基于統一潮流控制器（UPFC）的潮流控制研究

張靜　王立龍

摘 要：統一潮流控制器是一種由串聯和并聯組合型柔性交流輸電（FACTS）裝置，柔性交流輸電系統中的潮流控制及線路補償問題都可以由統一潮流控制器解決。首先分析影響潮流分布的主要因素及潮流控制手段，在此基礎上分析統一潮流控制器對潮流控制的實現，研究了統一潮流控制器的潮流控制范圍；最后簡單介紹了統一潮流控制器在應用中的局限性。

關鍵詞：潮流控制器 UPFC 交流輸電

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：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

靈活交流輸電系統是指裝有電力電子型或其他靜止型控制器以加強系統的可控性和增加功率傳輸能力的交流輸電系統。它的主要內涵是用大功率電力電子元件代替這些傳統元件上的機械式高壓開關，從而使電力系統中影響潮流分布的三個主要電氣參數：電壓線路阻抗及功率角可按照系統的需要進行迅速調整。在不改變網絡結構的前提下，使電網的輸送能力以及潮流和電壓的可控范圍大大增加。

統一潮流控制器（Unified Power Flow Controller簡稱UPFC）統一潮流控制器的原理框圖如圖1所示，中間是電容器組，兩邊通過兩組背靠背的逆變器和變壓器分別并入和串入輸電線路，通過對兩邊的逆變器進行控制，可以分別調節并入線路和串入線路的電壓的幅值和相位。從結構上看，UPFC是STATCOM和SSSC的結合；從功能上看，前面的各種裝置功能都是單一的，而UPFC能同時對影響系統潮流的三個基本參數（電壓、阻抗、相角）進行控制，從而對有功和無功潮流分別進行雙向控制。本文將在分析影響潮流分析主要因素及控制手段的基礎上研究統一潮流控制器如何實現對潮流的控制，以及統一潮流控制的潮流控制范圍，最后介紹了統一潮流控制器的發展。

1 影響潮流分布的因及潮流控制手段

圖2是一條輸電線上潮流的簡化圖以及電壓電流相量圖。1、2分別為兩個獨立區域，其中分別有發電機、負載等，兩個區域通過一條輸電線連接起來，圖中將整個系統等效為單機無窮大系統。和分別為兩邊母線電壓幅值，兩電壓相角為。輸電線等效為電抗，線路電阻、電容均忽略。如圖2（b）所示，兩母線電壓、相量差即是線路上的電壓降落，線路電流為：，相位滯后。

通常線路上的電壓降落與系統電壓相比是很小的，即很小。假設滿負荷運行時每10 km電壓降落1%，則200 km長的線路滿負荷運行時的電壓降落為20%，對應的是很小的。如設，可以算出約為。

線路電流與線路上的電壓垂直，為分析電流相對的有功和無功分量，將分解為與平行和垂直的兩個分量和，由產生的電流與垂直，為電流的無功分量。

若忽略線路電阻，則兩端的有功相等，即：。

如圖4所示，功率隨作正弦變化，除非能對中的某一個或多個參數進行快速有效的控制，否則系統只能運行在小于的一定范圍內，而且為了保證系統的暫態穩定，往往會留有很大的裕度，所以的值一般較小，通常實際中系統運行在左右。調整線路的阻抗是控制潮流的一種手段，增大或減小的值能改變功率曲線，對于同樣的功率，不同則對應的值不同，也即是穩定裕度不同。調整阻抗的傳統方法為串聯電抗器/電容器。

改變線路兩端電壓的幅值也可以控制潮流。如圖5所示，改變的幅值，相量的幅值變化不大，但其相角變化很大，相應地，電流的幅值變化不大，但相角變化大，由于無功等于電壓與電流以及它們之間夾角正弦值的乘積，當夾角較小時，夾角的變化對乘積的影響很大，也就是說調整或的幅值對無功的影響很大。

此外，在線路中串入一個與線路電流垂直的電壓也可以改變潮流分布。如圖6所示，當串入電壓與線路電流垂直時（近似與線路電壓同相），對電流幅值的影響很大，但對電流相角的影響很小，所以主要是改變有功。串入的與線路電流垂直的電壓與系統只有無功交換，傳統的方法是通過調相機實現，作調整功角之用（簡稱調相）。

而當串入的電壓幅值和相角都變化時，如圖7所示，線路的有功潮流和無功潮流均會變化。對以上三圖進行分析會發現圖5和圖6均可以看作是圖7的特例；另外對串聯電壓進行控制可使之具有電抗器/電容器的外特性，所以串入幅值和相角均可變的補償電壓的方法實際上可以實現調壓、調相和調節阻抗三種功能。

綜上，控制潮流可以采取的手段可分為調整線路阻抗、調整功率角和調整電壓三種。傳統調整線路阻抗的方法有串聯電抗器/電容器；調整功角的方法為利用調相機；調整電壓的方法為并聯電抗器/電容器；而像圖7那樣串聯幅值和相角均可變的電壓則可以完成三種功能。

2 統一潮流控制器對潮流控制的實現endprint

UPFC作為交流電力傳輸的實時控制和動態補償系統，能夠實現多種靈活的控制功能，從而解決輸配電中的許多問題。潮流控制是UPFC的基本功能之一，下面具體分析UPFC的潮流控制功能。

如圖1所示，UPFC在結構上由兩個電壓源型變換器組成。在圖中標有變換器1和變換器2的兩個變換器的直流端與統一組電容器相連，形成“背靠背”的結構。兩個變換器的交流端之間可以看作是理想的交-交變換器，有功功率可以在其間雙向流通，而且兩個變換器均可以在各自的交流端獨立地發出或吸收有功功率。

變換器2以插入變壓器的形式在線路中串入一幅值和相角均可控的電壓向量，從而實現其在UPFC中的功能。串入的這個電壓體現為一個同步電壓源。線路電流流過這個電壓源，從而引起它與系統之間有功和無功的交換。很明顯，變換器2和串聯變壓器實現了上節中所述的在線路中插入串聯補償電壓，從而完成調壓、調相和調整阻抗的功能。

變換器1的基本功能是根據變換器2的需要產生或吸收有功，通過與直流部分連接產生串聯變壓器需要的有功功率。直流部分通過變換器2從系統中吸收的有功功率通過變換器1的并聯變壓器返還給系統。除了滿足變換器2的有功功率需求，變換器1按能要求向系統發出無功或者從系統中吸收無功，從而扮演并聯無功補償裝置的角色。

裝置通過某一個變換器從系統吸收的有功功率必須通過另外一個變換器返還給系統，而無功交換主要由變換器2決定，并且可以有凈交換。所以變換器1既可以作為統一的功率裝置的一部分，也可以與變換器2一樣作為獨立的無功補償裝置運行。很顯然，UPFC的直流部分不必有無功潮流。

4 統一潮流控制器應用中的局限性

前文論述了統一潮流控制器具有十分優越的控制控制特性，但現行應用的UPFC并不多，影響UPFC投入應用的主要因素是其造價和運行費用均很高，為電力公司難以接受。造成UPFC成本很高的主要原因是大量使用大功率電力電子器件，造成其運行費用高的主要原因是電力電子器件的開關頻率高，功率損耗和器件損耗大。

統一潮流控制器的功能完善，但由于經濟上的困難影響了其實際應用。為了將UPFC的功能在電力系統中實現，人們一直在尋找降低其造價和運行費用的方法，如盡力降低電力電子器件的成本和開關損耗等，但一直都沒有實質上的突破。美國西屋公司的Kalyan K.Sen和Mey Ling Sen共同提出了一種新型統一潮流控制器“Sen” Transformers，它的功能與傳統的UPFC相仿，故稱之為“新型”統一潮流控制器，但其造價和運行費用較傳統UPFC有了大幅度下降。

5 結語

UPFC作為第三代FACTS裝置的典型代表，具有強大的電壓和潮流調節能力，同時也能有效提高系統穩定性。本文對統一潮流控制器的基礎性原理進行了論述，以系統運行人員及統一潮流控制器的應用提高理論支持。

參考文獻

[1] Comparison of the "Sen" transformer with the unified power flow controller，Sen，K.K.Mey Ling Sen；Power Delivery，IEEE Transactions on，Volume：18，Issue：4，Oct. 2003 Pages：1523-1533

[2] 唐愛紅.統一潮流控制器運行特性及其控制的仿真和實驗研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[3] 朱鵬程.用于UPFC的串、并聯雙變流器控制策略研究[D].武漢：華中科技大學，2005.

[4] 謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統的原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2006.

[5] 胡臻達.特高壓輸電線路用新型可控串補方案及其控制策略研究[D].北京：中國電力科學研究院，2012.endprint