基本控制系统：调节P、Q潮流

UPFC有许多可能的工作模式，但为了突出本节的主题，下面将只详细讨论潮流自动控制模式。该模式可以实现输电线有功、无功潮流的独立控制。潮流自动控制模式基于UPFC中串联变流器和并联变流器的协调控制，最大限度地利用了UPFC潮流控制能力。图7-16给出了串联变流器在该工作模式下的控制框图及相量图。并联变换器的电路相量图及控制系统框图由图7-17、图7-18给出。为简明清晰，图7-18中只给出一些重要的控制功能，省略了相对不重要的信号处理和应满足的函数关系。

1.串联变流器控制框图

图7-16中串联变流器的功能是输出补偿电压使图7-16b线路首端C点电压V_seff传输的有功功率P=P_ref，无功功率Q=Q_ref。图7-16所示的电路及相量图中，如果电压的相位为θ_r，的相位为θ_s，电流I·的相位为θ_i，串联补偿电压的相位为θ_pq，电流I·滞后电压的功率因数为φ₁，补偿电压超前相位角为ρ，补偿电压超前电流的相位角为α。由于线路电抗电压降j I·X（相量图中的BC段，超前电流，如果电压、之间的功角为δ，则相量图中超前I·的相位角α=ρ+φ₁即ρ=α-φ₁。线路首端有效电压，若V_seff超前相角为β，则超前电流I·的相位角为β+φ₁。定义有功电流I_p为与同相的电流，I_q为与正交的无功电流，由图7-16中的相量图可知，I_p=Icos（β+φ₁），I_q=Isin（β+φ₁）。由于α是与之间的相位角，因此与同相的有功电压分量V_p=V_pq cos α，与正交的无功电压分量为V_q=V_pq sin α，tan α=V_q/V_p，α=arctan（V_q/V_p）=ρ+φ₁。控制V_p即控制了串联补偿的有功功率IV_p，控制V_q即控制了串联补偿的无功功率IV_q。图7-16的控制框图中根据要求串联补偿后线路首端传输线的有功功率指令P_ref、无功功率指令Q_ref和电压V_seff的指令值可计算得到路的有功和无功电流指令值I_p∗=P_ref/V²_seff、I_q∗=Q_ref/V_s∗_eff，将它们与实测的线路电流I_p、I_q相比较，经误差放大器后，作为串联补偿电压的有功、无功电压指令V_p∗、V_q∗。V_p∗、V_q∗再经限幅（由于系统限制或设备容量限制，应对前向通道的串联注入电压有限制，防止过载，保护串联补偿器）输出串联补偿器的有功和无功补偿电压指令V_p∗、V_q∗。当实测的i_p（i_q）小于指令值I_p∗（I_q∗）时，表明串联补偿电压V_p∗_q的有功（无功）分量V_p∗（V_q∗）不够，PI型电流调节器输出的有功（无功）指令电压V_p∗（V_q∗）增大，直到I_p=I_p∗，I_q=I_q∗。图中经绝对值计算和相角计算得到串联补偿电压幅值指令及相角指令α=arctan（V_p∗/q∗）。图中电流锁相环检测线路电流I·的相位θ_i，将θ_i与α相加即得到补偿电压的相位θ_i+α。由串联变流器输出电压的幅值指令V_p∗_q和相位指令θ_i+α形成变流器开关管的驱动信号，对串联变流器进行控制，即可使其实际输出电压跟踪指令值V_p∗_q，从而使输电线传输的P、Q跟踪指令所要求的R_ref和Q_ref。

图7-16 串联变流器控制框图及电路相量图

2.并联变流器控制框图

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图7-17 并联变流器电路及相量图

图7-17中，电网电压经并联变流器的等值输出电抗X流入并联变流器的电流，是电网流入并联变流器的与同相的有功电流，是电网流入并联变流器的无功超前容性电流。在图7-18所示控制框图中，将电网电压指令指V_sref与实测值V_s的差值，送入电压误差调节器，形成并联变流器的无功电流指令值I_s∗_hq，若电压V_s调节器为PI型调节器，在V_s≠V_sref时，其输出I_s∗_hq不停地改变，直到V_s=V_sref。这时V_s误差放大器输出的无功电流指令值I_s∗_hq经无功电流指令限幅后再与实测的并联变流器无功电流i_shq相比较，再经PI型电流调节器后，形成并联变流器输出的与同相的两相静止坐标系中的α轴的电压指令值V_s∗_hα，只要图7-18中V_s∗_hα就不停地改变，直到i_shq=I_s∗_hq。所以V_s≠V_sref时，在电压、电流调节器作用下并联补偿器输出的电压被调控为指令值V_sref。由图7-17a电路可知，并联变流器输出电压；由相量图7-17b可知，与同相的电压分量V_shα=V_sh cos θ_sh=V_s+XI_shq，与正交的电压分量V_shβ=V_sh sin θ_sh=XI_shp，因此调控I_shq即可调控V_shα，调控Ishp即可调控V_shβ。在图7-18中，直流电压指令值V_dcref与实测值V_dc的差值，经直流电压调节器，其输出作为并联变流器有功电流指令I_s∗_hp，再将I_s∗_hp与实测值i_shp比较后再经电流调节器后形成并联变流器输出的与正交的电压指令值V_s∗_hβ，只要V_dc≠V_dcref，I_s∗_hp就不停地改变，V_s∗_hβ也不停地改变，图7-17b和图7-18中的功角δ_sh也不停地改变，电网输入变流器的有功电流I_shp和有功功率也改变，直到V_dc=V_dcref为止。由V_shα、V_shβ求得并联变流器输出的电压指令值及其相位角δ_sh=arctan（V_shβ/V_shα），再由的相位θ_s与δ_sh形成补偿电压V_s∗_h的相位θ_s∗_h=θ_s-δ_sh，最后由并联变流器电压指令V_s∗_h及其相位角指令值θ_s∗_h形成并联变流器的驱动信号。变流器产生电压V_shα=V_s∗_hα，V_shβ=V_s∗_hβ，由与的相差电压经电抗X产生输入电流I·_sh，即电网输入指令所要求的有功和无功电流（I_shp=I_s∗_hp，I_shq=Is∗_hq）。图7^-18中变流器的控制量是并联变流器从电网输入的电流I·_sh，该电流的有功分量与无功分量有不同的功能。无功电流指令值I_s∗_hq用来调节交流系统电压V_s跟踪其指令值V_sref。直流电压V_dc的闭环控制环节产生有功电流指令值I_s∗_hp，用于产生V_s∗_hβ改变电网输入的有功电流I_shp及有功功率使电压V_dc跟踪指令值V_dcref，维持直流电容电压为指令值。同时还从电网输入有功功率经直流母线供给串联变流器，使其向线路串联注入有功功率IV_p。若在运行中直流电压稍有变动，只要V_dc≠V_dcref，直流电压调节器输出的有功电流指令I_s∗_hp就会不停地改变，电流调节器的输出就不停地改变，直到V_dc=V_dcref，I_shp=I_s∗_hp，使V_shβ固定不变，图7-18中功角δ_sh固定不变。UPFC系统功率平衡的关系是：并联变流器从电网输入的有功功率V_sI_shp等于串联变流器向电网线路注入的有功功率IV_p和两个变流器的损耗ΔP₁₂再加上电容器充电功率ΔP_C之和，即V_sI_shp=IV_p+ΔP_C+ΔP₁₂，电容器能量W=CV²_dc/2，故ΔP_C=dW/dt=CV_di dV_dc/dt。当达到稳态V_dc=V_dcref不变，ΔP_C=0，这时V_sI_shp=IV_p+ΔP₁₂。

图7-18 直流侧电压恒定时并联变流器的控制系统功能框图

图7-18所示的控制框图仅给出了UPFC中并联变流器许多可能的控制功能中按指令V_sref和V_dcref运行模式的控制。如果再增加一些控制环节，还可能实现其他一些控制功能。控制框图中也省略了装置的保护功能，以及运行模式切换、开机和关机的操作次序控制。