UPFC的直接電壓控制及其應用

呂文韜， 汪冬輝，沈 忱，羅華峰

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000）

UPFC的直接電壓控制及其應用

呂文韜1， 汪冬輝1，沈 忱2，羅華峰1

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000）

UPFC是一種功能強大的FACTS裝置，具有潮流調節和電壓調節作用。但目前關于UPFC串聯側定電壓的控制策略研究較少，且已有的控制策略大多基于直接電流控制。以UPFC在dq兩相旋轉坐標系下的數學模型為基礎，將前饋和PI反饋控制相結合，給出了UPFC的直接電壓控制策略，無需電流內環，簡化了控制結構，提高了控制響應速度。UPFC的直接電壓控制策略特別適合于UPFC向無源網絡供電，具有良好的抗沖擊負荷和抗電壓跌落的能力。在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了仿真模型，通過電動機啟動和模擬電壓跌落仿真，證明了UPFC直接電壓控制策略能夠較好的滿足抗沖擊負荷和抗電壓跌落要求。

UPFC；直接電壓控制；沖擊負荷；電壓跌落；無源網絡供電

0 引言

UPFC（統一潮流控制器）是一種功能強大的FACTS（柔性交流輸電系統）裝置，它綜合了并聯型FACTS裝置和串聯型FACTS裝置的多種靈活控制手段，具有電壓調節、串聯補償和移相等能力，能夠獨立控制線路中的有功功率和無功功率，有效提高電力系統穩定性[1-4]。

目前，各種含VSC（電壓源型換流器）的柔性交直流輸電系統的換流器級控制基本均采用直接電流控制，并基于直接電流控制衍生出直流側定電壓控制、并聯側定無功（電壓）控制、線路定功率控制以及串聯側定電壓控制等[1-9]。

文獻[5-6]提出了UPFC的交叉耦合和交叉解耦控制策略，采用功率、電壓、電流三環結構。文獻[7-9]提出了HVDC向無源網絡供電的定電壓控制策略。

其中文獻[5-7]均為基于直接電流控制的間接電壓控制，不能實現電壓dq軸分量的解耦控制，且控制結構復雜，響應慢。文獻[8-9]基于換流器穩態數學模型提出了一種定電壓控制器，但其仍然需要電流采樣值來實現解耦。

提出了一種UPFC的直接電壓控制策略，將電壓前饋與PI反饋相結合，其中電壓前饋提高了控制系統的響應速度，電壓PI反饋環節提高了系統的控制精度，且無需電流內環，無需電流采樣，簡化了控制結構，改善了控制系統的性能。

1 UPFC的拓撲結構和工作原理

為分析方便，此處直接給出UPFC帶電動機負載時的拓撲，如圖1所示。

圖1 UPFC帶電動機負載時的拓撲

可以看出UPFC可以分為并聯部分和串聯部分。其中并聯部分由并聯變換器和并聯變壓器組成，相當于一個STATCOM（靜止無功補償器），主要作用是維持直流電容電壓恒定并兼具并聯節點無功補償功能；串聯部分由串聯變換器和串聯變壓器組成，相當于一個SSSC（靜止同步串聯補償器），其主要作用為通過向線路中串入電壓以進行串聯補償、移相以及調節線路傳輸功率。STATCOM或SSSC單裝置只能輸出無功，但二者通過直流電容連接起來后便可通過直流電容的橋梁作用傳遞有功，可見UPFC并非STATCOM和SSSC的簡單疊加。

圖1中，usa，usb，usc為系統電壓；u2a，u2b，u2c為UPFC補償后電壓，u12為串聯變壓器原邊電壓；i1a，i1b，i1c為并聯變換器出口電流；usha，ushb，ushc為并聯變換器出口電壓，usea，useb，usec為串聯變換器出口電壓；C為直流電容，L1與L2分別為并聯側和串聯側濾波電感，R1與R2分別為濾波電感的等效電阻。

2 UPFC的直接電壓控制

2.1 并聯變換器控制策略

并聯變換器控制策略如圖2所示，與文獻[1-4]中并聯變換器控制策略相同，本文不再贅述。圖中 u1d為系統電壓 usa，usb，usc經過并聯變壓器后的d軸分量，u1d為其目標值和分別為直流電容電壓目標值和實際值。

圖2 并聯變換器控制策略

2.2 串聯變換器控制策略

2.2.1 同步旋轉dq坐標系中UPFC的數學模型

通常，UPFC的串聯補償、移相以及潮流調節功能由串聯側實現，并聯側一般用來穩定直流電容電壓，此時可忽略UPFC的并聯側并將UPFC串聯側等效為一個可調的電壓源，三相abc坐標系中UPFC的等效電路如圖3所示。

圖3 三相abc坐標系下UPFC的等效電路

考慮串聯變壓器漏抗的影響，圖中Lse與Rse為串聯側等效濾波電感及其等效電阻：

式中：LTse與RTse為串聯變壓器漏感及其等效電阻。

根據三相abc坐標系下UFPC的等效電路得到三相abc坐標系下UPFC的數學模型：

式中：Δusea，Δuseb，Δusec為串聯側等效濾波電感及其等效電阻上的壓降。

對式（2）兩邊同時進行派克變換，可得UPFC在同步旋轉dq坐標系下的數學模型：

2.2.2 UPFC的直接電壓控制策略

若忽略串聯側等效電感及其等效電阻上的壓降，可得串聯變換器的輸出電壓為：

但采用式（4）控制策略時，勢必導致節點2處電壓與目標值存在偏差，且負載電流越大，偏差越大。

為此，引入PI反饋環節，令

綜合式（4）與（5）可得UPFC的直接電壓控制策略如圖4所示。

圖4 UPFC的直接電壓控制策略

3 仿真驗證

3.1 系統參數

為了驗證UPFC直接電壓控制策略的性能，搭建了基于PSCAD/EMTDC的仿真模型，系統部分參數如表1所示。

表1 UPFC系統參數列表

3.2 電動機啟動仿真

加裝UPFC前，電動機啟動時機端電壓有效值波形如圖5所示。加裝UPFC后，電動機啟動時機端電壓有效值波形如圖6所示。

圖5 加裝UPFC前電動機啟動時機端電壓

圖6 加裝UPFC后電動機啟動時機端電壓

由圖5和圖6可見，加裝UPFC后，電動機啟動時，機端電壓跌落程度較加裝UPFC前有較大改善，且大約 0.3 s即恢復額定值，而加裝UPFC前大約需0.5 s恢復額定值。且可以看出，UPFC的直接電壓控制策略可以使機端電壓無靜差穩定在額定值。

3.3 交流電壓跌落仿真

2.6 s時，交流母線電壓從10 kV跌落到7 kV，且持續40 ms（2個周波），仿真結果如下。

3.3.1 機端電壓波形對比

加裝UPFC前，交流母線電壓跌落時機端電壓有效值波形和瞬時值波形分別如圖7、圖8所示。

圖7 加裝UPFC前電壓跌落時機端電壓有效值

圖8 加裝UPFC前電壓跌落時機端電壓瞬時值

加裝UPFC后，交流母線電壓跌落時機端電壓有效值波形和瞬時值波形分別如圖9、圖10所示。

圖9 加裝UPFC后電壓跌落時機端電壓有效值

圖10 加裝UPFC后電壓跌落時機端電壓瞬時值

可以看出，加裝UPFC后，機端電壓跌落程度明顯減輕，且機端電壓可以無靜差穩定在額定值。

3.3.2 電動機轉速波形對比

加裝UPFC前，交流母線電壓跌落時電動機轉速波形如圖11所示。

圖11 加裝UPFC前電壓跌落時電動機轉速

加裝UPFC后，交流母線電壓跌落時電動機轉速波形如圖12所示。

圖12 加裝UPFC后電壓跌落時電機轉速

從圖11和圖12可以看出，在2.6 s發生電壓跌落時，加裝UPFC前電動機轉速有明顯波動，而加裝UPFC后轉速基本未受影響。

4 結論

（1）提出的UPFC的直接電壓控制策略控制結構簡單，響應速度快且無靜差。

（2）通過電動機啟動仿真和系統電壓跌落仿真，加裝UPFC后，無論是電動機啟動還是交流電流跌落，機端電壓跌落情況都有明顯改善且能快速恢復額定值，電動機轉速基本不受影響。

綜上所述，UPFC的直接電壓控制策略能夠較好地滿足抗沖擊負荷和抗電壓跌落要求，尤其適合于UPFC向無源網絡供電的情況。

[1]呂文韜，沈忱，江道灼，等.具有電容過壓保護功能的限流式統一潮流控制器改進方案[J].浙江大學學報-工學版，2014，48（5）∶877-881.

[2]沈忱，江道灼，呂文韜，等.限流式統一潮流控制器的啟停控制策略[J].電力系統自動化，2013，37（22）∶101-105.

[3]沈忱.限流式統一潮流控制器的參數設計與控制策略研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[4]呂文韜.限流式統一潮流控制器在電力系統應用的若干關鍵問題研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[5]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].中國電機工程學報，2007，27（10）∶42-48.

[6]蔡松，段善旭，蔡禮.基于交叉耦合與交叉解耦的UPFC控制性能對比[J].電力自動化設備，2007，27（5）∶45-48.

[7]蔡新紅，趙成勇，龐輝，等.向無源網絡供電的MMCHVDC系統控制與保護策略[J].中國電機工程學報，2014，34（3）∶405-414.

[8]陳海容，徐政.向無源網絡供電的VSC-HVDC系統的控制器設計[J].中國電機工程學報，2006，26（33）∶42-48.

[9]王衛安，桂衛華，馬雅青，等.向無源網絡供電的模塊化多電平換流器型高壓直流輸電系統控制器設計[J].高電壓技術，2012，38（3）∶751-761.

（本文編輯：楊 勇）

Direct Voltage Control of UPFC and its Application

LYU Wentao1，WANG Donghui1，SHEN Chen2，LUO Huafeng1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 318000，China）

Unified power flow controller（UPFC）is a powerful FACTS device，which can regulate the power flow and voltage.But now there is few research on series side voltage control of UPFC.Most of the existing control strategies are based on direct current control.On the basis of the mathematical model of UPFC in twophase dq rotary coordinate system and combining feedforward control with PI feedback control,the paper presents direct voltage control strategy of UPFC，which needs no current inner-loop，simplifies control structure and improves control speed.The direct voltage control strategy of UPFC is particularly suitable for UPFC to supply power for passive networks and is resistant to surge load or voltage sag.A simulation model is built in PSCAD/EMTDC，which demonstrates that the direct voltage control strategy of UPFC has a good ability to resist surge load or voltage sag by the simulation of motor starting and voltage sag simulation.

unified power flow controller；direct voltage control；surge load；voltage sag；power supply for passive networks

TM721.1

B

1007-1881（2015）11-0038-04

2015-09-17

呂文韜（1989），男，主要從事電力電子及電能質量相關工作。