基于統一潮流控制器（UPFC）的光伏發電系統并網研究

楊亞惠+劉建業+張峰

摘 要：根據并網的要求，光伏微電網在并網的過程中必須滿足線路末端輸出電壓的幅值和相位與大電網電壓的幅值和相位保持一致。當光伏微電網輸出的電壓不滿足并網條件時，可以利用柔性輸電裝置UPFC，對微電網的輸出電壓進行補償，以達到并網的目的。

關鍵詞：并網；光伏微電網；UPFC；雙環解耦；交叉解耦

中圖分類號：TM61 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0009-02

1 概述

如今在智能電網發展的建設與發展進程中，越來越多的新能源發電將通過分布式的方式接入到大電網中，而大電網則直接面向電力終端用戶，因此對電壓質量的要求更高，因此開發一套面向配電網的新能源分布式并網柔性接口裝置，將具有深遠的研究價值[1]。而UPFC作為柔性輸電裝置家族中最靈活和功能最強大的裝置，利用其實現光伏微電網并網的柔性輸電控制，比較便捷而且對于微電網輸出的電壓要求比較低[2]。因此本文提出基于統一潮流控制器（UPFC）的光伏發電系統并網方法。

2 UPFC的工作原理

2.1 工作原理

統一潮流控制器是由兩個電壓源型換流器（VSC1和VSC2）和一個將兩者隔開的直流電容構成[5]。VSC1是并聯側換流器，它的作用主要有兩點：一是穩定直流側電容的電壓；二是控制UPFC輸入端交流母線電壓。UPFC的結構原理框圖如圖1所示。U1和U2分別為大電網側節點電壓和微電網線路末端電壓，idc2為輸入到VSC2的電流；U為輸入VSC1的電壓。

2.2 并聯換流器作用原理

UPFC并聯側換流器VSC1通過對輸入電壓Ush與U1的相角差進行調節，可以實現VSC1和VSC2之間有功功率的平衡，從而維持直流側電壓的穩定。假定1=U1∠00，sh=Ush∠-？啄，sh=Ish∠？茲，則：

VSC1與系統有功功率的交換量為：

（1）

VSC1與系統交換的無功功率為：

（2）

由式（1）和式（2）可知通過控制sh的幅值以及sh相對于母線電壓1的相位？啄，就可以調節VSC1與系統之間有功和無功功率的交換，從而維持直流側電容電壓的穩定和控制系統母線電壓的目的。

2.3 串聯換流器作用原理

根據并網的條件可知微電網輸出端的電壓2與串聯換流器向線路注入的電壓se矢量和等于大電網的電壓1。微電網輸出的電壓2的幅值和相位可能與大電網1的幅值與相位不一致。這就需要se進行幅值和相位的調節。

首先對移相的實現過程進行分析。

假設1和2的相角差為？啄1，令2=U2∠？茲1，則：

當？啄1>0時，超前移相，此時有Use=2sinU2，？茲se=？茲1++，當情況相反時則滯后移相，此時Use=-2sinU2，？茲se=？茲1-（+）。通過上面的分析可以得出根據微電網輸出端的電壓2，就能夠確定串聯換流器補償到微電網末端的se的幅值和相位。

2.4 控制策略

根據UPFC的運行特性，UPFC中的兩個換流器作用不相同，對并聯側換流器VSC1采用雙環解耦的控制策略，對串聯側換流器VSC2采用交叉解耦的控制策略。圖2為并聯側的控制圖。

圖中i為電流有功分量的參考值；i為電流無功分量的參考值；i和i為電流有功分量與無功分量的實際值。由圖3可知Ush經過鎖相環PLL，得到其相位角再經過坐標變換，得到電壓在dq坐標系下的分量Ushd和Ushq。通過同樣的方法得到電流的有功分量的實際值i和無功分量的實際值ishq。電流有功分量的給定值i與實際值i作比較，得到的信號差最為PI的輸入信號，再加入電壓Ushd，通過綜合作用得到U'shd。得到U'shq的過程與此類似。經過Park-1變換得到SVPWM的輸入信號，實現穩定電容兩端電壓和控制母線電壓的功能。

串聯側的控制圖如圖3所示。

i為線路電流；Use為補償電壓，Used和Useq補償電壓的dq軸分量，PL和QL為線路的有功功率和無功功率，P和Q分別線路中有功和無功的指令值。通過系統線路中無功功率的指令值與實際值進行比較，其差值信號作為PI的輸入信號，經過PI控制器加入補償電壓的d軸分量的實際值和指令值的差值信號，然后經過雙環解耦，得到無功功率的控制量U'sed。同理可得有功功率的控制量U'seq。從而實現VSC2的電壓補償和潮流調節的功能。

3 建模與仿真分析

為了驗證本文控制策略的有效性，運用MATLAB/SIMULINK搭建UPFC的仿真模型。為了節省仿真時間微電源用電壓源等效。仿真參數如下：大電網的端電壓最大值為35kV，光伏微電網的末端電壓最大值為28kV，電容C=5mF，Lsh=60mH，Lr=500mH。仿真結果如下。

圖4為微電網末端的a相電壓和線路a相電流，從圖中可以得出在0.3s之前電壓的幅值為28kV，在0.4s后電壓幅值為35kV，與大電網線路末端的電壓幅值相同，實現了并網。圖5為補償電壓Use的幅值，0.4s后穩定在7000V，根據給定可知大電網和微電網的幅值差為7000V。圖6為串聯換流器與系統有功功率的交換量，補償的有功功率為負值，VSC2從系統中吸收有功功率，電容充電儲存能量，直流電容電壓會略微升高。圖7為并聯換流器與線路交換的有功功率，通過與圖6比較可知，UPFC從系統吸收和注入的有功功率達到了平衡。在不考慮UPFC自身損耗的情況下，從線路吸收和注入的功率是相等的。

4 結束語

本文提出了一種利用UPFC并網的方法，利用UPFC的綜合控制功能對微電網線路末端的電壓進行補償，使其滿足并網的條件。通過仿真分析可以得出，在并網的過程中系統比較穩定，而且可以實現平滑并網。

參考文獻：

[1]郭長亮.新能源分布式柔性聯網控制技術研究

[D].吉林：東北電力大學，2015.

[2]STETZ T， MARTEN F， BRAUN M. Improved low voltage grid integration of photo voltaic systems in Germany[J]. IEEE Trans on Sustainable Energy，2013，4（2）：534-542.

[3]陳芝奔.統一潮流控制器的控制策略研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[4]劉黎明.柔性交流輸電系統中電力電子裝置運行特性分析及實驗研究[D].武漢：華中科技大學，2006.

[5]趙曉剛.統一潮流控制器（UPFC）控制策略的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2013.endprint