新型统一潮流控制器(UPFC)的研究
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摘 要：传统统一潮流控制器具有造价昂贵且运行费用较高的缺点，新型统一潮流控制器采用混合调压技术和FACTS技术相结合，能够实现传统统一潮流控制器的功能，且大幅降低造价和运行的成本。分析了新型统一潮流控制器的结构及如何实现潮流控制，并与传统统一潮流控制器在功能和费用方面作了比较分析，最后对新型统一潮流控制器进行了仿真研究。
关键词：统一潮流控制器 “Sen”Transformers 潮流控制 MATLAB
中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：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
传统UPFC一般基于电压源型逆变技术，不仅整套装置的造价十分昂贵，而且运行费用也为电力公司难以接受，严重影响了它在电力系统中的实际应用，如何降低UPFC的成本和运行费用成为许多FACTS技术研究者们努力的目标。美国西屋公司的K.K.Sen和M.L.Sen将混合调压技术和FACTS技术相结合，提出一种新型统一潮流控制器：“Sen”Transformers（ST）。ST基于传统的变压器分接头调整技术，与基于电压源型逆变技术的传统UPFC相比，在功能上相仿，在造价和运行成本上却都有大幅度下降，很值得研究应用。本文对“Sen” Transformers及传统UPFC的结构，功能做了一些分析，并对ST的电压潮流控制功能做了仿真研究，为ST的应用提供理论支撑。
1 新型统一潮流控制器（“Sen”Transformers）的结构
图1（a）中画出了“Sen”Transformers（以下用ST代替）的原理图，它的原方由Y0联结的变压器组成，副方由9个绕组所组成，电压加在Y0接法的变压器原方绕组上，9个副方绕组（a1，c2，b3在A相上，b1，a2，c3在B相上，c1，b2，a3在C相上）构成电压和阻抗补偿单元，通过改变三个绕组的匝数，均会与相互之间相差120°的某一电压分量发生变化。原方绕组并入线路，加在其上的电压为线路电压，副方绕组则是串入线路。
其上的感应电压构成补偿电压。补偿电压由三个相互之间相差120°的电压组成（a1，a2，a3插入A相，b1，b2，b3插入B相，c1，c2，c3插入C相）。补偿电压与系统同频，其调整是由变压器自动完成的。传统机械式调整绕组匝数的速度往往不能满足要求，现在可以用电力电子器件代替，图1（b）是用一组反并联的晶闸管构成的开关控制绕组匝数的示意图。
图2是“Sen”Transformers的系统模型图，电压和阻抗调整均通过插入电压完成，其中有功分量，无功分量分别为。改变线路压降Vx，从而改变线路上的有功，无功潮流。补偿电压与线路电流I之间的夹角时任意的。有功分量与线路电流同相和反相时分别等效为正电阻和负电阻，与线路电流垂直的分量可以呈感性或容性。补偿电压吸收的有功和无功潮流如下：
需要注意的是当串联部分呈容性时，并联部分便为感性，同样，串联部分呈正电阻时，并联部分可等效为负电阻。
2 “Sen”Transformers潮流控制功能的实现
对补偿电压进行控制，可以使ST完成调压、调相和阻抗补偿三种不同的功能，下面分别论述具体实现过程。
电压调整：电压调整装置通过在线路中串入一与原电压同相或反相的电压来完成电压调整功能。当ST被用作电压调整装置时（如图3所示），补偿电压正向分量由接在中性点上的绕组感应出来。负向分量由另外两个匝数相等的绕组得到。例如，A相的正向补偿电压分量由与A相绕组在同一组的副方绕组得到，而反向分量则由匝数相同的B相和C相上的绕组得到，于是线路上一点的电压得到调整。
功角调整：功角调整是在线路中串入一与原电压垂直的电压，串入的补偿电压产生相角差ε（如图4所示），而电压幅值几乎不变。产生与原电压垂直的补偿电压可以通过该相绕组和另一相绕组合成得到。例如，A相的补偿电压可以由A相绕组和B相或C相上的绕组合成得到，A相绕组投入的匝数为其他相的一半，A相与B相合成得到比A相原始电压超前90°的补偿电压，A相与C相合成得到比A相原始电压落后90°的补偿电压。
阻抗补偿：当补偿电压与线路电流垂直时，串联补偿电压的作用即是阻抗补偿。补偿电压超前线路电流90°时，相当于串入一电抗，反之，补偿电压落后线路电流90°时，相对于串入一电容，具体实现通过调整各相绕组的匝数完成。
统一潮流控制器的功能强大的主要原因是它能产生幅值和相角均能变化的补偿电压，通过对ST的分析可知ST也可以类似地产生幅值和相角均能变化的补偿电压，故ST的潮流控制能力可以与统一潮流控制器相仿。显然，ST串联部分注入系统的功率（包括有功和无功）来自其并联部分，ST本身并不具有提供功率（包括：有功、无功）的功能，所以当系统需要提供无功补偿时，需要另外加无功补偿装置，如静止无功补偿器。
3 “Sen”Transformers与传统UPFC的比较分析
图5是UPFC具体原理图，UPFC由两组逆变器组VSC1和，VSC2，两个电磁感应线圈MC1，MC2，并联变换器XFSRS，并联断路器SHNBRK，串联开关SRSDS，电子旁路开关ES，直流开关DCLS，旁路断路器BYPBRK，电流，电压变送器以及控制和保护单元组成。当DCLS闭合时，两边的VSCS共用电容器组，控制部分对半导体开关的控制产生一系列基频方波，这些方波叠加后通过电感线圈滤波，以得到些波水平可以接受的正弦波。图6是UPFC的系统模型图，当图5中的DCLS打开时，两边的VSCS分别用作并联静补和串联静补，每个静补的出口均通过变压器联入线路。STATCOM在补偿处注入以复制可变的电流，SSSC插入以幅值可变的电压信号；而在DSLS闭合，作为UPFC运行时，VSC与系统交换的既有无功，也可能有有功，串联补偿电压与线路电流之间的夹角时任意的。SSSC插入补偿电压，其有功，无功分量分别为和，它改变线路压降Vx和电流以及潮流。补偿电压既能吸收有功，无功，也能发出有功，无功（Pexch，Qexch）.SSSC的这种对有功，无功潮流的改变与ST相同。
文献[4]将ST和UPFC分别应用于图7所示的双回系统中，以分析ST和UPFC的作用。系统线电压Vsource为138 kV，电源等效阻抗Xsource为19.7 mh（6.25%标幺值，160 MVA系统），阻抗值为7.4，串联补偿电压加在送端电压Vs上得到等效送端电压VS’，线路电抗电感值为59.2 mh，阻抗为22.2，受端电压为138 KV，滞后送端电压20°，串联变压器漏感为47.4 mh，电抗为10，受端无补偿时功率为有功：132 MW，无功：41 Mvar容性。
分析中所取的UPFC和ST系统模型分别如图2和6所示，串联补偿电压为12 kV，可控角度范围为。比较结果总结如下：
（1）当无补偿线电压为136.7 kV时，用ST的控制范围为132.8～139.8 kV，用UPFC的控制范围为133.3～140.1 kV。
（2）对于原始有功为132 MW的线路，用ST和UPFC的控制范围分别为+57～-58MW和+58～-58 MW。
（3）对于原始无功为132 MVar的线路，用ST和UPFC的控制范围分别为+60到63MVar和+60到-60 Mvar。
（4）ST的额定功率：30 MVA；UPFC的额定功率：串联部分30 MVA，并联部分：21 MVA。
通过比较可知，ST和UPFC的控制区域几乎等同。ST的长处是能够像UPFC一样对有功，无功潮流进行分别独立的控制，UPFC反应迅速，但绝大多数情况下对反应速度并不是要求还很高，这样相同容量的ST在功能上可以与UPFC相比。但是，将ST与UPFC在造价上在作一些简单对比会发现相同容量的ST在价格上比UPFC具有很大优势。UPFC包含有两组逆变器，其中的电力电子器件的开关频率最少为系统频率，若采用PWM技术则开关频率还会高很多，这样电力电子装置的开关损耗是造成UPFC的运行费用居高不下的主要原因；相比之下，ST只在系统参数发生变化，需要改变ST运行状况是才会有电力电子器件动作，所以ST运行过程中的损耗比UPFC要低得多。总的说来，ST基于传统的变压器分接头控制技术，UPFC基于新兴的VSC技术，它们都能对线路潮流进行独立的双向控制，UPFC的反应速度很快，但统一的调度往往不需要快速的潮流控制能力，ST的反应速度则恰好满足要求。ST的效率可达99%，而UPFC只有92%到97%。所以UPFC总体费用比ST高的多。在现阶段两组背靠背的VSC组成的FACTS装置的成本和运行费用均十分昂贵。与UPFC相比，能完成同样功能的ST的成本只有其1/5，运行费用只有其1/10，所以ST是目前输电线有功，无功潮流控制装置中性价比最高的一种。
4 基于MATLAB的ST潮流控制仿真
在MATLAB中搭建立如图7所示的含有ST的系统仿真模型。Breaker原始状态为断开，0.5s闭合，1秒时又断开。未投入ST时上的电压波形如图8，由于负载上的电压值较高（127kV），其上电压波动在波形上不是很明显，拟用上的电压变化代替，由于负载上的电压等于上的电压减去上的电压，故上的电压变化能反映负载上的电压变化，从波形上看，上的电压在Load2投前后变化很大。
为了验证ST的潮流控制功能，本文提出的控制目标是尽量维持负载上的电压不变，即尽量降低负载Load2投入对用户的影响。因此，可以先用Powergui-Continuous求出Load2未投入时负载上的电压；这样，对ST进行控制的目标就是维持负载上的电压为。通过对系统的分析，本文提出如下控制策略：以Load2投入时为例，很明显负荷上的电压会下降，同时流过的电流会增大，为了维持，必须投入补偿电压，暂且不考虑投入后又会增大带来的影响，则很容易得出应该补偿的：
其中，为出口处电压；补偿电压是为了平衡与系统交换的功率，所以有：
根据上式可得：
投入后，会变大，上的电流也会增大，上的压降也会增大，于是会减小；这样原来的便不足以维持，于是会进行新一次的计算，再调整和。这样一直计算、调整，很明显会使逐渐逼进，即这种算法收敛。再Load2退出时分析时完全类似的。从仿真结果来看，超调量是很小的。仿真得到的上的电压波形如图9所示，从图中可以看出，上的电压在Load2投前后变化减小，并且稳定后几乎没有电压差了。仔细观察波形可以发现系统还是有一定超调量的，体现在Load2退出运行时，电压有一个短暂的减小的时段。在Load2投入和退出时，通过对ST的控制，经过四个周波（0.08s）电压就回复到的水平，国此，所用算法是有效的。电压回复到了，显然，提供的功率（包括有功、无功）均回复到原来的水平，由此可见，通过对ST的控制，可以使负荷上的电压维持稳定，还可以使新投入的负荷完全由承担。
5 结语
与传统统一潮流控制器相比，新型统一潮流控制器（ST）在造价和运行成本上都有突出的优点，本文分析了新型统一潮流控制器（“Sen”Transformers）的结构及如何实现潮流控制功能，并与传统潮流控制器比较。最后搭建了含有“Sen”Transformers的仿真模型，通过仿真分析验证了上述结论。为新型统一潮流控制器的实际应用提供理论支撑。
参考文献
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