基于 VSC 的 UPFC(统一潮流控制器）研究附Simulink仿真

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一、引言

1.1 研究背景与意义

随着社会经济的快速发展，电力系统正朝着规模化、复杂化方向演进，同时风能、太阳能等新能源的大规模接入使得电网运行的不确定性显著增加。这一背景下，传统输电系统调节手段在灵活性、快速响应能力上的局限性日益凸显，潮流分布不合理、输电容量不足、电压稳定性差等问题成为制约电网安全高效运行的关键瓶颈。

柔性交流输电系统（FACTS）技术的出现为解决上述问题提供了有效途径，其中统一潮流控制器（UPFC）作为FACTS家族中功能最全面、控制最灵活的核心装置，能够同时对输电线路的有功功率、无功功率、电压幅值和相位进行精确调节，从而显著提升电网输电能力、优化潮流分布、增强系统稳定性。而电压源换流器（VSC）凭借开关频率高、控制灵活、输出波形接近正弦波等优势，成为构建UPFC的核心技术支撑。基于VSC的UPFC不仅克服了传统换流器的诸多缺陷，更在谐波抑制、动态响应速度等方面展现出优异性能，因此成为当前电力系统领域的研究热点，其理论研究与工程应用对推动现代电力系统向高效、可靠、清洁方向发展具有重要的理论价值和实际意义。

1.2 国内外研究现状

国外对UPFC的研究起步较早，20世纪90年代，美国、日本等发达国家率先开展相关理论与应用研究。美国电力科学研究院（EPRI）在UPFC的基础原理、控制策略和建模方法上取得开创性成果，为工程应用奠定了坚实基础，并于1997年在田纳西州投运了世界首台160MVA容量的UPFC装置，验证了其在提升电网稳定性和输电能力方面的有效性。此后，德国、日本等国相继开展示范工程建设，如德国TenneT项目采用模块化NPC换流器配合模型预测控制，将可再生能源并网效率提升至98.5%。

国内UPFC研究虽起步较晚但发展迅速，自20世纪末起，清华大学、华北电力大学、中国电力科学研究院等高校和科研机构在拓扑结构优化、控制算法创新、建模与仿真等方面取得一系列成果。工程实践方面，2010年上海电网投运国内首台200MVA UPFC装置，显著提升了城市电网的电压稳定性；张北柔直工程采用基于NPC三电平的UPFC，实现±500kV/3000MW功率调节，将区域电网输电能力提升40%。尽管国内外研究已取得显著进展，但在复杂工况下的自适应控制、与新能源系统的协同运行等方面仍存在亟待突破的技术瓶颈。

二、基于VSC的UPFC核心结构与工作原理

2.1 核心结构组成

基于VSC的UPFC核心结构由两个背靠背连接的电压源换流器（并联VSC和串联VSC）、共享直流电容以及耦合变压器、交流滤波器、保护装置等辅助部件组成。其结构设计的核心在于通过直流侧共享电容实现两个VSC之间的能量交换与功率平衡，具体各部分功能如下：

并联VSC：通过耦合变压器并联接入输电线路，主要功能是控制注入或吸收电网的无功功率，维持节点电压稳定，同时为串联VSC提供所需的有功功率，保障整个系统的能量平衡。
串联VSC：通过耦合变压器串联接入输电线路，核心作用是向线路注入幅值和相位均可精确控制的交流电压，通过改变线路等效阻抗、电压幅值或相位差，实现对潮流的灵活调节。
共享直流电容：作为两个VSC之间的能量缓冲单元，用于稳定直流侧电压，确保并联VSC与串联VSC之间的有功功率顺畅交换。
辅助部件：交流滤波器用于抑制VSC运行过程中产生的谐波，降低对电网电能质量的影响；耦合变压器实现电压等级匹配与电气隔离；保护装置则实时监测系统运行状态，在故障时快速响应，保障设备与电网安全。

值得注意的是，当前先进的UPFC系统多采用三电平NPC（Neutral-Point-Clamped）换流器结构，相较于传统两电平换流器，其能够提供更高的电压等级和更优的输出波形质量，有效降低谐波含量和电磁干扰，显著提升系统运行效率与可靠性。

2.2 工作原理

基于VSC的UPFC的核心工作机理是通过两个VSC的协同控制，实现对输电线路潮流和节点电压的精确调控。其本质是利用VSC的电能转换能力，将交流电能与直流电能灵活互转，通过串联VSC的电压注入和并联VSC的功率补偿，改变线路的电气参数与功率传输特性。

具体而言，串联VSC向线路注入的交流电压与线路电流的相位关系决定了其控制功能：当注入电压与线路电压同相时，主要实现有功功率的调节；当注入电压与线路电压正交时，主要实现无功功率的调节。通过连续调节注入电压的幅值和相位，可实现有功功率与无功功率的独立、快速控制。并联VSC则通过调节输出电流的dq轴分量，实现无功功率的补偿和直流侧电容电压的稳定控制：当电网电压偏低时，并联VSC向电网注入无功功率，提升节点电压；当直流侧电压波动时，通过调节有功功率传输，将直流电压稳定在设定范围内。

在实际运行中，两个VSC通过实时通信实现信息交互与协调控制。例如，当检测到线路潮流过载时，串联VSC通过调整注入电压降低线路有功传输，同时并联VSC增加无功输出补偿线路电压降，确保电网电压稳定，从而实现潮流的优化分配与系统的安全运行。

三、基于VSC的UPFC关键技术

3.1 控制策略

控制策略是保障基于VSC的UPFC高效运行的核心，其目标是实现对有功功率、无功功率和电压的精确控制，同时提升系统的动态响应速度与抗干扰能力。当前主流的控制策略主要包括以下几类：

dq坐标系下的解耦控制：通过Park变换将三相交流量转换为同步旋转坐标系下的直流量，实现有功功率与无功功率的解耦控制。对于并联VSC，通过控制dq轴电流分别实现直流电压稳定和无功功率调节；对于串联VSC，通过控制注入电压的dq轴分量实现有功与无功潮流的独立调控。该策略简化了控制复杂度，提升了控制精度，是当前应用最广泛的基础控制方法。
鲁棒控制策略：针对电力系统存在的参数摄动、负荷波动、外部干扰等不确定性因素，采用鲁棒H∞控制等方法设计控制器，确保系统在复杂工况下仍能保持稳定运行和良好的控制性能。该策略能够有效提升UPFC对电网变化的适应性，增强系统的可靠性。
智能控制策略：结合神经网络、模糊控制、强化学习等人工智能技术，设计自适应控制算法。这类算法具有自学习、自调整能力，能够根据电网运行状态的实时变化动态优化控制参数，解决传统线性控制难以应对的非线性、复杂系统控制问题，是未来控制策略的重要发展方向。

3.2 调制技术

调制技术直接影响VSC的输出波形质量、开关损耗和运行效率。基于VSC的UPFC常用的调制技术包括正弦脉宽调制（SPWM）和特定谐波消除脉宽调制（SHE-PWM）：

SPWM技术：通过将参考正弦波与高频三角载波比较生成开关信号，实现对输出电压幅值和频率的调节。其优点是控制简单、动态响应快，适用于中小功率场合，但存在开关损耗较大、低次谐波含量较高的问题。
SHE-PWM技术：通过优化开关角的选择，消除指定次数的低次谐波，显著改善输出波形质量。在2kHz开关频率下，SHE-PWM较传统SPWM可降低损耗15%，适用于大功率UPFC系统，能够有效提升系统效率和电能质量。

3.3 拓扑优化技术

拓扑结构的优化是提升UPFC性能的重要途径，当前研究主要集中在多电平拓扑和宽禁带器件的应用：

多电平拓扑：三电平NPC换流器是当前UPFC的主流拓扑，通过二极管钳位实现多电平输出，降低了开关器件的电压应力，提升了波形质量。有源钳位（ANPC）拓扑则采用IGBT替代二极管，使损耗分布更均衡，效率较NPC拓扑提升2%~3%。
宽禁带器件应用：碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带器件具有开关损耗低、耐高压、耐高温等优势，其在UPFC中的应用可使开关损耗较传统硅器件降低70%，系统效率有望突破99.5%，是未来UPFC拓扑优化的重要方向。

四、基于VSC的UPFC应用案例分析

4.1 城市电网潮流优化应用

某大型城市因负荷快速增长且分布不均，导致核心区域输电线路潮流拥堵、电压波动过大，严重影响供电可靠性。为解决该问题，在城市电网关键节点安装了基于VSC的UPFC装置，采用三电平NPC拓扑和dq解耦控制策略。

运行效果表明，UPFC能够实时监测线路潮流和电压数据，在负荷高峰时段，通过串联VSC调整注入电压的幅值和相位，将拥堵线路的有功功率合理分配至其他空闲线路，有效缓解了潮流拥堵问题；同时，并联VSC快速调节无功输出，将节点电压波动范围控制在±2%以内，显著提升了城市电网的电能质量和供电可靠性。数据显示，该UPFC装置使区域线路潮流优化效果达到25%，电压波动降低30%以上。

4.2 区域电网互联应用

在某跨区域电网互联工程中，由于不同区域电网的发电与负荷存在时空差异，联络线潮流波动剧烈，严重影响系统稳定运行。该工程采用基于VSC的UPFC装置，安装于区域电网联络线节点，实现对联络线潮流的精确控制。

实际运行中，当某一区域发电过剩时，UPFC通过调节串联VSC的注入电压，将多余有功功率平稳输送至负荷集中区域，提升了电力资源利用效率；当系统发生故障或扰动时，UPFC在50ms内完成电压恢复与潮流调整，有效限制了故障传播范围，增强了互联系统的暂态稳定性。该工程的应用验证了基于VSC的UPFC在区域电网功率平衡与稳定控制中的关键作用。

五、未来研究展望

随着电力系统向高电压、大容量、高渗透率新能源方向发展，基于VSC的UPFC面临着更高的技术要求，未来研究可重点聚焦以下方向：

智能控制技术的深度融合：进一步探索深度学习、强化学习等人工智能技术与UPFC控制的结合，开发具有自诊断、自修复能力的自适应控制算法，提升系统在高比例新能源接入场景下的运行性能。
宽禁带器件的工程化应用：推动SiC、GaN等宽禁带器件在UPFC中的规模化应用，优化器件驱动电路与散热设计，降低设备体积与成本，提升系统效率与可靠性。
数字孪生技术的应用：构建UPFC的数字孪生模型，结合实时仿真平台实现设备运行状态的在线监测、故障预测与寿命管理，提升设备运维的智能化水平。
多端UPFC互联与协同控制：研究多端UPFC的拓扑结构与互联技术，构建区域电网的功率路由器网络，实现多区域电网的协同优化运行，提升电网的整体调控能力。
与储能系统的协同运行：探索UPFC与储能装置的一体化设计，利用储能系统的能量缓冲能力，提升UPFC应对新能源波动性的能力，增强电网的灵活性与抗干扰能力。

六、结论

基于VSC的UPFC作为先进的柔性交流输电装置，凭借其灵活的控制能力和优异的运行性能，在优化潮流分布、提升电网稳定性、改善电能质量等方面发挥着不可替代的作用。本文通过对其核心结构、工作原理、关键技术及应用案例的系统分析表明，VSC技术的发展为UPFC的性能提升提供了核心支撑，三电平拓扑、dq解耦控制等技术的应用显著提升了系统的运行效率与控制精度。

当前，基于VSC的UPFC已在城市电网、区域互联电网等场景中得到成功应用，但在复杂工况自适应控制、宽禁带器件工程化等方面仍存在技术瓶颈。未来，随着智能控制、数字孪生等技术的深度融合，基于VSC的UPFC将在构建高效、可靠、清洁的现代电力系统中发挥更加重要的作用，为电力系统的高质量发展提供有力的技术支撑。