统一潮流控制器： 一种新型的功率转换控制方式外文翻译资料

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统一潮流控制器：

一种新型的功率转换控制方式

摘要

本文说明了统一潮流控制器（UPFC）可以独立的控制有功功率的传输和传输线路的给定端及接受端的无功功率潮流。UPFC在并联线路补偿中唯一的功能是融合一个广义的能保持给定的潮流控制器，并且独立控制线路中的有功功率和无功功率。但关于潮流控制器，比如可控串联电容器和可控移相器，本文描述了提出的广义P和Q控制器的基本概念并且与更传统的相比较。本文还提出了在不

同的系统条件下的性能的UPFC的计算机模拟的结果。

关键词：AC输电 FACTS 潮流控制 线路补偿 串联电容 相角调节器 晶闸管 GTO 功率变换器 逆变器

介绍

UPFC的提出是为了交流输电系统的实时控制与动态补偿,提供必要的功能灵活性，以解决许多公用事业行业面临的问题。

在实现中考虑GTO晶闸管阀，UPFC包括两个开关转换器,如图1所示。这些逆变器在图中标签为“逆变器1”和“逆变器2”，它们由直流存储电容提供的公共直流链路操作。这种安排的功能作为一个理想的C T O AC电源转换器，有功功率可以自由地在两逆变器之间的AC端子任何一个方向流动和每个逆变器在其交流输出端可以独立地产生（或吸收）的无功功率。

在工频，与线串联插入一个变压器，逆变器2通过注入一个有可控大小（0）和相角交流电压提供了UPFC的主要功能。这种注入电压可以被认为基本上是一个同步交流电压源。传输线电流流过这个电压源，使它与交流系统之间的有功和无功功率交换。有功功率在交流终端（即在插入变压器的端子处）交换，由逆变器转换成直流电源出现在直流链路作为正或负的有功功率需求。在交流端交流的无功功率由逆变器内部产生。

逆变器1的基本功能是提供或吸收直流线路中逆变器2所需的有功功率。这直流链路功率通过并联变压器转换回AC和耦合到传输线。逆变器1也可产生或吸收可控无功功率，如果需要，可以为线路提供独立的并联线路的无功补偿。重

图1 统一潮流控制器的基本电路配置

要的是要注意，通过串联电压作用由逆变器注入1和2回线，在一个封闭的“直接”路径进行有功功率中和，相应的无功功率的改变是被本地逆变器2供应或吸收，因此它不流经线。因此，逆变器1可以在单位功率因数下运行或被控制与逆变器2交换无功的线路交换无功功率。这意味着没有连续通过UPFC的无功潮流。

从传统电力传输的观点查看统一潮流控制器的操作基于无功并联补偿、串联补偿和相移，UPFC可以实现所有这些功能，从而通过加入注入电压满足多重控制，传输适当的振幅和相位角到终端电压，使用相量表示UPFC的潮流控制功能如图2所示。

1. 电压调节（b）串联补偿（c）相角调节（d）多功能功率流控制

图2 基本UPFC控制功能：

（a）电压调节（b）串联补偿（c）相角调节（d）多功能功率流控制

终端电压调节,与变压器相似的具有无穷小阶的分接开关,如（a）所示，（粗体字母表示相量）同相注入（或反相）。

串联电容补偿如（b）所示，与线电流正交注入I。

传输角度调节（相位转换）如（c）所示，与角度关系注入在大小不变的情况下实现理想相位转换（超前或滞后）。

多功能潮流控制同时执行终端电压调节、串联电容线路补偿和相位调节，如（d）所示，。

依据传统的传输控制概念，强大的，迄今无法实现的，综上UPFC的能力，可以集成到一个能够保持规定的广义潮流控制器，并且独立控制线路中的有功功率P和无功功率Q。在这个概念范围内，传统的串联补偿、相位转换等条例变得无关紧要；UPFC简单地控制注入电压的幅度和角度实时保持或改变满足负荷需求和系统运行条件的线路有功和无功潮流。

在下面的章节中，介绍了基本概念广义P和Q控制器，与传统的潮流控制器相比较，如晶闸管控制串联电容器和晶闸管控制相位角调节器，描述了用于实现的电子控制原理，并给出了计算机模拟结果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

如图3（a）所示。为了简单，考虑假定归纳为一个简单的两台机器上（或两母线交流联络线）带端电压的系统，受端电压和线路阻抗X，如（b）系统所示，电压的相量图的形式是传输角和。在（c）中，传输功率P（）和供应线的末端的无功功率表示反向角。在图（d）中，无功功率()表示绘制对传输功率P对应的的“稳定”值。

图3 简单两机系统（a）相关的电压相量（b）有功功率和

无功功率与传动角（c）发送端/接收端无功功率与传输实功率（d）

图3中基础功率系统有着众所周知的传输特征，分别在线路发送端和接收端，被介绍用于提供车辆的建立UPFC控制传输有功功率P和无功功率需求和的能力。

图4是基于图3的简单两机系统扩展介绍UPFC。如前部分所述，UPFC是由可控与线路串联的电压源，能产生或吸收线路的无功功率，但是它所交换的无功功率必须由发送端发电机供应给它或者从它之中吸收。在串联线路中由UPFC注入的电压用从给定相位的相量测量的相量表示有幅值和相角。相电流用相量I表示，流过串联电压源，一般都导致有功和无功功率交换。为了正确地表示UPFC，串联电压源规定只有无功功率与线路交换。因此，与线路中有功中和的有功功率被认为被认为是转移

图4 具有统一潮流控制器的双机系统

到发送端的发电机，好像它和发送端生成器之间的有功功率流完美耦合。这是一致的UPFC的电路结构，在被家如的串联电压源和发送端母线之间，其中两个之间的直流链路构成逆变器建立双向耦合注入序列间的有功功率流 。如图4所示，在目前的讨论中，进一步假设为澄清，并联无功补偿能力不使用的UPFC。这是UPFC并联逆变器是假定在单位功率因数运行，它的唯一功能是将串联逆变器的实际功率需求转移到发送端发电机。有了这些假设，如图4所示，串联电压源，

连同真正的功率耦合到发送端发生器是一个精确的表示的基本UPFC。

可以很容易地观察到在图4中的传输线“看到”作为有效的发送端电压。因此可以清楚的看到UPFC影响流经线路的电压（幅值和相位）因此，它是合理的预期，它是能够通过改变的大小和角度、传输有功功率以及在发送端与接收端电压之间的任意传输角的线路无功需求控制的。

在图5中，发送端发电机提供的无功功率和受端发电机提供的，与传输有功P分开绘制，作为注入电压相量的幅值和相角，在四个传输角中。在时，在如图3（d）基本的Q-P曲线上，其中包括在上述各数字中供参考，这些点成为离散点。这个曲线表明了P和,P和之间的关系，对于传输角范围，当UPFC操作提供的最大传输功率的无无功功率控制，也分别地用虚线与标签“P()=MAX”“发送端”“接受端”显示。

首先考虑图5a，说明了传输角为0的情况。以及，P,和都为0，该系统处于停滞状态起源于和P,和P的协调。围绕和P,和P始端的圆显示了和P,和P的变化，作为电压幅值其最大幅值旋转成一个完整的圆，这些圆圈内的区域定义所有P和Q值通过控制幅值V和相量角.换言之，在圆中，包含了所有和P,和P的值。可以观察到，例如UPFC与规定的额定电压0.5pu,能够建立0.5 pu的潮流，在任何方向在发送端或接收端没有无功需求。当然，UPFC，如图所示，可以强制发电机一端为在另一端发电机提供无功功率。（在一个案例中，下一个系统可以强制为另一个提供无功功率。）

图5 实现发送端的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

（右侧图）与UPFC在

在一般情况下，在任何给定的传输角，传输有功功率P，在输电线路末端的无功功率需求和，可以被UPFC无界限限制的，通过旋转注入的电压相量与幅值在内自由控制。每个平面的边界以点为中心，在时由Q和P曲线的传输角定义基础传输功率的特点。

考虑下一个（图Sb）的情况，可以看出再次定义平面中的接收端控制区域,然而，通过圆圈，发送端控制区域边界平面成为椭圆。 随着传输角度的进一步变化增加到例如“（图5c），椭圆定义了控制平面中的的区域变窄并最终在“（图5d），它退化成一条直线，相比之下，

剩余的平面中的P和Q的控制区域边界在所有传输角度的圆。

图 5a通过5d清楚地表明，UPFC与其独特的独立控制功能可以实现无功功率在任何传输角度的流动，提供了一个强大的传输系统控制新工具。

在下一节，为了建立UPFC的能力其他相关电力流量控制器，如晶闸管 - 受控系列电容器（TCSC）和晶闸管控制相位角调节器（TCPAR），一个基本的比较介绍了这些和UPFC的功率流量控制特性。 选择这个比较的基础是每种类型的功率流量控制器的能力来改变传输接收端的实际功率和有功功率需求。 接收端需求通常是一个重要因素显着影响线路电压随负载的变化需求，负载抑制过电压和稳态系统损失。 类似的比较，当然可以很容易地在发送端，但结果将非常相似，至少在实际中传输角度。

UPFC对TCSC和TCPAR的比较

晶闸管控制的串联电容方案。通常使用晶闸管控制电抗器与电容器并联以改变有效串联补偿电容。 实际上，有几个电容可以使用具有其自己的可控硅控制反应器满足具体应用要求。 为了这个目的，目前的调查，TCSC，无论其实际执行，可以简单地将其视为可变电容器其阻抗在的范围内是可控的

可控串联电容阻抗消除部分反应性线路阻抗导致整体传输阻抗减小（即，在电短线中）并相应地增加可传输功率。

晶闸管控制串联电容器是一个积极控制的电容性阻抗只能影响流过传输线的电流幅值。在任何给定的阻抗设定TCSC，定义特定的线路阻抗传输功率严格由传输角决定（假设终端电压的幅度恒定）。因此，确定线路端点处的无功功率需求通过传输的实际功率以与线路相同的方式没有补偿但具有较低的线路阻抗。

因此接收端Q的需求可以由单个表示两台机器系统中TCSC补偿线的曲线

如图6所示。在任何串联电容阻抗范围内（同样的曲线，当然也

图6 带晶闸管控制串联电容器的两台机器系统

描述了关系。这意味着在时，通过使用基本传输关系建立的信息无限数量的曲线，即。显然，给定的传输角度定义

用特定值获得的每个曲线上的单个点。因此，X的逐渐增加，从零到可以被视为点，定义相应的P和Q值在给定的传输角度上表示第一个曲线

无补偿的动力传动，通过无限数量曲线代表逐渐增加系列补偿直到最后达到最后的曲线代表功率传输与最大串联补偿。第一个曲线，代表无补偿的功率传输，可以视为下边界曲线并由确定。最后的曲线，表示电力传输具有最大的串联补偿，可以认为是上限边界曲线，并由确定。请注意，像以前一样，所有曲线仅被认为是传输的“稳定”范围角度。

图中的曲线 7a至7d显示控制的范围对于TCSC，具有相同的0.5 pu。 最高额定电压对于UPFC，考虑到四个传输角度：在每个图中，两个边界曲线，表示零补偿（）和最大值串联补偿用虚线表示参考，以及先前导出的循环控制区域的UPFC显示为

图7 TCSC（重线）和可达到的Q值和P值

与UPFC（虚线圆内）当

虚线进行比较。

考虑图 7a示出了当传输角为零（）时的情况。 由于TCSC是一个积极控制的，而是功能无阻抗，电流通过线路与补偿阻抗始终保持为零，无论X的实际值如何。 因此，P和Q都为零系统处于停顿状态，这种情况不能改变TCSC。 相比之下，如图中由于UPFC是一个主动控制的电压来源，它可以强制高达0.5 pu 实际潮流在任一方向并控制发送端之间的无功功率交换以及所示的循环控制区域内的接收端总线。

在时TCSC的特性如图7b所示。如图所示，Q和P之间的关系为串联补偿总范围，由直线连接定义下边界和上边界曲线上的两个相关点，和，其代表功率传输分别为零和最大串联补偿。可以看出，正如预期的那样，TCSC控制实力通过改变串联补偿的程度（从而改变线电流的大小）。 但是，无功功率需求的线不能独立控制; 它仍然是直接的在处获得的发送的实际功率的函数与值()。还要注意的是可实现的最大值TCSC可实现的可传输功率的增加是一个功率与给定的无补偿线路传输角度常数百分比（由最大程度的串联补偿定义）。换句话说，可达到的最大增幅在传输角度较小时，实际发射功率要小得多比大的。 这是因为TCSC是一个系列阻抗并因此产生的补偿电压为与线电流成比例，这是角度S的函数对比，由于UPFC是一个电压源，最大其产生的补偿电压与线路电流无关（和角度）。 因此最大变化（增加或减少）可传输功率，以及接收端反应UPFC可实现的功率不是角度S的函数仅由UPFC的额定电压决定与线串联（本文假设为0.5 pu）。 这个UPFC的特点从相同的圈子是明显的半径定义了UPFC的控制区域的四种不同传输角度考虑。

图 7c和7d显示了TCSC的特征和的UPFC分别进一步说明了以上观察。 用于实际功率控制的TCSC的范围仍然是由未补偿的传输功率的不变百分比在所有传输角度（），是最大值发射功率的实际变化随着增加而逐渐增加，它达到UPFC在时，但是应该注意的是最大传输功率与TCSC完全补偿获得的1.5 pu，相关联与1.5 pu接收端的无功功率需求相同1.5pu 电力传输只能用1.0 pu 反应性线路被UPFC补偿时的电力需求。

从图。 从7a到7d，可以得出结论，UPFC与TCSC相比，具有优越的潮流控制特性它可以独立地控制广泛的实际和无功功率范围。其在实际无功功率方面的控制范围与传输角无关，它可以在零（或小的）传输角度的任一方向上控制实际和无功功率流。

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