论统一潮流控制器对提升电力系统稳定性的作用

（国网兴化市供电公司）

论统一潮流控制器对提升电力系统稳定性的作用

周 江

（国网兴化市供电公司）

限流式统一潮流控制器把传统UPFC与固态限流器相互结合，实际运行中与系统进行功率交换。若整个系统出现短路故障，限流器可以及时限制短路电流并对故障实施隔离，有效提升电力系统的安全性和稳定性。文中从统一潮流控制器工作原理入手，运用IEEE14节点系统实例，验证电力系统安装UPFC后静态电压稳定裕度明显提高，从而提升电力系统的稳定性。

统一潮流控制器；电力系统；稳定性；作用

0 引言

随着电力系统的快速发展，电网结构日益复杂，互联网电力系统规模逐渐扩大，对电力系统可靠性的要求越来越高。交流输电系统是电力电子技术和现代控制技术相互结合的产物。该技术合理分布传输功率、优化系统资源，从而满足用户对系统稳定性和可靠性的实际要求。统一潮流控制器（Uni fi ed Power Flow Controller，UPFC）属于新型的输电装置，该控制器具有潮流控制、稳定性控制、电压控制等功能[1]。近些年，统一潮流控制器受到更多研究者的重视和关注，研究热点主要是UPFC对电力系统稳定性的改善及控制效果。有学者研究指出， UPFC可称作最好的灵活交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS），其拥有FACTS的所有性能，不仅能对电压进行调试，也具有串联补偿等功能，有效维持电力系统的稳定[2]。不得不说，UPFC的控制技术的好坏直接影响到UPFC的各种功能。为了提高统一潮流控制器在技术上的稳定程度，采用正弦脉冲调制技术来控制。本次以UPFC工作原理为研究视角，详细介绍UPFC硬件、软件电路设计情况，通过IEEE14节点系统的应用实例，表明在电力系统安装UPFC后能有效提升静态电压稳定裕度，保障电力系统的稳定性。

1 UPFC工作原理

UPFC是最全面的FACTS设施，这类控制器具有静态同步补偿器、静态同步串联补偿器的特点，展现统一控制的优点。同时，UPFC能综合调控负载端基波电压、线路有功功率、无功功率等，合理控制电压大小和相位，从而提升高压输电线路输电能力及系统稳定性。图1表示UPFC工作原理图。由该图可知，UPFC主要由静止同步串联补偿器（SSSC）和静态同步补偿器（STATCOM）装置并联组成。STATCOM装置可以产生无功电流，在一定程度上补偿系统无功功率，维持节点电源，但对线路电压补偿能力不佳。SSSC装置能有效补偿输电线路的电压，但对无功电流的补偿能力不佳。在该图中，右侧串联部分主要实现控制补偿电压Uc的大小等；并联部分主要提供或吸收有功功率，为串联部分提供无功补偿。因此，UPFC具有调节电压、串联补偿、多功能潮流控制等功能，表明该装置具有较强的灵活性。

图1 UPFC设备工作原理图

2 设计UPFC硬件、软件电路

通过UPFC工作原理可知，想要灵活、连续调控系统电压和潮流，关键技术在于逆变器是否能输出幅值与相位均连续可调的正弦电压波。为达到上述目的，选用全抗型电子开罐器IGBT组成逆变器主电路，借助SPWM控制技术实现控制IGBT的目的。同时，SPWM控制技术便于连续、双向调控输出电压的增值和相角，有效抑制谐波[3]。

2.1 设计合理的控制电路

控制系统旨在控制主电路逆变器的三相桥臂导通与关断，产生恰当信号弥补到电网上，完成相应的调幅调相功能[4]。因此，该控制电路电网由三相电压、三相电流来控制相应的六路SPWM波。为直观展现电网参数变化及对电网运输状态实施调节，设计相应地显示电路和键盘电路。控制电路采用IT公司生产型号为TMS320LF2407A DSP信号处理器，其主要由A/D转换模块、锁相模块、显示模块、信号采集及预处理模块等组成，控制电路框架如图2所示。

2.2 设计系统电子主回路

主电路主要由整流、逆变、中间滤波等组成，使用典型的交-直-交结构，输入功率使用三相桥式不可控整流电路。逆变部分采用三个桥臂组成的方法，通过对功率器件的关断、导通，输出交变脉冲电压序列[5]。

图2 控制电路框架图

2.3 软件主要模块流程图

根据上述分析，设计的系统必须完成数据采集、参数显示、键盘控制等功能，因此，所设计的程序应具有上述功能。为提升程序的可读性，确保各个模块保持独立状态，把整个程序划分为：数据处理模块、初始化模块、A/D转换模块等[6]。DSP各模块流程如图3。其中，初始化模块主要对整个系统资源实施配置，促使其作为UPFC控制系统的核心。A/D转换模块旨在获取系统电压、电流的瞬时值，该模块能够自动完成数据采集，并将模拟量转换为数据量[7]。

图3 DSP各模块流程图

3 系统仿真实例

本次采用PSAT仿真工具，以IEEE14节点系统为实例，分析UPFC对电压稳定性改善效果，具体见图4。

图4 IEEE 14节点系统模型图

根据连续潮流算法，求得快接近临界点（λ= λcritical=2.8274)电压分布数据,见表1。

表1 λ =2.8274时无FACTS系统各节点电压指标

由表1可知，节点5电压处于最低水平，说明该处是系统稳定性最薄弱的环节。可使用无功电流注入方法并联补偿，从而改善其电压分布情况，并在节点4与5安之间安装SSSC，控制器注入无功电流范围为-0.2～0.2pu。此时，求得 λ=2.8274。

3.1 装配SSSC系统仿真检验

由图5、表2数据可知，电压水平有一定程度提高，说明安装SSSC元件后，新的最大负荷点为 λmax=3.9748。

表2 含SSSC元件系统各节点电压幅值

图5 含有SSSC元件的系统节点Pv线

3.2 装配UPFC后系统仿真检验

将SSSC换为UPFC，设定并联侧无功电流注入范围和无功电压分量范围均为－0.2～0.2pu，计算 λ=2.8274时电压分布数据（见表3）并绘制PV曲线。

表3 λ =2.8274电压分布数据

由图6可知，安装UPFC之后，新的最大负荷点变为 λmax=4.0281。比较表1、表2、表3，图5、图6可知，两种FACTS装置均可以改善电压稳定性，但UPFC比单一运行STATCOM获得更多电压稳定裕度，从而提升整个电力系统的稳定。

图6 绘制含UPFC系统节点的PV曲线

4 结束语

总之，统一潮流控制器是一种卓越的控制器，其具有并联补偿、串联补偿、电压调节等功能。文中从UPFC工作原理入手，介绍其软硬件设计情况，基于同一负荷参数下对比分析装设SSSC和UPFC元件对电压稳定性的改善效果。仿真结果表明，与单一使用SSSC元件相比，安装UPFC能提升静态电压稳定裕度，证实UPFC在提升电力系统稳定性方面具有重要影响。

[1] 解东光,吴彭,任先文，等.一种新型的统一潮流控制器[J].电测与仪表,2014,23(14):100-103.

[2] 陈刚,刘建坤,李群，等.统一潮流控制器技术现状及应用分析[J].江苏电机工程,2016,35(1):1-6,27.

[3] 李婷,吴敏,何勇，等.一种基于通信时延的统一潮流控制器阻尼控制优化设计新方法[J].新能源进展,2013,18(2):196-201.

[4] 桂帆,江道灼,吕文韬，等.限流式统一潮流控制器参数设计及优化[J].电力自动化设备,2013,33(11):160-1.

[5] 荆平,周飞,宋洁莹，等.采用模块化结构的统一潮流控制器设计与仿真[J].电网技术,2013,37(2):356-361.

[6] 王琦,易俊,刘丽平，等.基于直流侧储能的新型统一潮流控制器优化设计[J].中国电机工程学报,2015,25 (17):4371-4378.

[7] 刘玉雷.统一潮流控制器预测直接功率控制策略研究[J].现代电子技术,2016,39(2):159-162.

2016-11-07）