基于统一潮流控制器（UPFC）的光伏发电系统并网研究

杨亚惠+刘建业+张峰

摘 要：根据并网的要求，光伏微电网在并网的过程中必须满足线路末端输出电压的幅值和相位与大电网电压的幅值和相位保持一致。当光伏微电网输出的电压不满足并网条件时，可以利用柔性输电装置UPFC，对微电网的输出电压进行补偿，以达到并网的目的。

关键词：并网；光伏微电网；UPFC；双环解耦；交叉解耦

中图分类号：TM61 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0009-02

1 概述

如今在智能电网发展的建设与发展进程中，越来越多的新能源发电将通过分布式的方式接入到大电网中，而大电网则直接面向电力终端用户，因此对电压质量的要求更高，因此开发一套面向配电网的新能源分布式并网柔性接口装置，将具有深远的研究价值[1]。而UPFC作为柔性输电装置家族中最灵活和功能最强大的装置，利用其实现光伏微电网并网的柔性输电控制，比较便捷而且对于微电网输出的电压要求比较低[2]。因此本文提出基于统一潮流控制器（UPFC）的光伏发电系统并网方法。

2 UPFC的工作原理

2.1 工作原理

统一潮流控制器是由两个电压源型换流器（VSC1和VSC2）和一个将两者隔开的直流电容构成[5]。VSC1是并联侧换流器，它的作用主要有两点：一是稳定直流侧电容的电压；二是控制UPFC输入端交流母线电压。UPFC的结构原理框图如图1所示。U1和U2分别为大电网侧节点电压和微电网线路末端电压，idc2为输入到VSC2的电流；U为输入VSC1的电压。

2.2 并联换流器作用原理

UPFC并联侧换流器VSC1通过对输入电压Ush与U1的相角差进行调节，可以实现VSC1和VSC2之间有功功率的平衡，从而维持直流侧电压的稳定。假定1=U1∠00，sh=Ush∠-？啄，sh=Ish∠？兹，则：

VSC1与系统有功功率的交换量为：

（1）

VSC1与系统交换的无功功率为：

（2）

由式（1）和式（2）可知通过控制sh的幅值以及sh相对于母线电压1的相位？啄，就可以调节VSC1与系统之间有功和无功功率的交换，从而维持直流侧电容电压的稳定和控制系统母线电压的目的。

2.3 串联换流器作用原理

根据并网的条件可知微电网输出端的电压2与串联换流器向线路注入的电压se矢量和等于大电网的电压1。微电网输出的电压2的幅值和相位可能与大电网1的幅值与相位不一致。这就需要se进行幅值和相位的调节。

首先对移相的实现过程进行分析。

假设1和2的相角差为？啄1，令2=U2∠？兹1，则：

当？啄1>0时，超前移相，此时有Use=2sinU2，？兹se=？兹1++，当情况相反时则滞后移相，此时Use=-2sinU2，？兹se=？兹1-（+）。通过上面的分析可以得出根据微电网输出端的电压2，就能够确定串联换流器补偿到微电网末端的se的幅值和相位。

2.4 控制策略

根据UPFC的运行特性，UPFC中的两个换流器作用不相同，对并联侧换流器VSC1采用双环解耦的控制策略，对串联侧换流器VSC2采用交叉解耦的控制策略。图2为并联侧的控制图。

图中i为电流有功分量的参考值；i为电流无功分量的参考值；i和i为电流有功分量与无功分量的实际值。由图3可知Ush经过锁相环PLL，得到其相位角再经过坐标变换，得到电压在dq坐标系下的分量Ushd和Ushq。通过同样的方法得到电流的有功分量的实际值i和无功分量的实际值ishq。电流有功分量的给定值i与实际值i作比较，得到的信号差最为PI的输入信號，再加入电压Ushd，通过综合作用得到U'shd。得到U'shq的过程与此类似。经过Park-1变换得到SVPWM的输入信号，实现稳定电容两端电压和控制母线电压的功能。

串联侧的控制图如图3所示。

i为线路电流；Use为补偿电压，Used和Useq补偿电压的dq轴分量，PL和QL为线路的有功功率和无功功率，P和Q分别线路中有功和无功的指令值。通过系统线路中无功功率的指令值与实际值进行比较，其差值信号作为PI的输入信号，经过PI控制器加入补偿电压的d轴分量的实际值和指令值的差值信号，然后经过双环解耦，得到无功功率的控制量U'sed。同理可得有功功率的控制量U'seq。从而实现VSC2的电压补偿和潮流调节的功能。

3 建模与仿真分析

为了验证本文控制策略的有效性，运用MATLAB/SIMULINK搭建UPFC的仿真模型。为了节省仿真时间微电源用电压源等效。仿真参数如下：大电网的端电压最大值为35kV，光伏微电网的末端电压最大值为28kV，电容C=5mF，Lsh=60mH，Lr=500mH。仿真结果如下。

图4为微电网末端的a相电压和线路a相电流，从图中可以得出在0.3s之前电压的幅值为28kV，在0.4s后电压幅值为35kV，与大电网线路末端的电压幅值相同，实现了并网。图5为补偿电压Use的幅值，0.4s后稳定在7000V，根据给定可知大电网和微电网的幅值差为7000V。图6为串联换流器与系统有功功率的交换量，补偿的有功功率为负值，VSC2从系统中吸收有功功率，电容充电储存能量，直流电容电压会略微升高。图7为并联换流器与线路交换的有功功率，通过与图6比较可知，UPFC从系统吸收和注入的有功功率达到了平衡。在不考虑UPFC自身损耗的情况下，从线路吸收和注入的功率是相等的。

4 结束语

本文提出了一种利用UPFC并网的方法，利用UPFC的综合控制功能对微电网线路末端的电压进行补偿，使其满足并网的条件。通过仿真分析可以得出，在并网的过程中系统比较稳定，而且可以实现平滑并网。

参考文献：

[1]郭长亮.新能源分布式柔性联网控制技术研究

[D].吉林：东北电力大学，2015.

[2]STETZ T， MARTEN F， BRAUN M. Improved low voltage grid integration of photo voltaic systems in Germany[J]. IEEE Trans on Sustainable Energy，2013，4（2）：534-542.

[3]陈芝奔.统一潮流控制器的控制策略研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[4]刘黎明.柔性交流输电系统中电力电子装置运行特性分析及实验研究[D].武汉：华中科技大学，2006.

[5]赵晓刚.统一潮流控制器（UPFC）控制策略的研究[D].兰州：兰州理工大学，2013.endprint