線間潮流控制器技術現狀分析及展望

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

（1.東南大學電氣工程學院，南京 210096；2.江蘇省電力有限公司電力經濟技術研究院，南京 210008；3.國網江蘇電力設計咨詢有限公司，南京 210008）

0 引言

FACTS（柔性交流輸電系統）是一種可以對系統狀態進行動態控制的新型電力電子設備[1-4]，涉及電力電子、通信、控制等相關領域技術，在保證系統穩定運行，充分利用系統輸電裕度等方面具有重要意義和研究價值。隨著電力系統規模的逐步擴大和超高壓遠距離輸電的不斷發展，對輸電安全穩定的要求也逐步提高。在電網智能化、區域互聯化的現代電力系統中，FACTS因其良好的穩定性、速動性和可靠性而具有廣闊的應用前景。

IPFC（線間潮流控制器）作為其中一種功能強大的新型FACTS控制裝置[5-6]，在潮流控制、自動發電控制、振蕩阻尼、阻塞管理、電力系統狀態估計和電力系統保護等方面均有應用的空間，有著重要的研究意義和投資價值。不同于第三代FACTS器件UPFC（統一潮流控制器），IPFC不僅具備直接控制串聯部分所安裝線路潮流的能力，而且可以實現不同線路間功率的定向、定量交互，進而達到同時動態控制不同線路間潮流的目的。這種線間“搬運”能力使得IPFC具備更優異的設備性能和應用前景，具體體現在以下2個方面：

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

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

IPFC可以同時動態地控制電力系統多條線路的潮流，達成優化系統運行、降低功率損耗、減少線路負擔、提高系統暫態穩定性的目的，具有廣闊應用前景，因此本文對其技術現狀進行分析，并探討展望IPFC的應用前景與研究方向。

1 IPFC的基本概念與特點

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器件由多個共用直流母線的背靠背電壓源換流器[9-10]組成，可應用于潮流控制、自動發電控制、振蕩阻尼、阻塞管理、電力系統狀態估計和電力系統保護[11]等方面，尤其是適用于調控變電站輸電線路的潮流。圖1所示為IPFC的通用結構。

圖1 IPFC的通用結構

這些換流器在運行調控的過程中，一方面通過換流變壓器接入系統，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無功補償。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，可在各輸電線間實現有功功率的傳遞。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通用結構中，可以選擇一條或數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，避免線路過載。與其他FACTS設備類似，IPFC本身相對于整個系統而言，在運行過程中并不會對外部輸送有功功率，也不會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態平衡的狀態。

1.2 廣義IPFC的基本概念

與IPFC的一般通用結構相比，廣義IPFC的通用結構增加了并聯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功潮流時，避免了過多的約束與限制。圖2所示為廣義IPFC的通用結構。

圖2 廣義IPFC的通用結構

IPFC的這種廣義通用結構通過并聯換流器來彌補直流終端的凈功率差，并選擇一條有功交換不受嚴格限制的并聯母線作為裝置與交流系統進行功率交換的地點。此外，這種方案使用并聯換流器來維持直流母線的電壓，自動維持系統正常運行所需的功率平衡，從而大大簡化了控制。

從運行成本的角度考慮，這種結構同樣有較高的經濟效益。因為并聯的換流器在確定容量時只需要考慮對整個系統預期的最大有功功率差，進一步地，并聯換流器可以以較低的成本對需要的變電站母線進行并聯無功補償[3]。

變電站對潮流控制和線路補償的要求會隨著系統運行狀態的變化而變化。例如在線路負荷較重的情況下，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附加的并聯換流器來取代某特定的串聯換流器。

總之，這種廣義通用結構的多轉換器補償系統可以凸顯很高的操作靈活性和功能多樣性。

1.3 IPFC與UPFC的對比

UPFC與IPFC同屬第三代FACTS設備，在電力系統運行中，兩者均能夠動態控制電力系統的有功、無功、電壓、阻抗和功角，便于優化系統運行、提高系統暫態穩定性以及阻尼系統振蕩，具有非常廣闊的應用前景，是目前柔性交流輸電領域最為先進的設備。兩者主要區別如下：

（1）潮流控制特點

UPFC并聯側的控制模式主要為母線節點電壓控制方式，而串聯側的控制模式則是接入線路有功和無功潮流。不同于UPFC的潮流控制特點，IPFC除了能實現穩態潮流控制功能以外，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，有可能使得臨近重載的線路潮流面臨越限的風險，而IPFC具有定向、定量“搬運”潮流的功能，可將重載線路潮流定向“搬運”至臨近輕載線路，從而減少對其他線路的影響。

（2）控制線路數目

UPFC通過直流母線進行有功功率傳遞，一般只能利用一個串聯側來控制線路潮流[14-16]，因此只能控制一條輸電線路，至多可根據改進的拓撲結構來控制雙回線路[17]。而相比之下，IPFC則可以具有多個串聯側以控制更多的輸電線路。此外，由于IPFC是通過直流母線來傳輸功率的，其有功功率在換流器之間的傳輸可以異步進行。因此IPFC能夠對多條有著不同相角關系、屬于不同系統的線路同時進行潮流控制，這意味著IPFC在包括變電站在內的多回路和網孔系統中是解決有功和無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系，甚至可以屬于完全不同的系統，從而使IPFC有更為靈活、廣泛的應用場合。

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，換流器通過串聯變壓器向線路注入與端電壓相位相同、幅值可調的交流電壓，以此來改變線路端電壓的幅值而保持相角不變。通過此控制方式，可以平滑調節線路端電壓，使其運行在正常范圍內。

（2）在線路阻抗控制模式下，換流器通過串聯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可連續調節的電抗，以此來間接改變線路參數、增加電力系統傳輸功率極限、提高電力系統穩定性。在這種控制模式下，IPFC的作用類似于TCSC（可控串聯補償裝置）。

（3）在相角控制模式下，換流器通過串聯變壓器向線路注入一個相位垂直于端電壓的、大小可控的電壓分量，以此來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）。通過此種方式，可以在不必調控輸電線路兩端電壓的情況下，連續調控輸電線路傳輸的有功功率，使得電力系統潮流方向以及大小經濟合理。

（4）在潮流控制模式下，換流器通過串聯變壓器向線路注入一個幅值與相位均可控的電壓分量，使得線路流過期望的有功和無功潮流。可以將含有IPFC的線路當作一種高阻抗的電源，這個等效電源能夠向電力系統的其他部分獲取或注入有功及無功功率。

相對于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功功率控制模式。由于FACTS設備對外部保持有功功率守恒，故在忽略損耗的前提下設備本身并不產生也不消耗有功功率。因此，輔控線路換流器主要負責消納直流電容因主控線路調控而交互的有功功率。正因為輔控線路換流器需要起到直流穩壓作用，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定的前提下，IPFC可以進行輔控線路有功功率或無功功率控制。在實際電力系統運行中，往往更加關注有功功率指標，因此一般以輔控線路有功功率控制作為目標。

3 IPFC工程應用和調節作用

3.1 IPFC的工程應用現狀

目前世界上僅有的IPFC應用實例為美國Marcy變電站的CSC（可轉換靜止補償器）工程。IPFC是該工程的一種運行模式，主要用于在輸線路線間轉移功率以及控制潮流[19]。此種模式的多年穩定運行證實了IPFC可有效解決Marcy變電站所在區域間的電力輸送瓶頸問題，從而促進了地區的電力經濟調度。

Marcy工程于2004年6月投運，換流器額定容量為200 MVA，額定電壓為345 kV，可通過開關操作，靈活切換包括IPFC模式在內的多種運行模式。此工程有2臺額定容量為100 MVA的換流器，而2臺換流器所控制的對象在不同運行方式下均不相同。當切換至IPFC運行模式時，兩者的控制對象分別為主控線路的有功功率與無功功率，以及輔控線路的有功功率。當Marcy工程需要同時控制2個被控對象的有功功率時，可將CSC設備切換至IPFC運行模式。

圖3給出了主控線路和輔控線路在IPFC運行方式下線路潮流的變化情況。設定的主控線路測試條件為：串聯側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°，且保持相鄰兩點的相位差為30°。而設定的輔控線路測試條件為：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運行方式下的潮流

圖3中，左側曲線為主控線路Marcy-Coopers Corners的調節范圍，而右側為輔控線路Marcy-New Scotland的調節范圍。可以看出，當主控線路Marcy-Coopers Corners增加傳輸的有功功率時，輔控線路Marcy-New Scotland傳輸的有功功率將相應地減少，證實了IPFC運行模式在Marcy工程中能夠有效實現功率的線間轉移，具有定向、定量控制潮流的能力。

3.2 IPFC工程應用中的基本控制結構

圖4展示了IPFC的基本控制結構[3]，該基本控制結構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，鎖相環參考角θj，目標有功Pijref和目標無功Qijref，以及輔控線路的受端電流Ik，等效電壓源幅值Vseik、相角φk，鎖相環參考角θj。

圖4 IPFC的基本控制結構

在此控制結構圖中，主控線路和輔控線路上的換流器均可通過鎖相環與所在輸電線路保持同步關系。而對等效注入電壓幅值和相角的預處理則是IPFC控制系統中的重要一環，目的在于將系統運行狀態約束在預設的限制條件下。這種約束限制主要包括兩個方面，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。

但是對于廣義的IPFC而言，并聯換流器的置入會大大簡化整個控制系統。只要換流器之間滿足有功功率守恒約束，各串聯換流器便可作為各自獨立的補償器作用于各輸電線路。

4 IPFC選址及容量參數選擇

4.1 IPFC選址研究現狀分析及展望

IPFC技術應用條件的相關研究工作已取得一些進展。如已有文獻在利用IPFC提高電力系統靜態安全時，根據各潛在故障危險的嚴重程度排序優化了IPFC的安裝布局[22]。可以基于PI（性能指標）的CSI（故障嚴重性指數），采用一種改進的SQP（多目標序列二次規劃）優化算法[22]實現IPFC的合理選址。這種多目標優化算法會受到安全限制，如FACTS設備容量限制和功率平衡等約束。通過模擬線路故障，計算各母線電壓和線路潮流，基于CSI對各輸電線路進行排序，選取PI最高的網絡節點作為IPFC的最佳安裝位置。

式中：NL為系統中的傳輸線總數；wli為非負加權因子；n為系統中的母線總數；Pli為通過第i條傳輸線的有功功率；為該條傳輸線有功傳輸下限。

此算法通過改變母線靜態穩定的導納矩陣來模擬輸電線路的傳輸中斷。考慮到對應的導納矩陣中有4個需要改變數值的導納元素Yss，Yrr，Yrs和Ysr，給出它們在π型等效電路中的表達式。

式中：Rsr，Xsr，Bsr為 Ysr中對應的電阻、電抗和對地電容，其余以此類推。

目前，IPFC技術應用條件的相關研究依然主要局限于標準測試系統中的對比分析，可進一步選擇有代表意義的地區電網為研究目標，在計算分析電網關鍵斷面的潮流分布情況后，考慮線路負載變化率和線路所在地的線路建設難度系數等指標，確定IPFC的應用場景。此外，有必要研究影響電網供電能力及安全可靠性的斷面，開展不同方案的技術經濟和綜合效益比較，綜合考慮具體工程實施的可行性、投資總量以及對電網的影響等因素，進而選出最優方案。

4.2 IPFC容量參數的選擇

圖5給出了穩態情況下簡易的IPFC等效結構。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的典型拓撲結構和穩態運行向量圖。其中，αi為Vm與Vi相位差，δj為Vi與Vj相位差。由于實際工程中換流器的運行范圍存在限制，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°范圍內旋轉時所能達到的最大工作區域。

圖5 IPFC的簡易等效結構

未安裝IPFC時，可按式（3）求得線路上流過的有功潮流PM0：

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

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，根據圖6（b）利用余弦定理可得：

進而可求得IPFC運行容量Sipfc為：

由上，聯立式（5）和（7）， 因為系統中 Vi， Vj，xij，δj均為已知，故根據所需調控的潮流ΔP值可輕易求得指定線路有功功率下的IPFC運行容量。

圖6 IPFC的典型拓撲結構和穩態運行向量

在進一步的研究中，可以定義電網柔性評估指標體系來全面評估IPFC在電網中的應用效果。參與考慮的柔性評估指標包括但不限于斷路電流降低率、潮流可控比、暫態電壓恢復速度提升率、暫態電壓最低跌落、投資經濟性等。在此基礎上，可通過綜合評估各指標的權重，形成一種合理選擇IPFC參數與容量的方法。

5 IPFC潮流控制研究及展望

5.1 IPFC穩態建模的現狀分析及展望

目前國內外已針對IPFC的潮流控制開發出多種控制模型。早期采用了理想的電壓源及電流源模型來建立FACTS器件的穩態模型，并基于此模型初步分析FACTS器件的潮流控制[23]。但在等效處理過程中，不論是電壓源模型或是電流源模型，均會在原有系統里產生額外的節點。這種現象會直接導致潮流計算中的導納矩陣以及雅可比矩陣發生變化，使得系統潮流的計算量大大增加。

鑒于上述2種模型的缺陷，有學者提出了基于功率注入模型的潮流分析，初步建立了含IPFC網絡的潮流計算方法[24]。注入功率法本質是一種網絡拓撲變換，將線路上可調變量對系統的影響移植到節點上，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-拉夫遜算法當中，便可通過控制IPFC等效注入電壓的幅值和相角，有效調節被控線路的功率。

雖然已有文獻提出了IPFC的器件級模型[24]，但所搭建的模型僅僅局限于PSCAD和Matlab等軟件平臺。這些軟件在計算大電網潮流數據時，計算速度比較慢，收斂性也比較差，無法應用于大電網潮流控制中。而應用于大電網計算分析的PSASP和PSS/E等計算軟件由于沒有開發對應的IPFC模型，無法實現含IPFC的電力系統仿真計算。此外，根據國內電網的實際構架需求以及出于經濟性方面的考慮，IPFC可以具有多種一次拓撲結構，而這些因素現有文獻均未加以考慮。IPFC的約束條件和控制模式在現有的潮流計算研究中也未曾計及。

基于IPFC穩態控制建模的現狀分析，結合IPFC潮流控制建模的應用趨勢，可知其應用前景如下：

（1）結合實際網架特征和應用需求，在PSCAD，Matlab，PSASP等電力系統軟件中設計和搭建IPFC不同的一次拓撲結構來驗證模型在實際工程中的控制效果，就具體應用場景進行更深入的探討研究。

（2）結合IPFC的控制模式，研究IPFC系統級和裝置級控制策略建模方法，開發基礎控制策略仿真模型包。如第二章節中所述，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，可以基于基礎功率注入模型，搭建IPFC的靜態特性和動態特性裝置級控制模型，以及系統級控制功能模塊，從而模擬系統故障及不同場景下的IPFC控制模式切換及系統級控制邏輯。還可在此基礎上進一步開發基礎控制策略仿真模型包。

5.2 IPFC潮流優化的現狀分析及展望

目前已有文獻針對IPFC的網損優化進行研究[25]。在確定系統結構參數和負荷的情況下，調節系統中可以利用的控制變量以滿足所有的運行條件約束，并結合人工蜂群算法、粒子群算法等優化算法使得系統運行目標（系統網損）達到最優，實現系統安全、經濟、高效運行的目的。其優化目標為減少輸電系統中的功率損耗：

限制條件為：

式中：Vi表示第i個節點的電壓；Pi表示通過第i個節點的有功功率；Qi表示通過第i個節點的無功功率。P1，P2，…，Pn分別表示第1條，第2條，…，第n條輸電線路的實際有功損耗。這些實際有功損耗的具體值會隨著IPFC安裝位置的變化而發生變化。根據優化目標及限制條件，即可結合優化算法來優化IPFC的安裝位置，從而使功率損耗達到某種意義上的最小化。結合Matlab中的5節點測試系統做對比驗證，可以發現人工蜂群算法的優化耗時不到粒子群算法的1/3，優化效果更好。

基于現狀，可進一步研究以網損優化為目標的IPFC穩態潮流控制策略。根據電網實際情況，選定可調節的變量，如發電機節點功率注入、變壓器分接頭、IPFC補償電壓和相角等，建立以系統網損最優為目標的優化模型，利用智能算法進行求解，并在PSASP軟件中對優化結果進行驗證。

6 IPFC動態控制及展望

6.1 IPFC振蕩抑制的現狀分析

FACTS器件可以通過在主控制回路中增加輔助信號來減輕振蕩，進而提高電力系統的穩定性。現有文獻已測試了IPFC控制信號在不同負載條件下對系統振蕩穩定性的影響[21]，就IPFC對低頻振蕩的抑制進行了討論。

此外，還可以通過IPFC的輔助控制，在實際應用中抑制系統功率振蕩。例如，將IPFC輔助控制器與PSS（電力系統靜態穩定器）結合起來，便可構成一種電力系統低頻振蕩阻尼控制器。這種輔助控制器使用滯后-超前校正控制器產生附加信號，提高了整個電力系統面對不同擾動的穩定性。目前已有文獻基于ICA（帝國競爭算法）和SFLA（蛙跳算法）[19]優化了該輔助控制器的相關參數。通過與其他類似的協調控制方式進行比較，發現這種控制模式具有良好的阻尼特性，在改良電力系統對過載的響應能力上凸顯了自身的優越性。

6.2 IPFC協調控制策略的現狀分析與展望

IPFC的多個控制目標（如線路潮流、母線電壓等）的實現原理并不相同，相互之間存在矛盾。在實際電力系統中，當系統受到擾動后其運行工況將發生變化，其控制目標和要求也相應地發生變化，如果只采用單個目標的控制策略，那么IPFC將無法滿足電力系統多種運行工況的要求。系統在穩態時希望潮流分布達到最優，而暫態過程中首先需要抑制發電機轉子角振蕩，提高暫態穩定性，因而當發生暫態擾動后，需要平衡IPFC潮流控制、電壓控制和振蕩抑制多個目標的要求，從而實現系統的最優控制。研究一種能夠兼顧各個控制目標的IPFC協調控制策略就顯得十分重要。

除此之外，針對于國內220 kV及以上線路多采用并聯雙回線路的應用工況，IPFC的控制線路更多，運行場景更為復雜，一次拓撲結構更為靈活多變。因此，IPFC設備在運行時應當充分協調好各控制線路控制指令值與內部控制參數的關系，避免發生并聯雙回線路環流以及換流器穩壓問題。

7 結語

論文首先介紹了IPFC的定義和基本概念，包括IPFC的基本結構、具有并聯端換流器的廣義通用結構，對比了IPFC和UPFC的潮流控制特點。然后考慮裝置的實際應用，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構、工程應用實際現狀以及IPFC容量參數的選擇。接著，分析了IPFC的潮流控制研究現狀和存在的問題，并結合IPFC潮流控制建模的應用趨勢給出了前景展望。最后，討論IPFC的動態控制，研究了該種設備在抑制振蕩和提高電力系統靜態安全穩定方面的效果，結合控制策略及其與潮流控制之間的協調工作，對其前景進行了展望。文中的理論分析成果對IPFC的實際應用有一定的推動作用。