UPFC直流电容的选择与设计

UPFC直流电容的选择与设计

赵树阳

（国网北京市电力公司顺义供电公司101300）

摘要：直流母线电压对于由电压源型逆变器构成的UPFC装置的性能影响较大。本文分析了流过UPFC装置交流断面上的有功功率的组成，并从UPFC稳态和动态运行两个方面，分析影响直流母线电压的因素，对UPFC装置直流电容的选取和设计提出一些参考建议。

关键词：FACTS；UPFC；直流控制

一、引言

灵活交流输电系统（FACTS）及装置将电力电子技术应用于电力系统，能够大幅度改善电能质量，提高供电可靠性和电力传输控制的灵活性，为电力系统的发展带来了新的生机。统一潮流控制器（UPFC）是FACTS设备中功能最强的设备之一。它通过将并联运行于交流母线上的STATCOM和串联于交流母线上运行的SSSC连接到同一直流母线上，有效解决了这两种装置同交流母线有功功率交换的平衡问题，能够对线路有功功率、无功功率、电压、电抗和相角等参数进行有效控制。

根据UPFC装置主回路采用的储能元件不同，其交直转换用的逆变器分为电流型和电压型逆变器。电流型逆变器通常以电感作为储能元件，其特点是，在直流侧的电流保持单一方向，而功率传输方向则要靠改变直流电压方向。其优点是用常规可控硅器件即可实现，但储能元件价格昂贵，控制效果的改善较为困难；电压型逆变器（如图1所示）通常以电容为储能元件，其特点是，在直流侧的电压保持单一极性，而功率传输方向的改变要靠改变直流电流方向。其优点是实现经济，控制技术成熟，容易获得较好的控制性能，但必须使用可关断器件实现，如GTO和IGBT等。鉴于电压型逆变器的经济性和良好的品质，在现有的FACTS设备中已获得广泛的应用[1]。

对于电压型逆变器来说，其逆变器输出的交流电压电流波形通常以直流母线电压为参考，故期望直流母线电压保持为常值。但由于交流系统的不对称运行，谐波，以及交直流系统状态转换过渡过程等原因造成直流

图1UPFC主回路基本结构

母线有功功率波动。这部分波动功率通常依靠并联于直流母线的直流电容来吸收。再考虑到直流电容的元件特性：电容两端电压随电容储能而变化，直流母线有功功率不平衡将直接造成直流母线电压的波动。选择合适的直流电容值可以有效抑制直流母线的电压波动，将直流母线电压波动限制在指定的范围内。本文从UPFC装置稳态运行和动态过渡过程的角度分析了直流母线上的有功功率交换，为直流电容的选取提供一些参考性建议。

二、UPFC直流母线功率平衡

图1所示的UPFC装置由并联于交流母线上的电流源，串联于交流母线上的电压源和直流母线电容构成。并联电流源由逆变桥1，滤波电感L和并联变压器TSH构成；串联电压源由逆变桥2，LC滤波器和串联变压器TSE构成。UPFC控制器通过调节串联电压源的输出电压，有效控制交流母线的传输功率。串联电压源同交流母线交换功率的有功部分，通过并联电流源取之于交流母线。如果忽略逆变系统的功率损耗，通过保持串联电压源同交流母线交换功率P2和并联电流源同交流母线交换功率P1的平衡，可有效维持直流母线电压的常数状态。由此，我们可以建立直流系统的基本方程：

（1）

其中

（2）

为并联电流源取自交流母线的有功功率，而

三、UPFC稳态运行条件下直流电容的选取

并整理化简，得到流过交流断面X的基波瞬时功率表达式为：

由的表达式我们可知正序电压与负序电流，负序电压与正序电流相互作用将引起交流瞬时有功功率以两倍基频波动，同时零序电压电流相互作用也引起交流系统功率波动。

考虑到对于UPFC系统，逆变器采用交直流不共地方式可以完全消除零序分量的影响。逆变桥正常运行时处于对称运行状态，此时电流源输出的是三相对称的正弦电流，电压源输出三相对称的正弦电

对（9）式积分，我们可以得出反映稳态运行时直流母线电压的变化规律的表达式为

1．考虑谐波有功功率。

（14）进而可以得出类似式（7）总功率表达式：

相应的直流母线电压的变化规律的表达式为：

根据UPFC基本原理，图2给出了动态过程中串联电压源与输电线功率交换的机制。

图2动态情形下UPFC的功率流

假设三相电压电流对称，根据图2列写状态方程

上式表明，UPFC在动态过程中与系统交换的有功功率主要由三部分组成（参见图2），分别流向线路电感L，电阻R和系统的受端。其中第三项表示UPFC流向受端的稳态功率，取决于送端和受端电压的幅值及它们间的电角度，第二项为其在线路电阻上的有功损耗。最值得注意的是上式的第一项，它表示在线路电流发生变化后，由UPFC流向电感L的有功功率。换句话说，它体现了在动态过程中，存储在直流储能电容上的电能与线路电感L的磁能间的转换。

值得说明的是，在（26）式的推导过程中，我们假定并联电流源不参与该动态过程的调节，但事实上，一旦直流母线电压发生变化，电压控制环将立即进行调节，使偏差尽量的小，因此由（26）式确定的容量值偏向于保守。如果采用快速相应控制算法，则直流电容的取值还可减小。

五、总结

对于实际的UPFC装置，需要综合考虑稳态过程直流母线电压的纹波要求和对动态过程中该电压偏差的要求。依据（19）式和（26）式分别计算出稳态和动态时直流电容的容量需求，取两者中较大者作为最终的设计容量即可满足要求。

本文推导公式时所针对的对象是UPFC装置，但其原理同样适用于其他FACTS装置。读者可依据文中的方法自行推导。

参考文献：

[1]陈光大，统一潮流控制器物理模型研究，武汉大学博士学位论文

[2]L.S.Czarnecki，“Non-periodiccurrent：theiridentificationandcompensation，”Proc.ofthe2000IEEEPESSummerMeeting，Seattle，USA.

[3]HideakiFujita，YasuhiroWatanabe，andHirofumiAkagi，“TransientAnalysisofaUnifiedPowerFlowControlleranditsApplicationtodesignoftheDC-LinkCapacitor”，IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS，VOL.16，NO.5，SEPTEMBER2001，Page（s）：735-740.

作者简介：

赵树阳1982年生，山东临沂人，工程师，主要从事直流换流站运检工作。