功率和無功功率的作用，實驗數據誤差較小。

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