基于PSCAD统一潮流控制器的建模与仿真

吉兴全 刘莎莎 刘贵彬 张文昊 李可军

（1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.山东大学电气工程学院，济南 250061）

统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）的概念是由美国西屋科技中心的L.Gyugyi博士于1991年提出。自提出以来倍受各国学者的关注，现已成为众所周知的提高输电系统输送能力的电力电子装置。其基本思想是用一种统一的可控装置，在不改变装置的硬件结构情况下，通过控制规律调节系统的节点电压、线路阻抗及相位角等基本参数，实现串联补偿、并联补偿和移相控制等多种功能，从而有效地控制电力系统潮流。在现有设备的条件下，研究并利用统一潮流控制器不仅使潮流和电压的可控性大幅度提高而且减少互联系统的备用容量。它既能够解决我国在电力建设方面因资金紧张而不能大规模的更新设备的现状，又能够通过采用新技术来改善现有电力的传输水平以及保障电力系统安全可靠运行，具有重要的理论和实际意义。

1 UPFC 的基本原理

统一潮流控制器（UPFC），由两个背靠背的电压源型变换器通过直流电容进行传输。主要用于对交流输电系统进行电压控制和对线路中有功、无功功率进行动态调节，图1为简化的UPFC 原理图。

图1 UPFC 原理图

2 UPFC 常规控制策略

如图2所示，统一潮流控制器UPFC 采用三层控制策略。UPFC 控制系统装置中典型的三级控制方案，具体为：调度级控制，该级控制需要确定UPFC状态，依据上级调度部门指令或实时采集电网数据，即确定输电系统所期望的有功功率PLref、无功功率QLref、线路母线电压VSref。应用级控制也叫系统级控制，该级控制根据给定值PLref、QLref和VSref，按照一定的UPFC 的控制策略，计算出串、并联变流器中ΙGBT 的触发控制角θsh、θse和调制比msh、mse。设备级控制，该级控制根据求得的θsh、θse、msh、mse，在下位机设备上进行比例积分控制以获得ΙGBT 的触发和关断信号[2]。

图2 FACTS 装置中典型的三级控制方案

2.1 UPFC 并联侧PΙ 控制策略

系统输入并联变流器的功率为

式中，XTsh为变压器Tsh的等效阻抗。

经上式可看出，系统流入VSC1 的Vsh相角影响有功功率的大小、方向，Vsh的幅值影响无功功率交换[3]，因此选Vsh的相角和幅值为控制量[4]。如图3所示控制框图，Vsh的幅值由并联侧变流器调制比msh决定，而Vsh相角由θsh决定；kp1、kT1、kp2、kT2为 PΙ 控制的比例系数，Tmsh、Tθsh为时间惯性环节常数[5]。

图3 并联变流器控制框图

2.2 UPFC 串联侧PΙ 控制策略

系统输入串联变流器的功率为

由上式看出，当-90°＜θR-θj＜90°时，VR随θR-θj增大而增大有功功率，而当 0°＜θR-θj＜180°时，VR随θR-θj增大而增大无功功率[6]。其中，θR-θj影响有功功率，VR影响无功功率。所以，选取VR的幅值和相角为控制量。如图4所示串联变流器的控制框图，Vse的幅值由串联侧变流器调制比mse决定，而Vse相角由θse决定，kp3、kT3、kp4、kT4为 PΙ 控制器的比例系数，Tmse为惯性时间常数[7]。

图4 串联变流器的控制框图

3 PSCAD 建模

3.1 VSC 电路模型

考虑到开关器件电流上升速率didt和dudt，二次击穿以及抑制电磁干扰等因素，在ΙGBT 上并联了由电感、电容和二极管构成的导通限流电路。并联侧和串联侧变流器的电路如图5所示。

图5 并联侧和串联侧变流器的电路图

3.2 SPWM 信号产生电路

正弦波产生电路，如图6所示。

图6 产生正弦波电路

其中，PLL Six Pulse 模块跟踪输入信号VS，输出相角列thetaY（与输入信号同步变化的）。对由UPFC 控制相位角shft 和变压器副边对原边产生30°度角移位（并联耦合变压器接法所产生），通过Shift（in-sh）模块得到正弦波的相角。该相角通过Sin Array 模块转换成正弦信号。该正弦波的幅值受 UPFC 控制器产生的幅值调制比m的控制。最后输出的信号RefRon 控制ΙGBT 开通时间的调制信号，而RefRoff 控制ΙGBT 关断时间的调制信号，它与RefRon 相差180°。

如图7所示，通过锁相环PLL 得到与输入信号VS同步的相位theta 后，乘上载波次数，被360 除，再取余，把得到的值进行变换。TrgRon 是用从[0，90，270，360]到[0，1，-1，0]对应的方法得到的三角载波；TrgRoff 是用从[0，90，270，360]到[0，-1，1，0]对应的方法得到的三角载波。

最终，正弦波参考信号RefRoff、RefRon 和三角波载波信号TrgRon、TrgRoff 比较得出得到控制极脉冲、ΙGBT 关断时间。

3.3 控制器模型

对于控制器的仿真可根据图3、图4在PSCAD中搭建，本文不详细画出。

4 仿真分析

4.1 系统参数设置

如图8所示，发电机G 用交流230V 电源代替，无穷大电源S 电压为800V，内阻为0.4188Ω；变压器 T 额定容量为15kVA，电压比为210V/800V；两条输电线路均为 340km ， 等值阻抗为ZL=(1.69+j22.7)Ω；连接VSC1 和VSC2 之间的电容9400μF，直流额定电压400V。变压器选取参考表1，电流器及其连接电感电容选取参考表2。

图8 UPFC 仿真系统接线图

表1 变压器选取参数

表2 变流器及其连接电感电容选取参数

4.2 UPFC 的暂稳态仿真

稳态仿真过程中，并联接入母线电压Vsref= 800V，直流母线电压Vdcref=400V，线路无功功率QL1ref= 0。

如图9所示，在电路运行过程能够使直流电压逐渐趋于设定额定值400V，L2线路有功达到稳定状态。我们同时可以测得线路L2上有功、无功功率，UPFC 串、并联侧从系统吸收的有功、无功功率及发电机输出的有功、无功功率，它们满足功率平衡。

图9 稳态仿真图形

当在0.5s 时，输电线路1 长度保持不变，仍340km，输电线路2 长为260km。UPFC 投入系统稳定运行1.5s 时，在线路2 中点发生三相对称短路，0.5s 后故障切除[8]，系统的响应曲线如图10所示。

图10 短路后并联侧、电容两端电压

如图10所示，在1.5s 时出现故障，并联接入母线电压值会发生变化，在故障切除在很短的时间内能够恢复达到稳定。

5 结论

基于本文UPFC的潮流调节、维持母线电压的功能进行的仿真分析，从上述图中我们可以看出，UPFC在故障情况下电路运行还是处于比较稳定。因此，UPFC既能提高系统的暂态稳定，又能抑制电压暂将和系统的动态电能质量。

[1] 唐爱红.统一潮流控制器运行特性及其控制的仿真和实验研究[D].武汉:华中科技大学:2007.

[2] 马凡.统一潮流控制器动态特性及相关控制策略研究[D].武汉:华中科技大学: 2007.

[3] 章良栋,岑文辉,刘为.UPFC 的模型及控制器研究[J].电力系统自动化,1998,22(1): 36-39.

[4] 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.

[5] TAN Y L,WANG Y Y.Design of series and shunt FACTS controller using adaptive non～linear co～ordinated design techniques[J].ΙEEE Trans on Power System,1997,12(3): 1374-1379.

[6] SEN K K,KERΙ A J F.Comparison of field results and digital simulation results of voltage-sourced converter-based FACTS controllers[J].ΙEEE Trans on Power Delivery,2003,18(1):300-306.

[7] GUO J,CROW M L,SSARANGAPANΙ J.An improved UPFC control for oscillation damping[J].ΙEEE Trans on Power Systems，2009,24(1):288-296.

[8] 蔡松,段善旭,康勇.统一潮流控制器在动态模拟系统中的应用[J].电网技术,2007,31(9):64-69.