四UPFC和IPFC

1、4.1 引言引言 4.2 统一潮流控制器统一潮流控制器 （UPFC)4.3 线间潮流控制器线间潮流控制器 (IPFC)4.4 通用型和多功能通用型和多功能FACTS控制器控制器首首 页页下 页返回传输电压、阻抗和相角，决定传输线路的运行特性传输电压、阻抗和相角，决定传输线路的运行特性 Us d dsUr d drQrUsReg d dsZPPTCSCTCSCSVC0电压调节器电压调节器 TCVRTCVR相角调节器相角调节器 TCPARTCPAR0d-sd-sPJ 常规晶闸管控制的常规晶闸管控制的FACTS控制器控制器下 页上 页返 回静止同步补偿器静止同步补偿器( (STATCOM)静止同步串

2、联补偿器静止同步串联补偿器(SSSC)Urd drQrUs d dsZPUP0d dUsRegd dsUICIL0P0d-sd-sUReg0U基于电压调节的基于电压调节的SVS基于相角调节的基于相角调节的SVSJ基于电压型变流器的基于电压型变流器的FACTS控制器组合控制器组合 下 页上 页返 回?常规晶闸管控制的常规晶闸管控制的FACTS控制器，不同的控制器，不同的FACTS控制器具有不同的有功和无功交换能力。控制器具有不同的有功和无功交换能力。?基于电压型变流器的基于电压型变流器的FACTS控制器与同步发电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机的能力相似，在它们与交

3、流系统交换有功和无功功率的同时，能够自动产生或吸收用于交换的无功功率的同时，能够自动产生或吸收用于交换的无功功率，无需交流电容或交流电抗器。但如果要与交功率，无需交流电容或交流电抗器。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。设备来提供相应的有功功率。下 页上 页返 回?STATCOM和和SSSC都是采用电压型变流器结构，都是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式来保证的，而且都是根据同步电压源

4、的原理来实现电压和潮流的有效控制。现电压和潮流的有效控制。?电压和相角的控制一般都涉及到与交流系统进行电压和相角的控制一般都涉及到与交流系统进行有功和无功功率的交换。有功和无功功率的交换。?多功能多功能FACTS控制器是建立在背靠背结构的电控制器是建立在背靠背结构的电压型变流器的基础之上。压型变流器的基础之上。 下 页上 页返 回4.2.1 基本工作原理基本工作原理 r rUxUseffUrd dUx0Upqd d0UsUpqQpqUseff=Us+UpqUrUxPXIUpqJ串联注入电压矢量串联注入电压矢量Upq的幅值的幅值Upq(0 Upq Upqmax)和相角和相角r r( 0r r2)

5、可控可控 下 页上 页返 回控控 制制测量变量测量变量参数设置参数设置变流器变流器1变流器变流器2并联变压器并联变压器串联变压器串联变压器acacURefZRefs sRefQRefIUsUpqU+UpqUdcUsUpqUs+UpqJ由两个背靠背的电压型变流器构成的由两个背靠背的电压型变流器构成的UPFC下 页上 页返 回OUPFC中两个背靠背的两个变流器共用一个直流母中两个背靠背的两个变流器共用一个直流母线和一个储能电容。有功功率可以在两个变流器的线和一个储能电容。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，每个变流两个交流端子之间在任一方向自由流动，每个变流器的交流输出端

6、也可独立地产生或吸收无功功率。器的交流输出端也可独立地产生或吸收无功功率。OUPFC中变流器中变流器2的功能是通过串联变压器给线路的功能是通过串联变压器给线路注入幅值注入幅值Upq和相角和相角r r均可控的电压矢量均可控的电压矢量Upq。O变流器变流器1的功能是提供或吸收变流器的功能是提供或吸收变流器2在公共直流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的有功功率交换。线路之间的有功功率交换。 下 页上 页返 回OUPFC中，除了变流器中，除了变流器2能进行有功功率的交换外，能进行有功功率的交换外，如有必要，变流器如有必要，变流器

7、1也可同时产生或吸收可控的无功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。功率，为线路提供独立的并联无功补偿。O串联变压器与传输线路交换的无功功率由变流器串联变压器与传输线路交换的无功功率由变流器2提供或吸收，不必通过线路得到。提供或吸收，不必通过线路得到。O变流器变流器1可以在单位功率因数下运行，或用于变流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，与变流器器与系统之间的无功功率交换，与变流器2交换的无交换的无功功率没有任何关系。功功率没有任何关系。 下 页上 页返 回4.2.2 UPFC的常规传输控制能力的常规传输控制能力 将将UPFC的功能分解为并

8、联补偿、串联补偿和相角的功能分解为并联补偿、串联补偿和相角调节等，适当改变注入电压调节等，适当改变注入电压Upq的幅值和相对于送的幅值和相对于送端电压端电压Us的相角的相角r r，可满足多个控制目标的要求。，可满足多个控制目标的要求。UUUcUs sUU UpqU+Upq-Uc+UcU-UcU+UcI-Us s+Us sU+Us sUs s-s-sU-Us s下 页上 页返 回UsUpqQpqUseff=Us+UpqUrUxPXIUpqr rUxUseffUrd dUx0Upqd d0传输功率传输功率P和受端提供的无功功率和受端提供的无功功率-jQr之和为：之和为： *-jXUUUUjQPrp

9、qsrr“*”表示共轭复数，表示共轭复数， 12/-jej下 页上 页返 回当当Upq = 0，则，则 *-jXUUUjQPrsrr当当Upq 0时，总的有功功率和无功功率为：时，总的有功功率和无功功率为：jXUUjXUUUjQPrrsrr-pq*关系式：关系式：)2sin2(cos2dddjUUejsU)2sin2(cos2dddjUUejr-U下 页上 页返 回)2sin()2cos()2(rdrdrdjUeUpqjpqpqU将关系式将关系式Us、Ur、Upq代入代入jXUUjXUUUjQPrrsrr-pq*)2cos(sin)()(),(20rddrdrd-XUUXUPPPpqpq得：得

10、：)2sin()cos1 ()()(),(20rddrdrd-XUUXUQQQpqpqrr下 页上 页返 回式中：式中：ddsin)(20XUP)cos1 ()(20dd-XUQr在任一传输角在任一传输角d d下有功功率和无功功率的可控范围下有功功率和无功功率的可控范围分别为：分别为：XUUPPXUUPpqpqmax00max0)()()(-dddXUUQQXUUQpqpqmax00max0)()()(-ddd下 页上 页返 回 /2 d d0-0.50.51.01.5PUUpqX(=0.5)UUpqX(=-0.5)P0(d d) /2 d d1.00.0-0.5-1.0-1.5-2.0-Qr

11、Q0f(d d)UUpqX(=0.5)UUpqX(=-0.5)UPFC传输功率控制范围很宽，与传输角传输功率控制范围很宽，与传输角d d无关无关 下 页上 页返 回UsUpqQpqUseff=Us+UpqUrUxPXIUpqr rUxUseffUrd dUx0Upqd d0PpqUrUxUpqUseffUsXIId dUpqUseffUsUxUrd deffr rpq下 页上 页返 回PpqUrUxUpqUseffUsXIId dUpqUseffUsUxUrd deffr rpq电压矢量电压矢量Upq可控幅值范围可控幅值范围为为0UpqUpqmax，相角变化范，相角变化范围为围为0r rpq3

12、60。 假设假设d d=30，电压和阻抗的标，电压和阻抗的标幺值分别为：幺值分别为：Us=Ur=1、X=0.5和和Upqmax=0.25p.u.。 送端输出的有效电压为送端输出的有效电压为Useff=Us+Upq，线，线路阻抗路阻抗X上的补偿电压矢量上的补偿电压矢量UxUseff Ur 。 下 页上 页返 回当电压矢量当电压矢量Upq随着随着r rpq角的变化而旋转时，角的变化而旋转时，传输的有功功率传输的有功功率P和无和无功功率功功率Qr也随着也随着r rpq以以正弦方式变化。正弦方式变化。 P,Qr00.51-0.5-0.500.5P,QrQpqPpqP270180903602701809

13、0360PP(Upq=0)PQrQor(Upq=0)该过程要求注入的电压源矢量该过程要求注入的电压源矢量Upq能够输出和吸能够输出和吸收无功和有功功率收无功和有功功率Qpq和和Ppq，而且它们也必须是关，而且它们也必须是关于于r rpq的正弦函数。的正弦函数。下 页上 页返 回4.2.3 独立的有功和无功潮流控制独立的有功和无功潮流控制P0-Qor-2.0-1.5-0.5-1.00.00.51.0 /2 d dP0(d d)= sind dU2XQor(d d)= (1-cosd d)U2X假设假设U=Us=Ur，当，当U2/X=1时，时，有功有功功率功率P0(d d)和无功功率和无功功率Q0

14、(d d ) 的关系为：的关系为： )(11)(200ddPQr-或或1)(1)(2020ddPQr在在P ,Qor平面上，上式表示圆心位于平面上，上式表示圆心位于Po=0、Qor=l、半径为、半径为1.0的一个圆。的一个圆。下 页上 页返 回d d= /2d d=0d dd d= -Qor-2.0-1.5-1.0-0.50.00.50.51.0P0当当d d=0时，时，Po=0，Qor=0d d=30时，时，Po=0.5，Qor=0.134d d=90时，时，Po=1.0，Qor=1.0CP取正值的半圆。该圆取正值的半圆。该圆上的每一点都对应无补上的每一点都对应无补偿系统在给定传输角偿系统在

15、给定传输角d d下下的的P0和和Qor值值 例如例如下 页上 页返 回PpqUrUxUpqUseffUsXIId dUpqUseffUsUxUrd deffr rpqP,Qr00.51-0.5-0.500.5P,QrQpqPpqP2701809036027018090360PP(Upq=0)PQrQor(Upq=0)UPFC矢量图矢量图 及受端有功、无功功率与及受端有功、无功功率与UPFC提供的有功、提供的有功、无功功率随注入电压矢量角度的变化曲线无功功率随注入电压矢量角度的变化曲线下 页上 页返 回假设假设Upq0 ，根据式，根据式jXUUjXUUUjQPrrsrr-pq*)2cos(sin

16、)()(),(20rddrdrd-XUUXUPPPpqpq)2sin()cos1 ()()(),(20rddrdrd-XUUXUQQQpqpqrr相对于无补偿时相对于无补偿时P(d d)和和Qor(d d)值的变化，此时的有功值的变化，此时的有功和无功功率与注入电压矢量和无功功率与注入电压矢量Upq的幅值的幅值Upq和相角和相角有有很大的关系。很大的关系。 下 页上 页返 回根据式根据式 可可知，该控制区域是知，该控制区域是一个以坐标一个以坐标Po(d d)、Q0r(d d)为圆心，为圆心，Ur Upq /X为半径的为半径的圆。仍假设圆。仍假设Us=Ur=U，则该圆可表示为：，则该圆可表示为：

17、 1)(1)(2020ddPQr2max220),()(),(-XUUQPPpqrrddrd下 页上 页返 回对于给定额定容量的对于给定额定容量的UPFC，P ,Qr平面内平面内的圆规定了所有可得到的的圆规定了所有可得到的P和和Qr值。值。 Qrd d=00-0.5-1.00.51.01.5Pmax(d d)Pmin(d d) Upq=0d d=90r r可控范围可控范围d d=0PQrd d=00-0.5-1.00.51.01.5Pmax(d d)Pmin(d d) Upq=0d d=90r r可控范围可控范围d d=30P下 页上 页返 回UPFC可强制系统的一端向系统的另一端提供可强制系

18、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。无功功率，或从系统的另一端吸收无功功率。0.5Qrd d=00-0.5-1.01.01.5Pmax(d d)Pmin(d d)Upq=0d d=90r r可控范围可控范围d d=90Pd d=60Qrd d=00-0.5-1.00.51.01.5Pmax(d d)Pmin(d d)Upq=0d d=90r r可控范围可控范围P下 页上 页返 回4.2.4 UPFC与串联补偿器和相位调节器的比较与串联补偿器和相位调节器的比较UsXIPUxUrUseff=Us+Us sUcU0UXoUseffUsUrUxd dd d0 0d dd

19、d0 0-s s+s sUsUseffUxUxc+Us s-Us sUsUs sIPUxUrUseff=Us+Us sPs sQs s相角调节器相角调节器下 页上 页返 回4.2.4.1 UPFC与可控串联补偿器的比较与可控串联补偿器的比较l静止同步串联补偿器静止同步串联补偿器在线路中注入一个连续可变的串联补偿电压，该电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。压与线路电流正交。l晶闸管控制的串联电容器晶闸管控制的串联电容器 一个或多个模块的串联组合，每个模块都是由一个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，只要改变串电抗器和与之并联的

20、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。联补偿电抗的幅值就可改变补偿电压。 下 页上 页返 回d d= /2d d=0d dd d= -Qor-2.0-1.5-1.0-0.50.00.50.51.0P0M传输功率传输功率P和受端所需无和受端所需无功功率功功率Qr之间的关系可由之间的关系可由PQr平面的圆形轨迹表示，平面的圆形轨迹表示，类似于图中所示的无补偿类似于图中所示的无补偿系统。系统。 对于连续可控补偿器，利用对于连续可控补偿器，利用P=U2(XXq)sind d和和Qr=U2(XXq) 1cosd d的关系确定的关系确定PQr平面圆平面圆形轨迹上的无数个点。其中形轨迹

21、上的无数个点。其中Xq在在0Xmax或或0Xmax的的范围内变化。范围内变化。d d为零，虽然为零，虽然TSSC、GCSC和和TCSC都能实现都能实现主动控制，但只是一个主动控制，但只是一个无源阻抗。无论无源阻抗。无论Xc的实的实际值为多少，补偿后线际值为多少，补偿后线路阻抗路阻抗(XXc)中的电流中的电流在在d d=0时始终为零。时始终为零。 下 页上 页返 回Qrd d=00-0.5-1.00.51.01.5PXq=0d d=90UPFC可控范围可控范围UqmaxXqmax-Uqmaxd d=0下 页上 页返 回UPFC的电压源是采的电压源是采取自给方式，它的自身取自给方式，它的自身损耗只

22、需由并联变流器损耗只需由并联变流器来补充，可强迫有功潮来补充，可强迫有功潮流在任一方向上流动，流在任一方向上流动，最大值可达到最大值可达到0.5p.u.。它还能控制送、受端母它还能控制送、受端母线之间的无功交换。线之间的无功交换。 Qrd d=00-0.5-1.00.51.01.5PXq=0d d=90UPFC可控范围可控范围UqmaxXqmax-Uqmaxd d=0下 页上 页返 回d d=30时，时，TSSC、GCSC、只能在、只能在d d=30、Xc在在0XcXCmax范围范围内变化时对直接传输内变化时对直接传输的有功功率进行控制。的有功功率进行控制。 Qrd d=00-0.5-1.0-

23、Uqmax0.51.01.5PUqmaxXqmaxd d=30Xq=0d d=90d d=30UPFC可控范围可控范围TSSC/GCSCSSSC/TCSCideal可控区间可控区间下 页上 页返 回UPFC相当于是一个相当于是一个自给式电压源，具有交自给式电压源，具有交换无功和有功功率的能换无功和有功功率的能力，其补偿电压的幅值力，其补偿电压的幅值和相角与线路电流和传和相角与线路电流和传输角无关。采用输角无关。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能得到的最大传输功率和受端无功功率的变化与传输角输角d d没有关系，它仅由没有关系，它仅由UPFC串联注入的最大电压串联注入的最大

24、电压的额定容量来决定。的额定容量来决定。 Qrd d=00-0.5-1.0-Uqmax0.51.01.5PUqmaxXqmaxd d=30Xq=0d d=90d d=30UPFC可控范围可控范围TSSC/GCSCSSSC/TCSCideal可控区间可控区间下 页上 页返 回TSSC、GCSC、TCSC、SSSC和和UPFC在在d d =60和和d d =90时的时的P Qr特性特性 Qrd d=00-0.5-1.0-Uqmax0.50.51.01.5UPFC可控范围可控范围TSSC/GCSCSSSC/TCSCideal可控区间可控区间PUqmaxXqmaxd d=60Xq=0d d=90d d

25、=60-UqmaxQrd d=00-0.5-1.0-1.50.50.51.01.5PUqmaxXqmaxXq=0UPFC可控范围可控范围TSSC/GCSCSSSC/TCSCideal可控区间可控区间-Uqmaxd d=90d d=90下 页上 页返 回4.2.4.2 UPFC与可控相角调节器的比较与可控相角调节器的比较 a相角调节器是在传输线路中以串联方式注入一相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，通过改变相位差过改变相位差来实现线路的补偿。来实现线路的补偿。a同步电压源构成的相角调节器与同步电压源构成的相角调

26、节器与UPFC有相似有相似的电路结构，在不改变系统电压幅值的前提下，的电路结构，在不改变系统电压幅值的前提下，它们都可以对相位进行调节。它们都可以对相位进行调节。下 页上 页返 回a晶闸管控制的相角调节器，变压器的串联负晶闸管控制的相角调节器，变压器的串联负绕组所交换的容量（有功和无功功率）就是系统绕组所交换的容量（有功和无功功率）就是系统所要求的负载。所要求的负载。a基于基于SVS的相角调节器（或的相角调节器（或UPFC） ，并联变，并联变压器只需从系统得到有功功率。压器只需从系统得到有功功率。 区别下 页上 页返 回d dd d0 0-s s+s sUsUseffUxUxc+Us s-Us

27、 sUsUs sIPUxUrUseff=Us+Us sPs sQs s相角调节器相角调节器P0-Qor-2.0-1.5-0.5-1.00.00.51.0 /2 d dP0(d d)= sind dU2XQor(d d)= (1-cosd d)U2Xd d= /2d d=0d dd d= -Qor-2.0-1.5-1.0-0.50.00.50.51.0P0下 页上 页返 回Qrd d=00-0.5-1.0-Us smaxUs smaxUs s=0d d=900.51.01.5PUPFC可控范围可控范围PAR可控范围可控范围d d=0Qrd d=00-0.5-1.0-Us smaxUs smaxU

28、s s=0d d=900.51.01.5PUPFC可控范围可控范围PAR可控范围可控范围d d=30d d=30当送端和受端电压矢量的夹角为零当送端和受端电压矢量的夹角为零(= 0)时，时，PAR仍可有效地控制有功潮流仍可有效地控制有功潮流 下 页上 页返 回Qrd d=00-0.5-1.0-Us smaxUs smaxUs s=0d d=900.51.01.5PUPFC可控范围可控范围PAR可控范围可控范围d d=900.5Qrd d=00-0.5-1.0-Us smaxUs smaxUs s=0d d=900.51.01.5PUPFC可控范围可控范围PAR可控范围可控范围d d=60d d

29、=60UPFC对有功功率具有很宽的控制范围，并能对受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。端所需无功功率提供大范围的独立控制。 下 页上 页返 回4.2.5 控制结构控制结构 C采用适当的电采用适当的电子控制方式，子控制方式，UPFC能使串联能使串联注入电压矢量的注入电压矢量的幅值或相角按照幅值或相角按照规定的要求迅速规定的要求迅速而连续地变化。而连续地变化。 Upq串联串联变流器变流器串联变流串联变流器控制器控制并联并联变流器变流器并联变流并联变流器控制器控制PQU1IUpqRefU2iqRefUdcUdcRefIshIEceU2EshIshU1U1下 页

30、上 页返 回lUPFC控制系统控制系统内部控制内部控制:对两个变流器的对两个变流器的运行进行控制运行进行控制外部控制外部控制:必须给它提供内必须给它提供内部参考输入信号部参考输入信号Upq串联串联变流器变流器串联变流串联变流器控制器控制并联并联变流器变流器并联变流并联变流器控制器控制PQU1IUpqRefU2iqRefUdcUdcRefIshIEceU2EshIshU1U1下 页上 页返 回串联串联变流器变流器串联变流串联变流器控制器控制并联并联变流器变流器并联变流并联变流器控制器控制PQU1IUpqRefU2ishpRefUdcIshIU2iseU1U1Upqq qIshU1U1RefIsh

31、pRefUpqRefZRefs sRefPRefQRef模式选择模式选择操作操作输入输入电力系电力系统变量统变量系统最优化控制系统最优化控制运行功能控制运行功能控制UPFC控制系统控制系统内部控内部控制制锁循环锁循环UPFC的的整体控整体控制结构制结构下 页上 页返 回4.2.5.1 并联变流器的功能控制并联变流器的功能控制 分量分量Ishp可根据串联变流器有可根据串联变流器有功功率平衡的要求自动确定功功率平衡的要求自动确定电流分量电流分量Ishq为无功分量，在为无功分量，在变流器允许范围内任意参考输变流器允许范围内任意参考输入下对所期望的感性或容性补入下对所期望的感性或容性补偿进行设定。偿进

32、行设定。 l并联变流器并联变流器可控电流可控电流Ish下 页上 页返 回并联变流器无功补偿控制模式并联变流器无功补偿控制模式 无功功率无功功率(VAR)控制模式控制模式参考输入感性或容性无功功率。并联变流器将无功参考输入感性或容性无功功率。并联变流器将无功参考输入转换成相应的并联电流，并调节变流器的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。触发脉冲来获得所期望的电流输出。 自动电压控制模式自动电压控制模式 并联变流器的无功电流能自动进行调节，使传输线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。在连接点处的电压与参考输入相符。 下

33、 页上 页返 回4.2.5.2 串联变流器的功能控制串联变流器的功能控制 对串联在线路中的注入对串联在线路中的注入电压矢量电压矢量Upq的幅值和相的幅值和相角进行控制。角进行控制。l串联变流串联变流器的控制器的控制串联变流器的运行模式串联变流器的运行模式 直接电压注入模式直接电压注入模式 串联变流器产生电压矢量串联变流器产生电压矢量Upq，它的幅值和相角是，它的幅值和相角是根据参考输入确定。根据参考输入确定。 下 页上 页返 回母线电压控制模式母线电压控制模式 保持注入电压矢量保持注入电压矢量Upq与母线电压矢量与母线电压矢量U1的同相，的同相，同时还要根据参考输入的要求控制母线上同时还要根据

34、参考输入的要求控制母线上“输出输出”电压矢量电压矢量U2的幅值。的幅值。 线路阻抗补偿模式线路阻抗补偿模式 使注入电压矢量使注入电压矢量Upq的幅值与线路电流的幅值与线路电流I的幅值保持的幅值保持线性关系。线性关系。 下 页上 页返 回相角调节模式相角调节模式 根据从母线得到的电压矢量根据从母线得到的电压矢量U1控制注入电压矢控制注入电压矢量量Upq 。 自动潮流控制模式自动潮流控制模式 此时的注入电压矢量此时的注入电压矢量Upq的幅值和相角是可控的，它的幅值和相角是可控的，它能使线路电流矢量能使线路电流矢量I产生期望的有功和无功潮流。产生期望的有功和无功潮流。 下 页上 页返 回4.2.5.

35、3 串并联补偿的分立运行串并联补偿的分立运行jUPFC的串并联组合结构采用串联和并联变流器的串并联组合结构采用串联和并联变流器各自独立的运行方式时只需将公共直流侧断开，并各自独立的运行方式时只需将公共直流侧断开，并将直流电容分解到串联和并联变流器对应的直流侧将直流电容分解到串联和并联变流器对应的直流侧即可。即可。 j它们的控制部分可以组合在一起，以实现某些优它们的控制部分可以组合在一起，以实现某些优化的组合功能。化的组合功能。下 页上 页返 回jUPFC的这种分立结构应能在某一变流器失效或的这种分立结构应能在某一变流器失效或故障情况下对系统进行紧急处理，也可在系统仅需故障情况下对系统进行紧急处

36、理，也可在系统仅需要并联补偿或仅需串联补偿时提供灵活的控制。要并联补偿或仅需串联补偿时提供灵活的控制。j但在分离模式下，没有一个变流器能够吸收或产但在分离模式下，没有一个变流器能够吸收或产生有功功率，因而只能提供无功交换。生有功功率，因而只能提供无功交换。下 页上 页返 回4.2.6 基本的基本的P、Q控制系统控制系统 J串联变流器控制原理串联变流器控制原理U2I限幅计算限幅计算锁循环锁循环串联注串联注入电压入电压限制器限制器串串联联变变流流器器触触发发模模式式逻逻辑辑串串联联变变流流器器偏偏差差放放大大器器幅幅值值和和相相角角计计算算有功和无功有功和无功电流计算电流计算U1U2r rq qq

37、rqr有功和无功有功和无功电流计算电流计算UdcU2U1UpqipIQRefPRefiq*ip*iqU2I下 页上 页返 回J直流电压恒定时并联变流器的控制功能直流电压恒定时并联变流器的控制功能 并并联联变变流流器器门门极极模模式式逻逻辑辑幅幅值值和和相相角角计计算算有功和无功有功和无功电流计算电流计算ishU1ishqishpishqUdcUdcRef电压幅电压幅值计算值计算限幅计算限幅计算偏偏差差放放大大器器无功电流无功电流限制器限制器偏差放偏差放大器大器U1Ushq qa aqaqa偏差放偏差放大器大器锁循环锁循环并并联联变变流流器器ishqU1Ref下 页上 页返 回限幅计算限幅计算锁

38、循环锁循环无功电流无功电流限制器限制器偏差放偏差放大器大器并联变流器门并联变流器门极模式逻辑极模式逻辑并联变并联变流器流器偏差放偏差放大器大器电压幅电压幅值计算值计算有功和无功有功和无功电流计算电流计算U1U1Refishp*ishpa aq qqaqaIshU1 通过对相角的瞬时调节使直流电容电压在通过对相角的瞬时调节使直流电容电压在12的范围内变化，迫使变流器与交流系统交换有功功的范围内变化，迫使变流器与交流系统交换有功功率，满足并联无功补偿的要求。率，满足并联无功补偿的要求。下 页上 页返 回4.2.7 动态性能动态性能Us控制命令控制命令BK2BK1BK3BK4Ui=U1Uo=U2UP

39、FCIserUpq机械旁路开关机械旁路开关PQIlineUr串联变流器串联变流器并联变流器并联变流器评估评估UPFC动态动态性能的瞬态网络分性能的瞬态网络分析系统简化模型析系统简化模型下 页上 页返 回1.500.00-1.501.500.00-1.501.500.00-1.500.60.50.40.30.20.1线电流线电流(A相相)4.2.7.1 潮流控制潮流控制 2001000.00-1.00有功（有功（P)和无功（和无功（Q)QPUi(A相相)Upq(A相相)Ui(A相相)Uo(A相相)Q阶跃阶跃变化变化时的时的TNA仿真仿真下 页上 页返 回4.2.7.2 电力系统振荡下的运行电力系

40、统振荡下的运行 UsUPFCUr1s1sw ws2H.PelecPmech（设置点）（设置点）IrUrUr旋转角旋转角电压波电压波形构成形构成串联串联变流器变流器并联并联变流器变流器D功率控制功率控制Kdd ddtPref修正后的修正后的有功阻尼有功阻尼偏差偏差dd ddtPrefUrUsd d下 页上 页返 回t500ms/格格t500ms/格格角度变化率角度变化率dd d/dt线电流线电流Iline(A)F运行于直接注运行于直接注入电压模式时，入电压模式时，UPFC不会受到系不会受到系统故障的动态影响，统故障的动态影响，好像是幅值和相角好像是幅值和相角（叠加到送端电压（叠加到送端电压上）固

41、定不变的电上）固定不变的电压源。压源。 pelecUr侧发电机吸收的电磁功率侧发电机吸收的电磁功率串连变压器的输出电压串连变压器的输出电压Upqt500ms/格格下 页上 页返 回t500ms/格格Ur侧发电机吸收的电磁功率侧发电机吸收的电磁功率pelec角度变化率角度变化率dd d/dtIline(A)线电流线电流串连变压器的输出电压串连变压器的输出电压UpqF自动潮流控制模自动潮流控制模式下，式下，UPFC能使能使传输线路上的潮流传输线路上的潮流维持在恒定值不变，维持在恒定值不变，与发电机产生同步与发电机产生同步振荡的功率则从与振荡的功率则从与之并行的线路上通之并行的线路上通过。过。 下

42、页上 页返 回t500ms/格格pelecUr侧发电机吸收的电磁功率侧发电机吸收的电磁功率500ms/格格tdd d/dt角度变化率角度变化率Upq串连变压器的输出电压串连变压器的输出电压Iline(A)线电流线电流F功率振荡期间功率振荡期间在自动潮流在自动潮流+主动主动阻尼控制模式下阻尼控制模式下UPFC的潮流控的潮流控制制(UPFC阻尼功阻尼功率振荡率振荡) 下 页上 页返 回UsUPFCUr1s1sw ws2H.PelecPmech（设置点）（设置点）IrUrUr旋转角旋转角电压波电压波形构成形构成串联串联变流器变流器并联并联变流器变流器D功率控制功率控制Kdd ddtPref修正后的有

43、修正后的有功阻尼功阻尼偏差偏差dd ddtPrefF母线电压母线电压波动和阻尼波动和阻尼功率振荡的功率振荡的控制原理控制原理 下 页上 页返 回4.2.7.3 线路故障下的运行线路故障下的运行当系统发生故障时，假设当系统发生故障时，假设UPFC都安装有旁路开关。都安装有旁路开关。当旁路开关闭合时，应将注入电压的输出控制为当旁路开关闭合时，应将注入电压的输出控制为零。根据线路电流幅值的大小不同，线电流可经零。根据线路电流幅值的大小不同，线电流可经过变流器开关阀的电路重组使注入绕组的端子旁过变流器开关阀的电路重组使注入绕组的端子旁路，或单独用能承受大电流的晶闸管开关阀分流。路，或单独用能承受大电流

44、的晶闸管开关阀分流。为了防止清除故障时可能受到的延时影响，常使为了防止清除故障时可能受到的延时影响，常使用机械式旁路断路器对系统的安全进行附加保护。用机械式旁路断路器对系统的安全进行附加保护。下 页上 页返 回Us控制命令控制命令BK2BK1BK3BK4Ui=U1Uo=U2UPFCIserUpq机械旁路开关机械旁路开关PQIlineUr串联变流器串联变流器并联变流器并联变流器故障点故障点1： A相接地相接地故障点故障点2 ： A相接地相接地具有外部和内部具有外部和内部故障的电力系统和故障的电力系统和UPFC的的TNA模型模型下 页上 页返 回Us控制命令控制命令BK2BK1BK3BK4Ui=U

45、1Uo=U2UPFCIserUpq机械旁路开关机械旁路开关PQIlineUr串联变流器串联变流器并联变流器并联变流器故障点故障点1： A相接地相接地故障点故障点2 ： A相接地相接地#外部故障，故障外部故障，故障在无在无UPFC的线路上的线路上发生，系统具有正常发生，系统具有正常的故障清除时间。的故障清除时间。 下 页上 页返 回t4t3t2t1A线路电压线路电压U U1 1BC线路电流线路电流i ilinelineABCBCA变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq当当UPFC检测到检测到A相相故障过电流故障过电流时，它会在时，它会在t1时刻立即时刻立即启动电子旁启动电子旁路设施以

46、保路设施以保护串联变流护串联变流器。器。 下 页上 页返 回t4t3t2t1A线路电压线路电压U U1 1BC线路电流线路电流i ilinelineABCBCA变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq故障在六个故障在六个周波之后的周波之后的t2时刻，断路器时刻，断路器BK3和和BK4断断开，故障得到开，故障得到清除，清除，UPFC使线路电压的使线路电压的平衡得到恢复。平衡得到恢复。下 页上 页返 回t4t3t2t1A线路电压线路电压U U1 1BC线路电流线路电流i ilinelineABCBCA变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq电子旁路开电子旁路开关移除后，关移除后

47、，UPFC在在t3时刻时刻立即响应，恢立即响应，恢复到故障前的复到故障前的潮流控制模式。潮流控制模式。以后以后BK3和和BK4在在t4点重点重新闭合。新闭合。 下 页上 页返 回Us控制命令控制命令BK2BK1BK3BK4Ui=U1Uo=U2UPFCIserUpq机械旁路开关机械旁路开关PQIlineUr串联变流器串联变流器并联变流器并联变流器故障点故障点1： A相接地相接地故障点故障点2 ： A相接地相接地#内部故障，故障内部故障，故障出现在出现在UPFC线路上，线路上，系统具有故障延时清系统具有故障延时清除功能。除功能。 下 页上 页返 回t1t2t3t4t5t6t7t8t9B BCBCB

48、CA A变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq串联变压器中的电流串联变压器中的电流i iserserA线路电流线路电流i ilinelineAA线路电压线路电压U U1 1当当UPFC检测到检测到A相相故障过电流故障过电流后，在后，在t1时时刻立即启动刻立即启动电子旁路开电子旁路开关，以保护关，以保护串联变流器。串联变流器。 下 页上 页返 回在故障清在故障清除延时期间除延时期间的的t2时刻已时刻已启动了机械启动了机械旁路开关。旁路开关。 t1t2t3t4t5t6t7t8t9B BCBCBC线路电流线路电流i ilinelineAA线路电压线路电压U U1 1A A变压器串联注入电

49、压变压器串联注入电压U Upqpq串联变压器中的电流串联变压器中的电流i iserserA下 页上 页返 回t3时刻，时刻，跨接在注入跨接在注入变压器原边变压器原边的机械旁路的机械旁路开关闭合，开关闭合，使线路电流使线路电流流过该机械流过该机械开关，解除开关，解除了电子旁路了电子旁路开关。开关。 t1t2t3t4t5t6t7t8t9B BCBCBC线路电流线路电流i ilinelineAA线路电压线路电压U U1 1A A变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq串联变压器中的电流串联变压器中的电流i iserserA下 页上 页返 回t4时刻，断时刻，断路器路器BKl和和BK2断开，

50、断开，故障得到清故障得到清除，从而使除，从而使UPFC所在线所在线路维持在由路维持在由机械开关旁机械开关旁路的隔离状路的隔离状态。态。t1t2t3t4t5t6t7t8t9B BCBCBC线路电流线路电流i ilinelineAA线路电压线路电压U U1 1A A变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq串联变压器中的电流串联变压器中的电流i iserserA下 页上 页返 回故障被清故障被清除之后，断除之后，断路器就重新路器就重新闭合，同时闭合，同时UPFC在在t5时又得到电时又得到电压。压。 t1t2t3t4t5t6t7t8t9B BCBCBC线路电流线路电流i ilinelineA

51、A线路电压线路电压U U1 1A A变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq串联变压器中的电流串联变压器中的电流i iserserA下 页上 页返 回t6时刻时刻UPFC将串联变压器将串联变压器重新串联到线重新串联到线路之中。串联路之中。串联变流器应迫使变流器应迫使iser与与iline一致，一致，同时使机械开同时使机械开关支路的旁路关支路的旁路电流为零。电流为零。 t1t2t3t4t5t6t7t8t9B BCBCBC线路电流线路电流i ilinelineAA线路电压线路电压U U1 1A A变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq串联变压器中的电流串联变压器中的电流i i

52、serserA下 页上 页返 回串联注入串联注入电压固定不电压固定不变，在变，在t7时输时输出一个信号出一个信号使机械旁路使机械旁路开关断开。开关断开。t1t2t3t4t5t6t7t8t9B BCBCBC线路电流线路电流i ilinelineAA线路电压线路电压U U1 1A A变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq串联变压器中的电流串联变压器中的电流i iserserA下 页上 页返 回t8时刻，处时刻，处于零电流的于零电流的机械旁路开机械旁路开关已断开，关已断开，完成了串联完成了串联变压器重新变压器重新连接到线路连接到线路的的“轻扰动轻扰动”连接过程。连接过程。 t1t2t3t

53、4t5t6t7t8t9B BCBCBC线路电流线路电流i ilinelineAA线路电压线路电压U U1 1A A变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq串联变压器中的电流串联变压器中的电流i iserserA下 页上 页返 回从从t9开始，开始，UPFC回到回到故障前的自故障前的自动潮流控制动潮流控制模式和故障模式和故障前的参考输前的参考输入。入。 t1t2t3t4t5t6t7t8t9B BCBCBC线路电流线路电流i ilinelineAA线路电压线路电压U U1 1A A变压器串联注入电压变压器串联注入电压U Upqpq串联变压器中的电流串联变压器中的电流i iserserA下

54、 页上 页返 回4.2.8 移相变压器与移相变压器与UPFC的混合结构的混合结构 UsUpqQpqUseff=Us+UpqUrUxPXIUpqr rUxUseffUrd dUx0Upqd d0UUUcUs sUU UpqU+Upq-Uc+UcU-UcU+UcI-Us s+Us sU+Us sUs s-s-sU-Us s在在P,Q平面平面上，上，UPFC的的工作区域是以工作区域是以送端电压矢量送端电压矢量的末端为圆心，的末端为圆心，注入电压的幅注入电压的幅值为半径所形值为半径所形成的一个圆形成的一个圆形区域。区域。 下 页上 页返 回将将UPFC与移相变压器结合起来使用，可满足不等与移相变压器结

55、合起来使用，可满足不等运行范围和稳态相移运行的要求。运行范围和稳态相移运行的要求。 Upqr rUs s /2Us+Us sUsUseff=Us+Us s+Upq串联串联变流器变流器并联并联变流器变流器Us s+UpqUsUseffUpqUs s下 页上 页返 回串联串联变流器变流器并联并联变流器变流器Us s+UpqUsUseffUpqUs sd用于线路潮流用于线路潮流控制的串联注入控制的串联注入电压就是并联耦电压就是并联耦合变压器与串联合变压器与串联变流器可控输出变流器可控输出电压的矢量和。电压的矢量和。下 页上 页返 回Upqr rUs s /2Us+Us sUsUseff=Us+Us

56、s+Upqd 用于线路潮流控制的注用于线路潮流控制的注入电压由入电压由Us s、 Upq两个分量两个分量合成的，合成的，Us s是并联变压器是并联变压器提供的固定正交电压，以提供的固定正交电压，以固定的固定的s s角超前（或滞后）角超前（或滞后）于运行中的传输角；于运行中的传输角；Upq是是UPFC提供的可控分量。提供的可控分量。下 页上 页返 回d Upq的幅值变化范围为的幅值变化范围为0UpqUpqmax (=Us s)，它的，它的相角是以相角是以Us s固定的固定的/2为为基点，在基点，在0r r2的范围内的范围内变化。总有效传输电压矢变化。总有效传输电压矢量量Useff 为总的注入电压

57、矢为总的注入电压矢量量Us s+Upq与送端电压与送端电压Us的的矢量之和。矢量之和。Upqr rUs s /2Us+Us sUsUseff=Us+Us s+Upq下 页上 页返 回d混合结构中，以电压混合结构中，以电压矢量矢量Us s末端为圆心的末端为圆心的UPFC圆形运行范围实际圆形运行范围实际上为电压矢量上为电压矢量Us提供了提供了固定的移相角，并在固定的移相角，并在Upqmax=Us s 的控制方式的控制方式下，总的控制范围就能相对于传输角在一个方向上下，总的控制范围就能相对于传输角在一个方向上变化，即要么滞后传输角，要么超前传输角。变化，即要么滞后传输角，要么超前传输角。 Upqr

58、rUs s /2Us+Us sUsUseff=Us+Us s+Upq下 页上 页返 回UpqUs+Us sUsUseff=Us+Us s+UpqUs+UpqUs sIUpqUs+Us sUsUseff=Us+Us s+UpqUs sIUpq,s sUpq,cr rH串联无功补偿中对电压串联无功补偿中对电压Upq选择一个合适的选择一个合适的r r角，使总的角，使总的注入电压注入电压(Us s+Upq)或其分量与或其分量与线路电流正交。线路电流正交。 f电压电压Upq的的Upq,s s分量部分分量部分抵消固定的正交电压抵消固定的正交电压Us s，Upq,c分量对运行中的感性分量对运行中的感性线路提

59、供串联补偿。线路提供串联补偿。 下 页上 页返 回d doUpqUsUseff,maxUrUseff,s-sUseff,minUsUpqQpqUseff=Us+UpqUrUxPXIf用用UPFC控制两系统的互联，若系统可获得的传控制两系统的互联，若系统可获得的传输角为输角为10，期望得到的稳态传输角为，期望得到的稳态传输角为30，要，要求用于处理负载变化或动态扰动的控制范围大约求用于处理负载变化或动态扰动的控制范围大约为为10。下 页上 页返 回f UPFC运行范围的半径运行范围的半径是在无补偿系统下、传输是在无补偿系统下、传输角分别为角分别为10和和40运行运行点之间的距离决定。在保点之间的

60、距离决定。在保持受端超前或滞后的大范持受端超前或滞后的大范围无功补偿前提下，围无功补偿前提下， UPFC可以对传输线路的可以对传输线路的有功功率从零到最大值之有功功率从零到最大值之间进行控制。间进行控制。 UPFC控制范围控制范围Qr0.5-0.5-1.0Us s=0d d=90P0.51.01.5d d=10d d=0d d=200d d=40d d=30下 页上 页返 回f UPFC运行范围的半径运行范围的半径是在无补偿系统下、传输是在无补偿系统下、传输角分别为角分别为10和和40运行运行点之间的距离决定。在保点之间的距离决定。在保持受端超前或滞后的大范持受端超前或滞后的大范围无功补偿前提