UPFC的直接电压控制及其应用

吕文韬， 汪冬辉，沈 忱，罗华峰

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江 台州 318000）

UPFC的直接电压控制及其应用

吕文韬1， 汪冬辉1，沈 忱2，罗华峰1

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江 台州 318000）

UPFC是一种功能强大的FACTS装置，具有潮流调节和电压调节作用。但目前关于UPFC串联侧定电压的控制策略研究较少，且已有的控制策略大多基于直接电流控制。以UPFC在dq两相旋转坐标系下的数学模型为基础，将前馈和PI反馈控制相结合，给出了UPFC的直接电压控制策略，无需电流内环，简化了控制结构，提高了控制响应速度。UPFC的直接电压控制策略特别适合于UPFC向无源网络供电，具有良好的抗冲击负荷和抗电压跌落的能力。在PSCAD/EMTDC软件中搭建了仿真模型，通过电动机启动和模拟电压跌落仿真，证明了UPFC直接电压控制策略能够较好的满足抗冲击负荷和抗电压跌落要求。

UPFC；直接电压控制；冲击负荷；电压跌落；无源网络供电

0 引言

UPFC（统一潮流控制器）是一种功能强大的FACTS（柔性交流输电系统）装置，它综合了并联型FACTS装置和串联型FACTS装置的多种灵活控制手段，具有电压调节、串联补偿和移相等能力，能够独立控制线路中的有功功率和无功功率，有效提高电力系统稳定性[1-4]。

目前，各种含VSC（电压源型换流器）的柔性交直流输电系统的换流器级控制基本均采用直接电流控制，并基于直接电流控制衍生出直流侧定电压控制、并联侧定无功（电压）控制、线路定功率控制以及串联侧定电压控制等[1-9]。

文献[5-6]提出了UPFC的交叉耦合和交叉解耦控制策略，采用功率、电压、电流三环结构。文献[7-9]提出了HVDC向无源网络供电的定电压控制策略。

其中文献[5-7]均为基于直接电流控制的间接电压控制，不能实现电压dq轴分量的解耦控制，且控制结构复杂，响应慢。文献[8-9]基于换流器稳态数学模型提出了一种定电压控制器，但其仍然需要电流采样值来实现解耦。

提出了一种UPFC的直接电压控制策略，将电压前馈与PI反馈相结合，其中电压前馈提高了控制系统的响应速度，电压PI反馈环节提高了系统的控制精度，且无需电流内环，无需电流采样，简化了控制结构，改善了控制系统的性能。

1 UPFC的拓扑结构和工作原理

为分析方便，此处直接给出UPFC带电动机负载时的拓扑，如图1所示。

图1 UPFC带电动机负载时的拓扑

可以看出UPFC可以分为并联部分和串联部分。其中并联部分由并联变换器和并联变压器组成，相当于一个STATCOM（静止无功补偿器），主要作用是维持直流电容电压恒定并兼具并联节点无功补偿功能；串联部分由串联变换器和串联变压器组成，相当于一个SSSC（静止同步串联补偿器），其主要作用为通过向线路中串入电压以进行串联补偿、移相以及调节线路传输功率。STATCOM或SSSC单装置只能输出无功，但二者通过直流电容连接起来后便可通过直流电容的桥梁作用传递有功，可见UPFC并非STATCOM和SSSC的简单叠加。

图1中，usa，usb，usc为系统电压；u2a，u2b，u2c为UPFC补偿后电压，u12为串联变压器原边电压；i1a，i1b，i1c为并联变换器出口电流；usha，ushb，ushc为并联变换器出口电压，usea，useb，usec为串联变换器出口电压；C为直流电容，L1与L2分别为并联侧和串联侧滤波电感，R1与R2分别为滤波电感的等效电阻。

2 UPFC的直接电压控制

2.1 并联变换器控制策略

并联变换器控制策略如图2所示，与文献[1-4]中并联变换器控制策略相同，本文不再赘述。图中 u1d为系统电压 usa，usb，usc经过并联变压器后的d轴分量，u1d为其目标值和分别为直流电容电压目标值和实际值。

图2 并联变换器控制策略

2.2 串联变换器控制策略

2.2.1 同步旋转dq坐标系中UPFC的数学模型

通常，UPFC的串联补偿、移相以及潮流调节功能由串联侧实现，并联侧一般用来稳定直流电容电压，此时可忽略UPFC的并联侧并将UPFC串联侧等效为一个可调的电压源，三相abc坐标系中UPFC的等效电路如图3所示。

图3 三相abc坐标系下UPFC的等效电路

考虑串联变压器漏抗的影响，图中Lse与Rse为串联侧等效滤波电感及其等效电阻：

式中：LTse与RTse为串联变压器漏感及其等效电阻。

根据三相abc坐标系下UFPC的等效电路得到三相abc坐标系下UPFC的数学模型：

式中：Δusea，Δuseb，Δusec为串联侧等效滤波电感及其等效电阻上的压降。

对式（2）两边同时进行派克变换，可得UPFC在同步旋转dq坐标系下的数学模型：

2.2.2 UPFC的直接电压控制策略

若忽略串联侧等效电感及其等效电阻上的压降，可得串联变换器的输出电压为：

但采用式（4）控制策略时，势必导致节点2处电压与目标值存在偏差，且负载电流越大，偏差越大。

为此，引入PI反馈环节，令

综合式（4）与（5）可得UPFC的直接电压控制策略如图4所示。

图4 UPFC的直接电压控制策略

3 仿真验证

3.1 系统参数

为了验证UPFC直接电压控制策略的性能，搭建了基于PSCAD/EMTDC的仿真模型，系统部分参数如表1所示。

表1 UPFC系统参数列表

3.2 电动机启动仿真

加装UPFC前，电动机启动时机端电压有效值波形如图5所示。加装UPFC后，电动机启动时机端电压有效值波形如图6所示。

图5 加装UPFC前电动机启动时机端电压

图6 加装UPFC后电动机启动时机端电压

由图5和图6可见，加装UPFC后，电动机启动时，机端电压跌落程度较加装UPFC前有较大改善，且大约 0.3 s即恢复额定值，而加装UPFC前大约需0.5 s恢复额定值。且可以看出，UPFC的直接电压控制策略可以使机端电压无静差稳定在额定值。

3.3 交流电压跌落仿真

2.6 s时，交流母线电压从10 kV跌落到7 kV，且持续40 ms（2个周波），仿真结果如下。

3.3.1 机端电压波形对比

加装UPFC前，交流母线电压跌落时机端电压有效值波形和瞬时值波形分别如图7、图8所示。

图7 加装UPFC前电压跌落时机端电压有效值

图8 加装UPFC前电压跌落时机端电压瞬时值

加装UPFC后，交流母线电压跌落时机端电压有效值波形和瞬时值波形分别如图9、图10所示。

图9 加装UPFC后电压跌落时机端电压有效值

图10 加装UPFC后电压跌落时机端电压瞬时值

可以看出，加装UPFC后，机端电压跌落程度明显减轻，且机端电压可以无静差稳定在额定值。

3.3.2 电动机转速波形对比

加装UPFC前，交流母线电压跌落时电动机转速波形如图11所示。

图11 加装UPFC前电压跌落时电动机转速

加装UPFC后，交流母线电压跌落时电动机转速波形如图12所示。

图12 加装UPFC后电压跌落时电机转速

从图11和图12可以看出，在2.6 s发生电压跌落时，加装UPFC前电动机转速有明显波动，而加装UPFC后转速基本未受影响。

4 结论

（1）提出的UPFC的直接电压控制策略控制结构简单，响应速度快且无静差。

（2）通过电动机启动仿真和系统电压跌落仿真，加装UPFC后，无论是电动机启动还是交流电流跌落，机端电压跌落情况都有明显改善且能快速恢复额定值，电动机转速基本不受影响。

综上所述，UPFC的直接电压控制策略能够较好地满足抗冲击负荷和抗电压跌落要求，尤其适合于UPFC向无源网络供电的情况。

[1]吕文韬，沈忱，江道灼，等.具有电容过压保护功能的限流式统一潮流控制器改进方案[J].浙江大学学报-工学版，2014，48（5）∶877-881.

[2]沈忱，江道灼，吕文韬，等.限流式统一潮流控制器的启停控制策略[J].电力系统自动化，2013，37（22）∶101-105.

[3]沈忱.限流式统一潮流控制器的参数设计与控制策略研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[4]吕文韬.限流式统一潮流控制器在电力系统应用的若干关键问题研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[5]刘黎明，康勇，陈坚，等.UPFC的交叉耦合控制及潮流调节能力分析[J].中国电机工程学报，2007，27（10）∶42-48.

[6]蔡松，段善旭，蔡礼.基于交叉耦合与交叉解耦的UPFC控制性能对比[J].电力自动化设备，2007，27（5）∶45-48.

[7]蔡新红，赵成勇，庞辉，等.向无源网络供电的MMCHVDC系统控制与保护策略[J].中国电机工程学报，2014，34（3）∶405-414.

[8]陈海容，徐政.向无源网络供电的VSC-HVDC系统的控制器设计[J].中国电机工程学报，2006，26（33）∶42-48.

[9]王卫安，桂卫华，马雅青，等.向无源网络供电的模块化多电平换流器型高压直流输电系统控制器设计[J].高电压技术，2012，38（3）∶751-761.

（本文编辑：杨 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

吕文韬（1989），男，主要从事电力电子及电能质量相关工作。