统一潮流控制器运行特性及其控制的仿真和实验研究

摘要

在世界经济迅猛发展和不断融合的过程中，电力系统为了适应经济快速增长所带来的对用电需求的增加，全球主要国家和地区的电力系统目前都沿着高电压、大容量、大规模、远距离输电的方向发展。由于我国煤炭资源与用电主要负荷的分布不均现象，以及多条±500kV 直流输电线路的建立，在我国实现西电东送和全国联网的呼声越来越高并且逐步成为可能。如何保证如此庞大而复杂的电力系统稳定可靠的运行已经成为目前电力工作者致力研究的一个主题。
　　 FACTS 技术是将电力电子技术、现代控制技术及计算机技术与电力系统相结合的产物，它通过对输电系统的母线电压、输电线路电抗和相位角的控制，快速实现线路的有功和无功潮流调整，输送功率的合理分配，可以降低功率损耗和发电成本，提高交流系统的稳定性和传统交流输电系统的传输能力，充分利用输电线路的输电能力，满足电力系统安全、可靠和经济运行的目标。
　　 统一潮流控制器(UPFC)是FACTS家族中的一员，它以能同时对电力系统进行潮流调节、电压控制和振荡抑制的综合功能而倍受电力工作者的青睐。1998年世界第一台UPFC 装置在美国Inez 变电站的投入和成功运行不仅证明了UPFC在理论上的正确性和在实践上的可行性，也证明了UPFC 能给电力系统带来巨大经济效益。但对如何实现UPFC 可参考资料的透露却微乎其微。
　　 本文从各种参考文献入手，在总结前人所进行工作的基础上，进行了如下几项工作：
　　 首先，在分析UPFC 工作原理的基础上，采用输电线路的热稳定电流和UPFC 串联侧注入母线最大电压的乘积关系确定了UPFC的装置容量，考虑系统运行母线电压水平的限制和线路传输功率极限的限制，确定了UPFC的各项运行约束指标；使用电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC，结合所确定的UPFC 各项运行约束指标，建立了包含基于IGBT的UPFC 装置、基于SPWM 电源逆变器的装置级控制系统、基于常规PI 控制的系统级控制和以单机经双回线向无穷大系统送电的电力系统等详细动态仿真模型；分别进行了UPFC在电力系统稳态时对电力系统的有功功率调节、无功功率调节和系统母线电压控制等功能的仿真分析，UPFC 装置直流母线电压的变动对UPFC 性能影响的仿真分析，在无UPFC 装置的输电线路上发生三相短路时UPFC 对电力系统潮流、电压和振荡影响的仿真分析以及线路上发生不对称单相短路时UPFC对电力系统潮流、电压和振荡影响的仿真分析。
　　 论文建立了能完全反映UPFC 各种运行约束条件和动静态运行特性的简化动态模型，采用两个等效的可控电压源表示UPFC的串并联变流器，考虑了串并联变流器与输电系统间的有功功率交换和两变流器间通过直流电容相耦合的有功功率平衡关系，推导了UPFC 直流电容的动态等效模型；为保证模型的精确性，适当考虑了UPFC的线路和变流器功率管的电阻损耗，用一个与直流电容相并联的等效电阻表示。模型的建立为UPFC 控制系统的研究工作提供了基础。
　　 充分利用模糊控制对控制对象依赖程度小和强鲁棒性的特点，结合常规PID 控制器的优点，设计了一个以线路有功、无功功率的误差及误差变化率为输入的，以PI控制的比例系数和积分系数为输出的，可以对控制器参数进行自动调整的自适应模糊PI 控制器；采用仿真分析的方法，确定了自适应模糊PI 控制器的模糊控制规则和量化因子及比例因子参数；同时对控制器的性能进行了详细的仿真分析。
　　 运用PSS的基本原理，设计了一个以线路有功功率变化量为输入的比例式UPFC辅助控制器，将辅助控制器的输出同时使用于UPFC 并联侧的母线电压控制器和串联侧的线路有功功率控制，可以有效抑制发生在输电线路上的低频振荡，还有利于控制受到大扰动时的电力系统。
　　 为了验证UPFC的工作原理和对实际UPFC 装置性能的深入研究，研制了一套15kVA的UPFC 装置及相应的控制系统；在单机无穷大动态模拟电力系统上分别进行了基于常规PI 控制器和自适应模糊PI 控制器的UPFC 实验研究。该项工作的完成为今后对UPFC的深入研究提供了一个有用的实验平台。