新型統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的研究

王立龍 張靜

摘 要：傳統(tǒng)統(tǒng)一潮流控制器具有造價昂貴且運行費用較高的缺點，新型統(tǒng)一潮流控制器采用混合調壓技術和FACTS技術相結合，能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)統(tǒng)一潮流控制器的功能，且大幅降低造價和運行的成本。分析了新型統(tǒng)一潮流控制器的結構及如何實現(xiàn)潮流控制，并與傳統(tǒng)統(tǒng)一潮流控制器在功能和費用方面作了比較分析，最后對新型統(tǒng)一潮流控制器進行了仿真研究。

關鍵詞：統(tǒng)一潮流控制器 “Sen”Transformers 潮流控制 MATLAB

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0177-04

Abstract：The traditional UPFC with expensive and high operating costs shortcomings，The new hybrid UPFC voltage regulator technology and FACTS technology， It can achieve functional of traditional UPFC，and significantly reduce the cost and operation cost.Analysis of the new structure of UPFC and how to implement flow control，UPFC with traditional comparative analysis in terms of functionality and cost Finally，the new UPFC simulation study in MATLAB.

Key Words：UPFC；“Sen” Transformers；Flow Control；MATLAB

傳統(tǒng)UPFC一般基于電壓源型逆變技術，不僅整套裝置的造價十分昂貴，而且運行費用也為電力公司難以接受，嚴重影響了它在電力系統(tǒng)中的實際應用，如何降低UPFC的成本和運行費用成為許多FACTS技術研究者們努力的目標。美國西屋公司的K.K.Sen和M.L.Sen將混合調壓技術和FACTS技術相結合，提出一種新型統(tǒng)一潮流控制器：“Sen”Transformers（ST）。ST基于傳統(tǒng)的變壓器分接頭調整技術，與基于電壓源型逆變技術的傳統(tǒng)UPFC相比，在功能上相仿，在造價和運行成本上卻都有大幅度下降，很值得研究應用。本文對“Sen” Transformers及傳統(tǒng)UPFC的結構，功能做了一些分析，并對ST的電壓潮流控制功能做了仿真研究，為ST的應用提供理論支撐。

1 新型統(tǒng)一潮流控制器（“Sen”Transformers）的結構

圖1（a）中畫出了“Sen”Transformers（以下用ST代替）的原理圖，它的原方由Y0聯(lián)結的變壓器組成，副方由9個繞組所組成，電壓加在Y0接法的變壓器原方繞組上，9個副方繞組（a1，c2，b3在A相上，b1，a2，c3在B相上，c1，b2，a3在C相上）構成電壓和阻抗補償單元，通過改變三個繞組的匝數(shù)，均會與相互之間相差120°的某一電壓分量發(fā)生變化。原方繞組并入線路，加在其上的電壓為線路電壓，副方繞組則是串入線路。

其上的感應電壓構成補償電壓。補償電壓由三個相互之間相差120°的電壓組成（a1，a2，a3插入A相，b1，b2，b3插入B相，c1，c2，c3插入C相）。補償電壓與系統(tǒng)同頻，其調整是由變壓器自動完成的。傳統(tǒng)機械式調整繞組匝數(shù)的速度往往不能滿足要求，現(xiàn)在可以用電力電子器件代替，圖1（b）是用一組反并聯(lián)的晶閘管構成的開關控制繞組匝數(shù)的示意圖。

圖2是“Sen”Transformers的系統(tǒng)模型圖，電壓和阻抗調整均通過插入電壓完成，其中有功分量，無功分量分別為。改變線路壓降Vx，從而改變線路上的有功，無功潮流。補償電壓與線路電流I之間的夾角時任意的。有功分量與線路電流同相和反相時分別等效為正電阻和負電阻，與線路電流垂直的分量可以呈感性或容性。補償電壓吸收的有功和無功潮流如下：

需要注意的是當串聯(lián)部分呈容性時，并聯(lián)部分便為感性，同樣，串聯(lián)部分呈正電阻時，并聯(lián)部分可等效為負電阻。

2 “Sen”Transformers潮流控制功能的實現(xiàn)

對補償電壓進行控制，可以使ST完成調壓、調相和阻抗補償三種不同的功能，下面分別論述具體實現(xiàn)過程。

電壓調整：電壓調整裝置通過在線路中串入一與原電壓同相或反相的電壓來完成電壓調整功能。當ST被用作電壓調整裝置時（如圖3所示），補償電壓正向分量由接在中性點上的繞組感應出來。負向分量由另外兩個匝數(shù)相等的繞組得到。例如，A相的正向補償電壓分量由與A相繞組在同一組的副方繞組得到，而反向分量則由匝數(shù)相同的B相和C相上的繞組得到，于是線路上一點的電壓得到調整。

功角調整：功角調整是在線路中串入一與原電壓垂直的電壓，串入的補償電壓產生相角差ε（如圖4所示），而電壓幅值幾乎不變。產生與原電壓垂直的補償電壓可以通過該相繞組和另一相繞組合成得到。例如，A相的補償電壓可以由A相繞組和B相或C相上的繞組合成得到，A相繞組投入的匝數(shù)為其他相的一半，A相與B相合成得到比A相原始電壓超前90°的補償電壓，A相與C相合成得到比A相原始電壓落后90°的補償電壓。

阻抗補償：當補償電壓與線路電流垂直時，串聯(lián)補償電壓的作用即是阻抗補償。補償電壓超前線路電流90°時，相當于串入一電抗，反之，補償電壓落后線路電流90°時，相對于串入一電容，具體實現(xiàn)通過調整各相繞組的匝數(shù)完成。

統(tǒng)一潮流控制器的功能強大的主要原因是它能產生幅值和相角均能變化的補償電壓，通過對ST的分析可知ST也可以類似地產生幅值和相角均能變化的補償電壓，故ST的潮流控制能力可以與統(tǒng)一潮流控制器相仿。顯然，ST串聯(lián)部分注入系統(tǒng)的功率（包括有功和無功）來自其并聯(lián)部分，ST本身并不具有提供功率（包括：有功、無功）的功能，所以當系統(tǒng)需要提供無功補償時，需要另外加無功補償裝置，如靜止無功補償器。

3 “Sen”Transformers與傳統(tǒng)UPFC的比較分析

圖5是UPFC具體原理圖，UPFC由兩組逆變器組VSC1和，VSC2，兩個電磁感應線圈MC1，MC2，并聯(lián)變換器XFSRS，并聯(lián)斷路器SHNBRK，串聯(lián)開關SRSDS，電子旁路開關ES，直流開關DCLS，旁路斷路器BYPBRK，電流，電壓變送器以及控制和保護單元組成。當DCLS閉合時，兩邊的VSCS共用電容器組，控制部分對半導體開關的控制產生一系列基頻方波，這些方波疊加后通過電感線圈濾波，以得到些波水平可以接受的正弦波。圖6是UPFC的系統(tǒng)模型圖，當圖5中的DCLS打開時，兩邊的VSCS分別用作并聯(lián)靜補和串聯(lián)靜補，每個靜補的出口均通過變壓器聯(lián)入線路。STATCOM在補償處注入以復制可變的電流，SSSC插入以幅值可變的電壓信號；而在DSLS閉合，作為UPFC運行時，VSC與系統(tǒng)交換的既有無功，也可能有有功，串聯(lián)補償電壓與線路電流之間的夾角時任意的。SSSC插入補償電壓，其有功，無功分量分別為和，它改變線路壓降Vx和電流以及潮流。補償電壓既能吸收有功，無功，也能發(fā)出有功，無功（Pexch，Qexch）.SSSC的這種對有功，無功潮流的改變與ST相同。

文獻[4]將ST和UPFC分別應用于圖7所示的雙回系統(tǒng)中，以分析ST和UPFC的作用。系統(tǒng)線電壓Vsource為138 kV，電源等效阻抗Xsource為19.7 mh（6.25%標幺值，160 MVA系統(tǒng)），阻抗值為7.4，串聯(lián)補償電壓加在送端電壓Vs上得到等效送端電壓VS，線路電抗電感值為59.2 mh，阻抗為22.2，受端電壓為138 KV，滯后送端電壓20°，串聯(lián)變壓器漏感為47.4 mh，電抗為10，受端無補償時功率為有功：132 MW，無功：41 Mvar容性。

分析中所取的UPFC和ST系統(tǒng)模型分別如圖2和6所示，串聯(lián)補償電壓為12 kV，可控角度范圍為。比較結果總結如下：

（1）當無補償線電壓為136.7 kV時，用ST的控制范圍為132.8～139.8 kV，用UPFC的控制范圍為133.3～140.1 kV。

（2）對于原始有功為132 MW的線路，用ST和UPFC的控制范圍分別為+57～-58MW和+58～-58 MW。

（3）對于原始無功為132 MVar的線路，用ST和UPFC的控制范圍分別為+60到63MVar和+60到-60 Mvar。

（4）ST的額定功率：30 MVA；UPFC的額定功率：串聯(lián)部分30 MVA，并聯(lián)部分：21 MVA。

通過比較可知，ST和UPFC的控制區(qū)域幾乎等同。ST的長處是能夠像UPFC一樣對有功，無功潮流進行分別獨立的控制，UPFC反應迅速，但絕大多數(shù)情況下對反應速度并不是要求還很高，這樣相同容量的ST在功能上可以與UPFC相比。但是，將ST與UPFC在造價上在作一些簡單對比會發(fā)現(xiàn)相同容量的ST在價格上比UPFC具有很大優(yōu)勢。UPFC包含有兩組逆變器，其中的電力電子器件的開關頻率最少為系統(tǒng)頻率，若采用PWM技術則開關頻率還會高很多，這樣電力電子裝置的開關損耗是造成UPFC的運行費用居高不下的主要原因；相比之下，ST只在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，需要改變ST運行狀況是才會有電力電子器件動作，所以ST運行過程中的損耗比UPFC要低得多?？偟恼f來，ST基于傳統(tǒng)的變壓器分接頭控制技術，UPFC基于新興的VSC技術，它們都能對線路潮流進行獨立的雙向控制，UPFC的反應速度很快，但統(tǒng)一的調度往往不需要快速的潮流控制能力，ST的反應速度則恰好滿足要求。ST的效率可達99%，而UPFC只有92%到97%。所以UPFC總體費用比ST高的多。在現(xiàn)階段兩組背靠背的VSC組成的FACTS裝置的成本和運行費用均十分昂貴。與UPFC相比，能完成同樣功能的ST的成本只有其1/5，運行費用只有其1/10，所以ST是目前輸電線有功，無功潮流控制裝置中性價比最高的一種。

4 基于MATLAB的ST潮流控制仿真

在MATLAB中搭建立如圖7所示的含有ST的系統(tǒng)仿真模型。Breaker原始狀態(tài)為斷開，0.5s閉合，1秒時又斷開。未投入ST時上的電壓波形如圖8，由于負載上的電壓值較高（127kV），其上電壓波動在波形上不是很明顯，擬用上的電壓變化代替，由于負載上的電壓等于上的電壓減去上的電壓，故上的電壓變化能反映負載上的電壓變化，從波形上看，上的電壓在Load2投前后變化很大。

為了驗證ST的潮流控制功能，本文提出的控制目標是盡量維持負載上的電壓不變，即盡量降低負載Load2投入對用戶的影響。因此，可以先用Powergui-Continuous求出Load2未投入時負載上的電壓；這樣，對ST進行控制的目標就是維持負載上的電壓為。通過對系統(tǒng)的分析，本文提出如下控制策略：以Load2投入時為例，很明顯負荷上的電壓會下降，同時流過的電流會增大，為了維持，必須投入補償電壓，暫且不考慮投入后又會增大帶來的影響，則很容易得出應該補償?shù)模?/p>

其中，為出口處電壓；補償電壓是為了平衡與系統(tǒng)交換的功率，所以有：

根據上式可得：

投入后，會變大，上的電流也會增大，上的壓降也會增大，于是會減??；這樣原來的便不足以維持，于是會進行新一次的計算，再調整和。這樣一直計算、調整，很明顯會使逐漸逼進，即這種算法收斂。再Load2退出時分析時完全類似的。從仿真結果來看，超調量是很小的。仿真得到的上的電壓波形如圖9所示，從圖中可以看出，上的電壓在Load2投前后變化減小，并且穩(wěn)定后幾乎沒有電壓差了。仔細觀察波形可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)還是有一定超調量的，體現(xiàn)在Load2退出運行時，電壓有一個短暫的減小的時段。在Load2投入和退出時，通過對ST的控制，經過四個周波（0.08s）電壓就回復到的水平，國此，所用算法是有效的。電壓回復到了，顯然，提供的功率（包括有功、無功）均回復到原來的水平，由此可見，通過對ST的控制，可以使負荷上的電壓維持穩(wěn)定，還可以使新投入的負荷完全由承擔。

5 結語

與傳統(tǒng)統(tǒng)一潮流控制器相比，新型統(tǒng)一潮流控制器（ST）在造價和運行成本上都有突出的優(yōu)點，本文分析了新型統(tǒng)一潮流控制器（“Sen”Transformers）的結構及如何實現(xiàn)潮流控制功能，并與傳統(tǒng)潮流控制器比較。最后搭建了含有“Sen”Transformers的仿真模型，通過仿真分析驗證了上述結論。為新型統(tǒng)一潮流控制器的實際應用提供理論支撐。

參考文獻

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