最新的统一潮流控制器(UPFC)项目采用新颖的器件结构，以满足实际应用的要求。研究这些新型UPFC结构的潮流计算方法，对相关工程的设计和运行具有重要意义。 为了解决这一问题，本文推导了通用结构UPFC的等效模型，给出了修正的功率失配方程和系统的雅可比矩阵。然后，基于Newton-Raphson算法提出了三种适用于新型结构UPFC的潮流计算方法。这三种方法的主要区别是UPFC等效功率注入的处理方法和雅可比矩阵。通过实例分析比较了这些方法的特点。  结果表明，改进后的方法考虑了UPFC等效功率注入时雅可比矩阵修正的影响，可以实现现有计算程序中的潮流计算，提高了收敛特性。

 相关论文以题为“     Power Flow Calculation Methods for Power Systems with Novel Structure UPFC    ”发表在《     Applied Sciences    》上。

 柔性交流输电系统(FACTS)是一组以电力电子为基础的控制器，包括静态无功补偿器(SVC)、静态同步补偿器(STATCOM)、静态同步串联补偿器(SSSC)、统一潮流控制器(UPFC)等。 FACTS为提高电力系统的可控性和稳定性提供了有效手段，为提高电力设备的利用率提供了解决方案。UPFC (unified power flow controller，简称UPFC)作为最新一代FACTS器件，具有综合控制能力。UPFC在提高电网输电能力和稳定性的同时，还具有潮流控制精确灵活、布局集中、对短路电流影响小等独特优势。因此，它在现代电力系统中具有良好的应用前景。

 近年来，UPFCs在中国得到了广泛的应用。 近五年来，共有三个UPFC项目投入运营。这些项目对器件结构进行了一些改进。如图1所示,不同于早期项目,最新的项目呈现以下特点的UPFC设备结构:(1)由于大多数中国110 kV及以上电网采用双电路线路,UPFC系列方面可能包含两个转换器分别控制双电路线路的功率流,为了提高整个传输容量;(2)针对城市高压电网对无功功率的要求较低，可将UPFC并联侧母线由原母线改为低压母线，节省占用和投资。这些新型UPFC结构因其技术和经济优势已在实际应用中得到应用，并为UPFC的进一步应用提供了重要参考。  对这些新型结构的潮流计算方法进行分析、开发和比较，对相关工程的设计和运行具有重要意义。

 图1.统一潮流控制器(UPFC)方案的结构:(a)常规UPFC结构示意图;(b)南京西部电网UPFC项目示意图;(c)苏州南部电网UPFC项目示意图。

 UPFC的总体结构

如图1所示，  新型UPFC结构与传统结构的区别在于:(1)UPFC的分流侧可以与串联侧连接到不同的母线上;(2) UPFC的串联侧可以包含多个转换器。 考虑到对常规结构的适应性和便于解释，本文将图2a所示的结构作为UPFC的一般结构进行分析。其他结构将在此一般结构的基础上加以讨论。

 图2.UPFC的总体结构及其等效模型:(a) UPFC的总体结构;(b)通用结构UPFC的等效模型;(c)通用结构UPFC的等效电路。

采用解耦模型时，UPFC及其连接线可等效为相应总线(Plm + jQlm、Pml + jQml和Pne + jQne)的功率注入，如图2b所示。图2a的等效电路如图2c所示。在图2c中，ul、uk、um、un分别为总线l、总线k、总线m、总线n的电压，i1、i2、In分别为对应线路的电流。rlm、xlm、blm分别为传输线的电阻、电抗、电纳。uB和uE分别为串联变流器和并联变流器的等效电压源，xB和xE分别为串联变压器和并联变压器的电抗。Pdc是UPFC串联侧与分流侧之间交换的有功功率。

 常规结构UPFC的等效模型

常规结构UPFC的等效模型如图3所示。常规结构UPFC可以看作是一般结构UPFC的特例，其等效模型对应于图2b中总线l和总线n为同一总线的情况。

 图3.常规结构UPFC的等效模型。

 WSCC 9总线测试系统

为了比较三种潮流计算方法(原方法、简化方法和改进方法)的特点，对西部系统协调委员会(WSCC) 9总线测试系统进行了改进。如图4所示，系统中增加了一个通用结构UPFC。串联变流器连接在线路4-5，控制线路的功率流。并联变换器连接母线6，并控制母线6的电压为每单位(pu) 1。

 图4.西部系统协调委员会(WSCC) 9总线测试系统采用通用结构UPFC。

在Intel(R) Core(TM) i7-5600U CPU的个人笔记本电脑上，分别采用三种潮流计算方法。所有的计算都以平坦的开始进行初始化，当最大电压幅值变化和最大电压相角变化都小于10−8或达到最大迭代次数(即50)时终止。

 结论

 本文在UPFC一般结构的基础上，推导出一种解耦的UPFC模型。研究人员提出了三种适用于新型结构UPFC和常规结构UPFC的潮流计算方法，并对这些方法的特点进行了分析和验证。 主要结论总结如下:

(1)采用本文提出的UPFC模型，可以方便地将不同结构的UPFC集成到潮流计算中。

(2)潮流计算方法(“原方法”)严格修正了功率失配方程和雅可比矩阵，在不同控制目标下都能保持良好的收敛特性;但由于这种方法需要对雅可比矩阵进行修改，因此程序实现较为复杂。

(3)该简化方法仅根据UPFC等效功率注入修正功率失配方程，不修改雅可比矩阵，可实现现有计算程序中的潮流计算。但是，当UPFC对潮流调节作用较大时，该方法的迭代次数将显著增加。

(4)改进方法考虑了UPFC等效功率注入时雅可比矩阵修正的影响，可以在现有潮流计算程序中实现潮流计算，且收敛特性优于简化方法。

(5)对于传统结构UPFC，如果串联变流器控制线路有功功率和无功功率，并联变流器控制交流母线电压，则只需在雅可比矩阵中修改一项即可。UPFC的加入对雅可比矩阵的影响很小，因此三种方法的收敛特性非常接近。