UPFC控制器及其物理实验装置的设计

1、UPFC控制器及其物理实验装置的设计        摘要:在详细分析含UPFC的网络方程的基础上，描述了并联侧采用电压控制/无功电流控制，串联侧采用自动潮流控制/电压注入的控制策略。并提出了UPFC控制器物理实验装置的实现方案。为保证控制系统的响应速度，在控制器的设计中采用DSP芯片。 1前言统一潮流控制器(UPFC)能快速地对线路的阻抗、线路端电压幅值及其相角进行控制，从而快速地、连续地调节线路潮流和节点电压，起到串联补偿、并联补偿和移相调节等多方面的作用。因而是柔性交流输电技术中最引人注目、最有应用价值的一种控

2、制系统。UPFC自1992年由美国西屋科技中心的L.Gyugyi博士首次提出以来，研究者众多，世界上第一台UPFC于1998年被安装在美国INEZ地区138kV的高压输电线上，并成功运行。在我国虽有大量的专家学者对UPFC进行研究，也仅停留在试验阶段。本文在详细地分析UPFC工作原理、含UPFC的网络方程的基础上，描述了并联侧采用电压控制/无功电流控制，串联侧采用自动潮流控制/电压注入的控制策略，并设计相应的物理实验装置方案。 2UPFC的工作原理图1为UPFC接入单机无穷大系统的示意图。UPFC由两个共用直流侧电容的电压源变换器组成。变换器VSC1通过变压器TP 并联接入系统，VSC2通过变

3、压器TS串联接入系统。VSC1单独作用时向接入点 注入一个幅值可调与接入点电压垂直的电流，向系统提供无功功率的补偿以调节注入点电压，相当于STATCOM。VSC2单独作用时向系统提供一个幅值可调与线路电流垂直的串联电压，相当于SSSC。当VSC1、VSC2与直流侧电容共同以UPFC方式工作时，VSC2出口电压V2相位相对于线路电流0360°任意可调，从而达到调节线路有功功率和无功功率的目的。 3UPFC的控制UPFC的等效电路如图2所示，图中，将UPFC的并联侧和串联侧分别用受控电流源和 受控电压源进行等效，Vii为UPFC接入系统处的母线电压和相角；Vjj为UPFC线路侧母线电压和

4、相角；Vs为线路末端处无穷大系统电压幅值；为参考电压 Vs与q轴间的夹角；XT1、XT2为变压器的等效电抗；V11、V2 2为两侧变换器等效电压幅值和相位；I1、I2为两侧电流相量；PL、QL为线路中的有功功率和无功功率。则线路功率方程为 节点i的电压表示为 考虑稳态时UPFC两侧的有功平衡，有 Eq、Xd、Xq为发电机的暂态电势和d、q轴电抗，则含UPFC的网络方程为 当给定系统参数Eq、Vs、和控制目标PL、QL、Vi则可由上面的8个方程确定变量I1、1、V2、2，从而可确定I2、Vj的幅值和相位。根据以上计算结果，将vi、vj、i1、i2作控制变量，采用图3所示的控制策略对系统进行控制。

5、图中，UPFC的控制被分为两部分，VSC1作为并联补偿的控制和VSC2作为串联补偿的控制。值由节点i处的三相电压瞬时值vi确定，并被锁定为via的相位。VSC1侧测量 到的三相电流瞬时值i1被分解为直轴分量I1d和横轴分量I1q（也被称为有功分量和无功分量）两部分。所测得的输电线路电流瞬时值i、节点i处的三相电压瞬时值vi也分别被分解为直轴分量Id、Vid和横轴分量Iq、Viq。并联侧VSC1的控制原理为：节点处的电压幅值参考值Viref与实测值Vi进行比较，经过一个外环电压控制，所得结果通过一个误差放大器进行放大，则得到VSC1侧电流的横轴分量参考值I1qref。调制系数Kdroop为VSC

6、1侧流过额定无功电流时所允许的电压误差值。横轴分量参考值I1qref与实测值I1q进行比较，通过一个内环无功电流控制，其差值通过误差放大器，则得到并联侧电压相对于i节点处电压的相角。i为与的和。直流侧电容电压vdc由并联侧VSC1的电压v1进行动态调节。对应某些特定情况下的Viref，若I1qref超出了VSC1的额定电流，则I1qref的绝对值被限制为1p.u .，Viref的值也被调小。注入点电压的可控范围由无功电流内环进行控制，I1qref可在-1p.u.到+1p.u.范围内进行变化。当VSC1呈感性电抗时，对应的横轴分量参考值I1qref为正值，当VSC1呈容性电抗时，对应的横轴分量参

7、考值I1qref为负值。这种控制模式被称为“无功电流控制”模式。在这种控制模式下，可不需要电压外环控制。串联侧VSC2的控制原理为：线路有功和无功功率参考值PLref、QLref与线路实际有功功率PL、无功功率QL进行比较，采用自动潮流控制算法，其差值通过误差放大器，得到相对于串联侧注入电压的横轴分量ejq和直轴分量ejd，再通过图4所示的幅值及相角计算器可获得幅值ej、相角，最后与的和即为VSC2电压的相角。这种控制模式被称为“自动潮流控制”。在某些特定PLref、QLref情况下，若电压幅值ej超过VSC2的额定电压，则ej被限制为1p.u.，此时，将线路潮流PLref、QLref调小。有

8、功和无功功率的调节范围为整个360°。这种控制模式称为“电压注入”控制。4UPFC控制器的设计UPFC并联侧担负着与系统进行无功交换并根据串联侧变换器的工况进行有功吞吐以保证直流侧电容电压基本恒定的任务。需要检测处理的变量有：系统电压vi，VSC1的输出电压v1、电流i1和直流电容的电压vdc的幅值、频率及相位。串联侧变换器通过向系统插入一幅值和相位都可调的电压，既有可控串补的作用，也有端电压调节的作用，还有移相的作用。需要检测处理的变量有：系统电压vj、变换器的输出电压v2和系统 中的电流i的幅值、频率及相位。另外还有控制目标规定的有功功率PLref、无功功率QLref、并联侧接入

9、点电压Viref、并联侧电流无功分量i1qref、串联侧出口电压V2ref和与系统运行方式有关的SHNBRK、LBR、SRSB RK、BYPBRK等开关状态参量需要检测处理。由于需要检测处理的数据量极大，相应的计算工作量繁重，为了保证控制算法对运算能力的要求，满足系统控制速度的需要，在统一潮流控制器UPFC的实验装置中，采用数字信号处理器DSP芯片作为控制单元的核心。实验装置设计的条件是：VSC2侧插入电压v2用于可控串补时，补偿度的范围为0%30%；用于移相时，移相角度的范围为0°10°；用于端电压调节时，插入电压v2的范围为系统电压的0%20%。VSC1以保证直流电容v

10、dc恒定为目标，根据vdc的幅值变化调整v1相对于系统电压vi的相位。控制系统设计的整体方案如图4所示。 5暂态仿真应用以上控制原理和硬件实现方法设计一套低压UPFC实验装置， 应用于图1所示单机无穷大动模系统中，具体接线如图5所示。图中，LBR为线路开关，SHNBRK为并联侧开关，SRSBRK为串联侧开关，BYPBRK为旁路开关。系统运行0.098 8s后在输电线L首端发生三相对称短路，0.19s后故障切除。设系统和UPFC的参数为：SG1为15kVA，发电机额定电压210V，532rad。变压器T1为/Y-11接法，二次侧电压为800V，空载电抗为5，线路长度260 km，Z=1.69+j

11、22.7。UPFC容量为15kVA。采用EMTDC软件进行仿真，仿真结果如图6所示。图（a）为没接入UPFC装置系统三相短路故障Vi处的电压，图（b）为接入UPFC装置系统三相短路故障Vi处的电压。由仿真结果可知：系统接入UPFC，三相短路故障切除后，Vi点的电压迅速得以恢复。6结束语本文提出一种应用UPFC工作原理求出并联侧电流、系统接入点电压、串联侧电流、串联侧出口母线电压的基础上，对并联侧采用并联侧电流、系统接入点电压实现电压控制/无功电流控制，串联侧采用串联侧电流、串联侧出口母线电压实现自动潮流控制/电压注入控制的控制策略。并应用该控制原理提出了实现UPFC物理实验装置的设计方案。仿真

12、结果表明，按本控制方法设计的UPFC装置能很好地改善电力系统的运行特性。参考文献    1颜伟，朱继忠，徐国禹.UPFC线性最优控制方式的研究及其对暂态稳定性的改善J.中国电机工程学报，2000，20(1)：45-49.2谭伟璞，贺仁睦，杨以涵，等.数字信号处理器在统一潮流控制器实验装置中的应用J.电网技术，1999,23(8)：17-20.3Sen Kalyan K,Keri Albert J F.Comparison of field results and digit al simulation results of voltagesourced converterbased FACTS controllersJ.IEEE Trans on Power Delivery,2003,18(1)：300-306.4Sen K K,Stacey E J.UPFCunified power flow controller:Theory, modeling, and applicationsJ.IEEE Trans on Power Delivery,1998,13(4):45