【正文】 ]介紹了非線性原一對偶路徑跟蹤內(nèi)點算法進行電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算；文獻[17]研究了UPFC控制策略；文獻[18]介紹了UPFC安裝位置的選擇；文獻[19]介紹了一種新型的UPFC：兩側分別有獨自的直流側并且兩側沒有功率的交換等等；文獻[2021]介紹了UPFC在分布式電源以及微電網(wǎng)中的應用，提高了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。(1)UPFC的數(shù)學模型系統(tǒng)模型是用來表達系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，是研究系統(tǒng)的基礎。從描述對象來看，F(xiàn)ACTS的模型可分為暫態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型?，F(xiàn)在常用的方法主要有兩種：輸出建模法與拓撲建模法。拓撲建模法主要根據(jù)系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下，不同的拓撲結構研究寫出方程組，按整個系統(tǒng)具有拓撲結構的種類以及各個拓撲結構的轉移順序對方程組求解，從而得到系統(tǒng)的解析方程。(2)UPFC的控制系統(tǒng)FACTS設備控制系統(tǒng)的對其控制作用至關重要，其對設備在電力系統(tǒng)中潮流控制、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、改善電網(wǎng)傳輸能力等方面起著很重要的作用。要依據(jù)電力系統(tǒng)本身的運行特性來選擇最佳的控制策略，在保證能實現(xiàn)其他功能時，綜合基于模型的控制理論和智能控制方法，設計該運行狀態(tài)下的最佳控制系統(tǒng)。(3)UPFC的電力電子變換器UPFC的主系統(tǒng)含有兩個電壓型變換器，在變換器的控制與實現(xiàn)上主要采用三種技術：多電平變換器及其疊加技術：矩陣變換器；PWM變換器。矩陣變換器是一種直接ACAC變換器(輸出頻率可調(diào))，將其用于統(tǒng)一潮流控制器是矩陣變換器的一種應用嘗試。(4)UPFC的系統(tǒng)應用改善電力系統(tǒng)運行行為是開發(fā)UPFC的出發(fā)點，因此UPFC必須放入系統(tǒng)中去考慮，潮流控制、電壓控制、暫態(tài)穩(wěn)定控制、阻尼控制是其設計的四個主要目標。 本文研究的主要內(nèi)容對微電網(wǎng)的潮流進行控制是本文研究的核心內(nèi)容，傳統(tǒng)的方法只能通過改變負荷的大小、電源或調(diào)整電源間負荷分配關系來實現(xiàn)。由于實驗條件所限，本文對所提出的新方法采用軟件仿真進行驗證。(1) 微電網(wǎng)建模。(2) UPFC的建模與分析。(3) UPFC的控制系統(tǒng)的設計。(4) 仿真驗證及分析。并與沒有UPFC的系統(tǒng)模型的仿真結果相比較，驗證UPFC控制潮流的可行性。課題的研究重點是應用UPFC進行微電網(wǎng)潮流控制，而微電網(wǎng)的建模則是其中的基礎，本章的主要內(nèi)容是構建微電網(wǎng)仿真模型。微電網(wǎng)的重要組成部分是分布式電源和儲能系統(tǒng)。微電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)的作用類似于大電網(wǎng)中的抽水蓄能電站、調(diào)頻廠，能夠實現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)谷及調(diào)頻等功能，當前主要研究的儲能系統(tǒng)有飛輪儲能系統(tǒng)、高溫超導儲能系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)、超級電容儲能系統(tǒng)及壓縮空氣儲能等。 光伏電源 光伏電池的基本原理光伏電源是利用光伏電池組將可再生的太陽能轉化為電能，其原理是當半導體表面受到太陽光照射時，其內(nèi)部的P區(qū)和N區(qū)中的價電子受到光子的沖擊，當束縛價電子的能量小于光能時，則價電子將會脫離共價鍵的束縛，從價帶狀態(tài)激發(fā)到導帶狀態(tài)，最終導致半導體內(nèi)部出現(xiàn)非平衡狀態(tài)的電子空穴對，PN結對載流子進行牽引，對外形成與PN結勢壘電場方向相反的光生電場，當該半導體與外部電路接通時，就會有電能輸出[23]。 光伏電池的基本模型研究光伏電池一般研究其等值電路模型，其模型通常有3種。圖22 光伏電池等值電路模型圖中電流Iph為光生電流，不受外接負載等因素的影響，只與光照強度有關。因為光伏電池輸出電能時與外界接觸產(chǎn)生接觸電阻，并且所用原料自身具有電阻率，所以有電流從這些電阻流過時會產(chǎn)生一定的損耗，用一個串聯(lián)電阻Rse表示；另外因為電池的邊沿可能會漏電和電極的損壞處產(chǎn)生的金屬橋漏電等，這樣就會短路一些原本流過負載的電流，產(chǎn)生的這種損耗可以用一個并聯(lián)電阻Rsh表示，流過其的電流為Ish。因此光伏電池的輸出電流可以表示為I=IphIdIsh，應用基爾霍夫電流定律，可以推導出負載電流，該電流與其端口電壓U二者關系式為： (22) (23) (24) (25)式中I為光伏電池的輸出電流；U為輸出端口電壓；Uoc為光伏電池開路電壓；Ios為光伏電池反向飽和電流；T為光伏電池的熱力學溫度(oC)；q為電荷常量(1019C)；G為太陽輻射系數(shù)；ISCR為在25 oC和1000瓦每平方米時的短路電流；Tr=；Ior為在Tr=；Ki為短路電流溫度效應系數(shù)，；A，B為PN結的理想因數(shù)；K為波茲曼常數(shù)(l023J／K)。我國復員遼闊，具有豐富的風能資源，有大約10億千瓦的風能儲量能夠被開發(fā)利用，其中大部分是海上的能量，大約占總量的四分之三，其余的為陸地上可開發(fā)和利用的風能占剩下的四分之一。若想開發(fā)利用風能，必須利用風力發(fā)電機，因此全力研究風力發(fā)電機是全面開發(fā)利用風能的基礎和重要部分。由于變槳距感應風力發(fā)電機發(fā)出功率較小并且控制比較方便，微電網(wǎng)中采用該發(fā)電機相對較多。下面分別介紹目前廣泛使用的3種風力發(fā)電機組及其控制方式、特點。在該結構中，首先葉片轉動將風能轉換為機械能，然后齒輪箱受到前者的帶動開始運行將旋轉軸由低速轉換為高速，進而驅動感應發(fā)電機產(chǎn)生電能。風機的具體調(diào)節(jié)控制方式為：在運行過程中，當額定功率大于電機發(fā)出的功率時，槳距角保持在0。在低風速時，一般采用雙速發(fā)電機(即大/小發(fā)電機)用于提高風力發(fā)電機組的效率，低風速情況下采用小電機使槳葉具有較好的氣動效率，提高發(fā)電機的運行效率。圖23 恒速鼠籠式感應發(fā)電機組該機組獨特的優(yōu)點是：結構簡單、魯棒性好、控制方便、無需進行維護、投資少。變速衡頻雙饋風力發(fā)電技術日益重要，在風力發(fā)電技術方面占有很重要的位置，也是重要發(fā)展目標，其應用前景非常廣闊，其模型如圖24所示。發(fā)電機的轉子側要通過兩個VSC變頻器后經(jīng)過變壓器與電網(wǎng)相連，而定子側與電網(wǎng)直接經(jīng)過變壓器相連。之所以稱之為雙饋風力發(fā)電機，是因為功率既能從轉子流向電網(wǎng)又能反向流動。該發(fā)電機與恒速風力機不同之處在于該發(fā)電機的槳距角控制是能夠實時跟蹤風速的變化來控制槳距角，捕捉最大風速，從而提高風能利用效率。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機組為了減少發(fā)電機的體積，通常采用齒輪箱，但于此同時這也產(chǎn)生了一些問題：噪音較大、定期維護復雜以及增加電能損耗等。目前該領域研究較多的是直驅式永磁同步發(fā)電機，該機組的結構圖如圖25所示。與雙饋式風力機不同，此風力機系統(tǒng)發(fā)出的功率通過兩個全功率變頻器輸送到電中，與電網(wǎng)系統(tǒng)徹底隔開，因此要求使用先進的變頻器，這也是與雙饋式風力機的不同之處。 微電網(wǎng)仿真模型的建立由于本文主要研究UPFC在微電網(wǎng)中的潮流控制作用，因此只建立了簡單的微電網(wǎng)模型，大電網(wǎng)用發(fā)電機代替，分布式電源也用發(fā)電機代替，構建的微點網(wǎng)仿真模型如圖27所示。通過對圖27的微電網(wǎng)模型進行仿真，可得到B1和B3處的有功潮流和無功潮流，分別如圖229。改變電源參數(shù)時，仿真結果如圖2211所示。改變負荷參數(shù)時，將Load2有功和無功分別改為60kW和20kVar，仿真結果如圖21213所示。由以上分析可知在發(fā)電機和負荷參數(shù)不變的情況下，BB3兩處的潮流不會發(fā)生變化，只能通過調(diào)整發(fā)電機或負荷參數(shù)的情況下才能改變潮流。本章對光伏電源、風力發(fā)電機進行了簡單的介紹，構建了微電網(wǎng)仿真建模。第3章 統(tǒng)一潮流控制器（UPFC)分析第3章 統(tǒng)一潮流控制器分析 UPFC系統(tǒng)的基本原理UPFC工作的時候，其并聯(lián)部分等效為一個電流源，串聯(lián)部分等效為一個電壓源，串聯(lián)部分通過串聯(lián)變壓器向線路中注入電壓，此電壓既能改變UPFC輸出端電壓幅值，又能改變其相位，這樣就能夠對線路上的潮流進行控制。圖31 UPFC等效模型從理論上講， UPFC的串聯(lián)側相當于一個與電網(wǎng)電壓同頻率的幅值和相位都能控制的同步電壓源，其輸出電壓的幅值為(0≤≤)，相角θ的變化范圍為0到2π，UPFC裝設在傳輸線路中時其等效模型如圖31所示。由于只有交換所需的無功功率能夠由該電壓源本身產(chǎn)生，而其自身不能提供有功功率，因此這些有功功率必須由其他的部分來提供或者吸收，在本系統(tǒng)中這個工作是由UPFC的接入端母線來完成的。UPFC主要由并聯(lián)變換器I、串聯(lián)變換器II、直流母線電容、輸出濾波器(Lsh、Lse、Cse)，并聯(lián)變壓器TShunt，串聯(lián)變壓器TSeries以及控制和保護單元構成。UPFC的功率變換部分通過共用的直流母線將兩個變換器連接成背靠背的形式，并且共用一組直流母線電容。在構成UPFC的雙變換系統(tǒng)中，串聯(lián)變換器通過串聯(lián)變壓器向線路中注入幅值和相位均可控的電壓，在UPFC潮流控制中有著至關重要的作用。當線路上的電流通過這個電壓源就會與電力網(wǎng)絡之間產(chǎn)生有功和無功功率的交換，達到控制潮流的目的。由圖32可得三相靜止坐標系下UPFC的數(shù)學模型，但是若交流側均為時變的交流量，將大大增加設計控制系統(tǒng)的難度。并聯(lián)變換器首先將該直流有功功率轉變?yōu)榻涣餍问剑缓笸ㄟ^一個并聯(lián)變壓器耦合進電網(wǎng)。雖然傳輸線路、并聯(lián)變換器和串聯(lián)變換器之間流動的有功功率依賴直流母線電容交換，但串聯(lián)變換器自身就能產(chǎn)生潮流控制中的無功功率而不是通過傳輸線路所得。顯然UPFC的直流母線上只有有功功率流過，而不會流過無功功率潮流。(a)電壓調(diào)節(jié)功能 (b)相角調(diào)節(jié)功能 (c)阻抗補償功能 (d)自動潮流控制功能圖33 UPFC主要控制功能矢量圖(1)電壓調(diào)節(jié)功能當UPFC的輸入端節(jié)點電壓幅值突然發(fā)生突變時，通過UPFC調(diào)節(jié)注入電壓，從而調(diào)節(jié)輸出端電壓使之穩(wěn)定，進而控制線路上的傳輸?shù)挠泄Τ绷骱蜔o功潮流。如圖33(a)所示。不過這樣會使發(fā)電機的端口電壓降低，而且會增大發(fā)電機內(nèi)部的能量損耗，因此采用UPFC調(diào)節(jié)相角工作在相角調(diào)節(jié)模式，UPFC通過串聯(lián)側的注入電壓來補償負載需要的有功功率，并且不會改變發(fā)電機的功角，從而在不必調(diào)控輸電線路兩端電壓相位的情況下，可連續(xù)調(diào)控輸電線傳輸有功功率的大小，使電力系統(tǒng)中功率流向以及大小經(jīng)濟合理。(3)線路阻抗補償功能感性負載電流流經(jīng)線路電抗時會使負載端口電壓UL下降，當遠距離輸電時，線路上具有很大的電抗值XL，這就使得輸電線輸送功率極限能力下降，嚴重破壞電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。注入電壓和線路上的電流成比例的變化，所以從線路一端看UPFC相當于一個串聯(lián)的阻抗；給定一個阻抗參考值，通常情況下相當于一個有極性的電阻和電容或電感組成的阻抗；當注入電壓與線路上的電流二者互相垂直時如圖33(c)所示，UPFC就相當于一個阻抗補償(感性或容性)，此操作模式用來匹配系統(tǒng)中存在的串聯(lián)容性線路補償。UPFC對線路阻抗進行補償不僅改善了潮流分布，而且能夠充分利用輸電設備提高線路的輸送能力，有效地避免了低頻振蕩，提高了動態(tài)、暫態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖33(d)所示，調(diào)節(jié)注入電壓的幅值和相位，改變流經(jīng)傳輸線路上的電流，可以調(diào)節(jié)線路上的有功和無功潮流。 UPFC系統(tǒng)功率、電壓平衡分析 無UPFC微電網(wǎng)的潮流分析當微電網(wǎng)中未架設UPFC時，假設整個網(wǎng)絡中沒有故障均工作在正常模式下，此時的電力網(wǎng)絡可以簡化為雙端電源系統(tǒng)模型。根據(jù)潮流計算可得： (35)令，代入式(35)可得 (36)則 (37)根據(jù)圖34，線路始端的有功功率和無功功率值也能按下式計算： (38)由計算結果可知，在不架設UPFC的微電網(wǎng)中，只有通過改變負荷的大小、電源或調(diào)整電源間負荷分配關系來實現(xiàn)改變系統(tǒng)潮流分布的方式。只有保證UPFC整個系統(tǒng)的有功功率平衡即注入UPFC的有功功率與系統(tǒng)消耗的有功功率平衡，才能使直流側電容電壓恒定不變，即要滿足關系式： (310) 將上式代入式(39)計算可得： (311)由式(311)可以看出，系統(tǒng)的電源端不僅要滿足接受端所需的有功功率，還要補償UPFC功率變換部分所損耗的有功功率。 (312)由式(312)化簡可得式(313)： (313)將abc三相坐標系經(jīng)過派克變換轉換為兩相旋轉d、q坐標系，規(guī)定其d軸方向為U1的方向，則根據(jù)瞬時功率理論，可以得到： (314)通常情況下和的相差不大，uRduRq，所以P2受u12q很大的影響，而u12d對其影響就顯得很小。雖然u12d對P2的影響較小，但是如果想更精確地控制有功潮流，則在控制系統(tǒng)中u12d不能忽略。 UPFC系統(tǒng)無功功率平衡分析根據(jù)圖32可知整個系統(tǒng)的無功功率平衡如下： (316)這里，代表發(fā)送端電源所發(fā)出的無功功率；代表電源輸出端線路阻抗吸收的無功功率；代表UPFC并聯(lián)變換器吸收的無功功率；代表UPFC串聯(lián)變換器注入電網(wǎng)的無功功率；代表UPFC輸出端線路傳輸?shù)臒o功功率。上式中，表示UPFC并聯(lián)變換器輸入無功功率的變化量；表示電源US發(fā)送到UPFC輸入端無功功率的變化量；表示UPFC串聯(lián)部分吸收無功功率的變化量；表示UPFC發(fā)送端輸出無功功率的變化量。根據(jù)圖32所示，可以得到Q2的計算公式如下： (321)將上式轉換到與上相同的同步旋轉d、q坐標系下，考慮可得： (322)從式(322)可以看出，若想控制UPFC輸出端線路無功潮流，只能通過控制u12d、u12q來實現(xiàn)。雖然u12q對Q2的影響較小，但是如果想更精確地控制有功潮流，則在控制系統(tǒng)中u12q不能忽略。由于電源電壓幅值US不變?nèi)缦率剿荆? (328)若要維持UPFC輸入端節(jié)點電壓U1不變，即則根據(jù)式(327)和式(328)可得：(329)忽略含有的高次項可以得到： (330)通常而言，則式(329)可以等效為。由式(3