統一潮流控制器

電力系統是一個複雜的非線性動態系統,由輸配電線路和多種設備相互聯繫、相互影響而形成巨維數電力網絡,目前正沿着高電壓、大容量、大規模、遠距離方向發展。隨着全球經濟一體化,電力業界面臨來自環境保護、產業調整、電力需求及電力市場等方面前所未有的挑戰,可概括為 ^[2]  :

a.增大輸電能力。電力需求穩定增長,然而在地理上分佈不均,可得到的電源往往遠離日益增長的負荷中心,由於政策法規、環境保護及費用等因素制約,新擬建電源及線路遭到減縮,這使得提高輸電能力的需求更為突出,據EPRI(美國電力科學研究院)估計,許多輸電走廊都將運行在現有的穩定極限附近。

b.保持系統穩定。由於電網中存在的電磁環網和過負荷線路,導致電壓質量惡化和電力系統穩定性下降,近幾年來多次發生災變性重大電力事故,因此要求在不降低現有傳輸功率的可行性和安全性情況下,最大程度地利用現有發電和輸電設備的效能。

c.優化系統運行。因運行變化或電力市場所決定的功率輸送的變化次數快速增加,系統的控制變得更為複雜,需要對整體系統的潮流進行優化,這種優化需要在越來越大的地區內綜合考慮全局的運行情況。

FACTS的概念是由EPRI的Hingorani博士1988年首先提出的。這一技術是日新月異的電力電子技術與電力系統的阻抗控制元件、功角控制元件以及電壓控制元件(如串補電容、並聯電容、電抗、移相器、電氣制動電阻等)相結合的產物,也是現代控制技術、計算機技術、通信技術取得巨大進展的結果。FACTS的主要內涵是用大功率晶閘管元件代替附加在這些傳統元件上的機械式開關。FACTS改變了過去交流輸電慢速、不精確化控制和優化技術,從而使電力系統中影響潮流分佈的電壓、線路阻抗及功率角等3個主要電氣參數可按照系統的需要迅速調整。在不改變網絡結構的情況下,使網絡的功率輸送能力以及潮流和電壓的可控性大為提高,給交流輸電系統帶來很大的飛躍,也為電力業界解決上述面臨的挑戰提供了契機。目前,UPFC已成為實現FACTS的主要技術手段。

由於諸多顯而易見的優越性,加上大功率晶閘管的造價日趨降低,目前我國和美國、瑞典、巴西、德國、英國、日本等國家都在積極開展FACTS設備製造或應用的研究。

美國西屋科技中心(Westinghouse Science and Technology Center)的L. Gyugyi博士於1991年提出了統一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，縮寫為UPFC)的概念。 UPFC是FACTS家族中最複雜的也是最有吸引力的一種裝置，它綜合了許多FACTS器件的靈活控制手段 ^[3]  ，被認為是最有創造性，且功能最強大的FACTS元件，它的成功運行被稱作 FACTS技術發展的重要里程碑(milestone of FACTS technology)。UPFC是由並聯補償的靜止同步補償器(STATCOM)和串聯補償的靜止同步串聯補償器(SSSC)相結合組成的新型潮流控制裝置，它的結構由兩個電壓源型變流器為主構成，還包括直流電容、串聯變壓器、並聯變壓器和控制系統。它是將一個由變流器產生的交流電壓串入加在輸電線相電壓上，使其幅值和相角均可連續變化，僅僅通過控制規律的變化，就能分別或同時實現並聯補償、串聯補償、移相等幾種不同的功能，可大幅度改變輸電線路的潮流，增強系統阻尼，抑制次同步振盪以及提高整個電力系統的靜態穩定性和暫態穩定性，性能明顯優於功能單一的FACTS器件。

作為第3代FACTS元件之一的UPFC,也是最有力、最全面的晶閘管控制裝置,由兩個共用直流側電容的電壓源變換器(Voltage-Sourced Converters)組成,變換器1通過變壓器T1並聯接入系統,除了向變換器2提供有功功率外,還可通過T1向系統吸收或注入無功功率,可看作是可控的並聯靜止無功補償器。變換器2通過變壓器T2串聯接入系統,向線路注入一個幅值和相角可調的串聯電壓,控制線路的潮流,如圖1所示 ^[4]  。

通過控制規律調節功率和線路參數,UPFC可分別或同時實現串聯補償、並聯補償、移相等幾種不同的功能,提高線路傳輸能力、穩定性及阻尼振盪,具有獨特的實時控制傳輸線路潮流的特性。與其它FACTS控制器相比,UPFC控制範圍較大,控制方式更為靈活。世界第一台UPFC即將在美國電力公司(AEP)的Inez變電所試運行。

在柔性交流輸電系統中，幾乎所有的FACTS裝置都只能調節影響電力線輸送功率的三個參數中的一個，但UPFC可以同時調節三個參數，即可以同時補償線路參數、調節節點電壓幅值和節點電壓相位。此外，還能實現並聯補償、串聯補償等基本功能以及這些基本功能間的相互組合作用。

UPFC可以同時調節其並聯部分和串聯部分的輸出來控制電網的參數，其基本功能：

(1)電壓調節功能

當輸入節點電壓Y，幅值突然發生變化的時候，為了使線路上傳輸的有功、無功功率能夠及時得到修正，採用了電壓調節功能。UPFC串聯注入電壓和輸入節點電壓的相位相一致，控制幅值使得輸出的總電壓的幅值與指定的參考值相同，從而消除電壓閃變，改變、修正系統的潮流，穩定電壓。

(2)相角調節功能

當負載需求的有功功率增加時，發電機通過調節功角來改變系統提供的有功功率，滿足負載的要求。但是這樣會引起發電機端電壓下降，而且發電機的內部損耗增大，因此採用UPFC的相角調節模式，負載需要的有功功率通過串聯側的注入電壓來補償，發電機的功角不變，從而在不必調控輸電線路兩端電壓相位的情況下，可連續調控輸電線傳輸有功功率的大小，使電力系統中功率流向經濟合理。

(3)線路阻抗補償功能

感性負載電流流過線路電抗的時候會使負載端電壓下降，遠距離傳輸線路上的電抗值XL很大，進而使得輸電線輸送功率極限能力下降，危害電力系統運行穩定性。因此要進行線路阻抗補償。補償電壓和線路上的電流，成比例的變化，使得從線路一端看UPFC相當於一個串聯的阻抗:指定一個期望的阻抗參考值，大體上相當於一個有極性的電阻和電容或電感組成的阻抗。

(4)動態潮流控制功能

在實際的電力系統運行當中，不僅會有電網電壓的閃變，而且線路上傳輸的有功和無功潮流也會發生變化，因此採用了UPFC的自動潮流控制模式，它實際上是上述幾種模式的綜合。，控制電壓的幅值和相位，改變線路上的電流，從而調節線路潮流。

(5)無功補償功能

UPFC的並聯部分可以獨立地向電網提供無功功率，因此可以控制UPFC並聯部分向接入節點提供無功補償，起到支撐輸入節點電壓的目的。

UPFC較傳統的FACTS技術相比有着顯而易見的優越性，但也應該看到，由於它必須與系統進行有功功率交換，因而，其控制算法的制定以及實現難度相對要大得多。從總體上説，UPFC的並聯電流源和串聯電壓源可以各自獨立或聯合運行，獨立運行時與系統中單獨使用STATCOM和SSSC沒有什麼兩樣，而只有聯合運行才能真正實現UPFC的所有功能。事實上，獨立或聯合運行本質上的區別並不在於並聯電流源和串聯電壓源兩者是否有物理上的連接，而在於是否通過控制使兩者互聯的直流母線上呈現有功功率的交換。當然，要想實現UPFC的功能，兩者通過直流母線的物理連接是必要的條件 ^[4]  。

由於構成UPFC的並聯電流源和串聯電壓源可以各自輸出在其容量限定下的無功功率，同時控制環節能夠保證直流母線上有功功率的交換，則UPFC的運行方式可分別由其串聯和並聯部分的運行方式所決定。為了表達清晰，這裏先分別進行描述。

在統一潮流控制器中，並聯變流器的工作原理是通過並聯變壓器與輸電線路進行功率交換，從而實現有功傳輸及無功補償。電流可分兩部分考慮，即有功分量和無功分量，其中有功分量用來提供串聯變流器所需要的有功功率。根據無功分量使用的目的分為三種情況:

在統一潮流控制器中，串聯電壓源以串聯方式向系統直接注入具有一定幅值和相位的電壓V,:來改變線路潮流的分佈。具體分為四種控制模式:

根據安裝的要求，兩個變流器可以分開獨立運行，並聯變流器及相應器件作為一個獨立的靜止同步補償器(( STATCOM)運行，串聯變流器及相應器件作為一個獨立的靜止同步串聯補償器(SSSC)運行。當工作在這兩種狀態時，兩個變流器均不能產生或吸收有功功率，也就是説它們都只能作為無功補償器使用。線路的功率仍然可以控制，但是有功功率和無功功率不能單獨控制。

同時，兩個變流器也可以關聯運行，UPFC的主要功能是通過串聯變流器來調節線路的有功和無功，串聯變流器所需的有功功率由並聯變流器提供，而這一切必須通過中間的直流電容環節來實現。

由於UPFC的引入,傳輸線路參數發生變化,潮流方程中將會出現新的狀態變量和約束條件,UPFC串聯控制引入非節點邊界條件,如支路潮流等於整定值,其內部的約束條件應該滿足,即並聯變換器從系統中吸收的有功功率等於串聯變換器注入系統的有功功率。目前含UPFC潮流計算的方法可分為等效功率注入法的解耦方法和聯立求解方法兩類,後者的收斂特性比較好。但不管採用什麼方法計算UPFC潮流,大都採用電源模型,即用2個可控的電源來等效UPFC的串聯部分和並聯部分,通過控制兩個電源參數的變化,調節電力系統的運行狀態。

FACTS這項新技術在我國具有廣闊的應用前景。隨着我國超高壓、大容量、遠距離輸電的發展,各大區電網互聯已成為發展的必然趨勢。現行的電力系統對輸電線路的調節與控制僅限於繼電保護和重合閘,而系統大量事故和運行問題又發生在輸電線上,使之成為電力系統安全經濟運行的“瓶頸” ^[3]  。

FACTS技術的出現為解決這個問題提供了十分重要的控制工具。UPFC的主要作用是控制線路的傳輸功率和母線電壓,研究利用FACTS元件特別是UPFC在現有設備條件下使潮流和電壓的可控性大幅度提高,減少互聯繫統的備用容量,既適合我國電力建設因資金緊張而不適於大規模更新設備的狀況,又能夠採用新技術改善現有的電力傳輸水平及電力系統的安全可靠運行,具有理論和實際意義。UPFC一方面可同時全面控制傳輸線路參數,另一方面由於存在多控制變量而不易控制,對UPFC的數學模型分析和仿真還很不全面,特別是UPFC的控制規律及暫態行為還有待進一步研究,因此,從系統的角度考慮,實現對電力系統的多目標協調控制是UPFC控制器設計的主要目標。