基于Sen Transformer的新型统一潮流控制器的仿真与实验

陈柏超 曾永胜 刘俊博 袁佳歆

（武汉大学电气工程学院 武汉 430072）

1 引言

随着现代电力电子技术的飞速发展，柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）技术广泛受到关注。

经过二十年的发展，FACTS家族已经历了三代成员，由最基本的晶闸管投切电容器组，发展到并联补偿的静止调相器和串联补偿的静止同步串联补偿器[1]，最后发展为最新的统一潮流控制器UPFC。

UPFC集成了以往所有 FACTS器件的调节性能，但其昂贵的造价和功率限制束缚了它在实际系统的推广，而且复杂潮流对UPFC的影响，特别是对暂态扰动下潮流恢复与跟踪潮流控制指令的快速性，还有待进一步分析与实践验证。

S.T.也是近年来出现的一种改进型移相变压器，它继承了传统移相变压器容量大和成本低的优点，而且它的动作响应时间由晶闸管决定，相对于传统的机械式动作时间，已经大幅度降低。但由于其二次侧抽头的数目有限，导致其控制点无法精确地达到系统控制任务的需求。

混合式潮流控制器（Hybrid Power Flow Controller，HPFC）是将统一潮流控制器与S.T.合理统一起来[2,3]。HPFC综合了S.T.的大容量、稳定性好和UPFC的快速灵活调节性能，具有创新的理论意义和巨大的工程应用价值。但是目前对HPFC的理论研究工作仅限于HPFC的部分特性，尚未涉及到任何相关实验，因此本文将对HPFC的调节性能展开数学分析、仿真研究和实验验证。

2 混合式潮流控制器（HPFC）介绍

2.1 UPFC的原理

UPFC装置主电路由串联变换器和并联变换器组成，两个变换器共用一组直流母线电容，以背靠背的形式连接而成，其结构如图1所示。

图1 UPFC模型Fig.1 The model of UPFC

并联变换器通过变压器接入系统，实现向系统注入感性或容性无功、提供有功功率、稳定接入点电压的功能。串联变换器通过串联变压器接入系统，主要负责电压补偿、相位调节、潮流控制的功能[4]。

UPFC对系统电压和潮流的控制主要依靠串联变换器实现，并联变换器配合供给其所需功率。UPFC向系统注入幅值和相位可独立控制的电压，其控制范围可在半径与容量成正比的一个圆内进行调节，从而实现对系统潮流灵活、有效的控制[5]。

2.2 S.T.的原理

S.T.也是串、并联混合FACTS元件，它是一种基于变压器和晶闸管控制抽头技术的改进型移相变

图2 S.T.的结构和控制范围Fig.2 The structure and control extent of S.T.

2.3 混合式潮流控制器

UPFC与 S.T.都可以等效为串并联电源，串联部分用来控制系统电压。UPFC的360°调相及灵活性使其成本大大升高，这就限制了其调节容量；S.T.的调节灵活性受限于晶闸管开关的动作速度，且抽头数目不能趋于无穷大，即注入电压只能是正六边形上的有限点，但 S.T.具有大容量的优点，因此在潮流控制中，S.T.可以承担主要的调节任务[7]。混合式潮流控制器将UPFC与S.T.串接起来，利用两者的优势互补，控制系统潮流。

3 HPFC的物理模型及性能分析

3.1 潮流控制特性

在高压电网中，传输线的等值电阻R远远小于等值电抗X，在潮流计算时可以忽略其影响。分析单机—无穷大系统传输模型，有

无穷大系统电压不变，传输线的参数也不变，在首末端电压相位差恒定的情况下，由式（1）和（2）可知，传输有功、无功的变化量ΔP、ΔQ正比于电源电压的变化量ΔE，即HPFC注入系统的电压。除了这种同步控制有功和无功的模式外，HPFC还可以单独控制有功和无功，当Esinδ恒定时，有功不变，单独控制无功；当Ecosδ恒定时，无功不变，单独控制有功。

UPFC正常运行时，本身不产生有功功率，忽略其有功损耗，串并联侧的有功相互抵消，但两部分无功可以有差值，这个差值就是注入到系统的无功[8]。当串联侧潮流的有功控制过大时，由于UPFC容量一定，其无功功率容量就很小，此时UPFC无功补偿能力相当有限。在 HPFC运行时，S.T.可承担绝大部分的潮流控制任务，UPFC负责小范围内精细调节，其剩下容量都可以用作无功补偿[9]。因此在特定情况下HPFC的无功补偿能力要强于同等潮流范围的UPFC。

3.2 调节能力分析

S.T.二次侧各相每个绕组分接头数量n决定了相量的个数N，N的计算公式为

由式（3）可以得出n和N的对应关系见表1。

表1 n与N的关系Tab.1 Relationship between n and N

由表 1可见，抽头数量n越大，STV˙可以取的相量就越多。

的变化范围与UPFC的容量同比例变化。令原始送端电压Vs为原点，则HPFC总的补偿电压的取值范围变成了以N个不同的为半径的圆。设抽头将二次侧绕组均匀等分，以n=2，N=19的情况为例进行分析，HPFC、UPFC和S.T.的调节范围如图3所示。

图3 HPFC的控制范围Fig.3 The control extent of HPFC

表2 n与k的关系Fig.2 Relationship between n and k

可以看出，随着n的增加，k值会不断减小，当n足够大时，比值会下降到 5%以下，这意味着混合式潮流控制器的成本可大大降低，同时还可以抑制使用大容量UPFC带来的一系列影响。

3.3 HPFC与UPFC的比较

HPFC综合了 S.T.的大范围点控制和 UPFC的小范围面控制能力，大容量S.T.与小容量 UPFC协同控制可以等效大容量UPFC的潮流控制范围，在此条件下，HPFC相比于UPFC有下列优点:

（1）成本下降。传统UPFC的主要成本在于大容量电力电子器件，HPFC中 S.T.的n值适当时，其成本主要在于电磁元件，在达到同等容量的潮流控制下，电磁元件的成本小于电力电子器件。

（2）响应时间合理。S.T.的响应时间为百 ms级，应对大容量的潮流控制，UPFC的响应时间为ms级，应对小范围的精确控制，两者配合，能满足电力系统中绝大部分的应用情况。

（3）稳定性更好。大容量UPFC在相应复杂潮流变化时的稳定性也难以保证。而 S.T.利用成熟的有载调压技术，可以保证HPFC在大范围多变化潮流下有快速、稳定的相应指令[10-11]。

（4）电磁环境好。相对于传统 UPFC，HPFC很大程度上减少了电力电子器件的应用，相关的开关损耗，电磁干扰也大大减少。而且由电压逆变产生的谐波也相应减少，保证输配电的质量。

4 仿真

利用Matlab/Simulink建立了HPFC的系统仿真模型，如图4所示的HPFC在电力系统控制电压的简单仿真的框图。HPFC由S.T.与UPFC串联组成，S.T.从系统送端串入，系统电压为其提供励磁，且其输出电压直接串接在系统线路之中； UPFC的并联变压器与系统相接，作为功率供送点，其串联侧输出电压由串联变压器接入系统。以上两者电压串联后接上传输线路，构成HPFC的电压补偿，即

图4 仿真框图Fig.4 Simulation diagram

以下是模拟系统故障引起电压下降，HPFC支撑电压，使系统正常运行的仿真。设定故障发生在0.1s，S.T.和 UPFC的动作延时分别为 20ms和100ms。电气变量都用标幺值表示，仿真结果如图5所示。

如图5a所示，在0.1s之前，M点的电压稳定，标幺值为 1(pu) 左右，0.1s时由于系统故障，电压下降至 0.75(pu)，此时 UPFC和 S.T.都开始起动，UPFC响应速度快，在0.12s将电压抬升至0.8(pu)，S.T.的响应较慢，在 0.2s时注入电压，将电压抬升至正常值。此图验证了HPFC的电压调节功能。

如图5b所示，上、下两图纵坐标分别为M点的有功和无功功率的标幺值。在0.1s之前，M点传输的有功无功的标幺值分别为 0.042(pu)和-1.3(pu)，0.1s时由于系统故障，有功功率下降至0.025(pu)，无功功率上升至-0.75(pu)，此时 UPFC和 S.T.都开始发出动作指令，UPFC响应速度快，在 0.12s将有功功率抬升至 0.028(pu)，无功功率下调至-0.95(pu)，S.T.的响应较慢，在 0.2s时投入运行，将有功和无功功率都调节至正常值。此图说明了HPFC的稳定传输功率的功能。

图5 HPFC的调节功能Fig.5 Regulatory function of HPFC

5 实验

图6 硬件实验框图Fig.6 Hardware experiment diagram

S.T.通过继电器来控制，而 UPFC主要由电力电子器件组成，且结构较为复杂，其中变换器1工作在整流状态，实验中使用一单相的不可控整流桥，变换器2工作在逆变状态，实验中使用一单相全桥可控逆变器，由DSP2812和驱动放大装置来控制。DSP2812发出相应的控制脉冲，如图7a中的曲线2。此脉冲经放大后，驱动逆变器中 MOS开关管的导通和关断，图7b所示为驱动后的控制波形。

为了确定UPFC注入电压的相位，实验中设计了可以实时监测系统相位的同步电路，同步电路与DSP相连。当系统电压到了过零点且由负变正时，同步电路输出上升沿，当系统电压由正变负时，同步电路输出下降沿。只有当DSP检测到同步电路输入的上升沿时，才命令发出控制脉冲，由此控制UPFC注入电压的相位。

由于UPFC注入系统的电压并非正弦，而是基波分量为正弦的 PWM波，本实验中采用的是特定谐波消除法（Selected Harmonic Elimination PWM，SHEPWM），其波形图如图7c所示。其谐波含量很大，难以直观地读出幅值和相位，所以将其传输到计算机中利用NI signal express软件进行基波分析。

实验中取系统相电压峰值（以下电压值都为峰值）为20V，相位为0°。设定S.T.注入系统的电压为10V，相位为0°。UPFC的注入电压为50V，相位为-90°。

图7 实验波形Fig.7 Experimental waveforms

将示波器中波形导入到计算机中，如图 8a所示，将“Export signals（THD）”选定为“Input Signal”，此时可读出 M1点的电压基波频率为 49.98Hz。将“Export signals（THD）”选定为“Fundamental Tone”，如图8b所示，此时波形图变为输入波形的基波分量，从图中读出电压峰值29V，相位为0°。

同样，将 M2点的电压波形进行分析，如图 9a所示，M2点的电压基波频率为49.93Hz。其基波分量如图9b所示。

图8 M1点的电压波形分析Fig.8 M1 voltage waveform analysis

图9 M2点的电压波形分析Fig.9 M2 voltage waveform analysis

由此可知，虽然UPFC的注入电压含有较大谐波，但利用示波器分析软件同样可以分析注入电压前后的幅值和相角关系，省去了滤波过程。利用这种方法，取系统电压为 20∠0°，S.T. 注入电压为10∠10°，改变实验参数，得到了一组在不同dV˙时的实验数据，见表3。

表3 实验测量值和理论值Tab.3 Experimental value and academic value（单位：V）

从表3数据可知，由于系统电压幅值取得较低，只有20V，所以可以明显看出S.T.和UPFC的调节电压的作用。UPFC的注入电压幅值选取了两个值（50V和 20V），相角选取了具有代表性的四个值（-90°、60°、90°和 180°），说明 UPFC部分注入电压范围是以dmaxV˙ 为半径的圆。S.T.的注入电压设定为10 0∠°，代表了从正六边形的中心到其中一个顶点的向量，改变其幅值和相位可以得到类似的结论。从M2点电压测量值和理论值的比较可知，误差均在0.5%以内。

6 结论

本文对HPFC的原理研究、仿真和实验三个方面分析，验证了其调节系统电压、相角、有功功率和无功功率的作用，实验数据误差较小。

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