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本科毕业设计(论文)基于统一潮流控制器的微电网潮流控制燕 山 大 学2012 年 6 月 本科毕业设计(论文)基于统一潮流控制器的微电网潮流控制学 院： 电气工程学院 专 业： 电力系统及其自动化 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期：2012年6月25日 燕山大学毕业设计(论文)任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：电力工程系学号学生姓名专 业班 级08电力1班题目题目名称基于统一潮流控制器的微电网潮流控制题目性质1.理工类：工程设计 ( )；工程技术实验研究型( )；理论研究型( )；计算机软件型( )；综合型( )。2.文管类( )；3.外语类( )；4.艺术类( )。题目类型1.毕业设计( ) 2.论文( )题目来源科研课题( ) 生产实际( )自选题目( ) 主要内容设计内容：微电网的建模；建立由包括燃料电池发电等，微电源及储能系统构成的微电网仿真模型；含微电网的潮流计算。目标：用Matlab实现微电网的电压稳定性研究。基本要求1遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑；2独立完成设计任务，培养基本的科研能力；3设计说明书一份(不少于2万字)，A0图纸一张；英文资料翻译不少于5千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；4. 完成相关的实验，并反映在论文中。参考资料1夏道止等，电力系统分析，2003年12月2谢小荣等，柔性交流输电系统的原理与应用 3相关科技论文周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅资料，掌握UPFC的基本原理。微电网的潮流计算，分析UPFC在微电网中的潮流控制作用。构建由分布式电源构成的微电网模型以及UPFC模型和控制系统设计。对建立的模型进行仿真，分析潮流调节性能。论文撰写答辩指导教师： 职称： 2012年 1 月 10 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要随着微电网的快速发展，微电网潮流控制也日益重要，本文针对微电网潮流控制这一问题进行深入研究，依据统一潮流控制器(UPFC)的潮流控制功能，采用了基于UPFC的微电网潮流控制方法。本文按照微电网的基本结构，搭建了微电网仿真模型，用Matlab仿真并通过仿真结果验证了未架设UPFC的微电网只能通过改变电源或负荷的参数来控制潮流。UPFC是微电网潮流控制的执行装置，本文根据其系统电路结构框图，并利用派克变换，得到UPFC并联侧、串联侧以及线路侧在d、q坐标系下的数学模型，采用小信号分析方法，以及对UPFC系统功率、电压平衡的分析，得到了并联侧的解耦控制系统和串联侧的交叉耦合控制系统，利用并联侧电流的d轴分量控制直流电容的电压，用q轴分量控制UPFC输入端电压；利用串联变换器注入传输线路电压的d轴分量控制传输线路上的无功潮流，用q轴分量控制传输线路上的有功潮流。控制系统中利用经验法得到了各个PI调节器的参数。本文搭建了基于UPFC的微电网潮流控制的仿真模型，仿真结果证明了UPFC方便有效地对微电网进行潮流控制。关键词 微电网建模；统一潮流控制器；控制系统；潮流控制 I 燕山大学本科生毕业设计（论文)AbstractWith the rapid development of micro-grid, the control of micro-grid power flow is also increasingly important. The paper focuses on the problem of micro-power flow controlAccording to the flow control function of unified power flow controller (UPFC), the paper adopts the power flow control method based on UPFC.According to the infra-structure of micro-grid, this paper builds a simulation model of the micro-grid, and adopts Matlab simulation and the simulation results demonstrate micro-grid without UPFC can only be controlled by changing the parameters of the power supply or load. UPFC is the implementation of the micro-power flow control. According to its system and taking advantage of the Park transformation, the paper gets the mathematical model of the UPFC parallel side, series side and line side in the d, q coordinate system. Using small signal analysis methods, and balanced analysis of the UPFC system power, voltage, it builds the decoupling control system of parallel side and side-series cross-coupling control system. The d-axis component of parallel side current controls the capacitors voltage and the q-axis component controls UPFC input-side voltage; The d-axis component of the transmission line voltage injecting by the series converter controls reactive power flow on the transmission line and the q-axis component controls active power flow on the transmission line.It uses the empirical method to get the parameters of the PI regulator in the control system .This paper builds a simulation model of micro-power flow based on UPFC controlling, and the simulation results show the UPFC can control the micro-grid power flow easily and effectively .Keywords Micro-grid modeling; UPFC; Control system; Power flow controlI 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 国内外研究现状31.2.1 微电网的研究现状31.2.2 UPFC的研究现状41.3 本文研究的主要内容6第2章 微电网的仿真建模82.1 微电网的基本结构82.2 光伏电源82.2.1 光伏电池的基本原理82.2.2 光伏电池的基本模型92.3 风力发电机102.4 微电网仿真模型的建立132.5 本章小结15第3章 统一潮流控制器分析163.1 UPFC系统的基本原理163.2 UPFC的基本控制功能183.3 UPFC系统功率、电压平衡分析203.3.1 无UPFC微电网的潮流分析203.3.2 UPFC系统有功功率平衡分析213.3.3 UPFC系统无功功率平衡分析223.3.4 UPFC系统电压平衡分析233.4 本章小结25第4章 统一潮流控制器控制系统设计264.1 UPFC控制概述264.2 UPFC控制系统的设计274.2.1 并联侧控制系统的设计274.2.2 串联侧控制系统的设计284.3 本章小结28第5章 仿真验证及分析305.1 仿真模型及参数305.2 仿真结果及分析315.3 本章小结33结论34参考文献35致谢37附录39III第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题研究背景和意义随着时代的发展，人们发现发展电力系统规模在资源的开发利用、工业的结构、负载的调整及安全与经济运行等方面具有非常好的经济效益。随着电力网络中负载越来越大、发电机单机的容量日益变大和线路输电电压越来越高，电力网络系统规模的发展也相当迅速。20世纪中期，高压交流远距离输电技术越来越成熟，电力电子技术也有较大的发展，从而使直流输电技术也得到了很大的发展，高压以及超高压的直流输电技术也得到了迅速发展，与交流输电系统相配合组成了交直流混合系统，使各个电网之间形成高级电网联网运行模式。但是，随着电力系统的规模越来越大，电力系统中也饿出现了很多弊端，如：投资太大，运行模式复杂，负载对电能的质量要求越来越高，以及供电需求的多变性等。近年来，各国接连发生多次大规模的停电，如北美大停电、我国南方雪灾大规模停电等，大规模集中供电的不稳定性显露出来。随着经济技术的蓬勃发展，以及环境保护方面的要求日益严格，可再生资源发电(如风力发电、太阳能发电和水力发电等)和先进的微型发电系统(如微型风力发电机组和燃料电池)的作用也日益重要，越来越被重视。由于这些微型发电设备或储能设备一般跟随负荷，装设在负荷附近，所以被称为分布式发电(Distributed Generation，DG)。由于分布式发电距离负荷较劲，因此可以将电能和热能用于其他地方来提高能源的利用率。DG具有如下几点优势：(1)使能源得到较好的利用，提高其利用率及能够稳定的向负荷供电。(2)碳化物的排放量大大降低，对环保有很大的贡献。这是由于分布式发电的电源为光伏电源、燃料电池、风力发电等可再生能源，具有很高的环保效益，同时具有很高的经济性。(3)使远距离输电是传输线路上的线损有所降低，并且有利于电网机构的优化。在电力系统网络中，电网传输线路损耗大约为6%8%，但是中低压电网的损耗占据了总损耗的一半以上。因此合理地改良分布式电源的结构，可以使中、低压电网结构得到较好的优化，能够有效地降低电网传输线路上的损耗。(4)为大电网不能供电的地区供电。分布式发电设备能够孤岛运行，能够有效地对农村、旅游区供电，有效地缓解边远地区的供电压力。(5)能够有效地缓解延缓电网的扩建，减少大量的资金。随着负载不断增大，对电网容量要求日益变大，DG采用就地安装的原则，可以对地方负荷提供电能，平衡地方增大的负载，使电力系统的稳定性、电网的安全性以及电能质量有很大的提高。虽然DG具有以上优点，但是还是存在一些问题：(1)DG的响应时间较慢。因为DG的跟踪性能较差，如果没有储能系统的话，负载突然增加后，DG实际发出的功率不能达到负载所需的功率，则会引起电网电压的降落。(2)DG的互联运行不稳定。DG之间互相并联工作时可能有较大的无功电流环流产生，所以要通过调节各个DG的电压，使无功电流环流减小。(3)DG与储能系统的协作控制。DG独立运行时，要调节各个DG发出的功率，使储能系统的能量保持不变，从而达到负荷的需求量。(4)DG孤岛运行和与配电网并网运行的平滑切换存在一定的问题。当外部电网运行时出现故障，则DG将与配电网隔离进入孤岛运行状态，当电网故障恢复后，这时要求DG能够平滑地与配电网并网。随着分布式发电系统的快速发展，微电网应运而生。微电网是由一系列分布式电源(Distributed Generation，DG)系统、储能系统和负荷组成的电网，既可以与配电网并网运行也可以独立运行。与传统的输配电网相比，微电网的结构比较灵活。微电网系统与外部电网通过隔离装置连接。微电网内可以在允许范围内调节母线上的电压和线路上的潮流。正常工作情况下微电网与公共系统出现故障或者电能质量不能满足需要时，微电网可以通过隔离装置与外部电网断开而独立运行。故障清除后，微电网需平滑与外部电网重新同步，实现正常并网运行1。微电网中的若想改变系统潮流分布的方式只能通过改变负荷的大小、电源或调整电源间负荷分配关系来实现，这样可能不能满足安全、优质、经济供电的要求。而在含有柔性交流输电系统(FACTS)元件的系统中，只需改变FACTS元件的运行参数就可改变系统的潮流分布。在各种FACTS元件中，统一潮流控制器(UPFC：Unified Power Flow controller)作为新一代FACTS元件，在无任何附加设备只改变运行参数即可同时补偿有功和无功功率。它能够全面地对线路上的有功和无功进行补偿,不仅能向并联侧提供独立受控的无功功率补偿，并且可以向线路注入相角可控的串联补偿电压，可以根据需要对传输线上的电压、相角和阻抗进行控制，从而达到对有功和无功潮流的控制要求。1.2 国内外研究现状1.2.1 微电网的研究现状文献2中说明微电网能够配合大电网对负荷进行比较稳定安全的供电，但是微电网在模式转换过程中仍然存在较大的波动。在微网从并网模式向孤网模式转换过程中，系统频率和电压出现大幅波动；增加储能单元后，在微网模式转换过程中，系统频率和电压波动可以得到有效抑制，且微网能够很快稳定在新的运行状态。各种储能方法都不能完全兼顾安全性、高比功率、高比能量、长使用寿命、技术成熟以及工作作温度范围宽等多方面的要求。储能技术在微电网中担任十分重要的角色，其有提高微电网电能质量、增加电网系统稳定性、提高微电网经济性等功能，是非常重要的一个环节。随着可再生能源的发展，微电网的应用越来越广泛，储能系统的技术也在不断发展，储能技术在微电网中将越来越重要并应用的更加广泛3。微网中的分布式发电中应用了较多的电力电子技术接口，这种接口性能使分布式电源控制的灵活性得到了大大的提高，同时对微电网缺少惯性、响应速度较慢等问题有较好的改善。由于微电网能具有孤岛运行和并网运行两种运行模式，也使负荷侧的供电稳定性得到很大的提高，但是对微电网的控制也越来越难4。文献5介绍了下垂控制方法和混合控制方法在计划孤网和非计划孤网中的控制，并对其仿真分析。仿真结果验证了微电网计划孤网的可靠性和孤网控制方法的正确性，当故障恢复后微电网再次与配电网并网运行时，不管用什么控制方式，微电网都不能平滑的并网，因此要对各个微电源输出功率重新调整，使微电网能够平滑过渡。文献6概括了CERTS微电网中微电源的响应时间和并联运行问题、孤岛运行转换到并网运行时的平滑性、孤岛运行时各个微电源输出功率的控制、输电线路的潮流控制等问题。文献7-8讲述了国外对微电网研究，文献7介绍了微电网通过两个VSC与大电网相连接的方式，用两个VSC进行线路上的潮流控制；文献8讲述了分布式电源在电网中的作用，并且介绍了分布式电源中引入UPFC的工作情况。微电网与大电网相比灵活多变，电源和负荷的身份相互间多变，既可以发出功率，又可以吸收功率，接入电网后必然引发诸多问题。Adly Girgis与Sukumar Brahma提出9,10，由于DR主要接入配电网中，传统的配电网的网络结构是辐射型的，DR的接入将其变为环形网络结构，这必然引发原有保护不匹配问题，二人对此提出了新的保护方法，即自适应保护的方法，并且提出了新的分区理念，将系统化分为几个区域，每个区域中DR与负荷之间达到平衡，DR的容量相对要大些，并且在每一个区域内，应该有一台DR(通常是该区域内容量最大的一台)可以控制负荷频率，但其缺点也很明显，断路器因故障拒绝动作，因此导致隔离失败；电阻性故障时，保护可能会产生误动作，所以它不适用于DR低渗透率的配电网络。1.2.2 UPFC的研究现状文献11-21讲述了UPFC的工作原理、功能与控制方法，UPFC可以对有功、无功和电压分别进行控制，对于优化电力系统的运行、提高系统的暂态稳定、阻尼系统的振荡具有显著的作用11，其分内部控制和外部控制两个部分对统一潮流控制器(UPFC)进行控制器设计12；基于功率注入法,本文将UPFC的优化控制问题转化为一个优化问题来求解13；UPFC的控制性能受到2个因素的影响：一个是其对控制运行点变化的鲁棒性，另一个是不同控制之间的交互影响14；对UPFC的参数设计进行研究15；文献16介绍了非线性原一对偶路径跟踪内点算法进行电力系统最优潮流计算；文献17研究了UPFC控制策略；文献18介绍了UPFC安装位置的选择；文献19介绍了一种新型的UPFC：两侧分别有独自的直流侧并且两侧没有功率的交换等等；文献20-21介绍了UPFC在分布式电源以及微电网中的应用，提高了系统电压的稳定性。统一潮流控制器主要在四个方面进行研究：UPFC的数学模型、UPFC的控制系统、UPFC的主系统变换器和UPFC的实际应用22。(1)UPFC的数学模型系统模型是用来表达系统的静态和动态特性，是研究系统的基础。因此为了能够更好地描述柔性交流输电系统(FACTS)更好地研究FACTS，关键要建立一个正确反应FACTS的数学模型。从描述对象来看，FACTS的模型可分为暂态模型和稳态模型。暂态模型用来研究系统的动态特性与运行行为；稳态模型主要研究FACTS系统的输入输出特性，主要用于研究电力系统的行为以及电网中的潮流控制。现在常用的方法主要有两种：输出建模法与拓扑建模法。输出建模方法比较简单，一般情况下将系统简单地视为一个电流源或电压源外接阻抗，然后加入系统本身的一些约束条件，得到系统的数学模型，但是该方法没有考虑系统的内部信息，对于研究系统的内部特性有一定的缺陷。拓扑建模法主要根据系统在不同运行状态下，不同的拓扑结构研究写出方程组，按整个系统具有拓扑结构的种类以及各个拓扑结构的转移顺序对方程组求解，从而得到系统的解析方程。但是拓扑建模比较复杂，其随着开关数的增加将呈现指数级增长，并且形成统一的数学模型表达式有很大的难度。(2)UPFC的控制系统FACTS设备控制系统的对其控制作用至关重要，其对设备在电力系统中潮流控制、提高系统的稳定性、改善电网传输能力等方面起着很重要的作用。FACTS设备至少有以下三个功能：实时在线地监控电网系统的运行情况，特别是当电网运行在不稳定和功率振荡的状态时；能根据监控到的运行情况得到相对应的最有利的控制策略；能够得到改变控制策略所需的有效信息。要依据电力系统本身的运行特性来选择最佳的控制策略，在保证能实现其他功能时，综合基于模型的控制理论和智能控制方法，设计该运行状态下的最佳控制系统。根据设计控制系统时对系统信息提取和综合过程的不同，FACTS装置的控制策略可分为3种：基于系统内部结构的控制方式、基于系统外部结构的控制方式、综合智能控制方式。(3)UPFC的电力电子变换器UPFC的主系统含有两个电压型变换器，在变换器的控制与实现上主要采用三种技术：多电平变换器及其叠加技术：矩阵变换器；PWM变换器。多电平变换器是在方波变换器的基础上发展起来的，必须与变换器叠加技术联合使用才能获得好的性能。矩阵变换器是一种直接AC-AC变换器(输出频率可调)，将其用于统一潮流控制器是矩阵变换器的一种应用尝试。UPFC变换器大多采用PWM技术。(4)UPFC的系统应用改善电力系统运行行为是开发UPFC的出发点，因此UPFC必须放入系统中去考虑，潮流控制、电压控制、暂态稳定控制、阻尼控制是其设计的四个主要目标。对UPFC的系统应用的研究一般采用MATLAB和EMTP(电磁暂态仿真)仿真或通过动模试验来进行。1.3 本文研究的主要内容对微电网的潮流进行控制是本文研究的核心内容，传统的方法只能通过改变负荷的大小、电源或调整电源间负荷分配关系来实现。本文采用了UPFC控制微电网的潮流，只需要改变运行参数即可改变潮流分布。由于实验条件所限，本文对所提出的新方法采用软件仿真进行验证。全文研究内容主要分为如下四个部分。(1) 微电网建模。微电网建模仿真是指在Matlab/simulink环境下建立微电网的仿真模型，它包括微电源、负载和线路等组成部分，建立简单的微电网仿真模型。(2) UPFC的建模与分析。本文对UPFC的工作原理进行了分析，并分析了UPFC的基本控制功能，研究了UPFC在微电网中的潮流控制作用，为设计UPFC潮流控制策略奠定了基础。(3) UPFC的控制系统的设计。根据UPFC在微电网中的潮流控制作用，建立控制系统的数学模型，并联侧和串联侧分别利用了双环解耦控制和交叉耦合控制，建立了控制系统的模型。(4) 仿真验证及分析。建立了基于UPFC的微电网潮流控制的仿真模型，并对仿真结果进行分析。并与没有UPFC的系统模型的仿真结果相比较，验证UPFC控制潮流的可行性。 39 第2章 微电网的仿真建模第2章 微电网的仿真建模2.1 微电网的基本结构微电网是指在某一地区使用分布式电源独立供电，并且分布式电源与储能系统、功率控制等单元相联合，形成区域供电系统，产生用户所需的电能和热能。课题的研究重点是应用UPFC进行微电网潮流控制，而微电网的建模则是其中的基础，本章的主要内容是构建微电网仿真模型。微电网的基本结构如图2-1所示。微电网的重要组成部分是分布式电源和储能系统。分布式电源主要包括可再生能源和高效发电机组，可再生能源发电如太阳能发电、风力发电、水力发电，高效发电机组如微水电机组、燃料电池发电等。微电网中的储能系统的作用类似于大电网中的抽水蓄能电站、调频厂，能够实现调峰、调谷及调频等功能，当前主要研究的储能系统有飞轮储能系统、高温超导储能系统、蓄电池储能系统、超级电容储能系统及压缩空气储能等。图2-1 微电网的基本结构微电网仿真模型研究的主要内容是由分布式电源构成的微电网的系统模型，本文整个系统仿真模型用发电机代替了分布式电源，本章将对光伏电源和风力发电电机进行简单的介绍。2.2 光伏电源2.2.1 光伏电池的基本原理光伏电源是利用光伏电池组将可再生的太阳能转化为电能，其原理是当半导体表面受到太阳光照射时，其内部的P区和N区中的价电子受到光子的冲击，当束缚价电子的能量小于光能时，则价电子将会脱离共价键的束缚，从价带状态激发到导带状态，最终导致半导体内部出现非平衡状态的电子空穴对，PN结对载流子进行牵引，对外形成与PN结势垒电场方向相反的光生电场，当该半导体与外部电路接通时，就会有电能输出23。该电场电压为： (2-1) 其中，分别为电子和空穴的密度，为光生少数载流子密度，为玻尔兹曼常数( J/K)，为电子电荷( C)，表示绝对温度。2.2.2 光伏电池的基本模型研究光伏电池一般研究其等值电路模型，其模型通常有3种。第1种是将光伏电池的内部电阻全部忽略不计的简单模型，该模型在对光伏电池进行理论研究时有较多的应用；第2种模型是除了光伏电池的并联电阻外其他的电阻全部忽略的模型，该模型虽然有较高的精度，但是很少用于实际研究中：第3种模型时电池的所有电阻均不能忽略，研究时考虑串联电阻和并联电阻，具有较高的精确度，其等值电路模型如图2-2所示。图2-2 光伏电池等值电路模型图中电流Iph为光生电流，不受外接负载等因素的影响，只与光照强度有关。其大小与光伏电池的面积成正比，也与入射光的辐射强度成线性关系，也会受环境温度的微小的影响；光电流经过负载RSCR时产生电压U，它反作用于PN结，正向偏置于PN结，其结果是产生暗电流Id，Id的大小反映了在当前环境温度下，PN结根据自身的能力大小所产生的总扩散电流的变化情况。因为光伏电池输出电能时与外界接触产生接触电阻，并且所用原料自身具有电阻率，所以有电流从这些电阻流过时会产生一定的损耗，用一个串联电阻Rse表示；另外因为电池的边沿可能会漏电和电极的损坏处产生的金属桥漏电等，这样就会短路一些原本流过负载的电流，产生的这种损耗可以用一个并联电阻Rsh表示，流过其的电流为Ish。Rse与Rsh相比，Rse相对电阻很低，小于1欧姆；而Rsh相对电阻就很高，约几千欧姆。因此光伏电池的输出电流可以表示为I=Iph-Id-Ish，应用基尔霍夫电流定律，可以推导出负载电流，该电流与其端口电压U二者关系式为： (2-2) (2-3) (2-4) (2-5)式中I为光伏电池的输出电流；U为输出端口电压；Uoc为光伏电池开路电压；Ios为光伏电池反向饱和电流；T为光伏电池的热力学温度(oC)；q为电荷常量(1.610-19C)；G为太阳辐射系数；ISCR为在25 oC和1000瓦每平方米时的短路电流；Tr=301.18oC为参考温度；Ior为在Tr=301.18oC时的饱和电流；Ki为短路电流温度效应系数，一般取0.0017A/oC；A，B为PN结的理想因数；K为波兹曼常数(1.38l0-23JK)。2.3 风力发电机风能是一种无污染的环保的可再生能源，随着资源和环境问题受到越来越大的关注，人们更加地重视通过风力发电机进行风能发电。我国复员辽阔，具有丰富的风能资源，有大约10亿千瓦的风能储量能够被开发利用，其中大部分是海上的能量，大约占总量的四分之三，其余的为陆地上可开发和利用的风能占剩下的四分之一。风力发电越来越重要，中国新能源战略已经开始将其作为重点，按照国家规划，未来13年，在全国范围内风力发电装机总容量将达到2000万至3000万千瓦。若想开发利用风能，必须利用风力发电机，因此全力研究风力发电机是全面开发利用风能的基础和重要部分。目前常用的风力发电机主要有变桨距型鼠笼式感应风力发电机、变速恒频的双馈式风力发电机以及直驱式永磁同步风力发电机。由于变桨距感应风力发电机发出功率较小并且控制比较方便，微电网中采用该发电机相对较多。而在大型风力发电厂还是主要应用后两者。下面分别介绍目前广泛使用的3种风力发电机组及其控制方式、特点。1.鼠笼式感应风力发电机鼠笼式感应风力发电机是目前我国应用比较广泛的一种风力发电机，其结构图如图2-3所示。在该结构中，首先叶片转动将风能转换为机械能，然后齿轮箱受到前者的带动开始运行将旋转轴由低速转换为高速，进而驱动感应发电机产生电能。通过控制叶片的桨距角来控制旋转速度，在正常运行情况时，调节桨距角来实现恒速运行。风机的具体调节控制方式为：在运行过程中，当额定功率大于电机发出的功率时，桨距角保持在0。位置不变；当额定功率小于电机发出的功率时，此时控制系统根据输出功率的变化适时调大桨距角，使发电机的输出功率维持在额定值。在低风速时，一般采用双速发电机(即大/小发电机)用于提高风力发电机组的效率，低风速情况下采用小电机使桨叶具有较好的气动效率，提高发电机的运行效率。软启动装置的作用是减小风力机接入和断开时产生的冲击电流，端口处接入并联电容器是为感应发电机提供无功补偿来调节输出端口电压。图2-3 恒速鼠笼式感应发电机组该机组独特的优点是：结构简单、鲁棒性好、控制方便、无需进行维护、投资少。但是也存在一下主要问题：(1)无法控制改机组的无功功率，必须采取措施进行无功补偿；(2)叶片与轮毂二者之间是刚性连接，风速很不稳定时机械负载会增大，这样齿轮箱容易发生故障，对叶片要求也较高；(3) 该发电机发出的功率稳定性较差；(4)当发电机失速时，输出功率会有一定程度的下降，很难确保输出功率恒定。2.变速衡频双馈式风力发电机变速衡频双馈风力发电技术日益重要，在风力发电技术方面占有很重要的位置，也是重要发展目标，其应用前景非常广阔，其模型如图2-4所示。图2-4 双馈式风力发电机该发电机主要由风速、风轮、双馈发电机、变频器、励磁系统、控制检测系统组成。发电机的转子侧要通过两个VSC变频器后经过变压器与电网相连，而定子侧与电网直接经过变压器相连。因为风速不能保持恒定，所以风机机组不会一直运行于同步状态，此时机组既能向电网发出有功功率也能从电网吸收有功功率风，能够实现与电网之间进行能量的双向传输。之所以称之为双馈风力发电机，是因为功率既能从转子流向电网又能反向流动。变频器对转子交流励磁，控制定子使其发出恒定频率的电能，实现了发电机与电网的“软连接”。该发电机与恒速风力机不同之处在于该发电机的桨距角控制是能够实时跟踪风速的变化来控制桨距角，捕捉最大风速，从而提高风能利用效率。相对于传统的恒速风力机，其性能优势体现在：(1)只需要调节转子电流就可以大范围进行潮流控制、电机转差控制，对系统进行无功调节，控制系统的稳定性；(2)本身就能够进行无功的调节，不需要外界资源；(3)实时控制可以追踪最大风能，从而使风能利用率得到大大的提高；(4)降低输出功率的波动和机组的机械应力；(5)功率因数在转子侧即能够控制，这有利于提升电能质量和并网的安全方便性；(6)该发电机的变频器容量仅占约四分之一的风力机额定容量，相对而言大大降低了变频器的损耗及投资。3.直驱式永磁同步风力发电机传统的风力发电机组为了减少发电机的体积，通常采用齿轮箱，但于此同时这也产生了一些问题：噪音较大、定期维护复杂以及增加电能损耗等。为了克服这些缺点，采用风力机直接驱动同步发电机成为风力发电机的一种趋势。目前该领域研究较多的是直驱式永磁同步发电机，该机组的结构图如图2-5所示。图2-5 直驱式永磁同步风力发电机与上述两种机型相比，该种发电机简化了结构，删去了增速齿轮箱，无转子绕组、无励磁绕组、无碳刷、无滑环，转子损耗很小，效率高。与双馈式风力机不同，此风力机系统发出的功率通过两个全功率变频器输送到电中，与电网系统彻底隔开，因此要求使用先进的变频器，这也是与双馈式风力机的不同之处。其优势体现在：(1)该电机直接驱动，系统简洁，降低了噪音，可靠性得到了提高；(2)新型永磁发电机具有体积小、重量轻、效率高等优点，从而提高了机组容量系数；(3)该电机运行时无需建立磁场，因此不需从系统中得到吸收无功功率，改善了系统的功率因数；(4)控制变频器的调制比就可以进行潮流控制，当系统故障时向系统提供无功功率，使电网动态特性得到大大地提高。2.4 微电网仿真模型的建立由于本文主要研究UPFC在微电网中的潮流控制作用，因此只建立了简单的微电网模型，大电网用发电机代替，分布式电源也用发电机代替，构建的微点网仿真模型如图2-7所示。整个电网的仿真参数设置：线路L1和L3阻抗为0.066+j0.033，Load2有功和无功分别为50kW和10kVar，Load3有功和无功分别为10kW和5kVar，整个微电网的基准线电压为380 V，频率为50 Hz。通过对图2-7的微电网模型进行仿真，可得到B1和B3处的有功潮流和无功潮流，分别如图2-8、2-9。图2-7 微电网仿真模型图2-8 B1处的有功潮流和无功潮流分布 图2-9 B3处的有功潮流和无功潮流分布由图2-8可知B1处的有功和无功潮流分别为6.6kW和-3.5kVar，由图2-9可知B3处的有功和无功潮流分别为43.5kW和13.6kVar，所以Load2处的功率由B1、B3共同提供。改变电源参数时，将左侧的电源电压改为380.1V，仿真结果如图2-10、2-11所示。图2-10 B1处的有功潮流和无功潮流分布 图2-11 B3处的有功潮流和无功潮流分布由图2-10、2-11可知B1、B3两处的潮流都发生了变化，但是有功潮流和无功潮流之和不变与负载一致。改变负荷参数时，将Load2有功和无功分别改为60kW和20kVar，仿真结果如图2-12、2-13所示。图2-12 B1处有功潮流和无功潮流分布 图2-13 B3处有功潮流和无功潮流分布由图2-12、2-13可知B1、B3两处的潮流都发生了变化，但是有功潮流和无功潮流之和与负载保持一致。由以上分析可知在发电机和负荷参数不变的情况下，B1、B3两处的潮流不会发生变化，只能通过调整发电机或负荷参数的情况下才能改变潮流。2.5 本章小结本章组建了微电网仿真模型。本章对光伏电源、风力发电机进行了简单的介绍，构建了微电网仿真建模。并且对未架设UPFC的微电网进行潮流仿真，仿真结果说明微电网系统中潮流只能通过调节电源、负荷或电源与负荷的分配关系来改变。第3章 统一潮流控制器（UPFC)分析第3章 统一潮流控制器分析3.1 UPFC系统的基本原理UPFC工作的时候，其并联部分等效为一个电流源，串联部分等效为一个电压源，串联部分通过串联变压器向线路中注入电压，此电压既能改变UPFC输出端电压幅值，又能改变其相位，这样就能够对线路上的潮流进行控制。并联部分的作用主要是提供UPFC的内部损耗，保持有功功率的平衡，另外还可以提供一些无功功率，对系统进行无功补偿。图3-1 UPFC等效模型从理论上讲， UPFC的串联侧相当于一个与电网电压同频率的幅值和相位都能控制的同步电压源，其输出电压的幅值为(0)，相角的变化范围为0到2，UPFC装设在传输线路中时其等效模型如图3-1所示。在控制UPFC时其注入到线路的电压的幅值和相位都会发生变化，这样就一定会与电网发生有功功率和无功功率的交换。由于只有交换所需的无功功率能够由该电压源本身产生，而其自身不能提供有功功率，因此这些有功功率必须由其他的部分来提供或者吸收，在本系统中这个工作是由UPFC的接入端母线来完成的。在实际应用中UPFC的主系统是由两个变换器构成的如图3-2所示。UPFC主要由并联变换器I、串联变换器II、直流母线电容、输出滤波器(Lsh、Lse、Cse)，并联变压器TShunt，串联变压器TSeries以及控制和保护单元构成。在UPFC潮流控制的过程中并联变换器和串联变换器起着主要的执行作用。UPFC的功率变换部分通过共用的直流母线将两个变换器连接成背靠背的形式，并且共用一组直流母线电容。这就形成了一种理想的AC-AC功图3-2 UPFC的系统电路结构框图率变换器，这样不仅能使两个变换器都能在各自的输出端产生或吸收无功功率，而且这两个变换器间能够互相流动有功功率。在构成UPFC的双变换系统中，串联变换器通过串联变压器向线路中注入幅值和相位均可控的电压，在UPFC潮流控制中有着至关重要的作用。该注入电压表现为一个基频交流同步电压源。当线路上的电流通过这个电压源就会与电力网络之间产生有功和无功功率的交换，达到控制潮流的目的。串联变换器自身可以产生这个无功功率，而在交流侧吸收的有功功率则转变为直流母线上或正或负的直流有功功率需求。由图3-2可得三相静止坐标系下UPFC的数学模型，但是若交流侧均为时变的交流量，将大大增加设计控制系统的难度。因此利用Park变换可将三相静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的d、q坐标系，可得UPFC并联侧、串联侧以及线路侧在d、q坐标系下的数学模型，相应的方程如下： (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)串联变换器与电网发生功率交换所产生的有功功率的变化是由并联变换器提供或吸收的。并联变换器首先将该直流有功功率转变为交流形式，然后通过一个并联变压器耦合进电网。并联变换器不仅能够补偿串联变换器所需的有功功率，还能够提供或吸收可调的无功功率，可以为线路提供不受外界影响的独立的并联无功补偿。虽然传输线路、并联变换器和串联变换器之间流动的有功功率依赖直流母线电容交换，但串联变换器自身就能产生潮流控制中的无功功率而不是通过传输线路所得。因此并联变换器能够在功率因数为1的情况下运行或被控与电网发生无功功率交换，而其所产生的无功功率与串联变换器提供到线路中的无功功率互相独立。显然UPFC的直流母线上只有有功功率流过，而不会流过无功功率潮流。3.2 UPFC的基本控制功能由于UPFC的并联部分和串联部分都可以随时改变参数来控制两侧的输出进而控制电力网络中的各种参数，因此具有多种功能。(a)电压调节功能 (b)相角调节功能 (c)阻抗补偿功能 (d)自动潮流控制功能图3-3 UPFC主要控制功能矢量图(1)电压调节功能当UPFC的输入端节点电压幅值突然发生突变时，通过UPFC调节注入电压，从而调节输出端电压使之稳定，进而控制线路上的传输的有功潮流和无功潮流。UPFC串联侧的注入电压和输入端节点电压二者的相位相同，通过调节的幅值U12来改变输出端电压的幅值U2与参考值一致，这样就能避免电压突变，控制线路中的潮流，增加线路电压稳定性。如图3-3(a)所示。(2)相角调节功能当负载发生变化时，可能需要更多的有功功率，需求的有功功率增加时，此时为了满足负载的需求，只能通过调节发电机的功率角来改变系统的有功功率。不过这样会使发电机的端口电压降低，而且会增大发电机内部的能量损耗，因此采用UPFC调节相角工作在相角调节模式，UPFC通过串联侧的注入电压来补偿负载需要的有功功率，并且不会改变发电机的功角，从而在不必调控输电线路两端电压相位的情况下，可连续调控输电线传输有功功率的大小，使电力系统中功率流向以及大小经济合理。如图3-3(b)所示，控制注入电压相对于相位发生变化，使得UPFC输出端口电压在相位上发生了偏移，但是幅值相等，调节角就可以调节线路的潮流P2、Q2，控制系统可以确定具体的偏移角度。(3)线路阻抗补偿功能感性负载电流流经线路电抗时会使负载端口电压UL下降，当远距离输电时，线路上具有很大的电抗值XL，这就使得输电线输送功率极限能力下降，严重破坏电力系统运行稳定性。因此很有必要对线路阻抗进行补偿。注入电压和线路上的电流成比例的变化，所以从线路一端看UPFC相当于一个串联的阻抗；给定一个阻抗参考值，通常情况下相当于一个有极性的电阻和电容或电感组成的阻抗；当注入电压与线路上的电流二者互相垂直时如图3-3(c)所示，UPFC就相当于一个阻抗补偿(感性或容性)，此操作模式用来匹配系统中存在的串联容性线路补偿。它既能实现连续控制、又能升高或降低线路电压，并且当参数适当的话不会震荡，是方便先进稳定的控制方式。UPFC对线路阻抗进行补偿不仅改善了潮流分布，而且能够充分利用输电设备提高线路的输送能力，有效地避免了低频振荡，提高了动态、暂态系统的稳定性。(4)动态潮流控制功能采用UPFC的电压调节模式来控制线路电压，防止发生电压的突变，但是实际的电力系统在运行过程中，传输线路上的有功和无功潮流也会发生变化，针对此问题系统采用了UPFC的自动潮流控制模式。如图3-3(d)所示，调节注入电压的幅值和相位，改变流经传输线路上的电流，可以调节线路上的有功和无功潮流。工作在此模式时，利用一个反馈环注入电压能够实时调整，用来控制传输线路上的有功和无功功率与参考值保存一致，因此架设UPFC的传输线路在电力系统中相对其余部分表现出一个可控功率源，这种工作模式比传统的线路补偿模式更加精确，对于潮流的控制更加方便，而且它还能解决系统的动态干扰的问题。3.3 UPFC系统功率、电压平衡