摘 要

随着全球能源互联网不断进行推进以及市场经济在我国加速成长，我国对电力的需求也一天天地增长。电力系统要能进行安全、稳定和灵活的运行，并且对它的要求将越来越高。于是现有的电力系统输电能力不足的矛盾也日益显现出来，但由于受到成本、土地、资源、环境等诸多客观因素的影响和限制，我国难以实施建立新的输电线路的规划。因此，柔性交流输电系统应运而生，自出现以来就广受电力从事人员的关注。它在控制电网潮流、提高系统稳定性以及增大传输容量等方面给电力系统带来了新的技术选择。其中，统一潮流控制器是迄今为止的柔性交流输电系统中控制最灵活、功能最强大的装置，它为解决电网中动态无功支撑能力不足等问题提供了新的手段。

论文在调查研究了国内外工程及应用及其研究现状的基础上，首先分析了几种可选择的大容量换流器方案基本结构、工作原理以及输出波形，接着对多重化结构和模块化多电平结构在投入应用时的优缺点及设备需求分别阐述，并进行了横向对比，综合各种结论，得出采用MMC拓扑方案是最适用的观点。

文章主要做的工作有介绍近年来电力系统的发展背景与统一潮流潮流控制器的研究现状以及介绍电网中潮流控制的基本概念和基本方法。对统一潮流控制器的整体拓扑结构进行了阐述。对统一潮流控制器串、并联侧建立动态数学模型，再基于坐标变换理论和PQ分解理论对数学模型中的强耦合量进行解耦，得出相应控制策略。简要介绍MMC换流器的工作原理及其在实际工作中的优势。搭建MMC的统一潮流控制器的Matlab仿真模型，对各模块的仿真波形进行观察，对UPFC的有功、无功潮流控制功能进行分析。总结实验结果并对未解决的问题提出展望。

关键词：统一潮流控制器；模块化多电平换流器；控制系统设计；主电路拓扑； 柔性输电技术

Abstract

With the continuous progress of the global energy internet and the accelerated growth of the market economy in China, the demand for electricity in China is also growing day by day. The power system must be able to operate safely, stably, and flexibly, and its requirements will be higher and higher. Therefore, the contradiction of insufficient power transmission capacity in the existing power system has become increasingly apparent. However, due to the influence and limitations of many objective factors such as cost, land, resources, and the environment, it is difficult for China to implement plans for the establishment of new transmission lines. Therefore, the flexible AC transmission system came into being. Since its emergence, it has been widely concerned by electric power personnel. It brings new technology choices to the power system in terms of controlling power flow, improving system stability, and increasing transmission capacity. Among them, the unified power flow controller is by far the most flexible and most powerful device in the flexible AC power transmission system. It provides a new means for solving the problem of insufficient dynamic reactive power support capability in the power grid.

After investigating and studying the domestic and foreign engineering, application and research status, the thesis first analyzes the basic structure, working principle, and output wave forms of several alternative large-capacity converters, and then muti-structured and modularized. The advantages and disadvantages of the level structure when it is put into use and the equipment requirements are elaborated separately, and horizontal comparisons are carried out to synthesize various conclusions, and it is concluded that the use of the MMC topology scheme is the most applicable point of view. The main tasks are as follows:

1) Introduced the development background of the power system in recent years and the research status of the unified power flow power flow controller.

2) Introduce the basic concepts and basic methods of power flow control in the power grid.

3) The overall topology of the unified power flow controller is described.

4) Establish a dynamic mathematical model for the serial and parallel sides of the unified power flow controller, and then decouple the strong coupling in the mathematical model based on the coordinate transformation theory and the PQ decomposition theory to obtain the corresponding control strategy.

5) Briefly introduce the working principle of MMC converter and its advantages in practical work.

6) Build a Matlab simulation model of the unified power flow controller of the MMC, observe the simulation wave-forms of each module, and analyze the active and reactive power flow control functions of the UPFC.

7) Summarize the experimental results and look forward to unsolved problems.

Key Words：Unified Power Flow Controller (UPFC); Modular Multilevel Converter (MMC); Control System Design; Main Circuit Topology; Flexible Transmission Technology (FACTS)

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 FACTS技术概述 1

1.1.1 统一潮流控制器的研究背景 1

1.1.2 FACTS装置研究现状 2

1.2 UPFC技术概述 3

1.2.1 UPFC研究现状 3

1.2.2 模块化多电平技术概述 4

1.2.3 UPFC工程应用现状 4

1.3 本文的主要工作 5

第2章 UPFC 的基本结构和原理 6

2.1 UPFC的拓扑结构 6

2.2 基本原理 6

2.2.1 并联侧功能 7

2.2.2 串联侧功能 8

2.3 本章小结 9

第3章 UPFC控制策略 10

3.1 同步旋转坐标系下UPFC的数学模型 10

3.1.1 并联侧换流器动态数学模型 10

3.1.2 串联侧换流器数学模型 11

3.1.3 直流环节的数学模型 11

3.2 dq解耦控制策略 12

3.2.1 并联侧换流器控制策略 12

3.2.2 串联侧换流器控制策略 14

3.3 本章小结 15

第4章 模块化多电平控制器的结构与原理 16

4.1 UPFC换流器的拓扑介绍 16

4.1.1 三电平技术的基本原理 16

4.1.2 模块化多电平技术 18

4.2 MMC结构子模块状态分析 19

4.3 本章小结 20

第5章 基于MMC的UPFC在Matlab下的仿真及分析 21

5.1 基于MMC的UPFC的控制模块搭建 21

5.1.1 并联侧控制 22

5.1.3 串联侧控制 23

5.2 基于MMC的UPFC的仿真波形分析 24

5.3 本章小结 28

第6章 总结与展望 29

参考文献 31

第1章 绪论

安全可靠的电网不仅对于能源安全有着重要的作用，更是社会经济平稳、有序发展的重要保障。随着电网负荷的不断增长和电网规模的不断增大，电网运行特性日益复杂，对电网提高控制能力的需求逐渐增加，通过新技术、新设备的应用提高电网运行控制水平，从而充分提升已有电网供电能力，成为未来电网的必经之路。

柔性交流输电系统技术在这种情况下得到了快速的发展是因为柔性交流输电（Flexible Alternative Current Transmission System，FACTS）装置可以用调节电网参数的方法灵活而快速地实现对交流系统进行潮流控制、电压控制及低频振荡抑制的功能。其中，统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)具有实时控制交流系统并进行相应动态补偿的能力，而得到了国内外学者的广泛关注和研究。

本章将简略介绍FACTS技术及其实现方法，UPPFC技术及其研究、应用现状等。

1.1 FACTS技术概述

灵活交流输电技术（FACTS）作为电力系统控制和电力电子技术相融合的产物，由于其先进的电网控制特性、显著提高输电能力和改善电力系统静动态特性的能力，以及对电网不同运行方式的广泛适应性，在电网中的实际应用日益增多，该领域成为电力行业近二十年来发展最快和影响最广的新型科学技术领域之一^[1]。

1.1.1 统一潮流控制器的研究背景

当今人类的发展面临着能源紧缺和环境污染双重问题的考验。这是人类长期可持续发展道路上的巨大障碍。在解决这个问题上，清洁能源替代是最根本而且有效的途径。在2015 年 9 月 26 日的联合国发展峰会上，中国主席习近平倡议构建全球能源互联网系统^[1]。全球能源互联网系统可以很好地实现太阳能、风力、海洋、潮汐、核力发电等多个系统的高效、清洁、绿色能源的集合与传送。

另一方面，现代电网发展的势头强劲、各大电网之间联系复杂，几个大的电力输送工程的加入也使电网的结构变得越来越复杂。在进行系统架构和控制时，应当充分考虑电网的特点，从而对症下药解决问题。我国电力不平衡的因素主要体现在电力用户集中区域与电能资源集中区域不配合，致使输电距离增大。但是长距离输电线路的输电效率不低，损失大。

近年来，我国建设了大区域电网互联工程，几个重要的工程如：南北互供、西电东送、全国联网，用来实现全国范围上能源的统一调度和资源的优化配置，提高了能源利用率和电网经济效益。

我们可以预见到，在不远的将来，电力系统的跨区域、跨地区、跨国、甚至跨洲的互联成为必然趋势，同时也使现代电力系统的互联程度越来越高^[2]。然而这项目标的实现离不开功能强大的电网的支持，如何实现提高电网对大规模清洁能源电网的并网、间歇和兼容能力的目标，成了迫切需要解决的问题。我们要求即使在全球能源存在时间差异、季节性差异、地域差异等问题的情况下，电网也具有应对这些问题的强大的互补能力。

传统的交流输电系统要满足以上的生产需求很困难，技术要求不达标。故美国电气研究所与西屋公司共同提出的柔性交流输电系统成为了解决电网互联时的潮流控制问题、提高输电线路的传输能力以及提高所产电能质量等问题的关键核心技术。

1.1.2 FACTS装置研究现状

FACTS技术是利用大功率半导体的开关器件完成能量变换和传输控制的一种技术^[3]。FACTS装置实现了大功率电力电子开关器件、现代控制技术和传统电网技术的有机融合，甚至可以通过使用大功率电力电子开关器件来取代传统机械断路器的方法，使传统电力系统和电子线路同样易控。FACTS装置按照结构来进行分类可分成并联型，串联型和串并联混合型三种。这三种装置的核心都是双向的AC/DC变换器，而在不同需求的电网中可以选择功能侧重不同的装置来实现潮流控制。

（1）并联型FACTS

并联型FACTS中典型的装置是静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器(STATCOM）和分级式可控并联电抗器等^[4]。所谓的“并联”是指装置的交流侧通过变压器与电网并联。

SVC通过调节输电线路输出容性或感性电流来进行对电力系统特定参数的控制。这项技术适用于各级电网，可提高输电效率，提高输电质量和输电稳定性。但它的不足在于当电压降低时，SVC会有补偿容量严重不足的问题，并且还有可能导致晶闸管控制电抗器产生谐波干扰。STATCOM是一种并联于系统上的静止同步发生器，和SVC装置的基本原理相同，但是优点在于体积小、响应速度快、低压特性好，在一定程度上对SVC在低压时特性不足的缺点有所改进，因而成为了目前无功功率控制领域研究的热点。

由以上原理可知，并联型补偿器可以有效地产生无功电流，补偿系统的无功功率，维持节点电压。

（2）串联型FACTS

串联型FACTS包括晶闸管控制串联电容器（TCSC）、静止同步串联补偿器（SSSR）等^[1]。所谓“串联”是指与装置相连的变压器的另一端直接接入传输线路中，即与电网串联。

TCSC是基于常规串补技术发展的FACTS装置，用晶闸管控制电抗器（TCR）部分抵消串联电容的容抗值以获得连续可控的感性和容性阻抗，在提高系统稳定性、线路输送能力的同时，还可以有效抑制次同步谐振、阻尼系统低频振荡，减少线路损耗。SSSC无外部电源支撑，其输出电压与线路电流矢量正交，使其电压控制与电流无关，通过增减线路阻抗上的感性电压降以控制传输功率。

由上述说明可知，基于换流器的串联型补偿器可以有效地补偿输电系统线路的电压，控制线路的潮流，但对于无功电流的补偿能力不强。

（3）串并联混合型FACTS

并联型FACTS和串联型FACTS结构的不同导致它们在潮流控制的功能上相互补，串并联的混合使用便可将二者的优点结合起来。由此产生了一种新的装置，即串并联组合型FACTS，其中统一潮流控制器和线间潮流控制器等。串并联混合型FACTS兼具二者的优点，因此可以灵活控制电网潮流，能大幅度提高输电线路的输送能力和电力系统的稳定性、可靠性，因此具有广阔的发展空间。

1.2 UPFC技术概述

统一潮流控制器（UPFC）是当前灵活交流输电技术的制高点，具有灵活控制系统潮流的功能。还在增强电网的传输能力、提高系统的稳定性等多个方向上具有重要作用。其概念在1992年首次提出后，引起了国内外研究者与学者的全方位探索和研究。

UPFC是由背靠背的、两个电路拓扑结构完全相同的三相变流器组成的，但是与电网的连接方式不同的变流器，通过一个公共的直流电容耦合可实现双向功率交换。UPFC功能的强大体现在它很好地综合了以上两种控制装置的优点，通过改变 UPFC 的控制策略可以使电力系统的运行状态得到很好的控制。UPFC的两个换流器装置既可以同时起作用，进行串联补偿、并联补偿、相位调整以及电压调整等功能，也可以分别作用，具有良好的灵活性。

1.2.1 UPFC研究现状

UPFC在建模、结构、拓扑、控制等相关领域存在大量研究和优秀而具有实际意义的成果。

首先，建立适合的数学模型是研究和分析 UPFC 装置的基本。目前应用得比较多的建模方法有拓扑法和输出法。拓扑建模法是利用不同状态下电路的拓扑形式建立相应的微分方程组，由微分方程组形成的数学模型来对不同工况下的系统进行阐释。而输出建模法则是将UPFC等效为一个电源，由换流器内部的约束条件推导得出数学模型。此种方法得出的模型比较简单，利于进行分析。

在装置稳态运行时，UPFC 的稳态模型适用。可用于分析装置特性以及稳定状态下的潮流计算。得到广泛认可的 UPFC 稳态模型主要有电源模型、功率注入模型和阻抗型模型等^[1]。文献[2]、[3]就是采用理想电压源模型建立静态模型。文献[4]由戴维南定理和诺顿定理得出启发，将UPFC中的并联换流器一端等效为一个电流源，串联换流器一端等效成一个电压源，得出一个能够保证串并联两侧有功功率平衡的模型。文献[5]给出了一般用于静态潮流计算的阻抗模型，文章是使UPFC的串并联两侧分别等效为两个对应连接方式的阻抗，约束条件是有功功率和复功率的平衡。而动态数学模型则在直流侧电容的电压动态变化的解释中发挥作用。文献中既有用换流器输入输出的时间响应特性建立三阶微分方程反应其动态特性的[6]，也有用更复杂的五阶非线性方程表示换流器的控制输入的[7]。结合近年来的资料可见，使用开关函数建模法建立系统模型，方法较为简单，又能真实地反映装置内部特性。

在主电路的设计上，国外先后提出了多电平换流器、变压器多重化、桥级联、器件串联、桥臂并联等方案来提高装置容量，这些理论随后在大容量装置中得到应用。这些方法中，变压器多重化可最有效地大幅提升装置容量。在国外的许多大型电力工程中均采用了以上多种方案相结合配合使用的主电路方案，但这种结构的装置很复杂、体积大、成本高，不适于大范围推广。而模块化多电平换流器则在近些年来越来越多地出现在人们的视线中，它的大容量拓扑结构潜力巨大，尤其适用于建造高压大容量换流器。相关文献着重对其原理进行阐述，如文献[8]主要阐明基于MMC的UPFC的控制策略，而文献[9]的重点在于主电路拓扑分析，详细比较了三种不同的主电路拓扑的效果和成本等，对模块化多电平拓扑的优越性进行了定量分析。

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