摘 要

随着柔性交流输电系统和电力电子技术的发展，柔性交流输电(FACTS)设备也越来越受到电力系统工作和研究人员的重视。作为柔性交流输电系统设备的典型代表，统一潮流控制器（UPFC）具有强大的潮流和电压调节能力，同时具备了串联和并联控制器的优势特征。本文主要对统一潮流控制器的模型进行研究，并在理论上对统一潮流控制器的多目标协调控制策略进行研究。

本文首先介绍了统一潮流控制器的国内外现状，说明了统一潮流控制器还具有远大的发展前景。接着介绍了统一潮流控制器的工作原理、控制特性与其串、并联侧的工作方式，在此基础上推导并建立了统一潮流控制器的动态数学模型，并将其应用于PSASP的仿真中。采用PI控制设计了统一潮流控制器的控制策略，通过PSASP的用户自定义模型功能，实现控制器功能，从而分别对电力系统中统一潮流控制器所在的线路潮流及母线电压进行调节。仿真发现该策略具有良好的调节性能，但是在调节过程中由于电气量之间的耦合作用会造成本应保持稳定的电气量产生一定的波动，这对与电力系统的稳定性有一定的不利影响。所以针对这一问题，本文继而提出了统一潮流控制器的多目标协调控制策略。

多目标协调控制策略，就是为了在调整电力系统中某一电气量的过程中，保持其他电气量的稳定，同时不影响最终的调节效果。本文主要阐述了线路有功与无功功率之间的协调控制、线路潮流与母线电压之间的协调控制以及串并联侧有功功率交换的协调控制。据研究结果表明，协调控制策略的应用，将能够有效减小电气量之间的耦合作用。其中，潮流与电压的协调控制策略对有功功率的调节速度具有积极作用，串并联侧有功功率交换的协调控制则有助于直流侧电容电压的稳定性。

关键词：潮流控制；统一潮流控制器；多目标协调控制；电气量耦合

Abstract

With the development of flexible AC transmission systems (FACTS) and power electronics technology, flexible AC transmission equipment has also received increasing attention from power system researchers. As a typical representative of FACTS equipment, the Unified Power Flow Controller (UPFC) has powerful power flow and voltage regulation capabilities, and it also has the advantages of series and parallel controllers. This paper mainly studied the UPFC model,and theoretically studied the UPFC's multi-objective coordinated control strategy.

This paper first introduces the status of UPFC at home and abroad, and explained that UPFC also has great development prospects. Then, the working principle, control characteristics of the UPFC and its series and parallel working methods are introduced. Based on this, the dynamic mathematical model of the UPFC is deduced、established and then applied to the simulation of the PSASP. The control strategy of UPFC is designed using PI control. The function of the controller is achieved through the user-defined model function of PSASP. The power flow and the bus voltage of the UPFC in the power system are adjusted respectively. The simulation shows that the strategy has good regulation performance. However, in the adjustment process, due to the coupling effect between the electrical quantities, a certain fluctuation of the electrical quantity that should be kept stable occurs, which has a certain adverse effect on the stability of the power system. Therefore, in response to this issue, this paper proposes a multi-objective coordinated control strategy for UPFC.

The multi-objective coordinated control strategy is to maintain the stability of other electrical quantities during the process of adjusting a certain electrical quantity in the power system, and do not affect the final adjustment effect. This paper mainly elaborates the coordinated control between the active and reactive power of the line, the coordinated control between the line current and the bus voltage, and the coordinated control of active power exchange between the series and parallel sides. According to the research results, the application of coordinated control strategy not only can reduce the coupling effect between the electrical quantities, but also, the coordinated control strategy of power flow and voltage has a positive effect on the adjustment speed of active power, and the coordinated control of the active power exchange on the series-parallel side also contributes to the stability of the DC-side capacitor voltage.

Keywords: power flow control；unified power flow controller；multi-objective coordinated control；electric quantity coupling

目录

第1章 绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.2 FACTS及FACTS设备概述 2

1.3 UPFC概述 3

1.4 国内外现状 4

1.5 本文的主要工作 5

第2章 UPFC的数学模型 6

2.1 UPFC的工作原理及功能 6

2.2 UPFC的控制特性和工作方式 8

2.2.1 并联侧的控制特性和工作方式 8

2.2.2 串联侧的控制特性和工作方式 11

2.3 UPFC的动态数学模型 13

2.4 小结 16

第3章 UPFC用户自定义模型及仿真 17

3.1 PSASP的介绍 17

3.2 UPFC常规控制策略及仿真分析 18

3.2.1 并联侧的电压控制 18

3.2.2 串联侧的潮流控制 18

3.2.3 UPFC仿真模型的搭建与仿真结果分析 19

3.3 小结 25

第4章 UPFC的多目标协调控制策略 26

4.1 线路有功与无功之间的协调控制 26

4.1.1 减少无功调节对有功的影响 26

4.1.2 减少有功调节对无功的影响 27

4.2 线路潮流与母线电压之间的协调控制 27

4.2.1 减少线路潮流调节对母线电压的影响 27

4.2.2 减少母线电压调节对线路潮流的影响 29

4.3 串并联测的功率交换协调控制 32

4.4 小结 33

总结 34

致谢 35

参考文献 36

第1章 绪论

1.1 背景及意义

改革开放以来，我国快速步入了工业化发展的新时期，而作为第二次工业革命伟大的代表成果——电力技术，在促进我国工业化发展和经济发展方面更是具有无可替代的作用。不断的对电网进行完善和进一步扩大电网的覆盖范围，是我国实现现代化的重要举措之一。20世纪末，我国已经初步完成了全境居民居住地区实现电网全覆盖的目标，同时还在不断的扩大电网的覆盖范围和提高电能质量，以提高居民的生活质量和使电能更好地服务于我国的工业化发展。

城市作为我国工业化的核心地区，一直以来都是我国电网电能消耗的主要终端，而且随着城市规模的不断扩大，以及农村人口持续不断的涌入城市所造成的人口不断集中，我国也采取了许多措施去应对这些问题。通过在部分大城市进行多次电网改造，利用更先进的技术来保障电网的正常、高效与经济运行，从而保障城市供电的稳定性，提高居民的生活质量。在一些大城市的输电系统中，为了降低输电过程中的电能损耗，提高电能的传输效率与电力系统的经济性，广泛的采用了高压输电的方式，在进入城市配电网时，再通过变压器将高电压转换成合适的低压进行配送。通过高压输电可以有效减少输电过程中能量的损失，提高资源的利用率。相比于高压交流输电技术，近年来发展起来并开始广泛应用的高压直流输电（HVDC）技术的效果则更为明显，尽管其在换流站的投资较大^[1]。

尽管高压输电的方式能够有效的降低损耗，但是电力谐波仍然会在电网中非线性阻抗的影响下产生。电力谐波作为评价电能质量的要素之一，一直以来也是电力系统中极力想要消除的电力污染之一。因为谐波的产生，伴随而来的是电网中电能的损耗，这对于电网高效率传输的目标相当不利；同时，谐波还会引起电力设备的不正常工作、导致继电保护的误动作、也可能对附近的通信设备产生影响，甚至引起局部的谐振进而使谐波进一步放大，造成更严重的后果。所以在城市电网的规划中，必须对电力谐波进行优化，目前主要的方法是依靠谐波抑制和无功补偿。谐波抑制主要是通过物理性措施来实现，例如在电网中串联电抗器，或者使用有源滤波补偿来抑制电力谐波。无功补偿的方法则主要利用一系列的无功补偿装置，以补偿电网运行过程中产生的谐波无功功率。无功补偿装置可以有效的提高电网设备的功率因素，提升输电效率^[2]。