FACTS新装置用于电力系统潮流解析

FACTS新装置用于电力系统潮流分析

汪玉凤，李姿，宋巍，赫飞

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105）摘要：介绍FACTS装置的定义和功能、发展过程, 对最新发展的GUPFC和IPFC装置进行了阐述，并对二者在电力系统潮流分析中的应用做了分析。GUPFC和IPFC装置为进一步提高电力系统潮流分析的控制性和稳定性提供了强有力的工具。

关键词：FACTS；电力系统；潮流分析；GUPFC；IPFC

中图分类号：TM711 文献标识码：A

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，电力工

业在各方面都取得了辉煌的成就。但是，电力系统的快速发展也暴露出了一定的缺陷，这就给电力系统的控制技术和安全防御技术提出了很大的挑战。新型控制技术FACTS 的诞生是提高复杂电力系统运行和经济效益的新型强大工具，它已成为大型电力系统中不可或缺的控制技术，也为电力系统潮流分析的新发展提供了技术上的保障。

1 FACTS装置

FACTS（Flexible Alternating Current Transmission System），即灵活交流输电系统，是美国著名电力专家N.G.Hingorani博士于1986年提出的，FACTS技术在电力系统中已显出极为广泛的应用前景。它应用电力电子技术的最新成就，以实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性、可靠性。

2 FACTS装置的换代发展

FACTS装置发展的背景是基于输电线的需要、电力电子技术和元器件的发展支持、已有FACTS技术产品的研制和运行经验的积累等4个方面。FACTS装置逐步发展成多种多样，其发展示意图如图1所示。

第一代FACTS装置是从20多年前出现的SVC开始的。第一代FACTS装置是晶闸管控制的串联电容器（TCSC），它利用SCR 控制串接在输电线中的电容器组，以控制线路阻抗，提高输送能力；第二代FACTS装置包括STATCOM和SSSC，同样具有第一代装置具有的支持电压和控制功率等功能，但在外部回路中不需要大型的电力设备，以电子回路模拟出电抗器或电容器的作用；第三代FACTS装置是将两台或多台控制器复

并联联接，串并联联接

图1 主要输电型FACTS控制器的运行功能和换代

发展示意图

Fig. 1 Main FACTS controller function and its update development schematic drawing

合成一组FACTS装置，并使其具有一个共同的统一的控制系统。一种典型装置就是由一台STATCOM和一台SSSC复合而成的UPFC。它的功能更强大，它以控制线路阻抗、电压或或功角的办法同时控制输电的有功和无功潮流。第三代FACTS装置发展迅速，已出现CSC的原理，其中包括调节双回线潮流的线间潮流控制器（IPFC）、控制多回线路的MCSC以及功能更强大的GUPFC。

3 线间潮流控制器（IPFC）

IPFC是应用电力电子技术的最新发展成果以及现代控制技术实现对交流多线输电系统的参数以至网络结构的灵活快速控制。在实际应用中，被用于实现复杂的潮流控制的多线传输系统中，每个传输线路的长度、电压、容量可能大不相同，IPFC的特点就是它的柔性能适应复杂系统进行一系列补偿和潮流控制的要求，能大幅度提高输

电线路的输送能力和电力系统的稳定性、可靠性。

3.1 IPFC 原理

IPFC 由多个DC/AC 换流器组成，便流器的直流侧连接在一起，每个便流器都可以通过连接的线路向直流链路的电容提供有功。在这种结构中，每个变换器为连接的线路提供SSSC 串联补偿的同时，还可以实现在补偿线路之间传输有功，以达到柔性控制电网潮流的目的。双线路IPFC 的基本结构如图2所示。

两个电源逆变器向线路1和线路2注入的电压等效为两个同步电压源1dq V 和2dq V ，

11X 、12X 分别是线路1和线路2的电抗，

1s V 、2s V 是送电端母线电压，1r V 、2r V 是

1

av 2

av 图2 IPFC 原理图

Fig.2 Schematic diagram of IPFC 受电端母线电压。为了得到两个系统之间的联系，选择系统1可以对有功和无功潮流进行自由控制，1dq V 注入电压的幅值控制在0～max 1dq V ，角度?≤≤36001β，注入电压与发送端电压共同产生实际的送电端电压

11dq s sleff V V V +=，1r sleff V V -的差值产生

补偿电压11x V ，由于?

≤≤36001β，1β控制11x V 的幅值和相位，电压源SeV1（1dq V ）产生的无功分量和有功分量1SeV P 将按照1β的正弦函数变化。这个过程为了满足SeV1

（1dq V ）的有功需求，必须控制SeV2（2dq V ），使得有功12SeV SeR P P =，SeV 在线路端交换的有功可以通过直流环节流到其他线路的SeV 端。这样就要求控制相应便流器来注入一个理想的电压。

4 含广义统一潮流控制器（GUPFC ）的潮流分析

4.1 广义统一潮流控制器（GUPFC ）

随着FACTS 技术的进一步发展，一种新型的源于UPFC 但比UPFC 功能更强大的FACTS 装置——广义统一潮流控制器（Generalized Unified Power Flow Controller ，GUPFC ）被提出，并已进入实际使用阶段。GUPFC 不仅可控制节点电压，而且可同时控制多条线路或系统中某一子网络的潮流，与UPFC 只能控制单条线路的潮流相比，GUPFC 显示出更强大的控制能力。

最简单的GUPFC 含有3个换流器，1个与节点并联，其它2个与输电线路串联，其工作原理如图3所示。图中的GUPFC 可控制并联节点电压和2条输电线路的有功和无功功率共5个电气量。在实际应用中，GUPFC 可根据需要含有多换流器，以实现对多条线路的潮流控制。

U 2

pq

图3 具有3个换流器的GUPFC 工作原理图 Fig.3 Working schematic diagram with three

converters of GUPFC

当图3所示的GUPFC 装设于节点i 处，

线路ij 、线路ik 上时，其等效电路如图3所

示。它包含1个并联可控电压源sh

U 和2个

串联可控电压源ij pq U _ 、ik pq U _ ，

可灵活地模拟GUPFC 的并联、串联补偿和支路潮流控制等功能。 4.2 考虑GUPFC 的潮流方程 为使计及GUPFC 的潮流方程具有更普遍的意义，在图1、2的基础上，考虑了GUPFC 对多条线路的控制作用，而并不仅仅是图中的2条线路。

在考虑了GUPFC 对系统的影响时，根

据图2可得到节点i 注入功率方程式：

GUPFC t in in in in n n

t t P B G U U P ++=∑)sin cos (θθ （1）

GUPFC t in in in in n n

t t Q B G U U Q +-=∑)sin cos (θθ （2）

式中，n=1,2,……,nn ，nn 为系统节点总数；GUPFC t P 和GUPFC t Q 分别为GUPFC 对节点i 的附加注入有功和无功功率。节点注入

功率方程式可写为：

GUPFC m

mn mn mn mn n n

m m P B G U U P ++=∑)sin cos (θθ（3） GUPFC

m

mn mn mn mn n n

m m Q B G U U Q +-=∑)sin cos (θθ（4）

式中，m=j,k,…，是与GUPFC 所控制

的多条线路相对应的节点；GUPFC

m P 和GUPFC

m

Q 分别为GUPFC 对节点的附加注入有功和无功功率。

5 结束语

随着电力工业的进一步发展，GUPFC 、IPFC 作为控制能力更强大的FACTS 装置，

辅之以现代化的计算机控制手段，能使系统的灵活性及控制性显著改进，将成为电力系统运行、规划和管理的强有力的工具。但

GUPFC 、IPFC 装置还处于初步研究阶段，其内部的一些特性还有待于进一步的深入研究。 参考文献：

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Application of New FACTS in Power Flow Analysis

Wang Yufeng ，Li Zi ，Song Wei ，He Fei

(Liaoning Technical University ，Hu Ludao 125105，China)

Abstract: This paper introduces the definition and function of the FACTS device and shows its developing process and elaborates the newest GUPFC and IPFC devices. It analyzes the application of the two means in power flow analysis. GUPFC and IPFC devices provide a powerful tool for further in enhancing the power flow analysis controllability and stability. Key words : FACTS; power system; power flow analysis; GUPFC; IPFC

汪玉凤（1962-）,女,唐山人,硕士,教授,硕士研究生导师,主要从事电力系统自动化、电机与电器、智能仪表等方面的教学与科研工作.

李姿（1982-），女，沈阳人，在读硕士，主要研究方向为电力系统自动化

宋巍（1982-），男，四平人，在读硕士，主要研究方向为电力电子变换和控制技术、单片机开发与应用等