线间潮流控制器技术现状分析及展望

高伯阳 ， 吴 熙 ， 王 亮 ， 张文嘉 ， 李 辰 ， 张 群 ， 刘柏良

（1.东南大学电气工程学院，南京 210096；2.江苏省电力有限公司电力经济技术研究院，南京 210008；3.国网江苏电力设计咨询有限公司，南京 210008）

0 引言

FACTS（柔性交流输电系统）是一种可以对系统状态进行动态控制的新型电力电子设备[1-4]，涉及电力电子、通信、控制等相关领域技术，在保证系统稳定运行，充分利用系统输电裕度等方面具有重要意义和研究价值。随着电力系统规模的逐步扩大和超高压远距离输电的不断发展，对输电安全稳定的要求也逐步提高。在电网智能化、区域互联化的现代电力系统中，FACTS因其良好的稳定性、速动性和可靠性而具有广阔的应用前景。

IPFC（线间潮流控制器）作为其中一种功能强大的新型FACTS控制装置[5-6]，在潮流控制、自动发电控制、振荡阻尼、阻塞管理、电力系统状态估计和电力系统保护等方面均有应用的空间，有着重要的研究意义和投资价值。不同于第三代FACTS器件UPFC（统一潮流控制器），IPFC不仅具备直接控制串联部分所安装线路潮流的能力，而且可以实现不同线路间功率的定向、定量交互，进而达到同时动态控制不同线路间潮流的目的。这种线间“搬运”能力使得IPFC具备更优异的设备性能和应用前景，具体体现在以下2个方面：

（1）只要保证多个换流器在功率交换的过程中不违背有功守恒，IPFC便允许有功功率通过直流侧异步传输。因此，控制的线路之间可以具有任意的相角关系，甚至可以属于完全不同的系统，从而有更为灵活广泛的应用场合[7-8]。

（2）在控制重载线路潮流时，UPFC有导致临近重载线路潮流越限的风险。而IPFC控制潮流具有定向的特点，可将重载线路潮流定向“搬运”至临近轻载线路，减少对其他线路的潮流影响。

IPFC可以同时动态地控制电力系统多条线路的潮流，达成优化系统运行、降低功率损耗、减少线路负担、提高系统暂态稳定性的目的，具有广阔应用前景，因此本文对其技术现状进行分析，并探讨展望IPFC的应用前景与研究方向。

1 IPFC的基本概念与特点

1.1 IPFC的基本概念

Laszlo Gyugyi教授于1999年提出了IPFC的概念，这种新型FACTS器件由多个共用直流母线的背靠背电压源换流器[9-10]组成，可应用于潮流控制、自动发电控制、振荡阻尼、阻塞管理、电力系统状态估计和电力系统保护[11]等方面，尤其是适用于调控变电站输电线路的潮流。图1所示为IPFC的通用结构。

图1 IPFC的通用结构

这些换流器在运行调控的过程中，一方面通过换流变压器接入系统，在所处线路上注入幅值和相角均可控的等效注入电压，互不影响地为各输电线路提供串联无功补偿。另一方面，各换流器所连接的共用直流母线作为能量交换的地点，可在各输电线间实现有功功率的传递。这意味着各换流器既可以控制被控输电线路的无功功率，又可以向公共直流母线获取或提供有功功率。

在图1所示的IPFC通用结构中，可以选择一条或数条传输线路作为主控线路，并选择剩余的线路作为辅控线路。在确保主控线路潮流不越限的情况下，将过载潮流合理分配至其他线路，从而有效控制主控线路的潮流，避免线路过载。与其他FACTS设备类似，IPFC本身相对于整个系统而言，在运行过程中并不会对外部输送有功功率，也不会从外部吸收有功功率，这意味着各换流器间的有功交换始保持着动态平衡的状态。

1.2 广义IPFC的基本概念

与IPFC的一般通用结构相比，广义IPFC的通用结构增加了并联换流器以维持公共直流母线的电压[3]，从而在控制各输电线路上的无功潮流时，避免了过多的约束与限制。图2所示为广义IPFC的通用结构。

图2 广义IPFC的通用结构

IPFC的这种广义通用结构通过并联换流器来弥补直流终端的净功率差，并选择一条有功交换不受严格限制的并联母线作为装置与交流系统进行功率交换的地点。此外，这种方案使用并联换流器来维持直流母线的电压，自动维持系统正常运行所需的功率平衡，从而大大简化了控制。

从运行成本的角度考虑，这种结构同样有较高的经济效益。因为并联的换流器在确定容量时只需要考虑对整个系统预期的最大有功功率差，进一步地，并联换流器可以以较低的成本对需要的变电站母线进行并联无功补偿[3]。

变电站对潮流控制和线路补偿的要求会随着系统运行状态的变化而变化。例如在线路负荷较重的情况下，维持某些重要母线的电压可能比控制输电线路上的潮流更为重要，这种情况下可安装一个附加的并联换流器来取代某特定的串联换流器。

总之，这种广义通用结构的多转换器补偿系统可以凸显很高的操作灵活性和功能多样性。

1.3 IPFC与UPFC的对比

UPFC与IPFC同属第三代FACTS设备，在电力系统运行中，两者均能够动态控制电力系统的有功、无功、电压、阻抗和功角，便于优化系统运行、提高系统暂态稳定性以及阻尼系统振荡，具有非常广阔的应用前景，是目前柔性交流输电领域最为先进的设备。两者主要区别如下：

（1）潮流控制特点

UPFC并联侧的控制模式主要为母线节点电压控制方式，而串联侧的控制模式则是接入线路有功和无功潮流。不同于UPFC的潮流控制特点，IPFC除了能实现稳态潮流控制功能以外，还能在线路与线路之间完成功率的交换。此外，UPFC在控制重载线路潮流时，有可能使得临近重载的线路潮流面临越限的风险，而IPFC具有定向、定量“搬运”潮流的功能，可将重载线路潮流定向“搬运”至临近轻载线路，从而减少对其他线路的影响。

（2）控制线路数目

UPFC通过直流母线进行有功功率传递，一般只能利用一个串联侧来控制线路潮流[14-16]，因此只能控制一条输电线路，至多可根据改进的拓扑结构来控制双回线路[17]。而相比之下，IPFC则可以具有多个串联侧以控制更多的输电线路。此外，由于IPFC是通过直流母线来传输功率的，其有功功率在换流器之间的传输可以异步进行。因此IPFC能够对多条有着不同相角关系、属于不同系统的线路同时进行潮流控制，这意味着IPFC在包括变电站在内的多回路和网孔系统中是解决有功和无功潮流平衡的理想方案。

鉴于上述可以看出，从某种意义上讲IPFC是UPFC应用于多条输电线路上的概念延伸。但相较于UPFC在控制潮流上的局限，IPFC对不同输电线路的潮流控制效果更为直接、有效。这些输电线路之间可以具有任意的相角关系，甚至可以属于完全不同的系统，从而使IPFC有更为灵活、广泛的应用场合。

2 IPFC的控制模式

安装于主控线路的换流器主要有4种控制方式：线路端电压控制模式、线路阻抗控制模式、相角控制模式和潮流控制模式。

（1）在线路端电压控制模式下，换流器通过串联变压器向线路注入与端电压相位相同、幅值可调的交流电压，以此来改变线路端电压的幅值而保持相角不变。通过此控制方式，可以平滑调节线路端电压，使其运行在正常范围内。

（2）在线路阻抗控制模式下，换流器通过串联变压器向线路注入与线路电流相位垂直的大小可控的电压分量，等效于在线路中串联可连续调节的电抗，以此来间接改变线路参数、增加电力系统传输功率极限、提高电力系统稳定性。在这种控制模式下，IPFC的作用类似于TCSC（可控串联补偿装置）。

（3）在相角控制模式下，换流器通过串联变压器向线路注入一个相位垂直于端电压的、大小可控的电压分量，以此来改变两端母线电压的相角差。在这种控制模式下，IPFC的作用类似于TCPS（晶闸管控制的移相器）。通过此种方式，可以在不必调控输电线路两端电压的情况下，连续调控输电线路传输的有功功率，使得电力系统潮流方向以及大小经济合理。

（4）在潮流控制模式下，换流器通过串联变压器向线路注入一个幅值与相位均可控的电压分量，使得线路流过期望的有功和无功潮流。可以将含有IPFC的线路当作一种高阻抗的电源，这个等效电源能够向电力系统的其他部分获取或注入有功及无功功率。

相对于IPFC主控线路控制模式的多样性，IPFC辅控线路主要有2种控制模式：辅控线路有功功率控制模式或辅控线路无功功率控制模式。由于FACTS设备对外部保持有功功率守恒，故在忽略损耗的前提下设备本身并不产生也不消耗有功功率。因此，辅控线路换流器主要负责消纳直流电容因主控线路调控而交互的有功功率。正因为辅控线路换流器需要起到直流稳压作用，所以IPFC辅控线路功率并不完全可控。在确保直流电容电压稳定的前提下，IPFC可以进行辅控线路有功功率或无功功率控制。在实际电力系统运行中，往往更加关注有功功率指标，因此一般以辅控线路有功功率控制作为目标。

3 IPFC工程应用和调节作用

3.1 IPFC的工程应用现状

目前世界上仅有的IPFC应用实例为美国Marcy变电站的CSC（可转换静止补偿器）工程。IPFC是该工程的一种运行模式，主要用于在输线路线间转移功率以及控制潮流[19]。此种模式的多年稳定运行证实了IPFC可有效解决Marcy变电站所在区域间的电力输送瓶颈问题，从而促进了地区的电力经济调度。

Marcy工程于2004年6月投运，换流器额定容量为200 MVA，额定电压为345 kV，可通过开关操作，灵活切换包括IPFC模式在内的多种运行模式。此工程有2台额定容量为100 MVA的换流器，而2台换流器所控制的对象在不同运行方式下均不相同。当切换至IPFC运行模式时，两者的控制对象分别为主控线路的有功功率与无功功率，以及辅控线路的有功功率。当Marcy工程需要同时控制2个被控对象的有功功率时，可将CSC设备切换至IPFC运行模式。

图3给出了主控线路和辅控线路在IPFC运行方式下线路潮流的变化情况。设定的主控线路测试条件为：串联侧换流器注入的电压参考值保持1.0 p.u.的幅值，相位则从0°变化至360°，且保持相邻两点的相位差为30°。而设定的辅控线路测试条件为：注入电压参考值的p轴分量保持为0，q轴分量保持为0.23 p.u.[20]。

图3 Marcy工程在IPFC运行方式下的潮流

图3中，左侧曲线为主控线路Marcy-Coopers Corners的调节范围，而右侧为辅控线路Marcy-New Scotland的调节范围。可以看出，当主控线路Marcy-Coopers Corners增加传输的有功功率时，辅控线路Marcy-New Scotland传输的有功功率将相应地减少，证实了IPFC运行模式在Marcy工程中能够有效实现功率的线间转移，具有定向、定量控制潮流的能力。

3.2 IPFC工程应用中的基本控制结构

图4展示了IPFC的基本控制结构[3]，该基本控制结构图中包含了主控线路的受端电压Vj、电流Ij，等效电压源幅值Vseij、相角φj，锁相环参考角θj，目标有功Pijref和目标无功Qijref，以及辅控线路的受端电流Ik，等效电压源幅值Vseik、相角φk，锁相环参考角θj。

图4 IPFC的基本控制结构

在此控制结构图中，主控线路和辅控线路上的换流器均可通过锁相环与所在输电线路保持同步关系。而对等效注入电压幅值和相角的预处理则是IPFC控制系统中的重要一环，目的在于将系统运行状态约束在预设的限制条件下。这种约束限制主要包括两个方面，一方面在于主控线路上电压和电流的限制，另一方面在于辅控线路向主控线路提供有功的上限。

但是对于广义的IPFC而言，并联换流器的置入会大大简化整个控制系统。只要换流器之间满足有功功率守恒约束，各串联换流器便可作为各自独立的补偿器作用于各输电线路。

4 IPFC选址及容量参数选择

4.1 IPFC选址研究现状分析及展望

IPFC技术应用条件的相关研究工作已取得一些进展。如已有文献在利用IPFC提高电力系统静态安全时，根据各潜在故障危险的严重程度排序优化了IPFC的安装布局[22]。可以基于PI（性能指标）的CSI（故障严重性指数），采用一种改进的SQP（多目标序列二次规划）优化算法[22]实现IPFC的合理选址。这种多目标优化算法会受到安全限制，如FACTS设备容量限制和功率平衡等约束。通过模拟线路故障，计算各母线电压和线路潮流，基于CSI对各输电线路进行排序，选取PI最高的网络节点作为IPFC的最佳安装位置。

式中：NL为系统中的传输线总数；wli为非负加权因子；n为系统中的母线总数；Pli为通过第i条传输线的有功功率；为该条传输线有功传输下限。

此算法通过改变母线静态稳定的导纳矩阵来模拟输电线路的传输中断。考虑到对应的导纳矩阵中有4个需要改变数值的导纳元素Yss，Yrr，Yrs和Ysr，给出它们在π型等效电路中的表达式。

式中：Rsr，Xsr，Bsr为 Ysr中对应的电阻、电抗和对地电容，其余以此类推。

目前，IPFC技术应用条件的相关研究依然主要局限于标准测试系统中的对比分析，可进一步选择有代表意义的地区电网为研究目标，在计算分析电网关键断面的潮流分布情况后，考虑线路负载变化率和线路所在地的线路建设难度系数等指标，确定IPFC的应用场景。此外，有必要研究影响电网供电能力及安全可靠性的断面，开展不同方案的技术经济和综合效益比较，综合考虑具体工程实施的可行性、投资总量以及对电网的影响等因素，进而选出最优方案。

4.2 IPFC容量参数的选择

图5给出了稳态情况下简易的IPFC等效结构。其中包含了送端电压Vi，主控线路等效电压源出口电压Vm，Vi与Vm电压差ΔV，线路阻抗Xij以及辅控线路等效电压源出口电压Vn，线路阻抗Xik。而图6则给出了IPFC的典型拓扑结构和稳态运行向量图。其中，αi为Vm与Vi相位差，δj为Vi与Vj相位差。由于实际工程中换流器的运行范围存在限制，输电线路所允许最大传输有功功率或电压所允许的最大幅值同样存在限制，图6（c）给出了Vseij保持最大幅值在360°范围内旋转时所能达到的最大工作区域。

图5 IPFC的简易等效结构

未安装IPFC时，可按式（3）求得线路上流过的有功潮流PM0：

安装IPFC之后，由图6可得，当αi最大即与，近似垂直时，可以使得线路有功潮流最大，且此时有：

由于 sinαj≈Vseij/Vm， cosαj≈Vi/Vm=1， 那么线路因安装IPFC而增加的有功潮流ΔP为：

另外，根据图6（b）利用余弦定理可得：

进而可求得IPFC运行容量Sipfc为：

由上，联立式（5）和（7）， 因为系统中 Vi， Vj，xij，δj均为已知，故根据所需调控的潮流ΔP值可轻易求得指定线路有功功率下的IPFC运行容量。

图6 IPFC的典型拓扑结构和稳态运行向量

在进一步的研究中，可以定义电网柔性评估指标体系来全面评估IPFC在电网中的应用效果。参与考虑的柔性评估指标包括但不限于断路电流降低率、潮流可控比、暂态电压恢复速度提升率、暂态电压最低跌落、投资经济性等。在此基础上，可通过综合评估各指标的权重，形成一种合理选择IPFC参数与容量的方法。

5 IPFC潮流控制研究及展望

5.1 IPFC稳态建模的现状分析及展望

目前国内外已针对IPFC的潮流控制开发出多种控制模型。早期采用了理想的电压源及电流源模型来建立FACTS器件的稳态模型，并基于此模型初步分析FACTS器件的潮流控制[23]。但在等效处理过程中，不论是电压源模型或是电流源模型，均会在原有系统里产生额外的节点。这种现象会直接导致潮流计算中的导纳矩阵以及雅可比矩阵发生变化，使得系统潮流的计算量大大增加。

鉴于上述2种模型的缺陷，有学者提出了基于功率注入模型的潮流分析，初步建立了含IPFC网络的潮流计算方法[24]。注入功率法本质是一种网络拓扑变换，将线路上可调变量对系统的影响移植到节点上，以克服电压源和电流源模型所固有的缺陷。将该模型引入到牛顿-拉夫逊算法当中，便可通过控制IPFC等效注入电压的幅值和相角，有效调节被控线路的功率。

虽然已有文献提出了IPFC的器件级模型[24]，但所搭建的模型仅仅局限于PSCAD和Matlab等软件平台。这些软件在计算大电网潮流数据时，计算速度比较慢，收敛性也比较差，无法应用于大电网潮流控制中。而应用于大电网计算分析的PSASP和PSS/E等计算软件由于没有开发对应的IPFC模型，无法实现含IPFC的电力系统仿真计算。此外，根据国内电网的实际构架需求以及出于经济性方面的考虑，IPFC可以具有多种一次拓扑结构，而这些因素现有文献均未加以考虑。IPFC的约束条件和控制模式在现有的潮流计算研究中也未曾计及。

基于IPFC稳态控制建模的现状分析，结合IPFC潮流控制建模的应用趋势，可知其应用前景如下：

（1）结合实际网架特征和应用需求，在PSCAD，Matlab，PSASP等电力系统软件中设计和搭建IPFC不同的一次拓扑结构来验证模型在实际工程中的控制效果，就具体应用场景进行更深入的探讨研究。

（2）结合IPFC的控制模式，研究IPFC系统级和装置级控制策略建模方法，开发基础控制策略仿真模型包。如第二章节中所述，IPFC具有不同控制模式，如电压控制、相角控制、阻抗控制与潮流控制等。因此，可以基于基础功率注入模型，搭建IPFC的静态特性和动态特性装置级控制模型，以及系统级控制功能模块，从而模拟系统故障及不同场景下的IPFC控制模式切换及系统级控制逻辑。还可在此基础上进一步开发基础控制策略仿真模型包。

5.2 IPFC潮流优化的现状分析及展望

目前已有文献针对IPFC的网损优化进行研究[25]。在确定系统结构参数和负荷的情况下，调节系统中可以利用的控制变量以满足所有的运行条件约束，并结合人工蜂群算法、粒子群算法等优化算法使得系统运行目标（系统网损）达到最优，实现系统安全、经济、高效运行的目的。其优化目标为减少输电系统中的功率损耗：

限制条件为：

式中：Vi表示第i个节点的电压；Pi表示通过第i个节点的有功功率；Qi表示通过第i个节点的无功功率。P1，P2，…，Pn分别表示第1条，第2条，…，第n条输电线路的实际有功损耗。这些实际有功损耗的具体值会随着IPFC安装位置的变化而发生变化。根据优化目标及限制条件，即可结合优化算法来优化IPFC的安装位置，从而使功率损耗达到某种意义上的最小化。结合Matlab中的5节点测试系统做对比验证，可以发现人工蜂群算法的优化耗时不到粒子群算法的1/3，优化效果更好。

基于现状，可进一步研究以网损优化为目标的IPFC稳态潮流控制策略。根据电网实际情况，选定可调节的变量，如发电机节点功率注入、变压器分接头、IPFC补偿电压和相角等，建立以系统网损最优为目标的优化模型，利用智能算法进行求解，并在PSASP软件中对优化结果进行验证。

6 IPFC动态控制及展望

6.1 IPFC振荡抑制的现状分析

FACTS器件可以通过在主控制回路中增加辅助信号来减轻振荡，进而提高电力系统的稳定性。现有文献已测试了IPFC控制信号在不同负载条件下对系统振荡稳定性的影响[21]，就IPFC对低频振荡的抑制进行了讨论。

此外，还可以通过IPFC的辅助控制，在实际应用中抑制系统功率振荡。例如，将IPFC辅助控制器与PSS（电力系统静态稳定器）结合起来，便可构成一种电力系统低频振荡阻尼控制器。这种辅助控制器使用滞后-超前校正控制器产生附加信号，提高了整个电力系统面对不同扰动的稳定性。目前已有文献基于ICA（帝国竞争算法）和SFLA（蛙跳算法）[19]优化了该辅助控制器的相关参数。通过与其他类似的协调控制方式进行比较，发现这种控制模式具有良好的阻尼特性，在改良电力系统对过载的响应能力上凸显了自身的优越性。

6.2 IPFC协调控制策略的现状分析与展望

IPFC的多个控制目标（如线路潮流、母线电压等）的实现原理并不相同，相互之间存在矛盾。在实际电力系统中，当系统受到扰动后其运行工况将发生变化，其控制目标和要求也相应地发生变化，如果只采用单个目标的控制策略，那么IPFC将无法满足电力系统多种运行工况的要求。系统在稳态时希望潮流分布达到最优，而暂态过程中首先需要抑制发电机转子角振荡，提高暂态稳定性，因而当发生暂态扰动后，需要平衡IPFC潮流控制、电压控制和振荡抑制多个目标的要求，从而实现系统的最优控制。研究一种能够兼顾各个控制目标的IPFC协调控制策略就显得十分重要。

除此之外，针对于国内220 kV及以上线路多采用并联双回线路的应用工况，IPFC的控制线路更多，运行场景更为复杂，一次拓扑结构更为灵活多变。因此，IPFC设备在运行时应当充分协调好各控制线路控制指令值与内部控制参数的关系，避免发生并联双回线路环流以及换流器稳压问题。

7 结语

论文首先介绍了IPFC的定义和基本概念，包括IPFC的基本结构、具有并联端换流器的广义通用结构，对比了IPFC和UPFC的潮流控制特点。然后考虑装置的实际应用，依次阐述了IPFC主控线路和辅控线路的不同控制模式、器件本身的基本控制结构、工程应用实际现状以及IPFC容量参数的选择。接着，分析了IPFC的潮流控制研究现状和存在的问题，并结合IPFC潮流控制建模的应用趋势给出了前景展望。最后，讨论IPFC的动态控制，研究了该种设备在抑制振荡和提高电力系统静态安全稳定方面的效果，结合控制策略及其与潮流控制之间的协调工作，对其前景进行了展望。文中的理论分析成果对IPFC的实际应用有一定的推动作用。