高伯陽(yáng) ， 吳 熙 ， 王 亮 ， 張文嘉 ， 李 辰 ， 張 群 ， 劉柏良

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京 210096；2.江蘇省電力有限公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，南京 210008；3.國(guó)網(wǎng)江蘇電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司，南京 210008）

0 引言

FACTS（柔性交流輸電系統(tǒng)）是一種可以對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的新型電力電子設(shè)備[1-4]，涉及電力電子、通信、控制等相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，充分利用系統(tǒng)輸電裕度等方面具有重要意義和研究?jī)r(jià)值。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的逐步擴(kuò)大和超高壓遠(yuǎn)距離輸電的不斷發(fā)展，對(duì)輸電安全穩(wěn)定的要求也逐步提高。在電網(wǎng)智能化、區(qū)域互聯(lián)化的現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，F(xiàn)ACTS因其良好的穩(wěn)定性、速動(dòng)性和可靠性而具有廣闊的應(yīng)用前景。

IPFC（線間潮流控制器）作為其中一種功能強(qiáng)大的新型FACTS控制裝置[5-6]，在潮流控制、自動(dòng)發(fā)電控制、振蕩阻尼、阻塞管理、電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)和電力系統(tǒng)保護(hù)等方面均有應(yīng)用的空間，有著重要的研究意義和投資價(jià)值。不同于第三代FACTS器件UPFC（統(tǒng)一潮流控制器），IPFC不僅具備直接控制串聯(lián)部分所安裝線路潮流的能力，而且可以實(shí)現(xiàn)不同線路間功率的定向、定量交互，進(jìn)而達(dá)到同時(shí)動(dòng)態(tài)控制不同線路間潮流的目的。這種線間“搬運(yùn)”能力使得IPFC具備更優(yōu)異的設(shè)備性能和應(yīng)用前景，具體體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

（1）只要保證多個(gè)換流器在功率交換的過(guò)程中不違背有功守恒，IPFC便允許有功功率通過(guò)直流側(cè)異步傳輸。因此，控制的線路之間可以具有任意的相角關(guān)系，甚至可以屬于完全不同的系統(tǒng)，從而有更為靈活廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合[7-8]。

（2）在控制重載線路潮流時(shí)，UPFC有導(dǎo)致臨近重載線路潮流越限的風(fēng)險(xiǎn)。而IPFC控制潮流具有定向的特點(diǎn)，可將重載線路潮流定向“搬運(yùn)”至臨近輕載線路，減少對(duì)其他線路的潮流影響。

IPFC可以同時(shí)動(dòng)態(tài)地控制電力系統(tǒng)多條線路的潮流，達(dá)成優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行、降低功率損耗、減少線路負(fù)擔(dān)、提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的目的，具有廣闊應(yīng)用前景，因此本文對(duì)其技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并探討展望IPFC的應(yīng)用前景與研究方向。

1 IPFC的基本概念與特點(diǎn)

1.1 IPFC的基本概念

Laszlo Gyugyi教授于1999年提出了IPFC的概念，這種新型FACTS器件由多個(gè)共用直流母線的背靠背電壓源換流器[9-10]組成，可應(yīng)用于潮流控制、自動(dòng)發(fā)電控制、振蕩阻尼、阻塞管理、電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)和電力系統(tǒng)保護(hù)[11]等方面，尤其是適用于調(diào)控變電站輸電線路的潮流。圖1所示為IPFC的通用結(jié)構(gòu)。

圖1 IPFC的通用結(jié)構(gòu)

這些換流器在運(yùn)行調(diào)控的過(guò)程中，一方面通過(guò)換流變壓器接入系統(tǒng)，在所處線路上注入幅值和相角均可控的等效注入電壓，互不影響地為各輸電線路提供串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償。另一方面，各換流器所連接的共用直流母線作為能量交換的地點(diǎn)，可在各輸電線間實(shí)現(xiàn)有功功率的傳遞。這意味著各換流器既可以控制被控輸電線路的無(wú)功功率，又可以向公共直流母線獲取或提供有功功率。

在圖1所示的IPFC通用結(jié)構(gòu)中，可以選擇一條或數(shù)條傳輸線路作為主控線路，并選擇剩余的線路作為輔控線路。在確保主控線路潮流不越限的情況下，將過(guò)載潮流合理分配至其他線路，從而有效控制主控線路的潮流，避免線路過(guò)載。與其他FACTS設(shè)備類似，IPFC本身相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，在運(yùn)行過(guò)程中并不會(huì)對(duì)外部輸送有功功率，也不會(huì)從外部吸收有功功率，這意味著各換流器間的有功交換始保持著動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。

1.2 廣義IPFC的基本概念

與IPFC的一般通用結(jié)構(gòu)相比，廣義IPFC的通用結(jié)構(gòu)增加了并聯(lián)換流器以維持公共直流母線的電壓[3]，從而在控制各輸電線路上的無(wú)功潮流時(shí)，避免了過(guò)多的約束與限制。圖2所示為廣義IPFC的通用結(jié)構(gòu)。

圖2 廣義IPFC的通用結(jié)構(gòu)

IPFC的這種廣義通用結(jié)構(gòu)通過(guò)并聯(lián)換流器來(lái)彌補(bǔ)直流終端的凈功率差，并選擇一條有功交換不受嚴(yán)格限制的并聯(lián)母線作為裝置與交流系統(tǒng)進(jìn)行功率交換的地點(diǎn)。此外，這種方案使用并聯(lián)換流器來(lái)維持直流母線的電壓，自動(dòng)維持系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的功率平衡，從而大大簡(jiǎn)化了控制。

從運(yùn)行成本的角度考慮，這種結(jié)構(gòu)同樣有較高的經(jīng)濟(jì)效益。因?yàn)椴⒙?lián)的換流器在確定容量時(shí)只需要考慮對(duì)整個(gè)系統(tǒng)預(yù)期的最大有功功率差，進(jìn)一步地，并聯(lián)換流器可以以較低的成本對(duì)需要的變電站母線進(jìn)行并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償[3]。

變電站對(duì)潮流控制和線路補(bǔ)償?shù)囊髸?huì)隨著系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化。例如在線路負(fù)荷較重的情況下，維持某些重要母線的電壓可能比控制輸電線路上的潮流更為重要，這種情況下可安裝一個(gè)附加的并聯(lián)換流器來(lái)取代某特定的串聯(lián)換流器。

總之，這種廣義通用結(jié)構(gòu)的多轉(zhuǎn)換器補(bǔ)償系統(tǒng)可以凸顯很高的操作靈活性和功能多樣性。

1.3 IPFC與UPFC的對(duì)比

UPFC與IPFC同屬第三代FACTS設(shè)備，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，兩者均能夠動(dòng)態(tài)控制電力系統(tǒng)的有功、無(wú)功、電壓、阻抗和功角，便于優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行、提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性以及阻尼系統(tǒng)振蕩，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，是目前柔性交流輸電領(lǐng)域最為先進(jìn)的設(shè)備。兩者主要區(qū)別如下：

（1）潮流控制特點(diǎn)

UPFC并聯(lián)側(cè)的控制模式主要為母線節(jié)點(diǎn)電壓控制方式，而串聯(lián)側(cè)的控制模式則是接入線路有功和無(wú)功潮流。不同于UPFC的潮流控制特點(diǎn)，IPFC除了能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)潮流控制功能以外，還能在線路與線路之間完成功率的交換。此外，UPFC在控制重載線路潮流時(shí)，有可能使得臨近重載的線路潮流面臨越限的風(fēng)險(xiǎn)，而IPFC具有定向、定量“搬運(yùn)”潮流的功能，可將重載線路潮流定向“搬運(yùn)”至臨近輕載線路，從而減少對(duì)其他線路的影響。

（2）控制線路數(shù)目

UPFC通過(guò)直流母線進(jìn)行有功功率傳遞，一般只能利用一個(gè)串聯(lián)側(cè)來(lái)控制線路潮流[14-16]，因此只能控制一條輸電線路，至多可根據(jù)改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)控制雙回線路[17]。而相比之下，IPFC則可以具有多個(gè)串聯(lián)側(cè)以控制更多的輸電線路。此外，由于IPFC是通過(guò)直流母線來(lái)傳輸功率的，其有功功率在換流器之間的傳輸可以異步進(jìn)行。因此IPFC能夠?qū)Χ鄺l有著不同相角關(guān)系、屬于不同系統(tǒng)的線路同時(shí)進(jìn)行潮流控制，這意味著IPFC在包括變電站在內(nèi)的多回路和網(wǎng)孔系統(tǒng)中是解決有功和無(wú)功潮流平衡的理想方案。

鑒于上述可以看出，從某種意義上講IPFC是UPFC應(yīng)用于多條輸電線路上的概念延伸。但相較于UPFC在控制潮流上的局限，IPFC對(duì)不同輸電線路的潮流控制效果更為直接、有效。這些輸電線路之間可以具有任意的相角關(guān)系，甚至可以屬于完全不同的系統(tǒng)，從而使IPFC有更為靈活、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。

2 IPFC的控制模式

安裝于主控線路的換流器主要有4種控制方式：線路端電壓控制模式、線路阻抗控制模式、相角控制模式和潮流控制模式。

（1）在線路端電壓控制模式下，換流器通過(guò)串聯(lián)變壓器向線路注入與端電壓相位相同、幅值可調(diào)的交流電壓，以此來(lái)改變線路端電壓的幅值而保持相角不變。通過(guò)此控制方式，可以平滑調(diào)節(jié)線路端電壓，使其運(yùn)行在正常范圍內(nèi)。

（2）在線路阻抗控制模式下，換流器通過(guò)串聯(lián)變壓器向線路注入與線路電流相位垂直的大小可控的電壓分量，等效于在線路中串聯(lián)可連續(xù)調(diào)節(jié)的電抗，以此來(lái)間接改變線路參數(shù)、增加電力系統(tǒng)傳輸功率極限、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。在這種控制模式下，IPFC的作用類似于TCSC（可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置）。

（3）在相角控制模式下，換流器通過(guò)串聯(lián)變壓器向線路注入一個(gè)相位垂直于端電壓的、大小可控的電壓分量，以此來(lái)改變兩端母線電壓的相角差。在這種控制模式下，IPFC的作用類似于TCPS（晶閘管控制的移相器）。通過(guò)此種方式，可以在不必調(diào)控輸電線路兩端電壓的情況下，連續(xù)調(diào)控輸電線路傳輸?shù)挠泄β?，使得電力系統(tǒng)潮流方向以及大小經(jīng)濟(jì)合理。

（4）在潮流控制模式下，換流器通過(guò)串聯(lián)變壓器向線路注入一個(gè)幅值與相位均可控的電壓分量，使得線路流過(guò)期望的有功和無(wú)功潮流?？梢詫⒑蠭PFC的線路當(dāng)作一種高阻抗的電源，這個(gè)等效電源能夠向電力系統(tǒng)的其他部分獲取或注入有功及無(wú)功功率。

相對(duì)于IPFC主控線路控制模式的多樣性，IPFC輔控線路主要有2種控制模式：輔控線路有功功率控制模式或輔控線路無(wú)功功率控制模式。由于FACTS設(shè)備對(duì)外部保持有功功率守恒，故在忽略損耗的前提下設(shè)備本身并不產(chǎn)生也不消耗有功功率。因此，輔控線路換流器主要負(fù)責(zé)消納直流電容因主控線路調(diào)控而交互的有功功率。正因?yàn)檩o控線路換流器需要起到直流穩(wěn)壓作用，所以IPFC輔控線路功率并不完全可控。在確保直流電容電壓穩(wěn)定的前提下，IPFC可以進(jìn)行輔控線路有功功率或無(wú)功功率控制。在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中，往往更加關(guān)注有功功率指標(biāo)，因此一般以輔控線路有功功率控制作為目標(biāo)。

3 IPFC工程應(yīng)用和調(diào)節(jié)作用

3.1 IPFC的工程應(yīng)用現(xiàn)狀

目前世界上僅有的IPFC應(yīng)用實(shí)例為美國(guó)Marcy變電站的CSC（可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器）工程。IPFC是該工程的一種運(yùn)行模式，主要用于在輸線路線間轉(zhuǎn)移功率以及控制潮流[19]。此種模式的多年穩(wěn)定運(yùn)行證實(shí)了IPFC可有效解決Marcy變電站所在區(qū)域間的電力輸送瓶頸問(wèn)題，從而促進(jìn)了地區(qū)的電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

Marcy工程于2004年6月投運(yùn)，換流器額定容量為200 MVA，額定電壓為345 kV，可通過(guò)開(kāi)關(guān)操作，靈活切換包括IPFC模式在內(nèi)的多種運(yùn)行模式。此工程有2臺(tái)額定容量為100 MVA的換流器，而2臺(tái)換流器所控制的對(duì)象在不同運(yùn)行方式下均不相同。當(dāng)切換至IPFC運(yùn)行模式時(shí)，兩者的控制對(duì)象分別為主控線路的有功功率與無(wú)功功率，以及輔控線路的有功功率。當(dāng)Marcy工程需要同時(shí)控制2個(gè)被控對(duì)象的有功功率時(shí)，可將CSC設(shè)備切換至IPFC運(yùn)行模式。

圖3給出了主控線路和輔控線路在IPFC運(yùn)行方式下線路潮流的變化情況。設(shè)定的主控線路測(cè)試條件為：串聯(lián)側(cè)換流器注入的電壓參考值保持1.0 p.u.的幅值，相位則從0°變化至360°，且保持相鄰兩點(diǎn)的相位差為30°。而設(shè)定的輔控線路測(cè)試條件為：注入電壓參考值的p軸分量保持為0，q軸分量保持為0.23 p.u.[20]。

圖3 Marcy工程在IPFC運(yùn)行方式下的潮流

圖3中，左側(cè)曲線為主控線路Marcy-Coopers Corners的調(diào)節(jié)范圍，而右側(cè)為輔控線路Marcy-New Scotland的調(diào)節(jié)范圍?？梢钥闯觯?dāng)主控線路Marcy-Coopers Corners增加傳輸?shù)挠泄β蕰r(shí)，輔控線路Marcy-New Scotland傳輸?shù)挠泄β蕦⑾鄳?yīng)地減少，證實(shí)了IPFC運(yùn)行模式在Marcy工程中能夠有效實(shí)現(xiàn)功率的線間轉(zhuǎn)移，具有定向、定量控制潮流的能力。

3.2 IPFC工程應(yīng)用中的基本控制結(jié)構(gòu)

圖4展示了IPFC的基本控制結(jié)構(gòu)[3]，該基本控制結(jié)構(gòu)圖中包含了主控線路的受端電壓Vj、電流Ij，等效電壓源幅值Vseij、相角φj，鎖相環(huán)參考角θj，目標(biāo)有功Pijref和目標(biāo)無(wú)功Qijref，以及輔控線路的受端電流Ik，等效電壓源幅值Vseik、相角φk，鎖相環(huán)參考角θj。

圖4 IPFC的基本控制結(jié)構(gòu)

在此控制結(jié)構(gòu)圖中，主控線路和輔控線路上的換流器均可通過(guò)鎖相環(huán)與所在輸電線路保持同步關(guān)系。而對(duì)等效注入電壓幅值和相角的預(yù)處理則是IPFC控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)，目的在于將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)約束在預(yù)設(shè)的限制條件下。這種約束限制主要包括兩個(gè)方面，一方面在于主控線路上電壓和電流的限制，另一方面在于輔控線路向主控線路提供有功的上限。

但是對(duì)于廣義的IPFC而言，并聯(lián)換流器的置入會(huì)大大簡(jiǎn)化整個(gè)控制系統(tǒng)。只要換流器之間滿足有功功率守恒約束，各串聯(lián)換流器便可作為各自獨(dú)立的補(bǔ)償器作用于各輸電線路。

4 IPFC選址及容量參數(shù)選擇

4.1 IPFC選址研究現(xiàn)狀分析及展望

IPFC技術(shù)應(yīng)用條件的相關(guān)研究工作已取得一些進(jìn)展。如已有文獻(xiàn)在利用IPFC提高電力系統(tǒng)靜態(tài)安全時(shí)，根據(jù)各潛在故障危險(xiǎn)的嚴(yán)重程度排序優(yōu)化了IPFC的安裝布局[22]。可以基于PI（性能指標(biāo)）的CSI（故障嚴(yán)重性指數(shù)），采用一種改進(jìn)的SQP（多目標(biāo)序列二次規(guī)劃）優(yōu)化算法[22]實(shí)現(xiàn)IPFC的合理選址。這種多目標(biāo)優(yōu)化算法會(huì)受到安全限制，如FACTS設(shè)備容量限制和功率平衡等約束。通過(guò)模擬線路故障，計(jì)算各母線電壓和線路潮流，基于CSI對(duì)各輸電線路進(jìn)行排序，選取PI最高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為IPFC的最佳安裝位置。

式中：NL為系統(tǒng)中的傳輸線總數(shù)；wli為非負(fù)加權(quán)因子；n為系統(tǒng)中的母線總數(shù)；Pli為通過(guò)第i條傳輸線的有功功率；為該條傳輸線有功傳輸下限。

此算法通過(guò)改變母線靜態(tài)穩(wěn)定的導(dǎo)納矩陣來(lái)模擬輸電線路的傳輸中斷?？紤]到對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納矩陣中有4個(gè)需要改變數(shù)值的導(dǎo)納元素Yss，Yrr，Yrs和Ysr，給出它們?cè)讦行偷刃щ娐分械谋磉_(dá)式。

式中：Rsr，Xsr，Bsr為 Ysr中對(duì)應(yīng)的電阻、電抗和對(duì)地電容，其余以此類推。

目前，IPFC技術(shù)應(yīng)用條件的相關(guān)研究依然主要局限于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)中的對(duì)比分析，可進(jìn)一步選擇有代表意義的地區(qū)電網(wǎng)為研究目標(biāo)，在計(jì)算分析電網(wǎng)關(guān)鍵斷面的潮流分布情況后，考慮線路負(fù)載變化率和線路所在地的線路建設(shè)難度系數(shù)等指標(biāo)，確定IPFC的應(yīng)用場(chǎng)景。此外，有必要研究影響電網(wǎng)供電能力及安全可靠性的斷面，開(kāi)展不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和綜合效益比較，綜合考慮具體工程實(shí)施的可行性、投資總量以及對(duì)電網(wǎng)的影響等因素，進(jìn)而選出最優(yōu)方案。

4.2 IPFC容量參數(shù)的選擇

圖5給出了穩(wěn)態(tài)情況下簡(jiǎn)易的IPFC等效結(jié)構(gòu)。其中包含了送端電壓Vi，主控線路等效電壓源出口電壓Vm，Vi與Vm電壓差ΔV，線路阻抗Xij以及輔控線路等效電壓源出口電壓Vn，線路阻抗Xik。而圖6則給出了IPFC的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行向量圖。其中，αi為Vm與Vi相位差，δj為Vi與Vj相位差。由于實(shí)際工程中換流器的運(yùn)行范圍存在限制，輸電線路所允許最大傳輸有功功率或電壓所允許的最大幅值同樣存在限制，圖6（c）給出了Vseij保持最大幅值在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)所能達(dá)到的最大工作區(qū)域。

圖5 IPFC的簡(jiǎn)易等效結(jié)構(gòu)

未安裝IPFC時(shí)，可按式（3）求得線路上流過(guò)的有功潮流PM0：

安裝IPFC之后，由圖6可得，當(dāng)αi最大即與，近似垂直時(shí)，可以使得線路有功潮流最大，且此時(shí)有：

由于 sinαj≈Vseij/Vm， cosαj≈Vi/Vm=1， 那么線路因安裝IPFC而增加的有功潮流ΔP為：

另外，根據(jù)圖6（b）利用余弦定理可得：

進(jìn)而可求得IPFC運(yùn)行容量Sipfc為：

由上，聯(lián)立式（5）和（7）， 因?yàn)橄到y(tǒng)中 Vi， Vj，xij，δj均為已知，故根據(jù)所需調(diào)控的潮流ΔP值可輕易求得指定線路有功功率下的IPFC運(yùn)行容量。

圖6 IPFC的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行向量

在進(jìn)一步的研究中，可以定義電網(wǎng)柔性評(píng)估指標(biāo)體系來(lái)全面評(píng)估IPFC在電網(wǎng)中的應(yīng)用效果。參與考慮的柔性評(píng)估指標(biāo)包括但不限于斷路電流降低率、潮流可控比、暫態(tài)電壓恢復(fù)速度提升率、暫態(tài)電壓最低跌落、投資經(jīng)濟(jì)性等。在此基礎(chǔ)上，可通過(guò)綜合評(píng)估各指標(biāo)的權(quán)重，形成一種合理選擇IPFC參數(shù)與容量的方法。

5 IPFC潮流控制研究及展望

5.1 IPFC穩(wěn)態(tài)建模的現(xiàn)狀分析及展望

目前國(guó)內(nèi)外已針對(duì)IPFC的潮流控制開(kāi)發(fā)出多種控制模型。早期采用了理想的電壓源及電流源模型來(lái)建立FACTS器件的穩(wěn)態(tài)模型，并基于此模型初步分析FACTS器件的潮流控制[23]。但在等效處理過(guò)程中，不論是電壓源模型或是電流源模型，均會(huì)在原有系統(tǒng)里產(chǎn)生額外的節(jié)點(diǎn)。這種現(xiàn)象會(huì)直接導(dǎo)致潮流計(jì)算中的導(dǎo)納矩陣以及雅可比矩陣發(fā)生變化，使得系統(tǒng)潮流的計(jì)算量大大增加。

鑒于上述2種模型的缺陷，有學(xué)者提出了基于功率注入模型的潮流分析，初步建立了含IPFC網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算方法[24]。注入功率法本質(zhì)是一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儞Q，將線路上可調(diào)變量對(duì)系統(tǒng)的影響移植到節(jié)點(diǎn)上，以克服電壓源和電流源模型所固有的缺陷。將該模型引入到牛頓-拉夫遜算法當(dāng)中，便可通過(guò)控制IPFC等效注入電壓的幅值和相角，有效調(diào)節(jié)被控線路的功率。

雖然已有文獻(xiàn)提出了IPFC的器件級(jí)模型[24]，但所搭建的模型僅僅局限于PSCAD和Matlab等軟件平臺(tái)。這些軟件在計(jì)算大電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算速度比較慢，收斂性也比較差，無(wú)法應(yīng)用于大電網(wǎng)潮流控制中。而應(yīng)用于大電網(wǎng)計(jì)算分析的PSASP和PSS/E等計(jì)算軟件由于沒(méi)有開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的IPFC模型，無(wú)法實(shí)現(xiàn)含IPFC的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算。此外，根據(jù)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的實(shí)際構(gòu)架需求以及出于經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，IPFC可以具有多種一次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而這些因素現(xiàn)有文獻(xiàn)均未加以考慮。IPFC的約束條件和控制模式在現(xiàn)有的潮流計(jì)算研究中也未曾計(jì)及。

基于IPFC穩(wěn)態(tài)控制建模的現(xiàn)狀分析，結(jié)合IPFC潮流控制建模的應(yīng)用趨勢(shì)，可知其應(yīng)用前景如下：

（1）結(jié)合實(shí)際網(wǎng)架特征和應(yīng)用需求，在PSCAD，Matlab，PSASP等電力系統(tǒng)軟件中設(shè)計(jì)和搭建IPFC不同的一次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證模型在實(shí)際工程中的控制效果，就具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行更深入的探討研究。

（2）結(jié)合IPFC的控制模式，研究IPFC系統(tǒng)級(jí)和裝置級(jí)控制策略建模方法，開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)控制策略仿真模型包。如第二章節(jié)中所述，IPFC具有不同控制模式，如電壓控制、相角控制、阻抗控制與潮流控制等。因此，可以基于基礎(chǔ)功率注入模型，搭建IPFC的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性裝置級(jí)控制模型，以及系統(tǒng)級(jí)控制功能模塊，從而模擬系統(tǒng)故障及不同場(chǎng)景下的IPFC控制模式切換及系統(tǒng)級(jí)控制邏輯。還可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)控制策略仿真模型包。

5.2 IPFC潮流優(yōu)化的現(xiàn)狀分析及展望

目前已有文獻(xiàn)針對(duì)IPFC的網(wǎng)損優(yōu)化進(jìn)行研究[25]。在確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和負(fù)荷的情況下，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中可以利用的控制變量以滿足所有的運(yùn)行條件約束，并結(jié)合人工蜂群算法、粒子群算法等優(yōu)化算法使得系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)（系統(tǒng)網(wǎng)損）達(dá)到最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的目的。其優(yōu)化目標(biāo)為減少輸電系統(tǒng)中的功率損耗：

限制條件為：

式中：Vi表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓；Pi表示通過(guò)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的有功功率；Qi表示通過(guò)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功功率。P1，P2，…，Pn分別表示第1條，第2條，…，第n條輸電線路的實(shí)際有功損耗。這些實(shí)際有功損耗的具體值會(huì)隨著IPFC安裝位置的變化而發(fā)生變化。根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)及限制條件，即可結(jié)合優(yōu)化算法來(lái)優(yōu)化IPFC的安裝位置，從而使功率損耗達(dá)到某種意義上的最小化。結(jié)合Matlab中的5節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)做對(duì)比驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)人工蜂群算法的優(yōu)化耗時(shí)不到粒子群算法的1/3，優(yōu)化效果更好。

基于現(xiàn)狀，可進(jìn)一步研究以網(wǎng)損優(yōu)化為目標(biāo)的IPFC穩(wěn)態(tài)潮流控制策略。根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況，選定可調(diào)節(jié)的變量，如發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)功率注入、變壓器分接頭、IPFC補(bǔ)償電壓和相角等，建立以系統(tǒng)網(wǎng)損最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化模型，利用智能算法進(jìn)行求解，并在PSASP軟件中對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

6 IPFC動(dòng)態(tài)控制及展望

6.1 IPFC振蕩抑制的現(xiàn)狀分析

FACTS器件可以通過(guò)在主控制回路中增加輔助信號(hào)來(lái)減輕振蕩，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)已測(cè)試了IPFC控制信號(hào)在不同負(fù)載條件下對(duì)系統(tǒng)振蕩穩(wěn)定性的影響[21]，就IPFC對(duì)低頻振蕩的抑制進(jìn)行了討論。

此外，還可以通過(guò)IPFC的輔助控制，在實(shí)際應(yīng)用中抑制系統(tǒng)功率振蕩。例如，將IPFC輔助控制器與PSS（電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器）結(jié)合起來(lái)，便可構(gòu)成一種電力系統(tǒng)低頻振蕩阻尼控制器。這種輔助控制器使用滯后-超前校正控制器產(chǎn)生附加信號(hào)，提高了整個(gè)電力系統(tǒng)面對(duì)不同擾動(dòng)的穩(wěn)定性。目前已有文獻(xiàn)基于ICA（帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法）和SFLA（蛙跳算法）[19]優(yōu)化了該輔助控制器的相關(guān)參數(shù)。通過(guò)與其他類似的協(xié)調(diào)控制方式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)這種控制模式具有良好的阻尼特性，在改良電力系統(tǒng)對(duì)過(guò)載的響應(yīng)能力上凸顯了自身的優(yōu)越性。

6.2 IPFC協(xié)調(diào)控制策略的現(xiàn)狀分析與展望

IPFC的多個(gè)控制目標(biāo)（如線路潮流、母線電壓等）的實(shí)現(xiàn)原理并不相同，相互之間存在矛盾。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后其運(yùn)行工況將發(fā)生變化，其控制目標(biāo)和要求也相應(yīng)地發(fā)生變化，如果只采用單個(gè)目標(biāo)的控制策略，那么IPFC將無(wú)法滿足電力系統(tǒng)多種運(yùn)行工況的要求。系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)希望潮流分布達(dá)到最優(yōu)，而暫態(tài)過(guò)程中首先需要抑制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角振蕩，提高暫態(tài)穩(wěn)定性，因而當(dāng)發(fā)生暫態(tài)擾動(dòng)后，需要平衡IPFC潮流控制、電壓控制和振蕩抑制多個(gè)目標(biāo)的要求，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。研究一種能夠兼顧各個(gè)控制目標(biāo)的IPFC協(xié)調(diào)控制策略就顯得十分重要。

除此之外，針對(duì)于國(guó)內(nèi)220 kV及以上線路多采用并聯(lián)雙回線路的應(yīng)用工況，IPFC的控制線路更多，運(yùn)行場(chǎng)景更為復(fù)雜，一次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為靈活多變。因此，IPFC設(shè)備在運(yùn)行時(shí)應(yīng)當(dāng)充分協(xié)調(diào)好各控制線路控制指令值與內(nèi)部控制參數(shù)的關(guān)系，避免發(fā)生并聯(lián)雙回線路環(huán)流以及換流器穩(wěn)壓?jiǎn)栴}。

7 結(jié)語(yǔ)

論文首先介紹了IPFC的定義和基本概念，包括IPFC的基本結(jié)構(gòu)、具有并聯(lián)端換流器的廣義通用結(jié)構(gòu)，對(duì)比了IPFC和UPFC的潮流控制特點(diǎn)。然后考慮裝置的實(shí)際應(yīng)用，依次闡述了IPFC主控線路和輔控線路的不同控制模式、器件本身的基本控制結(jié)構(gòu)、工程應(yīng)用實(shí)際現(xiàn)狀以及IPFC容量參數(shù)的選擇。接著，分析了IPFC的潮流控制研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，并結(jié)合IPFC潮流控制建模的應(yīng)用趨勢(shì)給出了前景展望。最后，討論IPFC的動(dòng)態(tài)控制，研究了該種設(shè)備在抑制振蕩和提高電力系統(tǒng)靜態(tài)安全穩(wěn)定方面的效果，結(jié)合控制策略及其與潮流控制之間的協(xié)調(diào)工作，對(duì)其前景進(jìn)行了展望。文中的理論分析成果對(duì)IPFC的實(shí)際應(yīng)用有一定的推動(dòng)作用。