控制系统结构简析

UPFC可以向线路提供任意幅值与任意相角的串联注入电压（只受设备额定容量限制）。按运行指令要求通过合适的控制系统，UPFC可以快速地把注入电压调整到所需的幅值与相角，它不仅可以在设定的P、Q工作区域内建立工作点，而且可以迅速地完成工作点的切换。

图7-14 UPFC的基本控制方案

UPFC控制系统从功能上可以分为内部控制和外部功能控制两个层次。内部控制系统接收外部功能控制系统输出的控制指令，即并联变流器输出无功电流指令I_shqref和串联变流器输出的串联补偿电压指令及直流电压指令V_dcref，通过控制两个变流器产生指令要求的串联注入电压和并联补偿电流。在图7-14中，串联变流器直接响应系统串联注入电压指令值，串联补偿电压输入指令值改变，补偿电压V_pq相量迅速随之改变。并联变流器在其输入有功电流和无功电流闭环控制结构下工作，它分别独立控制变流器与交流电网交换的并联有功与无功功率。并联无功补偿（如果需要该功能，比如保持电力系统节点电压V_s）直接对输入无功指令值I_shqref响应。并联变流器还受另一个直流电压V_dc闭环系统控制，以使直流端的电压V_dc保持为指令值，同时还应由并联变流器输入的有功电流提供（或吸收）串联变流器所要求的有功功率。换句话说，对并联有功电流闭环控制就是为了保证两变流器所需有功功率的平衡，像前面提到的一样，在两个变流器之间有有功功率流动但无无功交换。

图7-15中外部（或功能性）控制确定了UPFC运行功能模式，功能运行模式和系统补偿需求由外部参考输入来决定。这些外部参考输入可以通过操作员的人工设置，也可以通过自动优化系统控制设置来达到精确控制与处理偶发工况的性能要求。图7-15给出了总体结构，包含内部控制、外部功能控制和优化系统内部、外部参考值控制。

图7-15 UPFC的总体控制结构

图7-15所示的UPFC的总体控制结构中，两个背靠背变流器电路结构具有独立提供可控的有功无功补偿的能力。UPFC具有几种不同的运行与控制模式。这些模式包含并联变流器提供无功电流补偿和电压控制（运行模式选择指令I_shqref、V_sref），串联变流器注入各种串联补偿电压提供多种控制运行模式（选择指令、Z_ref、β_ref，以及选择功率指令P_ref、Qref等）。UPFC也允许两个变流器解耦控制（相互之间无有功交换），并提供独立的并联、串联无功补偿。

1.并联变流器的控制功能并联变流器可从电网获得可控电流I_sh。若与电压同相的有功分量为I_shp，则电网输入并联变流器的有功功率P_sh=V_sI_shp用于稳定直流电压V_dc和能自动平衡串联变流器所需有功功率。I_sh的无功分量I_shq产生无功功率Q_sh=V_sI_shq，在变流器的额定容量内能够输出任意所需的无功补偿，调控节点电压V_s或线路无功潮流。并联变流器的运行有无功补偿控制模式和电压控制模式的两种运行方式，类似于静止同步无功补偿器STATCOM、静态无功补偿器SVC的运行模式。

（1）并联变流器无功控制模式

在无功控制模式中，它的参考输入是所需的容性或感性无功补偿量。并联变流器的控制器把无功功率指令值转换为相应的并联补偿电流指令值，再通过变流器的门极控制信号使其输出跟踪并联补偿电流指令值。控制系统从检测变流器的输出电流获得反馈信号用于电流闭环控制，从而使变流器的输出跟踪其输入电流的指令值。此外，并联变流器控制系统还检测直流母线端电压V_dc的反馈信号用以维持DC端电压为指令值。

（2）并联变流器电压自动控制模式(www.xing528.com)

在电压自动控制模式（实际应用中常被采用）中，并联变流器将自动调节其输出的无功电流，使传输线首端电压V_s保持为参考值电压V_sref。在第5章5.4.4节论述STATCOM调控电压时，电网电压指令值V_sref应随输出无功电流的增大而略有下降，即图7-15中的电压V_s的指令值V_sref=V_so-KI_shq，V_sref由并联变流器在空载时的参考值V_so减去电压下降因子K与输出的感性无功电流I_shq的乘积确定。电压下降因子K是在并联变流器输出电流范围内输出无功电流每增加1单位而电网节点电压V_s的允许下降偏差值。电压自动控制采用系统节点电压反馈信号来控制电网交流母线电压基波分量的幅值。

2.串联变流器的功能控制

串联变流器用于控制线路串联注入电压的幅值和相角。直接（或间接）影响线路的潮流。V_pq的控制模式取决于所选UPFC控制潮流的工作模式。串联变流器常采用的四种控制模式如下：

1）直接注入补偿电压控制模式：串联变流器只是按照输入参考值输出所需幅值、相角的电压相量。当采用单一的优化控制功能来协调UPFC和系统中其他FACTS控制器时，该工作模式可能是比较好的。直接注入电压专一控制功能的运用场合有：通过注入同相电压（与电网电压同相）进行的幅值控制、注入正交电压作为可控“正交电压调相器”从而控制有功潮流、注入与电流正交的串联无功电压V_q提供可控的串联无功补偿或注入与电流同相（或反向）的有功电压V_p提供有功或线路电阻补偿。

2）线路阻抗补偿模式：控制注入电压V_pq的幅值，使之与线路电流I的幅值成正比时，从线路角度看，这相当于在线路中串入了一个补偿阻抗，补偿阻抗由输入参考值决定。阻抗补偿有一些特殊的情况，比如当注入电压矢量保持与线电流矢量I·正交，则可实现纯无功性（感性或容性）的阻抗补偿，这种工作模式可类似于在线路串联电容补偿。

3）相角调节模式：通过注入电压，可使补偿后的电压V_seff=V_s保持电压幅值不变、但使相位移动（相比于输入电压V_s超前或滞后），相位移动的大小由补偿电压参考值决定。

4）潮流自动控制模式：控制注入电压的幅值、相角，使线路获得所需电流I·（由有功、无功潮流参考值（指令值）换算获得）。在该模式下，串联注入电压是闭环自动连续控制确定的，这就可以确保无论系统外部条件如何变化，系统稳定传输所需的P、Q。这样就可以进行系统潮流的安排与管理，同样可以用于有效处理动态干扰（比如抑制系统振荡）。

3.独自串联、并联补偿

通过断开UPFC的公共直流端和分开公共直流电容，UPFC电路可允许串、并联变流器独自运行。在这种情况下，并联变流器工作在独立的STATCOM状态，串联变流器工作在SSSC串联无功补偿状态。UPFC结构的特点可用于处理偶发事件（例如，一个变流装置出现故障），也更适应未来系统变化。例如两个变流器都用作并联补偿或都用作串联补偿，在该模式下，两个变流器都不能提供（或吸收）有功，所以它们只能进行无功补偿，在潮流控制中它只能提供无功功率补偿或电抗补偿，因而两个变流器综合补偿的功能受到了限制。