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统一潮流控制器：电力传输控制的新方法
摘要：本文表明，统一潮流控制器（UPFC）能够控制传输有效功率和独立地控制在传输线的发送和接收端的无功功率流。UPFC在多线路补偿中的独特能力被集成到广义的功率流控制器中，该功率流控制器能够在线路中维持规定的，可独立控制的有功功率和无功功率流。本文介绍了所提出的广义P和Q控制器的基本概念，并将其与更常规但相关的功率流控制进行比较，例如晶闸管控制的串联电容器和晶闸管控制的相位角调节器。本文还介绍了计算机模拟的结果，显示了UPFC在不同系统条件下的性能。
关键词：交流传输，FACTS，潮流控制器，线路补偿，串联电容器，相角调节器，晶闸管，GTO，功率转换器，逆变器。
引言
统一潮流控制器（UPFC）被提议用于交流传输系统的实时控制和动态补偿，提供解决许多面临公用事业工业所需的功能所需的灵活性。
统一潮流控制器由两个开关转换器组成，在实施中考虑的是使用栅极截止（GTO）晶闸管的电压源逆变器，如图1所示。
图 1统一潮流控制器的基本电路布置
这些逆变器，在图中标记为 'Inverter 1'和'Inverter 2' ，由直流存储电容器提供的公共直流链路操作。 这种布置用作理想的交流电力转换器，其中有功功率可以在两个逆变器的交流端子之间的任一方向上自由流动，并且每个逆变器可以在其自己的交流输出端子处独立地生成（或吸收）无功功率。
逆变器2(Inverter 2)通过注入具有可控量值（）和相位角（）的交流电压来提供UPFC的主要功能。该注入的电压本质上可以被认为是同步电压源。 传输线电流流过该电压源，导致其与交流系统之间的有功和无功功率交换。在交流端子（即，插入变压器的端子）处交换的实际功率由逆变器转换为在直流链路处出现的直流功率，作为正或负实际功率需求。 在交流端子处交换的无功功率由逆变器在内部产生。
逆变器1（Inverter 1）的基本功能是提供或吸收逆变器2在公共直流链路上所需的有功功率。该直流链路功率被转换回交流并且经由并联连接的变压器耦合到传输线。 如果需要，逆变器1还可以产生或吸收可控无功功率，从而其可以为线路提供独立的并联无功补偿。重要的是要注意，尽管对于通过逆变器1和2的串联电压注入而回到线路的动作所协商的有效功率存在闭合的“直接”路径，但是交换的相应无功功率由逆变器2本地提供或吸收 因此它不流过该线。 因此，逆变器1可以以单位功率因数操作，或者被控制成与逆变器2交换的无功功率无关地与线路进行无功功率交换。这意味着不存在通过UPFC的连续无功功率流。
从基于无功分流补偿，串联补偿和相移的常规电力传输的观点来看，统一潮流控制器的操作，UPFC可以满足所有这些功能，从而通过将注入电压加上来满足多个控制目标， 适当的幅度和相位角，到端电压。 使用相量表示，基本的UPFC功率流控制功能如图2所示。
图 2 基本UPFC控制功能：（a）电压调节，（b）串联补偿，（c）角度调节，和（d）多功能潮流控制
类似于在具有无限小步长的变压器抽头变换器中可获得的端子电压调节，在（a）处示出，其中（粗体字母表示相量）与。
串联电容补偿如（b）所示，其中与线电流I正交。
传输角调节（相移）在（c）处示出，其中以相对于的角关系注入，其实现了期望的相移（提前或延迟），而幅度没有任何变化。
多功能电力潮流控制由同时端电压调节，串联电容线补偿和相移执行，如（d）所示，其中。
他以前根据传统控制概念总结出来的UPFC迄今无法实现的功能，可以集成到能够维持规定和独立可控的有功功率P和无功功率Q的通用功率流量控制器中。在这个概念中，串联补偿，相移等的常规术语变得不相关， UPFC简单地实时控制注入电压的幅度和角位置，以便维持或改变线路中的有功和无功功率流，以满足负载需求和系统操作条件。
在下面的章节中，本文描述了通用P和Q控制器的基本概念，将其与更传统的功率流控制器进行比较，例如晶闸管控制系列电容器和晶闸管控制相位角调节器，描述了实现中使用的电子控制的原理，并介绍了计算机模拟结果，显示UPFC在稳态和动态系统条件下的性能。
P和Q控制的基本原理
考虑图3。 在（a）具有发送端电压，接收端电压和线路（或联络）阻抗X（为简单起见假定为感应的）的简单的两个机器（或两个总线交叉连接）。在（b）处，以相量图形式的系统的电压被示出为具有透射角和。 在（c）中，在线的端部处提供的传输功率和无功功率 角度.在（d）无功功率，如图所示对应于S的“稳定”值（即，）的发射功率P.
图 3简单的双机系统（a），相关的电压相量（b），实际和无功功率与传输角度（c）以及发送端无功功率与传输有效功率（d）。
引入具有公知的传输特性的基本电力系统图3，用于提供媒介物以建立UPFC的能力，以便在发送时控制传输的有功功率P和无功功率需求 分别是线路的接收端。
考虑图4其中简单电力系统图3扩展包括UPFC。 UPFC由与线路串联的可控电压源表示，如在前面部分中所解释的，其可以产生或吸收其与线路协商的无功功率，但是其交换的实际功率必须被提供给它或被它吸收，由发送端发生器。
与线路串联的UPFC注入的电压由相量表示，其具有从给定相位测量的幅度和从相量的给定相位位置测量的角度，如图所示 。 由相量I表示的线电流流过串联电压源，并且通常导致无功和有功功率交换。 为了正确地表示UPFC，串联电压源规定只产生无功功率Q，它与线路交换。 因此，假定与线路协商的有功功率P被传送到发送端发生器，就好像其与发送端发生器之间的有功功率存在完美耦合。这与UPFC电路结构一致，其中两个组成逆变器之间的dc链路建立用于注入串联电压源和发送端总线之间的有功功率的双向耦合。如图4所示的，在本讨论中，为了清楚起见进一步假设不利用UPFC的并联无功补偿能力。也就是说，假设UPFC并联逆变器以单位功率因数运行，其唯一功能是将串联逆变器的实际功率需求传送到发送端发电机。 利用这些假设，串联电压源与如图4所示的发送端发生器的实际功率耦合是基本UPFC的精确表示。
图 4 双机系统采用统一潮流控制器。
在图4中可以容易地观察到，传输线“看到”，作为有效发送端电压。 因此，很明显，UPFC影响跨传输线的电压（其幅度和角度），因此可以合理地预期，它能够通过改变的幅度和角度来控制可传输 有功功率以及线路在发送端和接收端电压之间的任何给定传输角度的无功功率需求。
在图5a至5d中，示出了由发射端发生器提供的无功功率和由接收端发生器提供的，其与传输功率P分别作为幅度和角度的函数绘出注入电压相量，以四个传输角：。 在 = 0时，这些曲线中的每一个变为图3d中所示的基本Q-P曲线上的离散点，其包括在上述每个图中以供参考。对于（）的传输角范围，示出Qs和P，以及Q和P之间的关系的曲线，UPFC被操作以提供没有无功功率控制（）的最大可传输功率，在图的“发送端”和相应的“接收端”图上用标签“= MAX”标记。
首先考虑图5a，其示出了当传输角度为零时的情况。由于全部为零，即系统停在坐标的原点。围绕和的原点的圆表示作为电压相量的变化，其中其最大量值VF旋转整圈3。围绕和的原点的圆表示以及分别作为电压相量的变化，其最大量值旋转一整圈。这些圆内的面积定义了通过控制相量的幅度和角度可获得的所有P和Q值。 换句话说，和平面中的圆定义了给定额定值的UPFC可获得的所有，以及值。例如，可以观察到，具有规定的额定电压0.5p.u.的UPFC 能够建立0.5 p.u. 功率流，而不在发送端或接收端发生器上施加任何无功功率需求。当然，如图所示，UPFC可以迫使发电机在一端为在另一端的发电机供应无功功率。（在内部情况下，一个系统可能被迫为另一个系统提供无功功率。）
图 5 可获得的发送端无功功率与发射功率（左手侧图）和接收端无功功率与发射功率（右手侧图）值，UPFC在
通常，在任何给定的传输角度，传输的有功功率P和传输线端的反应爪的需求可以通过UPFC在和平面中获得的边界内自由地控制，通过旋转注入电压相量，其最大幅度为全转。 每个平面中的边界围绕由Q对P曲线上的传输角度限定的点为中心，其表征 = 0处的基本功率传输。考虑下面的情况（图5b），可以看出，平面中的接收端控制区域再次由圆定义，然而，在平面中的发送端控制区域边界成为椭圆。随着透射角进一步增加到例如60°（图5c），限定平面中的P和的控制区域的椭圆变窄，最后变成90°（图5d），它退化为直线。相比之下，平面中的P和的控制区域边界在所有透射角保持为圆形。
图5a至5d清楚地表明，UPFC具有独立控制在任何传输角度的有功和无功功率的独特能力，为传输系统控制提供了强大的新工具。
为了建立与其他相关的功率流控制器（例如晶闸管控制系列电容器（TCSC）和晶闸管控制的相位角调节器（TCPAR））相关的UPFC的能力，功率流控制特性 这些和UPFC在下一节中介绍。选择用于该比较的基础是每种类型的功率流控制器的能力以改变在接收端的传输有功功率和无功功率需求。接收端无功需求通常是一个重要因素，因为它显着影响线路电压与负载需求的变化，负载抑制过电压和稳态系统损耗。。 当然，在发送端可以容易地进行类似的比较，但是结果将是相当类似的，至少在实际的传输角度。
比较UPFC到TCSC和TCPAR
再次考虑图4所示的简单的双机系统（双总线接口）。该模型可用于建立晶闸管控制的串联电容器和晶闸管控制的相位角调节器的基本传输特性，使用它们代替 UPFC在不同传输角度对系统的Q对P特性建立其效应。
UPFC与TCSC的比较
晶闸管控制串联电容器方案通常使用晶闸管控制的电抗器与电容器并联以改变有效串联补偿电容。 在实践中，可以使用几个电容器组，每个具有其自己的晶闸管控制的电抗器，以满足特定的应用要求。 为了本研究的目的，TCSC，无论其实际实施方式，可以被简单地认为是一个连续可变电容器，其阻抗在的范围内是可控的。可控串联电容性阻抗消除了电抗线路阻抗的一部分 减小的总传输阻抗（即，在电短路线中）和相应增加的可传输功率。
晶闸管控制系列电容器是一个主动控制的电容阻抗，它只能影响流经传输线的电流的大小。 在TCSC的任何给定的阻抗设置下，限定特定的线路阻抗，在该线路阻抗下，传输的功率严格地由传输角度（假定终端电压具有恒定的幅度）来确定。 因此，线路端点处的无功功率需求由传输的有功功率以与线路未补偿但具有较低线路阻抗相同的方式确定。因此，发送功率P和接收端Qr处的无功功率需求之间的关系可以由图6所示的两个机器系统中的任何串联电容性的TCSC补偿线路的单个Qr-P曲线来表示 阻抗在的范围内（同样的曲线，当然也描述了Qs-P关系）。这意味着可以通过使用基本传输关系建立无限数量的Qr-P曲线，即， 和，其中在0和之间变化。显然，给定的传输角度定义单个点 在用特定值X获得的每个Qr-P曲线上。因此，从零到的的逐渐增加可以被视为似乎在第一Qr-P曲线上的给定传输角处定义对应的P和Qr值的点，该曲线表示没有补偿的功率传输（ = 0）移动通过无限数量的表示逐渐增加的串联补偿的Qr-P曲线，直到它最终到达表示具有最大串联补偿的功率传输的最后的Qr-P曲线。代表未补偿功率传输的第一Qr-P曲线可以被认为是下边界曲线并且由标识。 表示具有最大串联补偿的功率传输的最后Qr-P曲线可以被认为是上边界曲线并且由标识。注意，和前面一样，所有的Qr-P曲线只考虑传输角度（）的“稳定”范围。
图 6 带有晶闸管控制的串联电容器的双机系统
图7a至7d中的图表示具有相同0.5p.u.的TCSC的Qr-P控制的范围。在每个图中，两个边界曲线和代表零点补偿 和最大串联补偿（= ）由虚线示出以供参考，以及由虚线示出的UPFC的先前导出的圆形控制区域用于比较。
图 7 利用TCSC（粗线）和具有UPFC（在虚线圆内）在处的可获得的Q和P值
考虑图7a，其示出了传输的情况角度为零（）。 由于TCSC是主动控制的但功能上无源的阻抗，通过具有补偿阻抗（）的线路的电流保持恒定为零，而不管的实际值如何。因此，P和Qr都为零 ，系统处于停止状态，该状态不能由TCSC改变。相比之下，由于UPFC是一个主动控制的电压源，它可以在任一方向上强制达到0.5p.u.有功功率流，并且还可以控制图中所示的循环控制区域内的发送端和接收端总线之间的无功功率交换。
在的TCSC的Qr-P特性示于图7b中。 如图所示，对于串联补偿的总范围，Qr和P之间的关系由连接下边界曲线和上边界曲线上的两个相关点的直线和，它们表示在处的功率传输，分别具有零和最大串联补偿。可以观察到，如预期的，TCSC通过改变串联补偿的程度来控制实际功率 然而，线路的无功功率需求不能被独立地控制;它仍然是在时获得的传输有效功率与估值的直接函数。还要注意的是，用TCSC可达到的可发射功率的最大增加是在给定发射角下用未补偿线路发射的功率的恒定百分比（由串联补偿的最大程度定义）。换句话说，在小的传输角度下，在实际传输功率中可达到的最大增加远小于在大的传输角度。这是由于TCSC是串联阻抗，因此其产生的补偿电压与线电流成比例，线电流是角度的函数。相反，由于UPFC是电压源，因此最大补偿电压其产生独立于线路电流（和角度）。因此，可通过UPFC实现的可传输功率以及接收端无功功率中的最大变化（增加或减少）不是角度的函数，并且仅由UPFC额定为串联注入的最大电压确定与线（假设0.5 p.u.在本文中）。 UPFC的这个特性从限定用于所考虑的四个不同传输角度的UPFC的控制区域的相同半径的圆圈是显而易见的。
图7c和7d分别示出了TCSC和UPFC在和时的Qr特性，进一
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