Unified Power Flow Controller (Phasor Type)
Реализуйте фазорную модель трехфазного унифицированного контроллера степени
Описание
Унифицированный Контроллер Степени (UPFC) является наиболее универсальным представителем семейства Гибких Систем Передачи Переменного Тока (ФАКТЫ), использующих силовую электронику для управления потоком степени в степенях [1]. UPFC использует комбинацию шунтирующего контроллера (STATCOM) и последовательного контроллера (SSSC), соединенных между собой через общую шину постоянного тока, как показано на рисунке ниже.
Однолинейная схема UPFC и фазорной схемы напряжений и токов
Эта топология «ФАКТОВ» обеспечивает гораздо большую гибкость, чем SSSC для управления активной и реактивной степенью линии, поскольку активная степень теперь может быть передана от преобразователя шунта к преобразователю серии, через шину постоянного тока. Вопреки SSSC, где введенное напряжение Vs ограничено для того, чтобы оставаться в квадратуре с током линии I, теперь инжектируемое напряжение Vs может иметь любой угол относительно линейного тока. Если величина инжектируемого напряжения Vs поддерживается постоянным и если его фазовый угол по отношению к V1 изменяется от 0 степеней до 360 степеней, локус, описанный концом вектора V2 (V2 = V1 + Vs), является кругом, как показано на диаграмме фазора. Поскольку ϕ варьируется, сдвиг фазы δ между напряжениями, которые также изменяют V2 и V3 в двух концах линии. Из этого следует, что и активная степень P, и реактивная степень Q, переданная на одном конце линии, могут управляться. Управляемая область UPFC в плоскости P-Q является областью, заключенной в эллипс, как показано на рисунке ниже.
Контролируемая область для UPFC 100 MVA на 500 кВ, 200-км линия
Этот рисунок была получаем с UPFC на 100 МВА, управляющим активной и реактивной степенью на одном конце линии электропередачи на 500 кВ, 200 км. Использовались следующие параметры:
Линия: длина = 200 км; реактивное сопротивление = 0,35 Ом/км
Системное напряжение: 500-kV бесконечных источников V1 и V3; V1 = 1,0 pu, 0 степени; V3 = 1,0 pu,−7.22 степеней
Серия и рейтинг конвертера: 100 MVA
Последовательный преобразователь: номинальное впрыскиваемое напряжение = 10% номинального напряжения от линии к земле (28,9 кВ); импеданс (реактивное сопротивление утечек трансформатора и фильтры) = 0,15 pu
При V3 отставании V1 на 7,22 степени естественный расход степени без компенсации составляет 450 МВт или 50% нагрузки импеданса помпажа линии (SIL = 900 МВт). При инжектируемом напряжении Vs = 0,1 pu может быть получена любая рабочая точка внутри большого эллипса, и активная степень может изменяться приблизительно на +/- 300 МВт.
В дополнение к разрешению управления активной и реактивной мощностью линии, UPFC обеспечивает дополнительную степень свободы. Его преобразователь шунта, работающий как STATCOM, управляет V1 напряжения путем поглощения или выработки реактивной степени.
И последовательный, и шунтирующий преобразователи используют преобразователь напряжения (VSC), подключенный на вторичной стороне соединительного трансформатора. VSC используют принудительно коммутируемые степени (GTO, IGBT или IGCT), чтобы синтезировать напряжение от источника постоянного напряжения. Общий конденсатор, подключенный на стороне постоянного тока VSC, действует как источник напряжения постоянного тока. Для VSC могут использоваться две технологии VSC:
VSC с использованием преобразователей квадратной волны на основе GTO и специальных соединительных трансформаторов. Обычно четыре трехуровневых инвертора используются для создания 48-ступенчатой формы волны напряжения. Специальные соединительные трансформаторы используются для нейтрализации гармоник, содержащихся в квадратных волнах, генерируемых отдельными инверторами. В этом типе VSC основной компонент напряжения пропорционален напряжению Vdc. Поэтому Vdc должен варьироваться для управления впрыскиваемым напряжением.
VSC с использованием инверторов PWM на основе IGBT. Этот тип инвертора использует метод модуляции ширины импульса (PWM), чтобы синтезировать синусоидальную форму волны от постоянного напряжения с типичной частотой рубки несколько килогерц. Гармоники отменяются путем подключения фильтров на стороне переменного тока VSC. Этот тип VSC использует постоянное напряжение постоянного тока Vdc. Напряжение изменяется путем изменения индекса модуляции ШИМ модулятора.
UPFC (Тип Фазора) моделирует UPFC на основе IGBT. Однако, поскольку детали инвертора и гармоник не представлены, его можно также использовать для моделирования UPFC на основе GTO в исследованиях стабильности на переходном этапе.
Система управления
Преобразователь шунта работает как STATCOM. Описание системы управления см. в статическом синхронном компенсаторе (тип фазора). Сводные данные, преобразователь шунта управляет напряжением переменного тока на своих клеммах и напряжением шины постоянного тока. Он использует двойной цикл регулирования напряжения: внутренний цикл управления током и внешний контур, регулирующий напряжения переменного и постоянного тока.
Управление последовательной ветвью отличается от SSSC. В SSSC две степени свободы последовательного преобразователя используются для управления напряжением постоянного тока и реактивной мощностью. В случае UPFC две степени свободы используются для управления активной мощностью и реактивной мощностью. Упрощённый блок последовательного конвертера показан ниже.
Упрощенная Блоком схема последовательной системы управления конвертером
Последовательный преобразователь может работать или в управлении потоком степени (автоматический режим) или в ручном режиме впрыска напряжения. В режиме управления степенью измеренная активная степень и реактивная степень сравниваются с контрольными значениями, чтобы получить ошибки P и Q. Ошибка P и ошибка Q используются двумя регуляторами PI, чтобы вычислить соответственно Vq и Vd компоненты напряжения, которые будут синтезированы VSC. (Vq в квадратуре с V1 управляет активной степенью и Vd в фазе с V1 управляет реактивной степенью). В ручном режиме впрыска напряжения регуляторы не используются. Эталонные значения инжектированного напряжения Vdref и Vqref используются для синтеза напряжения конвертера.
Блок UPFC является фазорной моделью, которая не включает детальное представление силовой электроники. Вы должны использовать его с методом симуляции фазора, активированным блоком Powergui. Он может использоваться в трехфазных степенях вместе с синхронными генераторами, двигателями, динамическими нагрузками и другими системами «ФАКТОВ» и «Возобновляемых источников энергии» для выполнения исследований устойчивости к переходным процессам и наблюдения влияния УПФК на электромеханические колебания и пропускную способность на основной частоте.
Параметры
Параметры UPFC сгруппированы в три категории: Power data, Control parameters (shunt converter), и Control parameters (series converter). Используйте список Отобразить (Display), чтобы выбрать группу параметров, которую вы хотите визуализировать.
Вкладка «степень»
- Nominal voltage and frequency
Номинальное линейное напряжение в Vrms и номинальная системная частота в hertz. По умолчанию это
[ 500e3, 60 ].- Shunt Converter rating
Номинальный рейтинг преобразователя шунта в VA. По умолчанию это
100e6.- Shunt Converter impedance
Сопротивление положительной последовательности R и индуктивность L преобразователя шунта, в pu на основе номинальной оценки конвертера и номинального напряжения. R и L представляют сопротивление и индуктивность утечек трансформатора шунта плюс сопротивление и индуктивность последовательно фильтрующих индуктивностей, соединенных на выходе VSC. По умолчанию это
[ 0.22/30, 0.22 ].- Shunt Converter initial current
Начальное значение фазора тока положительной последовательности (величина в pu и фаза в степенях). Если вы знаете начальное значение тока шунта, соответствующего рабочей точке UPFC, вы можете задать его в порядок, чтобы начать симуляцию в установившемся состоянии. Если вы не знаете этого значения, можно оставить [0 0]. Система достигнет устойчивого состояния после короткого переходного периода. По умолчанию это
[0, 0 ].- Series Converter rating
Номиналы последовательного конвертера в VA и максимальное значение инжектируемого напряжения, V_conv на стороне VSC трансформатора (см. одинарную линию схему), в pu номинального напряжения от фазы до земли. По умолчанию это
[ 100e6, 0.1].- Series Converter impedance
Сопротивление положительной последовательности и индуктивность конвертера, в pu, на основе номинальной степени и напряжения конвертера. R и L представляют сопротивление и индуктивность утечек последовательного трансформатора плюс сопротивление и индуктивность последовательных фильтрующих индуктивностей, соединенных на выходе VSC. По умолчанию это
[ 0.16/30, 0.16 ].- Series Converter initial current
Начальное значение фазора тока положительной последовательности (величина в pu и фаза в степенях). Если вы знаете начальное значение последовательного тока, соответствующего рабочей точке UPFC, вы можете задать его в порядок, чтобы начать симуляцию в установившемся состоянии. Если вы не знаете этого значения, можно оставить [0 0]. Система достигнет устойчивого состояния после короткого переходного периода. По умолчанию это
[ 0 0].- DC link nominal voltage
Номинальное напряжение ссылки постоянного тока в вольтах. По умолчанию это
40000.- DC link total equivalent capacitance
Общая емкость ссылки постоянного тока в фарадах. Это значение емкости связано с рейтингами преобразователя UPFC и номинальным напряжением канала постоянного тока. Энергия, сохраненная в емкости (в джоулях), разделенной на номинальную степень преобразователя (в VA), является временной длительностью, которая обычно является частью цикла с номинальной частотой. Для примера, для параметров по умолчанию (C = 750 мкF, Vdc = 40 000 V, Snom = 100 MVA) это отношение составляет 6,0 мс, что представляет собой цикл 0,36 для частоты 60 Гц. Если вы измените значения по умолчанию номинального значения степени и постоянного напряжения, необходимо соответствующим образом изменить значение емкости. По умолчанию это
750e-6.
Вкладка Преобразователь Шунта
- Mode
Задает режим работы преобразователя шунта. Выберите один из
Voltage regulation(по умолчанию) илиVar Control.- Reference voltage Vref
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Var Control.Опорное напряжение, в pu, используемое регулятором напряжения. По умолчанию это
1.00.- External
Когда External выбран, Simulink® вход с именем Vref появляется на блоке, что позволяет управлять опорным напряжением от внешнего сигнала (в pu). Поэтому параметр Reference voltage Vref недоступен. Значение по умолчанию сброшено.
- Maximum rate of change of reference voltage
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Var Control.Максимальная скорость изменения опорного напряжения, в pu/s, когда используется внешнее опорное напряжение. По умолчанию это
0.1.- Droop
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Var Control.Падение реактивного напряжения, в рейтинге pu/shunt конвертера Snom, определяющее наклон характеристики V-I. По умолчанию это
0.03.- Vac Regulator gains: [Kp Ki]
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Var Control.Усиления регулятора ПИ переменного напряжения. Задайте пропорциональную составляющую Kp в (pu of I )/( pu of V) и интегральную составляющую Ki, в (pu of I )/( pu of V )/s, где V - ошибка переменного напряжения, а I - выход регулятора напряжения.
По умолчанию это [5, 1000].- Reactive power setpoint Qref
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Voltage regulation.Опорная реактивная степень, в pu, когда преобразователь шунта в
Var Controlрежим. По умолчанию это0.- Maximum rate of change of reactive power setpoint
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Voltage regulation.Максимальная скорость изменения реактивной степени ссылки, в pu/s. По умолчанию это
2.- Vdc Regulator gains: [Kp Ki]
Усиления регулятора постоянного напряжения PI, который управляет напряжением на конденсаторе шины постоянного тока. Задайте пропорциональную составляющую Kp in (pu of I )/Vdc и интегральную составляющую Ki, in (pu of I )/Vdc/s, где Vdc является ошибкой постоянного напряжения, и I является выходом регулятора напряжения. По умолчанию
это [0.1e-3, 20e-3].- Current Regulators gains: [Kp Ki]
Усиления внутреннего цикла регулирования тока. По умолчанию это
[0.5, 25]/3.Задайте пропорциональную составляющую Kp в (pu of V )/( pu of I), интегральную составляющую Ki, в (pu of V )/( pu of I )/s, где V является выходом регулятора d или q тока, и I является ошибкой тока Id или q.
Регулятору тока помогает прямой регулятор. Передний коэффициент усиления подачи (pu of V )/( pu of I) является реактивным сопротивлением преобразователя шунта (in pu), заданным параметром L в параметрах импеданса преобразователя Шунта [R L].
Вкладка Преобразователь рядов
- Bypass Breaker
Определяет статус обхода, связанного с прерывателями в блоке через терминалы A1, B1, C1 и A2, B2, C2. Выберите один из
External Control,Open(по умолчанию) илиClosed. Если выключатель байпаса находится во внешнем управлении, на блоке появляется вход Simulink с именем Bypass, позволяющий управлять состоянием выключателя байпаса от внешнего сигнала (0 или 1).- Mode
Задает режим работы последовательного конвертера. Выберите один из
Power flow control(по умолчанию) илиManual voltage injection.- Reference powers
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Manual voltage injection.Задайте значения ссылок, в pu. По умолчанию это
[5.87 -0.27].- External
Когда External выбран, на блоке появляется вход Simulink с именем PQref, позволяющий управлять активными и реактивными степенями от внешнего сигнала (в pu). Поэтому параметр Reference powers недоступен. Значение по умолчанию сброшено. Когда External выбран, на блоке появляется вход Simulink с именем Vdqref, позволяющий управлять введенным напряжением от внешнего сигнала (в pu). Поэтому параметр Reference voltages недоступен.
- Maximum rate of change of reference powers
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Manual voltage injection.Задайте максимальную скорость изменения Pref и Qref, в pu/s. По умолчанию это
1.- Power Regulator gains: [Kp Ki]
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Manual voltage injection.Усиления регуляторов ПИ, которые управляют активной степенью линии и реактивной степенью. Задайте пропорциональную составляющую Kp в (pu of Vdq )/( pu of PQ) и интегральную составляющую Ki, в (pu of Vdq )/( pu of PQ )/s, где Vdq - это Vd или Vq инжектированное напряжение, а PQ - ошибка P или Q напряжения.
По умолчанию это [0.025, 1.5].- Reference voltages
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Power flow control.Задайте компоненты прямой и квадратурной осей напряжения, инжектируемого на стороне VSC последовательного трансформатора, в pu. По умолчанию это
[0.05, 0.05].- Maximum rate of change for references voltages
Этот параметр не активируется, когда параметр Mode установлен в
Power flow control.Задайте максимальную скорость изменения напряжений Vdref и Vqref, в pu/s. По умолчанию это
0.2.
Входы и выходы
A1 B1 C1Три входных терминала UPFC.
A2 B2 C2Три выходных терминала UPFC.
TripПримените логический сигнал Simulink (0 или 1) к этому входу. Когда этот вход высок, преобразователь шунта отключается, и последовательный преобразователь обходится. В сложение, когда сигнал отключения высок, системы шунта и последовательного управления отключены. Используйте этот вход для реализации упрощенной версии системы защиты.
BypassЭтот вход видим, только когда параметр Bypass Breaker установлен в
External Control.Примените логический сигнал Simulink (0 или 1) к этому входу. Когда этот вход высок, байпасный выключатель закрывается.
VdqrefЭтот вход видим только, когда проверяется параметр External control of injected voltage Vdref _Vqref.
Примените векторизованный сигнал Simulink, задающий опорные напряжения Vdref и Vqref, в pu.
PQrefЭтот вход видим только, когда проверяется параметр External control of power references Pref _Qref.
Примените векторизованный сигнал Simulink, задающий опорные степени Pref и Qref, в pu.
mВыходной вектор Simulink, содержащий 34 внутренних сигнала UPFC. Эти сигналы являются либо векторами напряжений и токов (комплексными сигналами), либо сигналами управления. К ним можно получить индивидуальный доступ с помощью блока Bus Selector. Они, по порядку:
Сигнал
Группа сигналов
Имена сигналов
Определение
1-3
Степень Vabc1 (cmplx)
Va1 (pu)
Vb1 (pu)
Vc1 (pu)Фазорные напряжения (от фазы до земли) Va, Vb, Vc на входных клеммах UPFC A1, B1, C1 (pu)
4-6
Степень Iabc_SH (cmplx)
Ia_SH (pu)
Ib_SH (pu)
Ic_SH (pu)Токи фазора Ia, Ib, Ic, вытекающие в преобразователь шунта (pu)
7
Степень
Vdc (V)
Постоянное напряжение (V)
8-10
Степень Vabc2 (cmplx)
Va2 (pu)
Vb2 (pu)
Vc2 (pu)Фазорные напряжения (от фазы до земли) Va, Vb, Vc на выходных клеммах UPFC A2, B2, C2 (pu)
11-13
Степень Vabc_Inj (cmplx)
Va_Inj (pu)
Vb_Inj (pu)
Vc_Inj (pu)Фазоры инжектируемых напряжений
Vs = V2-V1 (pu)14_16
Степень Iabc_SE (cmplx)
Ia_SE (pu)
Ib_SE (pu)
Ic_SE (pu)Токи фазора Ia, Ib, Ic, протекающие в последовательном трансформаторе от ABC1 до ABC2 (pu)
17
Контроль
(Шунт)Vm (pu)
Значение положительной последовательности измеренного напряжения (pu)
18
Контроль
(Шунт)Vref (pu)
Опорное напряжение (pu)
19
Контроль
(Шунт)Qm (pu)
Реактивная степень преобразователя шунта. Положительное значение указывает на индуктивную операцию.
20
Контроль
(Шунт)Qref (pu)
Опорная реактивная степень (pu)
21
Контроль
(Шунт)Id (pu)
Прямоосевый компонент тока (активного тока), протекающая в преобразователь шунта (pu). Положительное значение указывает на активную степень, протекающую в преобразователь шунта.
22
Контроль
(Шунт)Iq (pu)
Квадратурная ось компонента тока (реактивного тока), протекающего в преобразователь шунта (pu). Положительное значение указывает на емкостную операцию.
23
Контроль
(Шунт)Идреф (pu)
Исходное значение составляющей тока прямой оси, протекающего в преобразователь шунта (pu)
24
Контроль
(Шунт)Икреф (pu)
Опорное значение квадратурно-осевого компонента тока, протекающего в преобразователь шунта (pu)
25
Контроль
(Шунт)modindex
Индекс модуляции m модулятора ШИМ преобразователя шунта. Положительное число 0 < m < 1. m = 1 соответствует максимальному напряжению, которое может генерироваться VSC без перенапряжения.
26
Контроль
СерияP (pu)
Измеренная активная степень, вытекающая из клемм A2, B2, C2 (pu)
27
Контроль
СерияQ (pu)
Измеренная реактивная степень, вытекающая из клемм A2, B2, C2 (pu)
28
Контроль
СерияPref (pu)
Опорная активная степень (pu)
29
Контроль
СерияQref (pu)
Опорная реактивная степень (pu)
30
Контроль
СерияVd_conv (pu)
Инжектируемое напряжение прямой оси на стороне VSC последовательного трансформатора (pu)
31
Контроль
СерияVq_conv (pu)
Квадратурная ось инжектируемого напряжения на стороне VSC последовательного трансформатора (pu)
32
Контроль
СерияVdref (pu)
Ссылочное значение прямой оси
инжектированное напряжение (pu)33
Контроль
СерияVqref (pu)
Опорное значение квадратурной оси
инжектированное напряжение (pu)34
Контроль
Серия
modindex
Индекс модуляции m ШИМ модулятора последовательного преобразователя. Положительное число 0 < m < 1. m = 1 соответствует максимальному напряжению V_conv которое может генерироваться последовательным преобразователем без перенапряжения.
Примеры
Смотрите power_upfc пример, который иллюстрирует использование управляющей степени UPFC в системе 500 кВ, 60 Гц.
Ссылки
[1] Н. Г. Хингорани, Л. Гюги, "Понимание ФАКТОВ; Концепции и технология гибких систем передачи переменного тока ", IEEE Press book, 2000
См. также
Статический синхронный компенсатор (тип фазора), статический синхронный последовательный компенсатор (тип фазора)