UPFC控制参数在电网运行控制中的设置研究

摘要

目前，世界范围内大型电网的联网运行，已经成为世界各国现代电力系统发展的极大趋势，FACTS技术在世界范围内有广阔的应用前景。而统一潮流控制器是柔性交流输电家族中功能最强大的一员，它具有调节线路参数，维持母线节点电压，调节线路潮流等诸多功能。本文从含UPFC的潮流计算，控制策略，参数设置等方面进行了研究。

本文首先从理论出发，详细分析电力系统潮流计算的原理以及相关的方法，初步介绍了UPFC的基本结构，工作原理，总结了UPFC的工作方式，建立了UPFC在三相静止坐标下的动、稳态数学模型等，详细讨论计及补偿元件时电网模型，分析计及可补偿元件运行状况的改变。通过在Matlab\\Simulink软件环境下，搭建UPFC仿真模型，对本文所采用的UPFC控制策略进行了仿真验证。

关键词：统一潮流控制器；潮流分析；参数设置

Abstract

At present,the development direction of electric power system of all countries is that more and more transmission-line systems of electrics power system is connected each other.FACTS technology has broad application prospects.As one the most powerful member of Flexible AC Transmission System family,unified power flow controller(UPFC) can adjust the line

parameters,bus bar node voltage and line power flow and so on.This paper includes the power flow Calculation of UPFC,control strategies of UPFC and its Parameter settings.

This paper starts from the theory,detailed analysis of the principle of the power system flow calculation and related methods is done.And it preliminarily introduces basic structure of UPFC working principle,summes up all the works of UPFC,establishes UPFC’s steady-state and dynamic-state mathematical modes,etc,and detailly discusses the grid model with Compensating elements, analyzes the change of running status with Compensating elements.This paper establishes the UPFC simulation model in the Matlab\\Simulink

platform.This simulation software tests the control strategy of UPFC system proposed in this paper.

Key words:UPFC;Trend analysis; Parameter settings

1 绪论

1.1 课题的意义

随着工农业用电量的急剧增加，输电效率和安全可靠性成为电力系统中迫切需要解决的重要课题。电力网络中的输电可控性与配电及发电相比较差一些，网络中潮流的分布会随着自然负荷的分布而改变，可能造成较大的电能损失，也影响了系统的电能质量。柔性交流输电（FATCS）技术能有效地提高输电效率，提高电力系统的安全稳定运行能力，促进电网的大互联，潜在着显著的经济和社会效益。

统一潮流控制器（UPFC）是一种功能最强大、特性最优越的新一代柔性交流输电装置，也是迄今为止通用性最好的FACTS装置，综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，它包括了电压调节、串联补偿和移相等所有能力，它可以同时并非常快速的独立控制输电线路中有功功率和无功功率。UPFC可以控制线路的潮流分布,有效地提高电力系统的稳定性。

1.2 UPFC的发展现状

自1986年美国N．G．Hingorani博士提出灵活交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems简称FACTS)以来，各种类型的FACTS元件应运而生，其中UPFC由于其强大的控制功能，一直在引起国内外学者的广泛关注。目前，对UPFC的研究一般从2个方面入手：1)UPFC自身的完善，如主电路结构、控制策略等方面的研究；2)UPFC在电力系统中的应用性研究。

世界最大的UPFC安装在美国的肯塔基州东部的Inez变电站，串并联电压变换器的容量均为±160MVA，其中并联部分于1997年7月完成，串联部分于1999年投入。该工程由AEP，西屋公司及美国电力科学研究院合作完成，它是第一个投入运行的统一潮流控制器。它的主电路采用由GTO组成的8重化三水平GTO结构，输出48k±1次谐波。该UPFC采用了二台容量为160MVA有源（电压）变流器。这二台变流器可分别运行，一个当做静止调相器（STATCOM）而另一个当做静止同步串联补偿器（SSSC）。正常情况下他们将作为UPFC运行。日本的Okayama大学也做一个容量为10KVA的物理模型。

1.3本论文的主要工作

本文以UPFC控制参数在电网运行控制中的设置为研究内容，在总结前人研究成果的基础上，主要做了以下的工作。

1. 在查阅了大量参考文献的基础上，详细分析电力系统潮流计算的原理以及相关的

方法，初步分析UPFC原理、作用和参数设置。 2. 详细讨论计及补偿元件时电网模型，详细分析计及可补偿元件运行状况的改变。 3. 采用Matlab仿真工具，通过在Matlab\\Simulink软件环境下，搭建UPFC仿真模

型，计算某系统的潮流，对UPFC控制参数进行设置研究，将结果以较清晰的界面反应。 4. 将数据结果在论文中以表格的形式表示，对仿真结果进行分析，进行理论总结。

2 简单电力系统潮流计算

2.1 电力线路的功率损耗和电压降落

1. 线路的功率损耗

图2-1线路的等值电路

线路的等值电路示于图2-1，忽略对地电导，功率为三相功率，电压为线电压。阻抗两端通过的电流相同，均为I， 阻抗两端的功率则不同，分别为S'和S''。电力线路传输功率时产生的功率损耗既包括有功功率损耗，又包括无功功率损耗，线路功率损耗分为电流通过等值电路中串联阻抗时产生的功率损耗和电压施加于对地导纳时产生的损耗。

1） 串联阻抗支路的功率损耗

电流在线路的电阻和电抗上产生的功率损耗为

P''2?Q''2△SL?△PL?j△QL?I(R?jX)?(R?jX) （2-1） 2U22若电流用首端功率和电压计算，则

P'2?Q'2△SL?(R?jX) （2-2） 2U1由于采用功率和电压表示电流，而线路存在功率损耗和电压损耗，因此线路两端功率和电压是不同的，在使用以上公式时功率和电压必须是同一端的。

式（2-2）表明，如果元件不传输有功功率、只传输无功功率，仍然会在元件上产生有功功率的损耗。因此避免大量无功功率的流动是电力系统节能降损的一项重要措施。

2） 并联电容支路的功率损耗

在外加电压作用下，线路电容将产生无功功率△QB。由于线路的对地并联支路是容性的，即在运行时发出无功功率，因此，作为无功功率损耗△QL应取正号，而△QB应取负号。△QB的计算公式如下：

112△QB1??BU12，?QB2??BU2 （2-3）

22线路首端的输入功率为：

S1?S??j?QB1

末端的输出功率为：

S2?S???j?QB2

线路末端输出有功功率P2首端输入有功功率P1之比称为线路输电效率。 输电效率?P2?100% （2-4） P1 以上公式中单位如下：阻抗为 ，导纳为S，电压为kV，功率为MVA。

2.线路的电压降落

设网络元件的一相等值电路如图2-2所示，其中R和X分别为一相的电阻和等值电抗，U和I表示相电压和相电流。

图2-2 网络元件的等值电路

1） 电压降落的概念与相量图

网络元件的电压降落是指元件首末端两点电压的相量差，由等值电路可知：

??U??(R?jX)I? （2-5） U12?参考轴，己知I?和cos?2，可作出如图2-3(a)所示的相量图。 以U2

图2-3 电压降落相量图

?。把电压降落相量分解为与电压相量U?同方向 图中AB就是电压降落相量(R?jX)I2和相垂直的两个分量AD及DB，这两个分量的绝对值分别记为?U2和?U2，即

?U2?AD及?U2?DB，电压降落可以表示为：

??U??(R?jX)I???U???U? （2-6） U1222?和?U?分别称为电压降落的纵分量和横分量，由相量图可知 ?U22

?U2?RIcos?2?XIsin?2?? （2-7）

?U2?XIcos?2?RIsin?2??和电流I?相对应的一相功率为： 在电力系统分折中，习惯用功率进行运算。与电压U?I?P???jQ???UIcos??jUIsin? S???U22222 用功率代替电流，可将式（2-7）改写为

*P??R?Q??X??U2? （2-8）

?P??X?Q??R??U2??U2??U2? 必须注意，与功率损耗计算时一样，公式（2-8）中的功率和电压也必须取同一端的。

则元件首端的相电压为

??U???U???U?U1222 ?U?P??R?Q??X?jP??X?Q??R （2-9）

2U2U2 ?U1?? U1?(U2??U2)2?(?U2)2 （2-10） ??arctg?U2U2??U2 （2-11）

式中?为元件首末端电压相量的相位差。

?作参考轴，并且己知电流I?和cos?时，也可以把电压降落相量分解为 同样，若以U11?同方向和垂直的两个分量，如图2-3(b)所示。 与U1??U??(R?jX)I???U???U? （2-12） U1211如果再用一相功率表示电流

?I?P??jQ??UIcos??jUIsin? S??U11111?于是

P?R?Q?X??U1? （2-13）

?P?X?Q?R??U1??U1??U1?而元件末端的相电压为

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