基于SVPWM统一潮流控制器的暂态稳定性研究

1、基于SVPWM的统一潮流控制器暂态稳定性研究尹国慧1，王冬铂1，丁一琰2，战龙3（1东北电力大学电气工程学院 吉林 吉林 132012；2广西大学电气工程学院 南宁 广西 530004；3 南京因泰莱电器股份有限公司 南京 江苏 211100）摘要：本文介绍了一种基于空间矢量调制的控制方法，它具有直流电压利用率高,谐波小,易于数字化实现的优点。建立了统一潮流控制器的动态仿真模型，仿真结果表明：在系统发生三相接地故障时能有效地减少系统的功率损失和减小母线电压的暂降幅度，在系统发生功率波动时还能大幅度地减小振幅，有效地提高系统的暂态稳定能力，具有较强的实用价值。关键词：空间矢量调制；统一潮流控制器

2、；暂态稳定Study of transient stability with unified power flow controller based on SVPWMYIN Guo-hui1, WANG Dong-bo1, DING Yi-yan2( 1 School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University Jilin 132012 Jilin Province China2 School of Electrical Engineering, Guangxi University Nanning 530004 Guangxi

3、 Province China 3 Nanjing Intelligent Apparatus Co., Ltd, Nanjing 211100 Jiangsu Province China)ABSTRACT: Proposed the control method based on SVPWM, it have high-level rate of using in voltage, less harmonics, easy realization of digital convertibility. established a dynamic simulation model for un

4、ified power flow controller, the simulation results show: it can effectively reduces the power losses of the system and the ampitude of busbar voltage sag when three-phase grouding fault takes place, and considerably reduces the amplitude of oscillation when power oscillation in the transmission lin

5、e appears. So systems transient stability can be improved effectively，and have high practical value.Keywords：SVPWM; UPFC; transient stability1. 引言柔性交流输电系统（FACTS）技术是一种使用电力电子装置来提高输电系统性能的新技术，自提出后即受到各国学者的普遍关注1-3。统一潮流控制器（UPFC）作为最有力的FACTS设备之一，可以对有功、无功和电压分别进行控制，这对于优化系统的运行、提高系统的暂态稳定性、阻尼系统的振荡具有显著的作用4, 5。我国长距

6、离输电线路很多，电网结构相对较薄弱，对UPFC这一技术进行研究其意义尤为重要6。传统的正弦脉宽调制 (SPWM)应用于统一潮流控制器的控制时，其调制度不高，电压利用率低，而且传统的高频三角波与调制波比较生成PWM波的方法适合模拟电路，不便于数字化方案实现7, 8。空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术能克服上述不足。本文介绍了基于SVPWM的统一潮流控制器原理和特点，仿真结果表明：空间矢量脉宽调制是有效的。2. 统一潮流控制器的基本原理图1为简化的UPFC原理图。图中，、分别为输电线路首、末端的电压；PL、QL分别为传输线路的有功功率和无功功率；UDC为直流侧电容电压。电压源变换器1（Voltag

7、e Source Converter1）通过变压器T1并联接入系统，电压源变换器2（Voltage Source Converter2）通过变压器T2串联接入系统。两个变换器的终端通过直流电容器连接。图1 简化的UPFC原理图Fig.1 Simplified principle diagram of UPFCUPFC对电力系统的影响可以用图2说明。VSC1可等效为并联电流Iq 和 Id，其中Iq为注入电力系统的无功电流，Id为注入电力系统的有功电流。VSC1有2个作用：一是通过调节Iq来控制首端电压；二是通过调节Id使装置与电力系统总的有功交换量为零，从而维持直流侧电容两端的电压恒定。VSC2

8、向电力系统提供一个幅值和相位可变的电压源来控制输电线路上通过的有功功率PL和无功功率QL。总的来讲，逆变器1、2可以独立地发出和吸收无功功率，正常运行时不发出和吸收功率，直流侧电容起能量储存和功率转化的作用。图2 UPFC等效电路图Fig.2 Equivalent circuit of UPFC3. SVPWM基本原理UPFC的逆变器主电路如图3所示，每相桥臂均有 2个主管，它们不能同时导通。采用180°导电型控制方案。a、b、c分别代表3个桥臂的开关状态。规定：当上桥臂开关管“开”状态时（此时下桥臂必然是“关”状态），开关状态为1；当下桥臂开关管“开”状态时（此时上桥臂必然是“关”

9、状态），开关状态为0。三个桥臂只有“1”或“0”两种状态，因此a、b、c形成000、001、010、011、100、101、110、111共八种（23）开关模式。其中000和111开关模式使逆变器输出电压为零，所以称这两种开关状态为零状态。图3 电压型逆变器主电路Fig.3 The circuit of voltage source converter可以推导出，三相逆变器输出的线电压矢量UAB UBC UCAT与开关状态矢量a b cT的关系为： （1） 三相逆变器输出电压矢量UA UB UCT与开关状态矢量a b cT的关系为： （2） 式中 UDC是直侧电源电压，或称总线电压。为了计算方

10、便，需要将上述八种开关状态映射到0平面直角坐标系中（TI公司的DSP中映射到dq0坐标系中，MATLAB仿真环境影射到0平面直角坐标系中）。这样8种状态组合可以得到6个非零向量和2个零向量，6个非零向量构成一个正六边行，相邻向量夹角为60°，两个零向量处于原点。这8个向量就是基本电压空间向量，分别用U0、U60、U120、U180、U240、U300、O000和O111表示。变换矩阵为： （3） 利用这个变换矩阵，就可以将三相ABC平面坐标系中的相电压转化到0平面直角坐标系中去，其转换矩阵为： （4） 根据式（3），可将开关状态a、b、c相应的相电压转换成0平面直角坐标系中的分量，转

11、换结果见图4。图4 基本电压空间矢量和转换模式Fig.4 The basic voltage space vectors and conversion model空间电压矢量 PWM（SVPWM）同 SPWM相比，它具有直流电压利用率高，谐波小，易于数字化实现的优点。SVPWM采用逆变器提供的6个非零矢量和2个零矢量在一个调制周期内可以合成任意角度和模长的等效合成矢量,从而得到了三相正弦量。在矢量图上可以看出，最大电压空间矢量轨迹是图4所示的正六边形的内切圆。故在SVPWM中，逆变器输出相电压的极限峰值是UDC/3，而传统SPWM最大相电压峰值是0.15UDC，此时调制比为1。同等直流电压下，

12、SVPWM输出最大电压较SPWM高约15.47%，即SVPWM的调制比M可达1.1547（2/），而当SVPWM输出最大时，线电压峰值等于UDC，已达到了直流母线电压，再增加就不是线性调制了，所以SVPWM的直流电压利用率也是最高的。4. 控制方案三相旋转坐标系A、B、C经Clark变换到两相旋转坐标系d、q后，可以再经Park变换到两相静止坐标、。图5是两个坐标系dq0和0上电流分量之间的位置关系，dq0坐标系以系统同步角速度旋转。图5 三相电流在和dq轴上的分量Fig.5The components of three-phase current on the and dq axis根据矢量

13、变换原则，由图5可得 (5) UPFC控制器的控制目的是维持线路有功功率、无功功率、母线电压和直流侧电容电压为设定值。因此分别取图1中的UPFC并联侧接入母线电压和直流侧电容电压UDC为VSC1的反馈量，取线路有功功率PL和无功功率QL为VSC2的反馈量。4.1 并联侧控制方案由UPFC的原理可知：通过调节Id和Iq即可维持直流侧电压稳定和控制接入点电压，对应的控制规律如图6所示：图6 并联VSC的控制规律图Fig.6 Control block of parallel voltage source converter这里采用2阶Butterworth滤波器，直流坐标系内做差，从而整体得到系统

14、需要补偿的量，转换矩阵 （6）转换矩阵T为式（3）。由前面分析可知，直流旋转坐标系dq0下的电流分量可以转化到直流静止坐标系0中（MATLAB仿真环境），然后经过空间矢量调制得到需要的触发脉冲（图中，kP1，kI1为PI控制的比例系数，UDC*为直流侧母线电压参考值）。4.2 串联侧控制方案利用的d轴分量和q轴分量控制传输线路上有功功率PL和无功功率QL，对应的控制规律如图7所示：图7 串联VSC的控制规律图Fig.7 Control block of serial voltage source converter 转换矩阵T为式（3）（图中，kP2，kI2， kP3，kI3为PI控制的比例系

15、数；PL*，QL*为传输线路有功功率和无功功率的参考值）。5. 仿真分析本文采用Matlab7.0/Simulink对统一潮流控制器进行了仿真。仿真系统单相接线图如图8所示。图中发电机G1的线电压有效值为10.5kV，初相角为0o，发电机G2的线电压有效值为10.5kV，初相角为-15o。220kV双回输电线路长65km，架空线路导线选用LGJJ-400，计算可得相应的零序、正序、负序阻抗和电容为：Z0=0.216+j0.763/km，Z1=Z2=0.068+j0.4113/km，C0=0.001889uF/km，C1=C2=0.00885uF/km。变压器T1和T2的容量均为180MW。图8

16、 仿真系统接线图Fig.8 Schematic diagram of power system for simulationUPFC中，并联侧耦合变压器变比为25kV/2kV，容量为100MVA， Y/-1接法，串联侧耦合变压器变比为1kV/2kV，容量为100MVA，直流侧电容为75000F。控制策略和控制参数的设计是UPFC正常工作的关键，如设计不恰当，既无法保证线路电压和功率的稳定，还可能加速系统的崩溃。本文通过大量的仿真分析得到了比较满意的控制参数：kP1=0.2，kI1=1， kP2=0.8，kI2=2.6， kP3=0.8，kI3=1。仿真中，线路的有功功率和无功功率初始值设定为：

17、P L+jQL=2.5 +j1.2（标幺值）；母线电压=1.0（标幺值）；直流电容电压UDC=4kV。通过对线路故障时的仿真观察UPFC对有功功率和无功功率的维持能力以及UPFC对电压暂降的抑制能力。设计在1.0s时刻图8中线路L2发生三相接地故障，该故障在0.0ls的时候发生，在0.03s的时候被切除。系统中的电压波形如图9和图10所示。由图9和图10可知，在系统发生故障期间（0.01s-0.03s），安装了UPFC的系统电压波形比较接近正弦波形，只是幅值较正常运行时的电压幅值小；而没有安装UPFC的系统电压则持续衰减至0。图9 UPFC接入前的系统线路电压波形Fig.9 The volta

18、ge of system waveform before put in UPFC图10 UPFC接入后的系统线路电压波形Fig.10 The voltage waveform of system after put in UPFC图11 UPFC接入前的线路功率波形Fig.11 The load flow waveforms of system before put in UPFC图12 UPFC接入后的线路功率波形Fig.12 The load flow waveforms of system after put in UPFC线路潮流波形如图11和图12所示。由图可知在加入UPFC后，系统

19、的动态性能明显变好。在故障切除后，系统功率在一个周波以后即恢复稳定运行;而在没有安装UPFC的线路中，故障切除后，系统的有功和无功在较长时间内仍然有较大振荡，而且在故障刚切除后，没有安装UPFC的线路功率的振荡区间（有功功率的振荡区间为0，2. 2，无功功率的振荡区间1，-4.8）明显大于安装了UPFC的线路功率的振荡区间（有功的振荡区间为0，2.1，无功的振荡区间0.3，-2.2）。6. 结论本文提出了一种基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的统一潮流控制器（UPFC）的控制方法，它具有直流电压利用率高，输出电压谐波少，控制高效的特点。仿真结果发现：系统的有功和无功在故障切除一个周波即0. 02s之后就恢复稳定；维持了系统的功率稳定性。当系统发生故障时，使系统电压近似保持正弦波运行，维持了系统的电压稳定性。可见本文建立的基于SVPWM的UPFC模型既能快速有效地提高系统的暂态稳定性，又能抑制电压的暂降和提高系统的动态电能质量。由