[科普中国]-线间潮流控制器

简介

随着电力系统的不断发展，以及先进控制技术的不断产生，1998年由Gyugyi、Sen和Schauder共同提出了线间潮流控制器(IPFC)的概念，它为变电站多条输电线路的补偿提出了一个全新的解决方案。在此之前的所有补偿方案都可以称之为“传统”的解决方案，在这些传统的解决方案中，一般都采用固定的、晶闸管控制的或是基于SSSC的串联容性补偿，它们一般都只能增加指定线路上的输送功率，当然，也可用它们来解决多条输电线路中通常遇到的负荷平衡问题。但是，不管它们的实现方式如何，串联无功补偿器不能控制线路的无功潮流，因而也不能适当地平衡线路负荷。这种情况部分是由于线路电抗与电阻之比(X/R)相对较低所造成的，且比值越低，该问题越显得突出。因为串联无功补偿仅减少了线路的有效电抗X，使X/R比值明显降低，从而增加了线路的无功潮流和损耗。IPFC结构，以及它对各条线路具有独立可控的串联无功补偿的能力，使它能在补偿线路之间直接传递有功功率。

IPFC的这种能力使它能平衡线路间的有功和无功潮流，通过有功功率的平衡疏通减少过负荷线路的负担，补偿线路的电阻性压降和相应的无功功率需求，增加系统在动态扰动下的整体补偿效果，并保证这种补偿的有效性。也就是说，IPFC为变电站多线路的潮流管理提供了高效的控制模式。2

工作原理线间潮流控制器一般使用多个直-交变流器，每个变流器都为各自所在线路提供串联补偿。也可以说，IPFC由多个静止同步串联补偿器组成。IPFC的一般构成原理仍然是将补偿变流器的直流侧连在一起。使用这种结构的IPFC除了能提供串联无功补偿外，每个变流器还可以从各自控制的输电线路向公共直流母线提供有功功率。这样，系统就可以利用轻载线路的剩余容量来传送其他重负荷线路的有功功率。这种结构和对应的控制方式能够缓解某些过负荷线路或无功潮流负担较重线路上变流器的压力。为满足电力系统各种运行工况的补偿要求，可以将IPFC设计成具有有功和无功四象限潮流控制的变流器，这一特性与统一潮流控制器(UPFC)非常相似，但UPFC只是对一条输电线路的控制，而IPFC则是对多条输电线路的控制。显然，IPFC的这种结构要求有适当的控制措施，使公共直流母线能够平衡所有线路上的功率，所遵循的一般原则就是用轻载线路传递过负荷线路的有功功率。2

潮流优化将IPFC加入到网络中进行潮流优化，可以看成是非线性优化问题，用目标函数及其约束条件求解，以右图(IEEE3机9节点系统)为例：

为了改善系统的性能，母线2和3是PV节点，母线1是平衡节点，电压的幅值和相角和原来一样。发电机1有功功率范围是10MW到100MW，无功功率的范围是-200MVAR到200MVAR。母线4-9的电压幅值限定在0.95p.u.到1.05p.u.，线路串联变压器的电抗值设为0.01p.u.，忽略电阻值。IPFC的两个同步电压源电压幅值的变化范围0到0.1p.u.相角的变化范围-180度到180度。

可以看出有IPFC的情况下使母线电压的幅值得到降低，相角也会发生相应的变化。1

应用在实际情况下，IPFC一般要对复杂、多线路的系统进行控制。此时，每条回路的长度、电压等级、各条线路的容量等，都会有很大的不同。IPFC所具有的最大吸引力之一就是它内部所固有的灵活性，它能处理各种复杂系统和不同的运行要求。但在实际应用中应注意以下几点：

(1)当需要串联补偿或其他串联潮流控制(如移相)时，采用IPFC就能充分发挥它的优越特性。这是因为IPFC只是对其他独立串联补偿器(如SSSC)的一种简单合成，在不显著增加硬件的前提下，它能极大地提升那些独立补偿器的容量。在系统需要时，所增加的容量可以从某条线路转移到另一条线路。此外，IPFC中的变流器可以进行解耦控制，在不改变任何硬件的前提下，它可独立地作为串联无功补偿器来运行。

(2)虽然具有不同直流电压等级的变流器可以通过DC-DC斩波器(变流器)进行耦合，但这种结构的运行损耗相对较高，不太经济。因此在IPFC系统中，对所有变流器的直流侧只建立一个公共的直流连接，这样就可通过直流耦合通道经济地获得容量的增加。对公共直流电压的电压等级要进行合理的设计，但不能对换流器的设计增加苛刻的限制，因为在多回线、大容量应用中经常会有一些限制。除了直流耦合的潜在功效外，公共直流电压还有利于对某一应用地点的变流器类型进行标准化设计，这样也便于设备维护和零部件配套。

(3)IPFC中不同变流器的运行范围可能有很大的不同，这与每条线路上的电压等级和容量大小有关，也与期望的补偿容量有关。显然，设计时应尽量使高电压/大功率的线路向低电压/小功率的线路提供所需的有功功率，以优化功率传输，这对高电压/大功率线路本身的传输也不会产生明显影响。

(4)在多回路和网孔系统中，IPFC是解决有功和无功潮流平衡的理想方案。

(5)可以对IPFC的变流器进行控制，以提供完全不同的运行功能，如独立的P和Q控制、传输角调节中的移相控制、传输阻抗控制等。根据系统运行需求的不同，可选择不同的运行功能。2