（國(guó)網(wǎng)興化市供電公司）

論統(tǒng)一潮流控制器對(duì)提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用

周 江

（國(guó)網(wǎng)興化市供電公司）

限流式統(tǒng)一潮流控制器把傳統(tǒng)UPFC與固態(tài)限流器相互結(jié)合，實(shí)際運(yùn)行中與系統(tǒng)進(jìn)行功率交換。若整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，限流器可以及時(shí)限制短路電流并對(duì)故障實(shí)施隔離，有效提升電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。文中從統(tǒng)一潮流控制器工作原理入手，運(yùn)用IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)實(shí)例，驗(yàn)證電力系統(tǒng)安裝UPFC后靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度明顯提高，從而提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

統(tǒng)一潮流控制器；電力系統(tǒng)；穩(wěn)定性；作用

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，互聯(lián)網(wǎng)電力系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的要求越來(lái)越高。交流輸電系統(tǒng)是電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。該技術(shù)合理分布傳輸功率、優(yōu)化系統(tǒng)資源，從而滿足用戶對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的實(shí)際要求。統(tǒng)一潮流控制器（Uni fi ed Power Flow Controller，UPFC）屬于新型的輸電裝置，該控制器具有潮流控制、穩(wěn)定性控制、電壓控制等功能[1]。近些年，統(tǒng)一潮流控制器受到更多研究者的重視和關(guān)注，研究熱點(diǎn)主要是UPFC對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善及控制效果。有學(xué)者研究指出， UPFC可稱作最好的靈活交流輸電系統(tǒng)（Flexible AC Transmission System，F(xiàn)ACTS），其擁有FACTS的所有性能，不僅能對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)試，也具有串聯(lián)補(bǔ)償?shù)裙δ?，有效維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定[2]。不得不說(shuō)，UPFC的控制技術(shù)的好壞直接影響到UPFC的各種功能。為了提高統(tǒng)一潮流控制器在技術(shù)上的穩(wěn)定程度，采用正弦脈沖調(diào)制技術(shù)來(lái)控制。本次以UPFC工作原理為研究視角，詳細(xì)介紹UPFC硬件、軟件電路設(shè)計(jì)情況，通過(guò)IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，表明在電力系統(tǒng)安裝UPFC后能有效提升靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 UPFC工作原理

UPFC是最全面的FACTS設(shè)施，這類控制器具有靜態(tài)同步補(bǔ)償器、靜態(tài)同步串聯(lián)補(bǔ)償器的特點(diǎn)，展現(xiàn)統(tǒng)一控制的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，UPFC能綜合調(diào)控負(fù)載端基波電壓、線路有功功率、無(wú)功功率等，合理控制電壓大小和相位，從而提升高壓輸電線路輸電能力及系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖1表示UPFC工作原理圖。由該圖可知，UPFC主要由靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）和靜態(tài)同步補(bǔ)償器（STATCOM）裝置并聯(lián)組成。STATCOM裝置可以產(chǎn)生無(wú)功電流，在一定程度上補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率，維持節(jié)點(diǎn)電源，但對(duì)線路電壓補(bǔ)償能力不佳。SSSC裝置能有效補(bǔ)償輸電線路的電壓，但對(duì)無(wú)功電流的補(bǔ)償能力不佳。在該圖中，右側(cè)串聯(lián)部分主要實(shí)現(xiàn)控制補(bǔ)償電壓Uc的大小等；并聯(lián)部分主要提供或吸收有功功率，為串聯(lián)部分提供無(wú)功補(bǔ)償。因此，UPFC具有調(diào)節(jié)電壓、串聯(lián)補(bǔ)償、多功能潮流控制等功能，表明該裝置具有較強(qiáng)的靈活性。

圖1 UPFC設(shè)備工作原理圖

2 設(shè)計(jì)UPFC硬件、軟件電路

通過(guò)UPFC工作原理可知，想要靈活、連續(xù)調(diào)控系統(tǒng)電壓和潮流，關(guān)鍵技術(shù)在于逆變器是否能輸出幅值與相位均連續(xù)可調(diào)的正弦電壓波。為達(dá)到上述目的，選用全抗型電子開(kāi)罐器IGBT組成逆變器主電路，借助SPWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制IGBT的目的。同時(shí)，SPWM控制技術(shù)便于連續(xù)、雙向調(diào)控輸出電壓的增值和相角，有效抑制諧波[3]。

2.1 設(shè)計(jì)合理的控制電路

控制系統(tǒng)旨在控制主電路逆變器的三相橋臂導(dǎo)通與關(guān)斷，產(chǎn)生恰當(dāng)信號(hào)彌補(bǔ)到電網(wǎng)上，完成相應(yīng)的調(diào)幅調(diào)相功能[4]。因此，該控制電路電網(wǎng)由三相電壓、三相電流來(lái)控制相應(yīng)的六路SPWM波。為直觀展現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)變化及對(duì)電網(wǎng)運(yùn)輸狀態(tài)實(shí)施調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)相應(yīng)地顯示電路和鍵盤電路?？刂齐娐凡捎肐T公司生產(chǎn)型號(hào)為TMS320LF2407A DSP信號(hào)處理器，其主要由A/D轉(zhuǎn)換模塊、鎖相模塊、顯示模塊、信號(hào)采集及預(yù)處理模塊等組成，控制電路框架如圖2所示。

2.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)電子主回路

主電路主要由整流、逆變、中間濾波等組成，使用典型的交-直-交結(jié)構(gòu)，輸入功率使用三相橋式不可控整流電路。逆變部分采用三個(gè)橋臂組成的方法，通過(guò)對(duì)功率器件的關(guān)斷、導(dǎo)通，輸出交變脈沖電壓序列[5]。

圖2 控制電路框架圖

2.3 軟件主要模塊流程圖

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須完成數(shù)據(jù)采集、參數(shù)顯示、鍵盤控制等功能，因此，所設(shè)計(jì)的程序應(yīng)具有上述功能。為提升程序的可讀性，確保各個(gè)模塊保持獨(dú)立狀態(tài)，把整個(gè)程序劃分為：數(shù)據(jù)處理模塊、初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等[6]。DSP各模塊流程如圖3。其中，初始化模塊主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)資源實(shí)施配置，促使其作為UPFC控制系統(tǒng)的核心。A/D轉(zhuǎn)換模塊旨在獲取系統(tǒng)電壓、電流的瞬時(shí)值，該模塊能夠自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集，并將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量[7]。

圖3 DSP各模塊流程圖

3 系統(tǒng)仿真實(shí)例

本次采用PSAT仿真工具，以IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為實(shí)例，分析UPFC對(duì)電壓穩(wěn)定性改善效果，具體見(jiàn)圖4。

圖4 IEEE 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型圖

根據(jù)連續(xù)潮流算法，求得快接近臨界點(diǎn)（λ= λcritical=2.8274)電壓分布數(shù)據(jù),見(jiàn)表1。

表1 λ =2.8274時(shí)無(wú)FACTS系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓指標(biāo)

由表1可知，節(jié)點(diǎn)5電壓處于最低水平，說(shuō)明該處是系統(tǒng)穩(wěn)定性最薄弱的環(huán)節(jié)?？墒褂脽o(wú)功電流注入方法并聯(lián)補(bǔ)償，從而改善其電壓分布情況，并在節(jié)點(diǎn)4與5安之間安裝SSSC，控制器注入無(wú)功電流范圍為-0.2～0.2pu。此時(shí)，求得 λ=2.8274。

3.1 裝配SSSC系統(tǒng)仿真檢驗(yàn)

由圖5、表2數(shù)據(jù)可知，電壓水平有一定程度提高，說(shuō)明安裝SSSC元件后，新的最大負(fù)荷點(diǎn)為 λmax=3.9748。

表2 含SSSC元件系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓幅值

圖5 含有SSSC元件的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)Pv線

3.2 裝配UPFC后系統(tǒng)仿真檢驗(yàn)

將SSSC換為UPFC，設(shè)定并聯(lián)側(cè)無(wú)功電流注入范圍和無(wú)功電壓分量范圍均為－0.2～0.2pu，計(jì)算 λ=2.8274時(shí)電壓分布數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3）并繪制PV曲線。

表3 λ =2.8274電壓分布數(shù)據(jù)

由圖6可知，安裝UPFC之后，新的最大負(fù)荷點(diǎn)變?yōu)?λmax=4.0281。比較表1、表2、表3，圖5、圖6可知，兩種FACTS裝置均可以改善電壓穩(wěn)定性，但UPFC比單一運(yùn)行STATCOM獲得更多電壓穩(wěn)定裕度，從而提升整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖6 繪制含UPFC系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的PV曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，統(tǒng)一潮流控制器是一種卓越的控制器，其具有并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)等功能。文中從UPFC工作原理入手，介紹其軟硬件設(shè)計(jì)情況，基于同一負(fù)荷參數(shù)下對(duì)比分析裝設(shè)SSSC和UPFC元件對(duì)電壓穩(wěn)定性的改善效果。仿真結(jié)果表明，與單一使用SSSC元件相比，安裝UPFC能提升靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度，證實(shí)UPFC在提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有重要影響。

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2016-11-07）