第八章 统一和间接潮流控制器.doc

8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 1 8 组合型补偿器 组合型补偿器 统一潮流控制器和线间潮流控制器统一潮流控制器和线间潮流控制器 8 1 引言引言 前面已对输电线路3个运行参数中每一种参数的独立控制分别都进行了描述 这些参数包括输 电电压 阻抗和相位角 它们决定了输电线路的运行特性 从中可以看出 有两种不同的技术途径 来实现其控制 只要功能配置齐全 这两种途径均能解决输电系统的补偿和控制问题 图8 1 常规晶闸管控制的FACTS控制器 第1种控制器组合采用常规晶闸管开关阀的无功补偿和抽头调压变压器作为控制器件 图8 1即 为这组中典型的几个控制器 它们包括静止无功补偿器 SVC 晶闸管控制串联电容器 TCSC 及 晶闸管控制电压调节器和相位角调节器 TCVR和TCPAR 在电路结构上 它们与断路器开关电容 器 电抗器和机械抽头调节器是相似的 但前者具有更快的响应速度 并且是在更为复杂的控制下 运行 图8 2 基于电压型变流器的FACTS控制器组合 第2种控制器组合运用自换相电压型开关变流器 它们能快速地实现静止同步电压源的控制 如图8 2所示 这一组控制器中包含静止同步补偿器 STATCOM 静止同步串联补偿器 SSSC 静 止同步电压和相角调节器 它们的运行特性和性能与理想的同步电机相似 几乎能提供实时的响应 速度和控制特性 当它们挂在电网上并联运行时 几乎可以做到与系统电压无关 或当它们串联在 线路中时 也能做到与输电电流无关 但在实际应用中 一般不太用 同步电压调节器 和 同步 相角调节器 这两个名词 因为这两个功能通常都能包含在其它控制器之中 这两种方法最主要的区别在于产生无功功率和交换有功功率的能力不同 在第1种控制器中 不同的FACTS控制器具有不同的有功和无功交换能力 如无功补偿器 如SVC和TCSC 不能与交 流系统交换有功功率 而对于调节器 如TCVR和TCPAR 而言 若忽略自身的损耗 尽管它们能 与交流系统交换有功和无功功率 但它们却不能够产生无功功率 因而也不能提供无功补偿 第2 种控制器与同步发电机的能力相似 在它们与交流系统交换有功和无功功率的同时 它们还能够自 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 2 动产生或吸收用于交换的无功功率 在实现这些相应功能时 也无需交流电容器或交流电抗器 但 如果要与交流系统交换有功功率 则必须由系统或独立的储能设备来提供相应的有功功率 在第5和第6章中已分别对STATCOM和SSSC进行了描述 它们都采用电压型变流器结构 无功 补偿电路内部的直流电压都是通过内部自给方式来保证的 而且都是根据同步电压源的原理来实现 电压和潮流的有效控制 通过第7章的描述应该了解到 电压和相位角的控制一般都要涉及到与交 流系统进行有功和无功功率的交换 因此 对于一个无约束的电压和相位角调节器来讲 它必须能 在复平面P jQ的4个象限中都能运行 而要具备这样的能力 就必须采用两个电压型变流器 其中 一个与系统并联 另一个则与输电线路串联 这两个电压型变流器一般应共用一个直流电容器 并 通过背靠背的方式将它们连接在一起 其中 串联变流器的容量应能满足串联注入电压在通过线路 电流时所对应的总视在功率的要求 它除了将有功功率转换到公共直流端外 自身还应能产生无功 功率 并联变流器的功能就是给直流侧提供有功功率 或从直流侧吸收有功功率 将有功功率反馈 到交流系统 因此 并联变流器提供有功功率 串联变流器就可以在其额定运行范围内 如同理想 交流发电机一样能提供或吸收有功和无功功率 显然 FACTS控制器的这种结构除了具有电压调节 和相位角控制 在复平面P jQ的4个象限运行能力外 而且还能够在任一象限以其内部产生的无功 自补方式来支撑所需的无功输出 后面将会了解到 这种背靠背的电压型变流器结构实际上就是一 个普通的交 交变流器 它的两个交流端子都能实现4个象限的运行 正是因为它的这一独特性能 使它能成为统一 多功能FACTS控制器的基本结构 本章的目的就是深入了解这种多功能FACTS控制器的潜在应用能力 且这种控制器就是建立在 背靠背结构的电压型变流器的基础之上 一般来讲 这种结构有3种可能的基本形式 第1种形式是 两个背靠背变流器中的一个与传输线路串联 另一个与传输线路并联 这种结构就是下面将要讨论 的统一潮流控制器 UPFC 虽然UPFC像STATCOM和SSSC那样 可以用各种不同的开关变流器来 实现 但这种结构就是UPFC普遍的特定形式 第2种结构形式是将两个背靠背结构的变流器都串联 在线路中 而且一般是两条不同的线路 这种结构称为线间潮流控制器 IPFC 本章的后面将专门 对这种结构进行介绍 第3种形式是将两个变流器都与系统并联 且两个系统分别属于不同的系统 这种结构的功能类似于异步连接 有时也将这种结构称为背靠背的STATCOM 它与背靠背的 HVDC在功能上有些相似 本章拟对前面两种结构分别进行介绍 而对第3种结构则不进行讨论 有兴趣的读者可参阅HVDC的有关内容 8 2 统一潮流控制器统一潮流控制器 1991年Gyugyi 首先提出了统一潮流控制器 UPFC 的概念 提出UPFC的目的就是为了实现交 流输电系统的实时控制和动态补偿 为解决电力用户所面临的诸多问题提供多功能 灵活的解决途 径 用传统输电范畴的语言来讲 UPFC能同时或选择性地控制所有影响输电线路潮流的参数 即 能对电压 阻抗和相位角进行控制 所谓 统一 的含义 就是指它所具有的这种独特性能 显然 这种统一潮流控制器也能够独立地控制线路中的有功和无功功率 根据前面介绍的各种控制器的基 本概念可知 对有功功率的控制也会引起无功功率大致相似的变化 即若增加了线路有功潮流 则 同时也会导致线路无功功率的增加 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 3 8 2 1 基本工作原理基本工作原理 图8 3 两机系统中的UPFC概念 从概念上讲 UPFC是一个广义的同步电压源 SVS 当系统在基波频率下运行时 串联注入电 压矢量Upq的幅值Upq 0 Upq Upqmax 和相位角 0 2 都是可控的 如图8 3所示 这个注入 电压串联在输电线路中 相当于两机系统或是连接两个独立系统的一般的工作单元 无约束的运行 功能实际上体现在对电压和相位角的调节作用 且这种SVS能够与系统交换无功和有功功率 但根 据前面介绍的内容可知 SVS只能产生交换所需的无功功率 若要实现有功功率的交换 必须有一 个适当的电源来提供或吸收有功功率 在图8 3的UPFC结构中 交换的有功功率是由送端母线来提 供的 图8 4 由两个背靠背的电压型变流器构成的UPFC 事实上 现在实际使用的UPFC结构是由图8 4所示的两个电压型变流器组成的 由图中可见 两个背靠背的变流器1和变流器2共用一个直流母线和一个储能电容 从内部功能上看 这种结构相 当于理想的交 交变频器 有功功率可以在两个变流器的两个交流端子之间在任一方向自由流动 此外 每个变流器的交流输出端也可独立地产生或吸收无功功率 在UPFC中 变流器2的主要功能是通过串联变压器给线路注入一个幅值Upq和相位角 均可控的 电压矢量Upq 这个注入电压本质上就是一个交流同步电压源 输电线路中的电流流经这个电压源 后 就会在变流器与交流系统之间产生有功和无功功率的交换 串联变压器交流端子上交换的无功 功率是由变流器内部产生的 而交流端子上交换的有功功率则会转换成直流侧的正向或反向有功功 率 变流器1的基本功能就是提供或吸收变流器2在公共直流母线上所需要的有功功率 以维持串联 注入电压与线路之间进行有功功率的交换 因此 变流器2转换到交流侧所需的直流功率 是由并 联在输电线路上的变压器提供给变流器1的 在UPFC中 除了变流器2能进行有功功率的交换外 如有必要 变流器1也可同时产生或吸收可控的无功功率 为线路提供独立的并联无功补偿 由此 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 4 可看出 由于UPFC的两个变流器之间具有直接和紧密的沟通路径 使有功功率能够从变流器1传送 到变流器2 然后再通过串联注入电压返回到输电线路 串联变压器与输电线路交换的无功功率是 由变流器2来提供或吸收的 它不必通过线路来得到 因此 变流器1可以在单位功率因数下运行 或用于变流器与系统之间的无功功率交换 它与变流器2交换的无功功率可以没有任何关系 显然 此时UPFC的直流母线上没有无功功率的流动 这也解释了直流侧只可能传输有功功率而不可能传 输无功功率的概念 8 2 2 UPFC的常规传输控制能力的常规传输控制能力 如果根据前几章介绍的FACTS控制器来分析统一潮流控制器的作用 也可以将UPFC的功能分 解为并联补偿 串联补偿和相位角调节等功能来进行分析 实际上 由电力系统的基本原理可知 只要适当改变注入电压Upq的幅值和相对于送端电压Us的相位角 就能够满足多个控制目标的要求 图8 5的矢量图即说明了UPFC潮流控制的基本功能 图8 5a为电压调节器连续变化的同相或反向注入电压矢量图 对应的电压增量Upq U 0 这种情况与第7章所介绍的变压器抽头调节的功能非常相似 只是将可变步长看成是无穷小而已 图8 5b为串联无功补偿 其中Upq Uq是与线路电流正交的注入电压 从功能上讲 它类似于第 6章介绍的SSSC在串联容性或感性线路补偿中可得到的效果 如有必要 这个注入的串联补偿电压 可保持恒定 使之不随线路电流的变化而变化 当然 也可以将它设置成与线路电流成某种比例关 系 以模拟串联电容或串联电感的补偿效果 图8 5 UPFC具有传统传输控制能力的矢量图 a 电压调节 b 线路阻抗补偿 c 相移 d 电压 阻抗和角度的同时控制 UPFC的相位角调节 相移 原理如图8 5c所示 这时可用注入电压Upq来代替相角调节器的输 出电压U 显然这个注入电压与送端电压Us之间存在一定相位移 以获得所期望的超前或滞后相位 移 但这个注入电压的幅值保持恒定 因此 UPFC也可作为第7章所介绍的理想相位角调节器来 使用 当然 它的内部也能根据要求控制无功输出 用UPFC同时实现电压调节 串联容性线路补偿和相位移控制的矢量关系如图8 5d所示 图中 Upq U Uq U 即它能够同时实现电压 串补和相位移这三种形式的控制 这也是UPFC独有的 功能 从传统的传输控制观点来看 为了说明UPFC一般潮流的控制能力 仍采用图8 3所示简单两机 系统中有功 无功与传输角之间的特性来说明 若不考虑线路上的有功损耗 由图8 3不难看出 传输功率P和受端提供的无功功率 jQr之和为 8 1 rpqx rr j X UUU UjQP 式中的符号 表示共轭复数 j ej 2 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 5 如果Upq 0 则为无补偿系统 此时式 8 1 可重新写为1 8 2 rx rr j j X UU UQP 当Upq 0时 总的有功功率和无功功率可写成 8 3 X UU X UU UQP jj j pqr rs rr 考虑到关系式 8 4 2 sinj 2 cose 2j UUUs 8 5 2 sinj 2 cose 2j UUUt 8 6 2 sin j 2 cos e pq 2 j pq UUUpq 将式 8 4 式 8 6 代入式 8 3 经整理后可得P和Q的表达式如下 8 7 2 cos sin pq 2 pq0 X UU X U PPP 8 8 2 sin cos1 pq 2 pqr0r X UU X U QQQ 式中 8 9 sin 2 0 X U P 8 10 cos1 2 r0 X U Q 式 8 9 和式 8 10 表示在给定传输角 下 无补偿系统的有功和无功传输特性 由于 在给定传输 角 0 下可以在0 2 之间自由变化 因此Ppq 和Qpq 的值应与 UU pq X和 UU pq X的变 化范围有关 但它们应与 角无关 由此可以得出 在任一传输角 下 有功功率和无功功率的可控 范围分别为 8 11 X UU PP X UU P pqmax 00 pqmax 0 8 12 X UU QQ X UU Q pqmax 00 pqmax 0 由图8 6可以看出 UPFC传输功率的控制范围很宽 且与传输角 无关 它表明UPFC在潮流控制 的应用中不仅具有卓越的能力 同时表明了它对提高暂态稳定性和阻尼功率振荡也具有很强的能力 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 6 图8 6 UPFC控制时输电线路的传输角 与可传输有功功率P和受端无功功率Q之间的关系 图8 7 a UPFC的矢量图 b 受端有功功率 无功功率与UPFC提供的有功功率 无功功率随注入电压矢量角度的变化曲线 为了进一步说明式8 7和式8 8 并为叙述方便起见 将图8 3再次以简化的形式重画在图8 7a中 图中的矢量图确定了电压Us Ur X两端电压的矢量Ux以及与注入电压Upq之间的关系 其中 电压 矢量Upq的可控幅值范围为0 Upq Upqmax 相位角变化范围为0 pq 360 图中 已假设 30 电压和阻抗的标幺值分别为Us Ur 1 X 0 5和Upqmax 0 25p u 显然 注入电压矢量Upq加上固定的 送端电压矢量Us就是送端输出的有效电压 即Useff Us Upq 而有效输出电压与受端电压矢量的电 压差Useff Ur就是线路阻抗X上的补偿电压矢量Ux 当 pq角在整个3600范围内变化时 矢量Upq的末 端轨迹对应一个圆 其圆心位于Us矢量的顶点 以该顶点为圆心 矢量Upqmax的幅值为半径所形成 的圆形区域 就是Upq矢量的运行范围 也即是线路可获得的补偿区域 如图8 7b所示 当电压矢量Upq随着 pq角的变化而旋转时 实际上就对矢量Ux的幅值和相位进 行调节 因此传输的有功功率P和无功功率Qr也将随着 pq以正弦方式变化 当然 这个过程要求注 入的电压源矢量Upq能够输出和吸收无功功率Qpq和有功功率Ppq 而且它们也必须是关于 pq的正弦 函数 UPFC的强大功能是基于传统补偿器概念的控制器所无法比拟的 它可集成在一般化的潮流控 制器中 从而使输电线路的潮流能按规定对有功功率P和无功功率Q独立地进行控制 根据这一概 念 在以后的叙述中 均假设UPFC的控制都是独立进行的 同时认为它已具有串联补偿 相位移 等传统术语所包括的含义 UPFC对注入电压的幅值和相位角的简单控制 就能够实时地维持或改 变线路的有功和无功潮流 并能满足负荷和系统运行条件的要求 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 7 8 2 3 独立的有功和无功潮流控制独立的有功和无功潮流控制 图8 8 a 两机系统传输的有功功率P0和受端无功功率Qor与传输角 的关系 b Qor与P0关系曲线 为了研究UPFC对传输线路有功和无功潮流的控制性能 在图8 7a中首先假设注入的补偿电压 Upq为零 但仍保留送端电压Us 受端电压Ur 传输角 和线路阻抗X的基本两机系统 或者是保留 连接两个交流母线的系统 由此可得到图8 8a所示的传输功率P0 U2 X sin sin 和受端提供的无 功功率Q0 Q0s Q0r U2 X 1 cos 与传输角 的关系 式中已假设U Us Ur 当U2 X 1 时 有功功率P0 和无功功率Q0r 之间的关系可表示为 8 13 11 2 00r PQ 或 8 14 1 1 2 0 2 0 PQ r 在 Qor P 平面上 式 8 14 实际上表示了一个圆 圆心位于Po 0 Qor l处 半径为1 0 而图8 8b 即为P取正值的半圆 该圆上的每一点都对应无补偿系统在给定传输角 下的P0和Qor值 例如 当 0 时 Po 0 Qor 0 30 时 Po 0 5 Qor 0 134 90 时 Po 1 0 Qor 1 0等 下面再观察图8 7a 但此时假设Upq 0 根据式 8 3 或式 8 7 式 8 8 和图8 7b可知 相对于无 补偿时P 和Qor 值的变化而言 此时的有功和无功功率与注入电压矢量Upq的幅值Upq和相位角 有很大的关系 由于相位角 是一个无约束的自由变量 它可在0 2 的范围内任意变化 因此 P 和Qr 可能达到的运行区域的边界就是以矢量Upq的最大幅值Upqmax为半径 并沿着该矢量 的一端旋转所形成的圆 根据式 8 14 知 该控制区域是一个以坐标Po Q0r 为圆心 以Ur Upq X为半径的圆 仍假设Us Ur U 则该圆可表示为 8 15 2 pqmax2 r 2 0 X UU QPP 式 8 15 确定的圆形控制区域如图8 9所示 图中各变量的标幺值分别为 U 1 0 Upqmax 0 5 X 1 0 圆弧的圆心对应式 8 14 所确定的无补偿系统的特性 相应的传输角分 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 8 别为 0o 30o 60o 和90o 也就是说 当传输角分别为 0o 30o 60o和90o时 控制区域的中心 是由 Qr P 平面与这些角度对应的Po Qor 坐标值来确定的 图8 9 UPFC对输电线控制的有功功率P和受端无功功率Qr a 0o b 30o c 60o d 90o 图8 9中的a图表示传输角 为零时的情况 当Upq P Qr 和Qs 都为零时 系统在平面的原点处 于静止状态 此时 Qr和P值的轨迹就是围绕 Qr P 坐标原点的一个圆 这个圆也即是电压矢量Upq 以其最大幅值Upqmax围绕圆心旋转一周 0o 360o 形成的 圆内区域就是对矢量Upq的幅值Upq和 相位角 进行控制可得到的所有P和Qr值 换句话说 对于给定额定容量的UPFC来讲 Qr P 平面 内的圆规定了所有可得到的P和Qr值 例如 当UPFC将电压调节为0 5p u 时 就能够在任一方向建 立0 5p u 的潮流 而不必对送端或受端发电机强加任何无功功率的要求 当然 得到这一结论的前 提是 送端和受端电压均由独立的电力系统来保证 且在内部相位角不发生变化的条件下 它们都 能提供或吸收有功功率 根据以上所述的基本概念可知 UPFC可强制系统的一端向系统的另一端 提供无功功率 或从系统的另一端吸收无功功率 由图8 9b d可以看出 当传输角 分别取 30o 60o和90o时 有功功率和无功功率的控制特性也是相似的 一般而言 在给定传输角 下 线路传输的有功功率P和受端所需的无功功率Qr可以由UPFC在 Qr P 平面的圆形区域内任意地自由控制 与前相同 这个圆形区域就是注入电压矢量Upq以其最 大幅值旋转一周形成的 但值得注意的是 尽管以上介绍的内容主要集中在受端无功功率Qr上 但 实际上 线路电流的无功分量和对应的无功功率都可由线路任一处的电压矢量来控制 图8 9说明了UPFC在任何传输角下能独立控制有功和无功潮流的独特性能 它为传输系统的控 制开辟了史无前例和强有力的新途径 为了对UPFC的性能和UPFC的潮流控制能力有个全面的了解 下一节将对UPFC在相关潮流控 制器的其他应用领域所能发挥的作用进行说明和比较 有关的控制器包括晶闸管投切电容器 晶闸 管控制电容器 GTO控制串联型电容器 TSSC TCSC GCSC和SSSC 以及晶闸管控制相角调 节器 TCPAR 等 其中 主要是比较各种潮流控制器对改变传输有功功率和受端所需无功功率的能 力 受端无功需求通常是一个重要因素 因为它会严重影响给定负荷下的线路电压 负荷反射过电 压以及系统的稳态损耗等 当然 也很容易在送端和输电线路的其它点进行类似的比较 但只要分 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 9 析结果都归结到实际传输角上 其结果也应该是相似的 8 2 4 UPFC与串联补偿器和相位角调节器的比较与串联补偿器和相位角调节器的比较 本节的目的是比较可控串联补偿器 相位角调节器和UPFC在潮流控制中的补偿特性 此处将 再次在图8 3所示的两机系统基础上进行分析 在该模型中 可简单地将可控串联补偿器 TSSC GCSC TCSC和SSSC以及可控相位角调节器 以TCPAR和SVS为基础 来代替UPFC的位 置 并以此为基础 来确定图8 10中可控容性补偿和图8 12相移控制的传输特性 同时也了解在不 同传输角下它们对P Q特性的影响 图8 10 可控串联容性补偿的两机系统及其矢量 1 UPFC与可控串联补偿器的比较与可控串联补偿器的比较 第6章曾对晶闸管投切串联电容器 TSSC 和GTO控制串联电容器 GCSC 进行了描述 这种结构 是将多组电容器串联在线路中 每组电容器都分别有晶闸管或GTO旁路开关与之并联 实际上 它 相当于多个电容器的串联 只是它的容抗能够分级或连续可调 TSSC或GCSC提供的可控容性串联 阻抗抵消了部分感性线路的电抗 使整个传输线路的阻抗减少 也可等效地认为缩短了输电线路 因而也增加了输送容量 为了分析方便起见 在下面的描述中将TSSC和GCSC简单地看成是连续可 调的电容器 它的电抗可在0 X0 Xcmax范围内可控 静止同步串联补偿器 SSSC 是在线路中注入一个连续可变的串联补偿电压 该电压与线路电流 正交 与TSSC和GCSC相比 SSSC的补偿电压可以不考虑线路电流而得到完全的控制 即这种控 制与传输角 无关 理论上讲 当线路电流在零到额定运行范围之间变化时 SSSC都能进行有效控 制 典型的晶闸管控制串联电容器 TCSC 是一个或多个模块的串联组合 每个模块都是由一个电抗 器和与之并联的晶闸管组合而成 只要改变串联补偿电抗的幅值就可改变补偿电压 若TCSC有足 够多的模块 它也能在运行范围内通过降低线路电流来控制和维持补偿电压 只要设计合理 晶闸 管控制电抗器也可以提供感性补偿 出于对损耗 晶闸管开关阀电流和电压额定值 电抗器额定值 等实际因素的考虑 感性补偿的设计范围一般小于容性补偿范围 为了便于比较 假设TCSC是具 有足够多补偿模块的理想设备 这种TCSC能够提供相同容量的容性和感性补偿 当线路电流减少 时 它还能够连续控制和维持补偿电压 这种假设的TCSC特性可以看成是SSSC 除非传输角太小 以至于无法维持正常运行所需的线路电流 约0 25p u 这种理想的TCSC可能已超出了经济实用性 的范围 但这对此处的比较没有太大的影响 因为理想化的TCSC仅改变了控制的范围 并没有改 变它的补偿特性 可控串联补偿实际上就是在线路中提供了串联补偿电压 根据定义 该电压应与线路电流矢量 呈正交关系 因此它仅能影响流过输电线的电流幅值 只要设定了TSSC和GCSC的容抗大小 或设 定了TCSC和SSSC的任一有效容抗 感抗值 就能确定整个输电线路的阻抗 在负荷端电压幅值不变 的前提下 也就严格确定了在某一传输角下的输送功率 因此 线路末端所要求的无功功率就能够 以同样的方式由输送功率来决定 就好像线路没有补偿一样 但此时线路阻抗似乎并不大 根据这 一概念 传输功率P和受端所需无功功率Qr之间的关系可由P Qr平面的圆形轨迹来表示 它类似于 图8 8b所示的无补偿系统 这个无补偿系统也就是串联补偿在给定补偿阻抗或补偿电压下的输出 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 10 由此可以推知 对于连续可控补偿器 可利用基本的传输关系 即P U2 X Xq sin 和 Qr U2 X Xq 1 cos 的关系来确定P Qr平面圆形轨迹上的无数个点 其中 Xq在0 Xmax或 0 Xmax的范围内变化 对于TSSC和GCSC而言 Xq Xc 对于SSSC而言 Xq Uq I Uq I 而对于 TCSC则有一定的限制 显然 给定一个传输角就在P Qr轨迹上得到一个对应Xq值的运行点 因此 在给定传输角下 当Xq由零逐渐增加到Xqmax时 在P Qr平面上的P Qr值将在对应第1条轨迹的无补 偿线路轨迹上开始移动 串联补偿也随之逐渐增加 直到达到P Qr平面上的最后一个轨迹 它表示 已达到了最大串联补偿 第1条P Qr轨迹表示无补偿的输电线路 它对应TSSC和GCSC较低的一条 边界曲线 由 P Qr Xq 0来确定 最后一条P Qr轨迹表示最大容抗补偿的输电系统 对应TSSC和 GCSC上面的一条边界曲线 该曲线由 P Qr Xcmax来确定 SSSC和TCSC的上下两个边界的曲线与 TSSC和GCSC的上下两个边界的曲线是不同的 这是由于它们的约束条件分别为 P Qr Uqmax和 P Qr Uqmax 之所以存在这个区别 部分原因是SSSC和TCSC具有向系统注入补偿电压的能力 该 电压可以滞后线路电流90o 容性 或超前线路电流90o 感性 基于这个原理 它们都可以增加或减少 传输功率 此外 SSSC和TCSC也可以在线路电流减小时维持最大的补偿电压 理论上讲 SSSC甚 至在线路电流为零时还能够提供最大的补偿电压 正是由于这些原因 当传输角较小时 SSSC和 TCSC比TSSC和GCSC具有更宽的控制范围 尽管如此 P Qr平面上所有的圆仍将它们的传输角看 成是在0o 90o的正常运行范围之内 图8 11 可控容性补偿 圆内粗直线 与UPFC 圆内的任何点 分别在不同 时可得到的Qr和P值 a 0o b 30o c 60o d 90o 图8 11为串联无功补偿器TSSC GCSC TCSC和SSSC在传输角分别取 0o 30 60o和90o时 在Qr P平面上的控制范围 以及UPFC在最大电压额定值为0 5p u时的控制范围 为了便于比较 图中同时还用细实线给出了前面导出的UPFC圆形控制范围 在每个分图中 TSSC GCSC和 SSSC TCSC所确定的上下边界曲线分别用细虚线表示 根据图示知 理想TCSC的上下边界曲线与 SSSC的相同 图中已用粗虚线表示 由于TCSC在容性运行范围内能够维持额定补偿电压 因此实 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 11 际TCSC的边界曲线在它的容性范围内与SSSC的曲线相同 根据设计要求的不同 TCSC在感性范 围内有可能比SSSC的范围小一些 通常为容性额定电压的30 50 在正常运行范围之外 即当 传输角和线电流都很小时 实际TCSC的边界曲线将与TSSC GCSC的曲线交汇 图8 11a是传输角 为零的一种简单情况 对于这种特殊情况 假设系统是由一条交流输电线连 接的两个系统所组成 因此仍可用两机系统模型来进行分析 虽然TSSC GCSC和TCSC都能实现 主动控制 但从功能上来讲 它们只是一个无源阻抗 无论Xc的实际值为多少 补偿后线路阻抗 X Xc 中的电流在 0时始终为零 因此对应的P和Q也为零 系统处于静止状态 它不可能由补偿 电抗的改变发生任何变化 从理论上讲 若SSSC为理想的交流电压源 它就可以在两个电源之间 驱动功率的流动 但在实际情况下 只有当SSSC的内部损耗由变流器直流侧连接的外部电源来补 充时 SSSC才能在线路电流为零或很小时维持运行 相比之下 由于UPFC的电压源是采取自给方 式来保证的 因此它的自身损耗只需由并联变流器来补充 因而它能强迫有功潮流在任一方向上流 动 最大值也可达到0 5p u 与此同时 它还能控制送 受端母线之间的无功交换 此时的控制范 围即为图示的圆形区域 当传输角 30 时 TSSC GCSC TCSC和SSSC在P Qr平面上的特性如图8 11b所示 在整个 0 90 的串联补偿范围内 P和Qr的关系可由上下边界曲线的 P Qr Xmax和 P Qr Xq 0两个点所连 接的直线来表示 这两个点就是在 30 下的零串联补偿和最大串联补偿的传输运行点 可以看出 正如所预计的那样 TSSC和GCSC通过改变串联补偿度来改变线路电流的幅值 进而实现对有功功 率的控制 但它却不能够独立控制线路所需的无功功率 而只能在 30 Xc在0 Xc XCmax范围内 变化时 对直接输送的有功功率进行控制 一般而言 TSSC和GCSC对输送功率所能增加的最大值 一般为输送功率的一个固定百分数 而这个固定百分数要由最大串联补偿度来确定 当然 这里所 指的输送功率是指在给定传输角下线路无补偿时的输送功率 也就是说 当传输角较小时 实际输 送功率的最大增量比传输角较大时能获得的最大增量要小得多 这是因为 TSSC和GSSC毕竟是串 联阻抗 它们产生的补偿电压与线路电流成线性关系 而这个电流又是传输角 的函数 当然 在 稳态运行时 传输角的变化与送端输出功率的增量有关 它受到传输特性的约束 因此 当传输角 较小时 系统的潮流也会很小 相对于线路电流而言 SSSC相当于是一个无功电压源 它能够提 供最大的补偿电压 从理论上讲 即使是线路电流为零 它仍能够起到无功电压源的作用 前面已 提到 实际的最小电流极限与线路补充SSSC的损耗相对应 TCSC也能够提供在设计运行范围内的 恒定补偿电压 此外 SSSC和TCSC都能改变补偿电压的极性 这些特性表明 在运行范围内SSSC 和TCSC能够在 P Qr Uqmax和 P Qr Uqmax两条边界曲线之间的很宽范围内提供补偿 这个范围比 TSSC和GCSC的补偿范围要宽得多 严格地讲 SSSC和TCSC并不能控制线路上的无功功率 因此 无功功率Qr与有功功率Pr仍保持线性关系 这就是说 SSSC和TCSC仅仅是延伸了TSSC和GCSC的 控制范围 并没有改变它们的P Qr特性 相比之下 UPFC相当于是一个自给式电压源 具有交换 无功功率和有功功率的能力 其补偿电压的幅值和相位角与线路电流和传输角无关 因此 采用 UPFC能得到的最大传输功率和受端无功功率的变化与传输角 没有关系 它仅由UPFC串联注入的 最大电压的额定容量来决定 在图8 11中 UPFC的最大注入电压容量为0 5 p u 由其中的4个子图 不难看出 在所考虑的4个传输角下 UPFC圆形控制范围的半径都是一样的 图8 11c和d分别说明了TSSC GCSC TCSC SSSC和UPFC在 60o和 90o时的P Qr特性 采 用上述分析方法 同样也会得出以上结论 由以上分析不难看出 当传输角在0o 90o的范围内 变化时 TSSC和GCSC的有功功率控制范围仍为无补偿线路传输功率的一个固定百分数 但实际传 输的有功功率增量是随着 的增加而逐渐增加的 并最终达到TCSC SSSC和UPFC在 90o进行有 功功率传输时所具有的相同增量 值得注意的是 若采用TSSC GCSC TCSC和SSSC进行无功补 偿所能得到的最大输送功率为1 5p u 而此时受端也需要1 5p u的无功功率才能得到完全补偿 若 线路采用UPFC补偿 则1 5p u 的输送功率仅需1 0p u 的无功功率 由上面的叙述可以得出以下结论 1 相对于TSSC GCSC TCSC和SSSC来讲 UPFC具有更 为卓越的潮流控制性能 它可以在宽广的范围内独立控制有功和无功功率 UPFC实际传输的有功 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 12 和无功功率的控制范围与传输角无关 当传输角为零或很小时 UPFC能控制任一方向的有功和无 功潮流 2 UPFC与可控相角调节器的比较与可控相角调节器的比较 第7章曾对理想相位角调解器的原理进行了介绍 其中提到 相位角调节器是在传输线路中以 串联方式注入一个电压 在保持注入电压幅值不变的前提下 通过改变相位差 来实现线路的补偿 从本质上讲 无论是机械相位角调节器 晶闸管控制相位角调节器 还是正交调节相位角调节器 它们都是在线路中以串联方式注入一个可控的正交电压 这些调节器都使用了并联励磁变压器 它 们的二次绕组抽头可以由机械或晶闸管抽头调节器来控制 或直接以串联方式插入一个变压器 通 过励磁变压器的Yd或Dy绕组结构 能使二次绕组的线电压与一次绕组对应的相电压形成正交关系 由于同步电压源构成的相位角调节器与UPFC有相似的电路结构 因此在不改变系统电压幅值的前 提下 它们都可以对相位角进行调节 从应用的角度看 晶闸管控制的相位角调节器和基于SVS的相位角调节器 或UPFC 之间具 有很大的差别 对于调节变压器的一次而言 变压器的串联二次绕组所交换的容量 有功和无功功 率 就是系统所要求的负荷 而但对于后者而言 并联变压器只需从系统得到有功功率 下面对UPFC与相位角调节器在潮流控制方面的性能进行比较 此时可不必考虑相位角调节器 的实际结构以及产生无功功率的能力 为简单起见 假设晶闸管控制的PAR和基于SVS的PAR都是 理想的相位角调节器 即在不改变由线路耦合过来的电压幅值的前提下 两者都能在 max max 的 控制范围内对插入变压器两端电压间的相位角进行调节 应指出的是 相移电压的幅值通常会 由于采用了晶闸管控制的PAR结构而增加 因此这种假设会存在一定的偏差 图8 12 采用相角调节器的两机系统模型 在图8 12中仍采用了简单的两机系统模型 假设图中的PAR为理想相角调节器 且送端和受端 所需的传输功率和无功功率可由类似于无补偿系统的P U2 X sin 和Qr Qs U2 X 1 cos 的特性 来描述 式中 根据第7章所建立的基本概念可知 PAR不可能增加最大传输功率 P U2 X 或在P值固定时改变Qr的值 因此 PAR的P Qr特性对应的 角与在图8 8中给出的无补偿 系统的传输角 是对应的 只是此时PAR的功能就是简单地建立实际传输角 它实际上就是通过 调节移相 使之在给定的 下能满足 关系 并得到期望的传输功率P 其中的 角也就是前面所 介绍的送端和受端电压矢量之间的夹角 换句话说 当 固定时 PAR可以改变传输功率 或者在 变化时能够维持实际传输角 为一个恒定值 但它不能改变传输功率的最大值 或不能独立于有功 功率来控制无功潮流 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 13 图8 13 PAR 圆内粗弧线 和UPFC 圆内任意点 的Qr P值 a 0o b 30o c 60o d 90o 图8 13分别给出了 0o 30o 60o和90o时PAR的理想P Qr特性 为便于比较 图中也给出了 UPFC的P Qr特性 由这些图可以看出 控制范围以 0 0o 30o 60o 90o 所确定的无补偿传输的 P Qr特性为中心 对PAR和UPFC而言 所谓无补偿输电系统 就是指U0 0 PAR 和Upq 0 UPFC 的 系统 若PAR的最大注入电压Uo 0 5p u 则当移相角 在 30 o 30o范围内变化时 在无补偿系 统的P Qr平面上的移动轨迹就相当于 0在 0 30o 0 30o范围内取不同固定值所得到的轨迹 因 此 与串联无功补偿器TSSC TCSC和SSSC相比 当送端和受端电压矢量的夹角为零 0 时 PAR仍可有效地控制有功潮流 对应的特性如图8 13a所示 对于潮流控制而言 图8 13中的P Qr特性清楚地表明 UPFC比PAR具有更为优越的性能 这 主要表现在UPFC对有功功率具有很宽的控制范围 并能对受端所需无功功率提供大范围的独立控 制 由这些图可见 在受端处于Qr 0的单位功率因数下 UPFC能实现1 0p u 的功率传输 而用 PAR来控制潮流时 根据无补偿线路的特性 受端无功的需求将随着传输功率的增加而增加 即当 P 1 0p u 时 Qr也应为1 0 p u 8 2 5 控制结构控制结构 UPFC之所以具有优越的运行性能 是由于串联在线路中注入的补偿电压幅值和相位角可根据 要求任意变化 它仅受器件额定值的限制 若采用适当的电子控制方式 UPFC能使串联注入电压 矢量的幅值或相位角按照规定的要求迅速而连续地变化 因此 它不仅在线路可能的P Q大范围 变化潮流下设定稳定的运行工作点 而且还由于它固有的能力 也可以由一个工作点迅速转移到另 一个工作点 UPFC的控制是建立在矢量控制的基础之上 它是由Schauder和Mehta在1991年的 Vector Analysis and Control of Advanced Static Var Compensators 一文中提出的 文中提到的 Advanced 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 14 Static Var Compensators 实际上就是本书中的STATCOM 此处之所以采用 矢量 而没采用 相 量 一词 主要是考虑到与该文的描叙保持一致 它实质上就是指一组三相瞬时电压或电流之和为 零的矢量 以后在不引起混淆的情况下 本章中的电压和电流矢量仍采用大写粗体字母U和I来表示 根据电力系统分析的基本概念可知 这些矢量并不是静止的 而是在对应平面内围绕某个固定点随 着相变量参数的变化不断移动所形成的各种轨迹 当三相系统处于平衡的稳定状态时 这个轨迹就 是一个圆 这与 矢量 的概念是一致的 对于电力系统的控制来讲 采用相互垂直的p q坐标来 进行分析可能会方便些 其中p轴总是与瞬时电压矢量U一致 而q轴则与它正交 在这个坐标系中 p轴的电流分量ip表示瞬时有功功率 q轴的电流分量iq表示瞬时无功功率 在平稳条件下 电压和 电流矢量在p轴和q轴上的投影均为恒定值 这种用矢量描述的方法有利于进行有功或无功电流分量 的解耦控制 也特别适用于UPFC的控制 图8 14 基本的UPFC控制结构 若沿用前述的分析方法 UPFC的控制系统可从功能上分为内部 或变流器 控制和功能运行 控制两类 其中的内部控制就是对两个变流器的运行进行控制 它产生规定的串联注入电压指令 同时吸收期望的并联无功电流 内部控制还要为变流器开关阀提供门极触发信号 使变流器的输出 电压按照图8 14的基本控制结构对内部参考输入ipRef iqRef和UpqRef具有适当的响应 由该控制电路 可见 串联变流器能直接或独立地响应串联注入电压矢量的指令 因此它也同时影响到串联电压矢 量Upq的变化 而并联变流器在闭环电流控制结构下运行 因而能独立地控制并联支路的有功和无 功分量 例如 为了对端电压进行控制 可选择并联支路的无功功率作为控制变量 它能直接响应 输入要求 但是 并联支路的有功功率则专门用于其它的控制要求 它能使直流电压等级维持在设 定值附近 从而提供维持串联注入电压所需要的有功补给 或者吸收相应的有功功率 换句话说 并联支路的有功控制回路保证了两个变流器之间有功功率的平衡 但变流器之间不会通过直流线路 交换无功功率 UPFC的外部控制或运行功能控制决定了它的运行 因而必须给它提供内部参考输入信号UpqRef 和IqRef 而这些参考输入就是传输系统对串 并联补偿的要求 外部或系统的参考输入规定了系统 运行功能模式和补偿要求 这个参考输入可由现场工作人员进行设置 如采用计算机键盘输入 也 可由专门的自动控制系统进行最优控制 以满足特殊运行和突发事件的需求 图8 15为UPFC的整 体控制结构 它包含了具有内部和外部参考输入的内部控制 运行功能控制和系统最优控制等部分 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 15 图8 15 UPFC的整体控制结构 由图8 15可见 UPFC两个背靠背的变流器结构能够独立地控制无功功率的交换 而且它的串 联注入电压还具有无约束能力 这些都有助于UPFC实施各种运行模式或优化策略 其中的模式可 以包括并联无功补偿 以及根据潮流控制所选择的功能要求对串联注入电压进行自由控制等 UPFC的电路结构还允许对两个变流器实施完全解耦 即在直流侧将两个变流器分离 使之在没有 任何有功功率交换的前提下 能提供独立的并联无功补偿 STATCOM 和串联无功补偿 SSSC 1 并联变流器的功能控制并联变流器的功能控制 并联变流器可以采用从并联补偿支路获取可控电流Ish的方式运行 该电流中的一个分量Ishp可根 据串联变流器有功功率平衡的要求自动确定 另一个电流分量Ishq为无功分量 它在变流器允许范 围内的任意参考输入下可对所期望的感性或容性补偿进行设定 当然 并联变流器的无功补偿控制 模式与普遍采用的STATCOM和传统静止无功补偿的模式非常相似 这方面主要有两种控制模式 1 无功功率 VAR 控制模式 在该模式中 参考输入就是所要求的感性或容性无功功率 并联 变流器的控制就是将无功参考输入转换成相应的并联电流 并调节变流器的触发脉冲来获得所期望 的电流输出 在闭环控制中 电流反馈信号是从并联变流器的输出电流中反馈回来的 它与电流参 考输入进行比较后产生控制输出 直流母线电压U dc也可以作为反馈信号 它能维持直流电压的稳 定 2 自动电压控制模式 在实际应用中通常使用自动电压控制模式 在这种控制模式下 并联变 流器的无功电流能自动进行调节 使传输线在连接点处的电压与参考输入相符 当然 这个电压应 具有一定的下垂特性 以避免变流器过负荷运行 在描述下垂特性时 通常会用到 下垂因数 一 词 在变流器允许的电流范围内 它定义为变流器单位无功电流变化引起的电压偏差 一般用标幺 值表示 自动电压控制是以电压作为反馈信号的 它通常是线路正序电压分量U1的幅值 2 串联变流器的功能控制串联变流器的功能控制 串联变流器的控制就是对串联在线路中的注入电压矢量Upq的幅值和相位角进行控制 这个注 入电压总是直接或间接影响传输线上的潮流 但Upq的幅值和相角应由UPFC在潮流控制时所选择的 8 组合补偿器 统一潮流控制器 UPFC 和线间潮流控制器 IPFC 16 运行模式来确定 原则上讲 串联变流器的运行模式主要有以下几种 1 直接电压注入模式 简单地说 串联变流器就是产生电压矢量Upq 它的幅值和相角是根 据参考输入来确定的 当传输系统中除了UPFC外还有其它FACTS控制器同时运行时 就需要有不 同的优化控制来满足不同控制器的要求 此时采用直接电压注入模式可能就比较有利 直接电压注 入模式还包括一些具有专门控制目标的特殊控制内容 例如 在保持注入电压矢量Upq与系统电压 同相的同时 还要求控制电压的幅值 或在维持与系统电压正交的同时 又要控制 正交调节 以及在保持与线电流矢量I正交时 还要提供可控的串联无功补偿等 2 母线电压控制模式 这种方式实质上就是保持注入电压矢量Upq与母线电压矢量U1的同相 同时还要根据参考输入的要求 控制母线上 输出 电压矢量U2的幅值 3 线路阻抗补偿模式 这种控制模式是使注入电压矢量Upq的幅值与线路电流I的幅值保持线 性关系 因此 从线路侧看 这个串联注入电压相当于是模拟的串联阻抗 而希望得到的阻抗值则 由参考输入来确定 一般来讲 这个阻抗是一个包含电阻和电抗的复阻抗 且电抗部分可以是容抗 或者是感抗 显然 注入电压与线路电流为正交关系时 即为这种阻抗补偿的一种特例 此时的补 偿控制实质上就是模拟纯容抗或纯感抗补偿 这种运行模式可以与线路的串联容性补偿综合起来使 用 4 相角调节模式 在该模式中 注入电压矢量Upq是根据从母线得到的电压矢量U1来控制 所以相对于由参考输入规定的电压矢量U1