基于PSCAD_EMTDC的统一潮流控制器动态仿真模型_唐爱红

第29卷第16期电网技术V ol. 29 No. 16 2005年8月Power System Technology Aug. 2005 文章编号：1000-3673（2005）16-0006-05 中图分类号：TM743 文献标识码：A 学科代码：470·4051基于PSCAD/EMTDC的统一潮流控制器动态仿真模型唐爱红，程时杰（华中科技大学电力与电子工程学院，湖北省武汉市 430074）DYNAMIC SIMULATION MODEL OF UNIFIED POWER FLOW CONTROLLERBASED ON PSCAD/EMTDCTANG Ai-hong，CHENG Shi-jie（School of Electric and Electronics Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei Province，China）ABSTRACT：The authors design the modules constituting a dynamic simulation model for unified power flow controller (UPFC), including the module generating the signal for sinusoidal pulse width modulation (SPWM), the control module of voltage source converter (VSC), the proportional- integral (PI) control circuit of UPFC controller. Firstly, three-phase bridge full-controlled circuit is adopted to constitute the converters, in which IGBT are employed as the switch components, and the gate-firing signals of IGBT are obtained by use of SPWM method. Secondly, according to the analysis result of active and reactive power characteristics of transmission line a simple PI controller is designed and whole UPFC dynamic model is accomplished. Finally, the functions of UPFC such as enhancing transient stability, maintaining bus voltage and damping system oscillation are simulated by the designed UPFC dynamic model, the simulation results show that this UPFC model can rapidly recover transmission ability while evident variation of transmitted power occurs, effectively reduce the power losses of the system and the amplitude of busbar voltage sag when three phase grounding fault takes place, and considerably reduce the amplitude of oscillation when power oscillation in the transmission line appears.KEY WORDS：Unified power flow controller；PSCAD/EMTDC；Dynamic simulation model；Transmission and distribution；Power system摘要：设计了组成统一潮流控制器（UPFC）的动态仿真模型的各个模块，包括正弦脉宽调制（SPWM）信号产生模块、电压源变换器（VSC）控制模块和UPFC控制器的比例积分（PI）控制电路。

首先采用三相桥式全控电路组成VSC，VSC的开关器件采用绝缘栅双极性晶体管（IGBT），门极信号按SPWM的方式产生。

然后通过分析线路传输功率方程设计了一个简单的PI控制器，并构成完整的UPFC仿真模型。

还基于该动态模型对UPFC在功率调节、电压控制和抑制振荡等方面的功能进行了仿真分析。

仿真结果表明该UPFC仿真模型在线路功率发生较大变动时能使线路快速恢复；在系统发生三相短路时能有效减少系统的功率损失和减小母线电压的暂降幅度；在系统发生功率波动时还能大幅度减小振幅。

关键词：统一潮流控制器；PSCAD/EMTDC；动态仿真模型；输配电工程；电力系统1 引言灵活交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）自提出以来倍受各国学者的关注，已成为一种众所周知的应用电力电子装置来提高输电系统输送能力的新技术。

统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）作为最有力的FACTS 设备，同时具备了静止同步补偿器（Static Compensator，STA TCOM）和静止同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compensator，SSSC）的优点，通过改变UPFC的控制规律就能分别或同时实现串联补偿、并联补偿和移相等几种不同的功能，从而对有功、无功和电压分别进行控制[1]；但UPFC在电力系统中的应用必然会引起输电线路参数（如阻抗值和相位角）的变化，在一定程度上影响了线路的暂态过程[2-8]。

此外，UPFC本身也是一种谐波源，会向系统注入谐波，从而影响电力系统的动态电能质量。

因此，从提高电力系统的稳定性及评价动态电能质量、抑制谐波的角度出发，很有必要建立UPFC的动态模型，作为第29卷 第16期 电 网 技 术 7数字仿真和分析的基础[10-12]。

文献[10]应用Matlab建立了UPFC 的动态仿真模型，但由于软件内核的原因，仿真结果不能精确地反映UPFC 的电磁暂态过程；文献[6]应用电磁暂态仿真软件EMTP 建立了UPFC 的动态仿真模型，对其暂态过程也进行了仿真研究；文献[11]也应用EMTP 建立了UPFC 的动态仿真模型，还对UPFC 的并联无功补偿结合相调节功能及并联无功补偿结合串联补偿功能进行了仿真分析。

但文献[6,11]均未给出动态模型的详细建模过程。

目前PSCAD/EMTDC 是一种国外广泛应用的电力系统分析软件，近两年国内各高校和研究所也开始引进应用。

本文利用PSCAD/EMTDC 软件包在高压直流输电（HVDC ）、FACTS 控制器的设计、电力系统谐波分析和电力电子领域的强大仿真计算功能及其优于EMTP 的友好直观界面，设计了详细的UPFC 动态仿真模型，还应用简单的比例积分（PI ）控制方法设计了控制器，并对其各种控制效果进行了仿真分析。

2 UPFC 的基本原理图1为一简化的UPFC 原理图。

图中，i i U θ∠、j j U θ∠分别为输电线路首、末端的电压；s s U θ∠、 R R U θ∠分别为UPFC 并联侧接入系统母线电压和UPFC 串联侧出口母线电压；sh P 、sh Q 分别为UPFC 并联侧向系统注入的有功功率和无功功率；L P 、L Q 分别为输电线的有功功率和无功功率；sh sh U θ∠、se se U θ∠分别为电压源变换器（V oltage Source Converter ，VSC1和VSC2）交流侧的电压；line I 为输电线路电流；dc U 为直流侧电容电压。

VSC1通过变压器T sh 并联接入系统，VSC2通过变压器T se 串联接入系统。

两个变换器的终端通过直流电容器连接。

VSC2通过产生电压se se U θ∠叠加到系统电压上来实现线路的无功补偿、串联补偿、相移控制以及综合性的控制目标。

VSC1通过直流电容器向VSC2提供它需要的有功，同时VSC1也与系统进行无功交换以维持接入点的电压恒定。

θ j图1 简化的UPFC 原理图Fig. 1 Simplified principle diagram of UPFC3 UPFC 的动态仿真建模3.1 VSC 电路并联侧和串联侧的VSC 均采用三相桥式全控电路。

VSC 电路中的开关器件采用绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT ）。

为限制开关器件的电流上升速率和电压上升率，并减少器件的开关损耗及瞬态电流，避免二次击穿以及抑制电磁干扰，在IGBT 上还并联了由电感、电容和二极管构成的导通限流电路。

并联侧和串联侧的VSC 电路如图2所示。

图中，U d 为直流电容电压， GL 、GR 分别为并/串联变流器触发信号。

图2 VSC 电路Fig. 2 Circuit of voltage source converters3.2 SPWM 信号的产生和锁相环电路VSC 的门极控制极脉冲采用正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation ，SPWM ）控制方式，即以与系统电压同相位的正弦波为调制波、以三角波为载波进行调制，原理如图3所示。

图中，电压比较环节采用PSCAD/EMTDC 提供的IGBT 门极触发电路模块。

图3 SPWM 信号产生电路Fig. 3 Scheme of the generation of SPWM signal（1）正弦波的产生图4为并联VSC 的正弦波产生电路。

其中PLL 为PSCAD/EMTDC 软件包提供的三相锁相环，它跟踪U sa 、U sb 、U sc 并输出与输入信号同步变化的相角。

根据由UPFC 并联侧控制规则决定的控制相位角θsh 及变压器的接法对PLL 的输出相位进行移位得到正弦波的相角。

正弦波的幅值受UPFC 并联侧控制规则得出的幅值调制比m sh 的控制。

图4中U U U图4 正弦波产生电路Fig. 4 Scheme of the generation of sinusoidal wave8 Power System Technology V ol. 29 No. 16RefRon 产生用于控制IGBT 开通时间的调制信号， RefRoff 产生用于控制IGBT 关断时间的调制信号，RefRoff 输出脉冲的相角与RefRon 相差180º。