复合UPFC装置带有相移变压器

由图7-4c可知，UPFC的注入电压在首端电压相量周围形成一个圆形区域，UPFC的注入电压既可以导致传输线相位角的超前也可导致其滞后。换句话说，UPFC的工作区域可以分为两个相等的半圆区域，一个区域使传输线的相位角超前，另一个区域将使相位角滞后。尽管同时具有超前、滞后相移能力也有实际应用，然而在许多实际应用中，有的仅要求注入电压的相位角超前或滞后而不要求双向改变，有的应用要求相位角超前与滞后的工作区域大小是不相同的。例如，当所运行的传输系统中可实际运行的相位角差非常小，则UPFC需首先提供相位超前来建立合适的稳态运行点，以此来控制该系统条件下的潮流分布。如果在应用中，仅要求UPFC在相位角正变化的区域内运行或仅要在相位角负变化区域内运行，由于UPFC固有的调节区域是可以在相位角正、负同样宽的变化区域变化（传输角调节范围为-δ_max≤δ≤δ_max），在某实际应用中实际调节传输角δ的范围仅要求在δ≤δ_max的正值区域或在-δ_max≤δ的负值区域，那时虽然UPFC具有可调节范围为2δ_max的潜力，但这时实际应用所需的运行调节范围仅为+δ_max或仅为-δ_max，因而该UPFC装置并没有得到充分的利用。由于装置所需的伏安容量与调节范围成正比，因而UPFC装置只得到了50%的利用率。为此，在UPFC的应用中需要研究如何才能提高UPFC在运行中其容量的利用率，使UPFC具有更好经济效益。

如果UPFC和一个适当固定相移（超前或滞后）的相移变压器复合使用，就可以满足超前与滞后的相移运行区域的不同要求，这样既减小UPFC容量又满足了超前、滞后不同的应用要求。

图7-19所示为复合装置的一种电路原理图，整个装置串联补偿电压V_C包含和两部分。图7-19a中UPFC带有两个耦合变压器，一个是与并联变流器II相连的并联变压器2，并联接入电网，另一个与串联变流器I相连的串联变压器1，串联接入电网。并联耦合变压器每相都有两个二次绕组，一个接并联变流器II，其输出电压经变流器II、I后输出幅值、相位均可控的补偿电压。另一个是相移二次绕组，其输出电压为V_β，如果采用图6-39b所示仅移相β角而不改变电压幅值的理想的相角调节器，则可得到图7-19b所示的移相β角后的电压V_F=V_s=V_r=1.0。将并联变压器二次移相绕组输出的各相补偿电压、、与串联变流器的各相输出的补偿电压、、各相分别串联相加后，由串联变压器输出全部串联补偿电压，从而使控制潮流的串联注入电压是由一个固定移相角β的移相电压与可控的串联变流器输出电压之和。如图7-19所示，移相补偿电压使电源电压移相角为β，用于产生超前（或滞后）固定相角差β。UPFC串联变流器Ⅰ产生的补偿电压的幅值在0≤V_pq≤V_pqmax的范围内可变，超前）的相角ρ的调控范围是0≤ρ≤2π。电压相量是有移相β后的电压，传输线路首端有效电压由注入电压与首端电压的相量相加得到，即。图7-19b所示复合装置的UPFC的运行区域是以相量的终点F为圆心、以为半径的圆周点。

图7-19 带固定移相器的UPFC的基本框图和相量图

采用有固定移相角β与UPFC的复合控制，输电线路在某些特定应用中有明显的优点。在图7-20a中，若无补偿时传输线的相差角δ。为10°，若输电系统要求将稳态时线路首、末两端电压有效传输角δ能从δ_o=10°增大到30°，同时还要求具有处理负荷改变和动态扰动需要的δ角调节范围为（-10°～10°）。这就要求传输角δ能在20°～40°内运行。为了满足以上要求，可采用两个方案：第一个方案是仅采用UPFC提供的串联补偿电压，调控线路首端有效电压的幅值和相位角，如图7-20d所示；第二个方案是先采用一个相角调节器产生一个固定单方向移相角β，再由UPFC提供的调控线路首端有效电压的大小和相位的复合装置，如图7-20a、c、f所示。

1）仅采用UPFC提供的串联补偿电压。无补偿电压时，若线路首端电压超前末端电压的相角为δ，且V_s=V_r=1.0线路电抗X=1.0，则传输线路功率，Qr=，P_r、Qr轨迹为（P_r+0）2+（Q_r+1）2=1.0，即无补偿电压时P_r-Qr关系是图7-20b所示的以C点（0，-1）为圆心，半径为1.0的圆周点0AFBDM。0、A、F、B、D、M点分别对应δ=0、10°、20°、30°、40°、90°。仅用单个UPFC时，所需的容量可由图7-20b的P_r～Q_r曲线说明。无补偿电压时，若传输线首末两端电压与相差角δ_o=10°，工作在A点，则P_ro=sin δ_o=sin 10=P_A=0.17，Q_ro=cos δ_o-1=Q_A=-0.015。仅有UPFC补偿电压时，当UPFC输出的补偿电压，，时，P_r-Q_r的轨迹是以A点（δ_o=10°）为圆心，以不同的

→值为半径的圆周。例如当时，P_r^-Qr轨迹是以A点为圆心，以为半径的圆周D₁、D、D₂上的任意一点。D点是圆周0DM和圆周弧线D₁、D、D₂的交点，在D点工作时线路首、末两端电压与之间的相差角δ=δ_o+α_pq=40°，有了V_pq=AD后传输线能从无补偿时的传输角δ_o=10°增大到图7-20d中α_pq=30°时与的传输角δ=δ_o+α_pq=40°运行。α_pq在±30°之间变换时可使δ在20°～40°之间调控运行，能满足负荷改变和动态扰动要求。

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图7-20 解决输电问题的图例

由图7-20b还可看出δ=40°时所需的值是很大的，由A、D两点的坐标值可计算出对应的约高达0.517。由于UPFC成本较高，技术上又较复杂，这种仅用UPFC提供补偿，显然不是一个好方案。

2）复合补偿控制。若如图7-20a、e、f所示，首先用一个理想移相器将电压移相β，移相电压为，移相后的有效电压V_F幅值保持等于V_s，V_F=V_s=V_r=1.0，移相β后，与相差角为δ_o+β，这时在、之间的功角δ_o仍为10°时的传输功率将是

由以上两式可以得到

由上式可知，仅有理想移相β后的P_rβ-Q_rβ轨迹仍是一个圆周，即图7-20c中所示的0AFBDM，其圆心为C（0、1），半径为1.0。移相β=20°，原δ_o=10°时的稳态工作点将从A点（δ=10°）移相到δ_o+β=30°的B点。如果在移相补偿电压使移相一个固定角β=20°到B点，再加一个UPFC补偿电压V_pq，则用这种复合补偿后线路首端有效电压，幅值V_seff=V_F=V_s=1.0，P_r^-Qr的轨迹将是图7-20c中以B点（δ_o+β=30°）为圆心，以V_pq=BD为半径的圆周D₁、D、D₂上的任何一点（包括D点，图7-20f中，δ_o+β+α_pq=40°，使又前移相位角α_pq=10°）。D点是圆周0AFBDM与D₁、D、D₂圆弧线的交点。由图7-20c可计算出这时的，仅为图7-20b中仅用UPFC补偿电压Vpq时V_pq=AD=0.517的1/3，同样可满足运行要求。稳态运行时线路首端电压超前的有效功角δ可在稳态有效功角δ_o+β=30°的基础上，还可再调控-10°（α_pq=-10°）和+10°（α_pq=+10°），使传输线有效功角δ=δ_o+β+α_p在20°～40°之间调控。由于同等补偿容量的移相变压器要比UPFC价廉且不需控制，这种复合补偿策略显然是一种可取的方案。