基于统一潮流控制器（UPFC）的潮流控制研究

张静　王立龙

摘 要：统一潮流控制器是一种由串联和并联组合型柔性交流输电（FACTS）装置，柔性交流输电系统中的潮流控制及线路补偿问题都可以由统一潮流控制器解决。首先分析影响潮流分布的主要因素及潮流控制手段，在此基础上分析统一潮流控制器对潮流控制的实现，研究了统一潮流控制器的潮流控制范围；最后简单介绍了统一潮流控制器在应用中的局限性。

关键词：潮流控制器 UPFC 交流输电

中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0111-04

Abstract：UPFC is a combination of series and parallel type of Flexible AC Transmission（FACTS）devices，Flexible AC Transmission Systems compensated flow control and line problems can be solved by a unified power flow controller.Firstly，the main factors affecting the distribution and trend of flow control means，Analysis of UPFC realization of flow control on this basis，to study the trend of control UPFC；Finally，a brief introduction of UPFC limitations in the application.

Key Words：Power Flow Controller；UPFC；AC Power Transmission

灵活交流输电系统是指装有电力电子型或其他静止型控制器以加强系统的可控性和增加功率传输能力的交流输电系统。它的主要内涵是用大功率电力电子元件代替这些传统元件上的机械式高压开关，从而使电力系统中影响潮流分布的三个主要电气参数：电压线路阻抗及功率角可按照系统的需要进行迅速调整。在不改变网络结构的前提下，使电网的输送能力以及潮流和电压的可控范围大大增加。

统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller简称UPFC）统一潮流控制器的原理框图如图1所示，中间是电容器组，两边通过两组背靠背的逆变器和变压器分别并入和串入输电线路，通过对两边的逆变器进行控制，可以分别调节并入线路和串入线路的电压的幅值和相位。从结构上看，UPFC是STATCOM和SSSC的结合；从功能上看，前面的各种装置功能都是单一的，而UPFC能同时对影响系统潮流的三个基本参数（电压、阻抗、相角）进行控制，从而对有功和无功潮流分别进行双向控制。本文将在分析影响潮流分析主要因素及控制手段的基础上研究统一潮流控制器如何实现对潮流的控制，以及统一潮流控制的潮流控制范围，最后介绍了统一潮流控制器的发展。

1 影响潮流分布的因及潮流控制手段

图2是一条输电线上潮流的简化图以及电压电流相量图。1、2分别为两个独立区域，其中分别有发电机、负载等，两个区域通过一条输电线连接起来，图中将整个系统等效为单机无穷大系统。和分别为两边母线电压幅值，两电压相角为。输电线等效为电抗，线路电阻、电容均忽略。如图2（b）所示，两母线电压、相量差即是线路上的电压降落，线路电流为：，相位滞后。

通常线路上的电压降落与系统电压相比是很小的，即很小。假设满负荷运行时每10 km电压降落1%，则200 km长的线路满负荷运行时的电压降落为20%，对应的是很小的。如设，可以算出约为。

线路电流与线路上的电压垂直，为分析电流相对的有功和无功分量，将分解为与平行和垂直的两个分量和，由产生的电流与垂直，为电流的无功分量。

若忽略线路电阻，则两端的有功相等，即：。

如图4所示，功率随作正弦变化，除非能对中的某一个或多个参数进行快速有效的控制，否则系统只能运行在小于的一定范围内，而且为了保证系统的暂态稳定，往往会留有很大的裕度，所以的值一般较小，通常实际中系统运行在左右。调整线路的阻抗是控制潮流的一种手段，增大或减小的值能改变功率曲线，对于同样的功率，不同则对应的值不同，也即是稳定裕度不同。调整阻抗的传统方法为串联电抗器/电容器。

改变线路两端电压的幅值也可以控制潮流。如图5所示，改变的幅值，相量的幅值变化不大，但其相角变化很大，相应地，电流的幅值变化不大，但相角变化大，由于无功等于电压与电流以及它们之间夹角正弦值的乘积，当夹角较小时，夹角的变化对乘积的影响很大，也就是说调整或的幅值对无功的影响很大。

此外，在线路中串入一个与线路电流垂直的电压也可以改变潮流分布。如图6所示，当串入电压与线路电流垂直时（近似与线路电压同相），对电流幅值的影响很大，但对电流相角的影响很小，所以主要是改变有功。串入的与线路电流垂直的电压与系统只有无功交换，传统的方法是通过调相机实现，作调整功角之用（简称调相）。

而当串入的电压幅值和相角都变化时，如图7所示，线路的有功潮流和无功潮流均会变化。对以上三图进行分析会发现图5和图6均可以看作是图7的特例；另外对串联电压进行控制可使之具有电抗器/电容器的外特性，所以串入幅值和相角均可变的补偿电压的方法实际上可以实现调压、调相和调节阻抗三种功能。

综上，控制潮流可以采取的手段可分为调整线路阻抗、调整功率角和调整电压三种。传统调整线路阻抗的方法有串联电抗器/电容器；调整功角的方法为利用调相机；调整电压的方法为并联电抗器/电容器；而像图7那样串联幅值和相角均可变的电压则可以完成三种功能。

2 统一潮流控制器对潮流控制的实现endprint

UPFC作为交流电力传输的实时控制和动态补偿系统，能够实现多种灵活的控制功能，从而解决输配电中的许多问题。潮流控制是UPFC的基本功能之一，下面具体分析UPFC的潮流控制功能。

如图1所示，UPFC在结构上由两个电压源型变换器组成。在图中标有变换器1和变换器2的两个变换器的直流端与统一组电容器相连，形成“背靠背”的结构。两个变换器的交流端之间可以看作是理想的交-交变换器，有功功率可以在其间双向流通，而且两个变换器均可以在各自的交流端独立地发出或吸收有功功率。

变换器2以插入变压器的形式在线路中串入一幅值和相角均可控的电压向量，从而实现其在UPFC中的功能。串入的这个电压体现为一个同步电压源。线路电流流过这个电压源，从而引起它与系统之间有功和无功的交换。很明显，变换器2和串联变压器实现了上节中所述的在线路中插入串联补偿电压，从而完成调压、调相和调整阻抗的功能。

变换器1的基本功能是根据变换器2的需要产生或吸收有功，通过与直流部分连接产生串联变压器需要的有功功率。直流部分通过变换器2从系统中吸收的有功功率通过变换器1的并联变压器返还给系统。除了满足变换器2的有功功率需求，变换器1按能要求向系统发出无功或者从系统中吸收无功，从而扮演并联无功补偿装置的角色。

装置通过某一个变换器从系统吸收的有功功率必须通过另外一个变换器返还给系统，而无功交换主要由变换器2决定，并且可以有净交换。所以变换器1既可以作为统一的功率装置的一部分，也可以与变换器2一样作为独立的无功补偿装置运行。很显然，UPFC的直流部分不必有无功潮流。

4 统一潮流控制器应用中的局限性

前文论述了统一潮流控制器具有十分优越的控制控制特性，但现行应用的UPFC并不多，影响UPFC投入应用的主要因素是其造价和运行费用均很高，为电力公司难以接受。造成UPFC成本很高的主要原因是大量使用大功率电力电子器件，造成其运行费用高的主要原因是电力电子器件的开关频率高，功率损耗和器件损耗大。

统一潮流控制器的功能完善，但由于经济上的困难影响了其实际应用。为了将UPFC的功能在电力系统中实现，人们一直在寻找降低其造价和运行费用的方法，如尽力降低电力电子器件的成本和开关损耗等，但一直都没有实质上的突破。美国西屋公司的Kalyan K.Sen和Mey Ling Sen共同提出了一种新型统一潮流控制器“Sen” Transformers，它的功能与传统的UPFC相仿，故称之为“新型”统一潮流控制器，但其造价和运行费用较传统UPFC有了大幅度下降。

5 结语

UPFC作为第三代FACTS装置的典型代表，具有强大的电压和潮流调节能力，同时也能有效提高系统稳定性。本文对统一潮流控制器的基础性原理进行了论述，以系统运行人员及统一潮流控制器的应用提高理论支持。

参考文献

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