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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2007/12/27 18:59:32
一种新型的UPFC拓扑彭方正,房绪鹏,高奇,顾斌,钱照明(浙江大学电气工程学院,杭州310027)摘要:提出了统一潮流控制器的一种新型拓扑，它包含两个交流侧面对面连接，而不是通过公共直流环节背对背连接的逆变器。该新型结构具有以下优点：1）两个逆变器间没有有功功率交换，两个逆变器仅提供或吸收无功功率；2）级联式逆变器可以用于这种结构，因而取消了传统的磁接口——曲折变压器，大幅度减少了功率损耗；3）在许多负载情况下，所需要的逆变器容量可以大大减少；4）模块化的级联式逆变器和它的冗余性使得这种新型结构更具设计的灵活性和实现的可靠性。仿真结果清楚表明：在所需的容量方面，新型拓扑比传统拓扑更具优势，实用，实现更容易。
关键词:UPFC;级联式多电平逆变器;新型拓扑1引言
作为柔性交流输电系统（FACTS）的最复杂的元件，近年来统一潮流控制器（UPFC）得到广泛研究。UPFC既能够控制输电线传输的有功功率，又能够控制无功功率。它的传统结构如图1所示［1～4，7～12］。
UPFC包含两个电压源逆变器，二者通过一个公共直流环节背靠背连接在一起。逆变器2串联接到输电线，而逆变器1并联接到输电线。
通过输电线从输电端传输到受电端的有功功率和无功功率为
式中：VS是输电端电压的幅值；VR是受电端电压的幅值；X是输电线阻抗；θ是两端电压的相位差。UPFC加到电力系统的输电端，如图1所示。逆变器2，作为一个串联同步电压源，提供了UPFC的主要功能即通过注入一个与输电线串联的电压V·C控制有功与无功潮流。逆变器1，并联逆变器，向串联逆变器提供或自串联逆变器吸收有功功率，并且向电网注入无功电流［1，2］。
图2是图1的矢量图，说明了UPFC的原理。从式(1)、(2)可以看到，当加到系统时，等效的输电端电压从，输电端和受电端电压的相位差从输电线传输的功率得到了控制。
2UPFC的一种新型结构及其工作原理
2.1结构和工作原理
本文提出一种新的UPFC结构，如图3所示。在这种结构中，每一个逆变器都有自己的直流电容器来保持它的直流电压。和传统的背靠背直流耦合的UPFC不同的是，两个逆变器是交流侧面对面耦合的。然而，在这种独特的结构中，两个逆变器间和逆变器与输电线间均不进行有功功率交换。逆变器2产生需要的控制输电线的有功和无功潮流，因而起到了可控电压源的作用。并联逆变器（逆变器1）向输电线注入一个电流，保证流入两个逆变器的有功功率是0。也就是说，控制逆变器1使逆变
这种新型UPFC的等效电路如图4所示。逆变器1上的电压降为，流经逆变器1的电流是，其中I·是输电线电流。逆变器2的给定是由推导而得的电压，逆变器1的给定是，保证每个逆变器均无有功交换发生。
如前所述，控制逆变器2的电流与其电压C垂直，以使流入逆变器2的有功功率为0。因此，对于一个由期望的潮流决定的特定来说，的相位角是确定的。为了保证流入逆变器1的有功功率也为0，应当控制的幅值，使垂直于。图5说明了这些变量的关系。
2.2级联式多电平逆变器
图6示出11电平级联式逆变器的一相结构。通过分析可以知道：级联式多电平逆变器可以得到几乎正弦的阶梯形电压，而每个工频周期电力电子开关仅开关一次，因而去掉了传统的多脉冲逆变器所需要的笨重的曲折变压器，大大减少了初期投资和运行费用。
然而，级联式多电平逆变器不能直接用于传统的UPFC，因为每一个H桥需要一个隔离的直流电源，并且逆变器作为一个整体仅能产生或吸收无功功率。本文提出的新型UPFC结构为级联式多电平逆变器提供了一个用武之地。级联式多电平逆变器的优点可以在新型UPFC中得到充分发挥。3新型/传统型结构的比较
与传统型结构相比，新型结构UPFC有许多优点：
1)在传统的结构中，两个逆变器间存在有功功率交换；而在新型结构中，两个逆变器间没有有功功率交换，并且两个逆变器仅提供(或吸收)无功功率；
2)应用级联式多电平逆变器，可以取消作为电网和UPFC接口的曲折变压器，因而降低了UPFC的功率损耗、成本和体积。曲折变压器是逆变电路多重化时常用的输出变压器，通过适当选择各重之间的相位差、变压器变比和付级绕组的联结方式，便可以改善输出波形，减少谐波含量；
3)在某些负载条件下，UPFC的总视在容量可以大大减少；
4)新型结构对系统的未来变化更能适应，并且更能抵抗诸如逆变器失效之类的偶发性故障。
对于传统的UPFC，逆变器1，2的容量为
其中，Iq是在联接点逆变器1单独进行无功补偿时产生的无功电流。
传统的UPFC结构的总容量为
对于本文提出的新型UPFC，逆变器1和2的容量为
图7，8示出新型和传统型结构的总容量的比，和[1][2]下一页
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