1　引言
　　统一潮流控制器（UPFC）具有综合控制电力系统基本参数的能力，能同时控制线路的有功、无功、母线电压和线路阻抗等，充分体现了灵活交流输电系统（FACT S ）的主导思想——实现对输电系统的灵活快速控制。从功能上讲，UPFC的确是一个理想的控制器。但是UPFC技术复杂、涉及面广。
　　本文首先对UPFC的并联部分静止同步补偿器（STATCOM）的电磁暂态性能进行了详细的仿真，仿真着重分析了其起功特性，正负无功转换特性，以及谐波特性等。并在此基础上，进行了UPFC一些功能的仿真，主要是相位调节及阻抗补偿特性等。仿真结果表明，STATCOM比原有的无功补偿装置性能优越，UPFC可以在进行无功补偿的同时有效地提高系统的传输能力。
2　UPFC的基本原理和主要功能
　　如图1所示，UPFC主要由两个电压型逆变器构成，这两个逆变器有一个共同的直流端。1＃逆变器通过并联变压器和系统相连，2＃逆变器通过串联变压器串入一交流电压。有功功率可以在两个逆变器之间流动。

图1　统一潮流控制器结构示意图

　　1＃逆变器相当于一个和母线相连的可控电流源，其输出电流I_q的一部分用来满足串联逆变器的有功需求，其余部分为无功电流，起静止无功补偿的作用。
　　统一潮流控制器的主要功能是由串联部分实现的，通过调节V_pq可以实现以下功能：

    ·调节线路侧电压V₀₁的电压幅值。

  　·调节线路侧电压V₀₁的相位，即实现静止移相器的功能。

　　·补偿线路电抗，即串联电压V_pq与线路电流I正交，相当于改变了线路的电抗。

　　·动态调压：通过控制，使串联电压V_pq成为一个可控的两维相量，其中一维与电压V₀同相，另一维与电压V₀正交。适当地控制这个两维相量，能够获得在调节范围内任何期望的线路电流。
　　也就是说，UPFC集静止无功补偿器、静止移相器、线路串联补偿器和动态调压器的功能于一体。利用UPFC控制上的灵活性，大大提高系统的稳定性。
3　STATCOM的仿真
　　图2（a）和图2（b）分别是单相桥二电平逆变器和三相桥二电平逆变器的基本结构示意图。单相桥逆变器的结构特点决定了它便于实现分相控制。但单相桥逆变器采用单相变压器组，不如三相变压器经济，所以采用三相变压器的三相逆变器STATCOM成为国际上的一种趋势。

（b）三相桥二电平逆变器
　图2　两种逆变器结构示意图

    由于三相桥二电平逆变器的输出电压脉宽为固定的120°，只能通过斩波的方法来改变其调制比，这将导致输出电压谐波含量增大并明显降低直流电压的利用率。这成为在大功率STATCOM中采用三相桥二电平逆变器的主要缺点，因此，逐渐采用三相桥三电平逆变器已成为目前的发展趋势^［1］。
3．1　单相桥STATCOM的仿真
　　单相桥逆变器某一相的原理图如图3（a）所示。
图3（b）给出了该单相桥逆变器的输出电压。δ是逆变器输出电压和系统参考电压的相位差，U_dc为直流侧电压。

（b）输出电压
　　图3　单相桥逆变器

　　GTO触发脉冲周期为50Hz，每个桥臂上下两个GTO的触发脉冲互成反相关系。以LAP为例说明逆变器的触发，在u_L（t）的上升沿处发正脉冲导通LAP，在u_L（t）的下降沿处发负脉冲关断LAP。RAP的触发比LAP滞后角度θ。逆变器的输出电压u_T11（t）具有＋U_dc、0、－U_dc三个电平，其正负脉冲宽度为θ。控制GTO的触发来调节θ，相当于单脉冲脉宽调制。
3．1．1　主电路构成和分析
　　图4为单相桥三重化STATCOM的示意图，它由3个单相桥六脉冲逆变器构成，每个六脉冲逆变器GTO的驱动脉冲相对于系统参考电压，相角分别为0°、20°、40°。
　　主电路的主要技术指标为：无功功率控制容量为容性200 Mvar至感性200 Mvar，系统侧额定电压为500 kV，直流侧额定电压为18 kV，直流电容器容量为800μF，开关元件GTO为6 kA／6kV，单相曲折变压器漏抗为10％，起动方式为他励。

图4　单相桥三重化STATCOM示意图

　　图5给出了三重化STATCOM曲折变压器的连接方式，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂和a₃、b₃、c₃分别为0°桥、20°桥和40°桥的原边绕组。假设三个单相桥逆变器的输出电压的脉宽为120°，当变压器的副边绕组满足式（1）时，逆变器的输出电压中最低谐波次数为17^［2］。

图5　曲折变压器连接的单相桥

K₁∶K₂∶K₃＝cos30°∶cos50°∶cos70°（1）

　　输出电压中剩余谐波次数为n＝18 h±1，各次谐波有效值为

3．1．2　单相桥STATCOM的控制与仿真

　　图6为单相桥STATCOM的控制框图。本文用瞬时值的PI控制，用δ控制电容器电压，用δ及脉宽θ调节无功输出。调节θ可以使无功输出Q在较小范围内变化；同时调节δ及θ可以使无功输出Q在较大范围内变化。Q_ref为无功输出的参考量，u_dc为电容电压，u_dcr为电容器电压的参考量。通过对Q_ref和u_dcr的不同定义，可以实现不同的控制目标。

图6　单相桥STATCOM的控制框图

　　仿真表明，单相桥只需25ms就可以进入稳态运行阶段。图7为单相桥STATCOM从容性200Mvar到感性200Mvar的转变过程。转变可以在十几ms内平稳实现。在转变过程中，电容器电压有较大幅度的下降，保证从容性工作方式向感性工作方式的迅速转变。

　Q—无功输出；II—输出电流
图7　单相桥STATCOM从容性200Mvar

　　到感性200Mvar的　

3．2　三相桥二电平STATCOM的仿真
　　由于三相桥单脉冲逆变器不能方便地进行脉宽调制，故本文采用了三相桥三脉冲逆变器。图8（a）是四重化三相桥STATCOM的结构示意图，1＃逆变器和2＃逆变器逆变器电压输出采用Δ／Δ式变压器，3＃逆变器和4＃逆变器电压输出采用Δ／Y式变压器。β表示1＃逆变器和2＃逆变器触发脉冲的相位移。角接副边匝数为星接副边匝数的√3倍。为分析方便，设Δ／Y星变压器原副边匝比为11。

　　图8（b）为逆变器的输出电压波形，假设1＃逆变器的输出电压u_abΔ1三脉冲的宽度分别为α、120°－2α和α，则逆变器输出电压u_A中只含12h±1次谐波，这些谐波分量为

　　由式（4）知，当β＝15°时，输出电压中的11次谐波和13次谐波很小，取β＝15°。不难证明，α＝15°是输出电压谐波的极小值点，故正常运行时取α的基准值为15°。
　　取式（4）中n＝1，可得逆变器输出电压的基波幅值为

　　由式（5）可知，改变角度α，可以调节逆变器输出电压的基波幅值，进而调节STATCOM的无功输出Q；仍然可通过调节逆变器输出电压和同步信号之间的相角δ来控制直流侧电压U_dc。
　　仿真表明，三相桥STATCOM的反应速度与单相桥STATCOM大致相当，但稳态谐波特性不如单相桥STATCOM的好（见图9）。

（a）三相桥STATCOM谐波

（b）单相桥STSTCOM谐波
　　图9　两种STATCOM谐

4　UPFC的仿真
　　文献［3］结合UPFC的实际装置，给出了UPFC容量的确定方法。由该方法可知，串联部分的额定容量为　　　　　

式中　V_pqb为串联电压的额定有效值；I_b为线路电流的额定有效值。
　　并联部分容量由下式确定：　

式中　P²_Inv2max为串联部分吸收的最大有功，一般为S_Inv2的20％～50％，Q²_Inv2max为并联部分的最大无功输出。
　　本文结合一个简化的实际系统，选择并联部分和串联部分的容量均为210Mvar。UPFC仿真所用的逆变器为单相桥二电平三重化逆变器，因与单相桥STATCOM的容量相差不多，故UPFC采用与单相桥STATCOM相同的逆变器参数。

4．1　UPFC工作方式1——并联无功补偿结合相位调节功能的仿真
　　并联无功补偿结合相位调节是指UPFC的并联部分提供无功补偿，串联部分起相位调节的作用。

　　UPFC并联部分的控制与STATCOM的控制大致相同。UPFC串联部分的控制框图见图10。根据线路的有功潮流P_line及其基准值P_lineR之间的差、调节脉宽φ的大小，从而实现调节串联电压的幅值。γ表示串联电压V_pq与电压V₀的相位差。

图10　UPFC工作方式1串联部分控制框图

　　
　　在起动55ms之后，UPFC就进入了稳态运行阶段。UPFC使系统侧的母线相电压幅值从417kV提高到431kV，装有UPFC的线路传输功率增大约300MW。UPFC线路侧电压V₀₁与母线侧电压V₀的幅值大致相同，但相位却滞后约8．5°，如图11所示。

　图11　UPFC工作方式1电

4．2　UPFC工作方式2——并联无功补偿结合线路串联补偿功能的仿真
　　并联无功补偿结合线路串联补偿是指UPFC的并联部分提供无功补偿，串联部分起串联补偿的作用。
　　UPFC并联部分的控制与方式1的控制相同。UPFC串联部分的控制框图见图12。图中ε表示串联电压V_pq与线路电流I的相位移。

图12 UPFC 工作方式2串联部分控制框图

　　UPFC使系统侧母线的相电压幅值从417kV提高到432kV，装有UPFC的线路的传输功率增大约310MW。串联电压V_pq的相位比线路电流I的相位超前约90°，起到了串联补偿电容的作用，串补度约为35％。V_pq和I的相位关系见图13。

　　图13　UPFC工作方式2电压和电流相位　　

5　结论
　　本文对STATCOM的电磁暂态特性进行了仿真。研究表明，STATCOM具有良好的起动性能和稳态运行特性，能够在十几ms内完成容性－感性工作方式的转变。对单相桥STATCOM和三相桥STATCOM的稳态特性进行的比较表明，单相桥STATCOM的谐波特性要更好一些。
　　本文还对UPFC的两种工作方式进行了仿真。仿真结果表明，UPFC具有良好的起动特性和稳态性能，可以在进行无功补偿的同时，有效地提高线路的传输能力。

参考文献：

［1］　陈建业，等．新型静止无功发生器（ASVG）的研究现状［J］．清华大学学报（自然科学版）1997，37（7）．
［2］　Walker LH．10－MW GTO converter for battery peaking service　　［J］．IEEETrans on IA，1990，26（1）．
［3］　Edris A．Controlling the flow of real and reactive power［J］．IEEE Trans  on  Computer  Application  in  Power，1998。