UPFC和柔性直流输电

UPFC

1 UPFC（统一潮流控制器）

UPFC（统一潮流控制器）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。

UPFC的正常工作，依赖于其连接电容上的直流电压控制。对于UPFC所需要完成的多个控制功能，通常的设计是在UPFC上安排多个控制器，每一个控制器被赋予一个控制功能。但对于安装在电力系统中，设计者面临的是一个多输入多输出(MIMO)系统，在UPFC上安排多个控制器的设计，是在设计每一个控制器的时候将其当作单输入单输出(SISO)系统，这时UPFC的各个控制功能之间的交互影响不能忽略，即使每个控制器都能成功地单独设计，也不能保证闭环全系统的稳定性。故UPFC的有功功率控制器与无功功率控制器之间，存在着较强的交互影响。

2 UPFC系统结构

统一潮流控制器的系统构成，如图1所示。它主要包括主电路(串联单元、并联单元)和控制单元两部分。其中串联单元可以对i处电压进行补偿，使i处敏感负荷端的电压满足要求；并联补偿单元可以对i处的电流进行补偿；控制单元通过适当的控制策略，对串联和并联单元的可控功率器件进行通断控制。应用中可根据实际情况，确定UPFC主回路拓扑结构和控制策略，合理分配各整流桥的容量，降低整体造价，并使UPFC的功能得到充分发挥。

图1

串联变流器直接与串联变压器T2相连，并通过该变压器向系统注入幅值和相角都可变的电压。通过串联叠加到UPFC所在线路的接入点电压，可以合成一个幅值和相角均可变的串联输出电压。这就相当于一个交流电压源，改变其幅值和相角就能实现交流电压的移相调节和串联补偿。并联变流器1的主要功能，是通过直流连接线向换流器2提供有功功率，而这部分有功功率由交流系统通过耦合变压器提供。此外，变流器l还可以在其系统接入点处，产生或吸收无功功率，即除了与串联输出侧实现有功功率的双向流动外，还可以通过适当的控制起独立

的静止无功补偿作用，对UPFC的输入端电压进行控制。

在稳态运行条件下，直流侧电容c两端的电压基本恒定，其作用类似一个直流电压。UPFC的两个变流器分NI作于整流状态和逆变状态。在通常情况下，并联变流器工作于整流状态，串联变流器工作于逆变状态。无论是UPFC逆变侧还是整流侧变流器，从系统向UPFC看进去都是同样的电路结构，唯一不同的是有功功率的流向。对于UPFC的整流侧，有功功率是从系统向UPFC流入，而对于UPFC的逆变侧，有功功率的流向是从UPFC向系统流动。

图2是UPFC的等值电路： 变流器1的输出电压为V1，相应电流为I1∠α1，V1相位超前节点电压形的角度为δ1。变流器2的输出电压为V2，相位超前Vi的角度为δ 2(幅值和相位都是综合矢量)。X1,X2分别是并联变压器T1和串联变压器T2的漏阻抗。R1为包括变流器1损耗和T1的损耗的等效电阻，R2为包括变流器2损耗和T2损耗的等效电阻。

图2

根据UPFC瞬时有功功率平衡关系式，可以得到直流电容c能量变化的表达式如下：

?12?d?CUd?2???[VIcos(??????VIcos(?????)]111112j2ijdtdUd1?[V1I1cos(?1??1??1?V2Ijcos(?2??i??j)]dtCUd式1式2

该式1的含义是直流电容储能的变化率，等于变流器吸收的瞬时有功值，

Ud为直流电容C的电压。正常情况下dUd/dt=0，则有下式3：

V1I1cos(?1??1??1）?V2Ijcos(?2??i??j)式3

上式为UPFC的有功功率传递公式。

柔性直流输电

柔性直流输电技术(VSC-HVDC)是一种采用最新电力电子技术，进行交流与直流电流之间相互转换与传输的新技术，是一种适用于小功率传输的新型直流输

电技术。它采用大功率的可任意开断的绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为电子元件来取代传统的半控型元件“晶闸管”。换流器则采用电压源换流器（VSC）技术来取代传统的相控换流器(PCC)技术。其输出控制系统采用微机化的脉宽调制技术（PWM）控制，因而其交流侧输出电压，电流可以实现精确控制，可根据交流系统的需要自动调节电压、频率、有功和无功。

1柔性直流输电技术(VSC-HVDC)的系统结构

柔性直流输电系统由换流站和直流电缆线路组成，其主接线图如图1所示

图1 VCS-HVDC 系统原理图

两端VSC-HVDC系统如上图所示，系统两侧换流站采用电压源型换流器，直流侧并联大电容，起到为换流器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时冲击电流、减小直流侧谐波的作用。换流器中IGBT上少并联反向二极管，除了作为主回路以外，还起到保护和续流的作用。

电压源换流器(VSC)技术由于是使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型功率器件，所以其电流通断可用控制半导体阀来控制而无需与网络联系。VSC由IGBT阀桥、换流控制器、换流电抗器、直流电容及交流滤波器组成。IGBT阀桥的基木形式是1个两电平二相拓扑结构，有6个阀，每个阀里并联1个IGBT每个IGBT反并联一个二极管，通过换流控制器的光纤连接可实现每个IGBT的开断。

2 电压源换流器VSC的控制原理

忽略谐波分量时，换流器与网络间的有功功率流动是通过改变相角? (即由换流器产生的基波频率电压Uc与交流电网上的电压Us间的夹角)来控制的。有功功率P的计算如式(1)所示:

p?UsUcsin? (1) X式中Us一交流母线电压基波分量; Uc一换流器输出电压的基波分量;

X一换流电抗器的电抗;

?一Us超前Uc的相位角;

无功功率流动是由Uc的放大倍数决定的，该放大倍数可由来自换流器阀桥的脉冲宽度来控制。无功功率Q的计算如式(2)所示:

Q?Us(Us?Uccos?) (2)

X由式(1), (2)可以看出，有功功率的传输主要取决于?，无功功率的传输主要取决于Uc。因此，通过对?的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，当VSC采用PWM技术进行控制时，?可以通过PWM的调制波相角进行调节；通过控制Uc就可以控制VSC发出或吸收无功功率及其大小，而Uc是由换流器输出的PWM电压脉冲宽度控制的。可见，VSC不仅能提高功率因数，而且还能起到STATCOM的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线的电压。柔性HVDC的工作站根据控制和保护的要求配备先进的微处理器系统。控制系统通过PWM部分控制直流电压、电流或功率，有时也通过变压器分接头进行调节。

3 柔性直流输电（VSC-HVDC）的技术特点

与传统的直流输电技术相比较，VSC-HVDC系统具有以下优点:

(1) VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加换相电压，从而克服了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC技术为远距离的孤立负荷送电成为可能。

(2)正常运行时VSC可以独立控制有功和无功功率，控制更加灵活方便。而传统HVDC的控制量只有触发角，不可能独立地控制有功和无功功率。

(3) VSC-HVDC系统潮流翻转时直流电流反向，而直流电压极性保持不变，与传统HVDC恰好相反。该特点有利于构成既能方便地控制潮流又能有较高可靠性的并联多端直流系统。

(4) VSC可以不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到STATCOM（Static Synchronous Compensator)的作用，动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压。这意味着在VSC容量范围内，故障时VSC-HVDC系统既可向故障区域提供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功率支持，从而提高系统的电压和功角稳定性。

(5)由于VSC交流侧电流可以控制，不会增加系统的短路容量，增加新的VSC-HVDC线路后，交流系统的保护整定值以及断路器无需更换。

(6) VSC通常采用PWM控制技术，开关频率高，经过低通滤波后就可得到所需的交流电压，不需要专门的换流变压器，所需滤波装置的容量大大减小。

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