统一潮流控制器主电路拓扑研究与功率特性分析

摘要

统一潮流控制器(UPFC)是控制电网状态的有效手段，其在工程应用方面存在的主要技术难点在于适应于高压大容量的主回路选择、调制控制及主功率的电路设计问题，以及能保证UPFC装置性能、安全性和可靠性的控制器的设计及实现。论文在调研国内外UPFC研究及工程应用现状的基础上，首先对几种可选大容量换流器方案的基本结构、工作原理及输出波形进行分析，初步对比多重化结构和模块化多电平结构应用于UPFC时的优缺点及设备需求，提出UPFC采用MMC拓扑方案的观点。其次基于UPFC接入系统的稳态相量模型，进行UPFC电压控制及功率特性分析，运行约束分析以及UPFC外特性参数设计方法研究。通过对MMC等值模型进行分析明确其外特性与一般电压源换流器的共性，进而建立UPFC动态微分方程模型，推导控制目标与控制量的小信号模型，设计适用于串、并联换流器的外环控制器及阻尼控制器，在测试系统中进行潮流调节、阻尼功率震荡、故障响应等动态性能仿真测试，验证控制策略的有效性。最后，针对采用MMC拓扑的230kV，50MVA容量UPFC进行主回路结构及参数设计，确定直流电压、桥臂电抗、开关器件、模块数、子模块电容等主要参数，设计串、并联换流器控制系统。在此基础上，设计两种UPFC依靠交流电网的自励式启动流程并进行仿真验证，并对线路有功功率控制，并联母线动态无功补偿两种运行模式进行仿真。结果表明，论文所提出的新型UPFC拓扑方案能够有效工作，控制目标能够快速跟踪整定值并实现稳定运行。