CN1732606A - 混合功率流控制器和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制在输入端和输出端之间的AC输电线路上的有功和无功功率流的功率流控制器，包括：第一和第二功率转换器，所述第一和第二功率转换器彼此相连以交换有功功率，并与输入端和输出端相连。将控制器与功率转换器相连，并控制转换器以向输出端提供受控的有功功率量，并从所述功率流转换器的输入端获得此受控的有功功率量。在输入端和输出端之间的节点处转换电流，允许在输入端和输出端对电流独立进行控制。在优选实施例中，两个功率转换器串联互连。在转换器之间的节点处，并联连接可控电纳以转移电流。

Description

混合功率流控制器和方法

技术领域

本发明大体上涉及对交流电输电系统中的功率流的控制。具体地，涉及用于控制AC输电线路上的有功功率和无功功率流的功率流控制器和方法。

背景技术

典型地，在对其进行耗电的情况下，并不产生电能，因此需要将来自发电中心(大型发电厂)的电力输送到负载中心(城市或工业设施)。高压输电系统将来自其源的电能输送到耗电点。

为了确保供电的可靠性，并由于经济和其它因素，使不同地理或地理政治区内的输电系统互相连接是普遍作法。结果，典型地，输电系统是由数百个发电/耗电节点和数千条输电线路构成的大型且复杂的电路。在如此复杂的电路中控制节点间的功率流是一个具有挑战性的问题。由于需要将每个节点处的电压控制在额定值的较小公差内，使得其进一步变得复杂。

历史上，已经存在几个控制输电系统的方法。由机械切换的并联电容器或电感器组来控制节点电压，并通过改变移相变压器上的抽头和通过与线路串联的切换电容器消除线路电感，来控制经过各个线路的功率流。由于机械开关的使用寿命与在负荷下执行切换循环的速率成反比，对输电系统的控制局限于慢速顺序重配置，其设计用于针对给定条件集，达到所需稳态操作点。动态控制是不可能的，因此，通过保守地操作系统和通过保守设计的作法来处理由故障、线路和发电机停机、或设备失灵导致的暂态。这导致了系统容量的相当一部分没有得到充分利用。

在19世纪70年代初期，功率等级闸流管(power grade thyristor)的出现能够改进用于控制电力系统的传统设备。可以将闸流管描述为单向开关，当脉冲发送到其门极(gate)时其开始导电。当使电流为零时其停止导电。闸流管最初用作机械开关的代替，使由于切换循环次数引起的使用寿命降低的问题得到缓解。应用包括闸流管切换电容器和电抗器、以及基于闸流管的相角调节器和抽头变换器。

随着时间的流逝，由于闸流管延迟时刻的能力，出现了更尖端的电路配置，其允许连续改变补偿器参数，该电路配置包括允许对并联电抗器进行连续控制的静止VAr补偿器(SVC)和闸流管控制串联电容器(TCSC)。在19世纪70年代中期，静止VAr补偿器的大量运用开始出现，到此为止，其是最普遍使用的电力系统补偿器。尽管其直接衰减电力系统暂态的能力在早期就得到认可，但在整个19世纪70年代，在系统规划和操作中的传统做法支配了此行业，且SVC的使用主要局限于提供无功功率支持。

电力工业的特征在于：在通过大型且昂贵的工程来实现系统升级的同时，对功率的需要稳定上升。经过这些年，能源、环境、通行权和成本问题已经延迟了发电设施和新输电线路的建设，因此更好地利用现有电力系统已经变得急迫。在19世纪80年代初期，已经认识到在系统规划和操作中的传统做法需要改变。

同时，半导体工业上的技术进步引起了功率等级门极可关断闸流管(GTO)的产生。功能上，GTO类似于闸流管，但可以通过向其门极发送脉冲而关断其。在19世纪80年代中期，GTO的商用使其能够用于构造大型电压源转换器(VSC)。原理上，VSC能够产生幅度和相位受控的多相交流电压。在一侧上，其具有切换元件(GTO)，在另一侧上，其提供电压支持，典型地，通过DC电容器。

在19世纪80年代后期和整个90年代期间，VSC在输电行业中的应用变为取得了相当大的研究成就的主题。已经设想了灵活AC输电系统(FACTS)的概念，允许使用静止转换器、通过AC输电线路实现功率流控制。用于实现此目的(功率流控制)的设备被称为FACTS控制器。示例包括高级静止补偿器(STATCOM)、串联静止同步补偿器(SSSC)、统一功率流控制器(UPFC)以及线间功率流控制器(IPFC)。对所有传统和新型的补偿器的全面评述可以参见：“Understanding FACTS：Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems”，Narain G.Hingorani，Laszlo Gyugyi，ISBN：0-7803-3455-8Wiley-IEEE出版社，1999，其内容一并在此作为参考。

对必须满足的控制自由度和约束的数量的分析提供了对不同FACTS控制器的能力的有效了解。如上所述，VSC可以产生可控幅度和相位的电压。这意味着每个VSC提供两个独立的自由度。当将单个转换器与输电线路进行接口时，可用于电压控制的两个自由度可以变换为用于控制与线路交换的有功和无功功率的自由度。尽管无功功率的交换并不会强加另外的约束，但是，在稳态操作中提取有功功率需要转换器配备有储能装置，在多数情况下，这是不切实际的。因此，存在以下约束：在稳态下，单个转换器必须不与线路交换有功功率。

STATCOM使用与线路并联的VSC。由于施加了有功功率约束，STATCOM的控制降低为一个自由度，用于控制与线路交换的无功功率量。因此，STATCOM作为SVC的功能等效物等效物来进行操作；其提供了比SVC更快的控制和改进的控制范围。

SSSC使用与线路串联的VSC。在此情况下，有功功率约束转换为通过SSSC注入的电压矢量必须一直与电流矢量正交的必要条件。这意味着SSSC与可控串联电抗正交，即，可以将SSSC看作TCSC的功能等效物等效物。SSSC提供更快的控制，且本质上，对于次同步谐振是中性的。

UPFC由共享一公共DC电容器的两个电压源转换器构成。一个转换器与线路串联地进行接口，而另一个与线路并联地进行接口。公共DC电路允许转换器之间的有功功率的无限制交换，从而可以将由一个转换器从线路吸收的有功功率由另一转换器提供给线路。结果，三个自由度是可用的，或更准确地，存在具有一个约束的四个自由度。UPFC可以用于控制经过线路的有功和无功功率流以及控制提供给安装点处的线路的无功功率量。

在其基本配置中，IPFC由与两条独立的输电线路串联地进行接口的两个电压源转换器构成。与在UPFC配置相同，所述转换器共享一个公共DC电路，其允许有功功率的交换。通过向线路注入适当的电压，IPFC可以使从一条线路到另一线路重定向有功功率流，同时控制无功功率量。可以将该功能没有难度地扩展到N条线路。

目前所有FACTS控制器的缺点在于其相当可观的价格。目前，其在许多方面仍不实用。而且，可争辩地，由STATCOM和SSSC实现的控制性能的改进是否提供了代替其基于闸流管的对应物的正确理由。可以利用传统补偿器、通过各个线路控制来主要实现由IPFC提供的核心功能。

UPFC提供了实质上不同于传统补偿器的控制选项的控制选项。但是，由于需要两个转换器，UPFC安装所需的投资阻碍了其普遍运用。然而，给定其拓扑，UPFC是一自足设备，即，其可以限制或不使用现有补偿器，诸如SVC或可切换电容器。

因此，有价值的是，寻求一种基于现有设备建立并提供灵活功率流控制的补偿器替代方案。

发明内容

作为本发明的实例，控制输入端和输出端之间的AC输电线路上的有功和无功功率流的功率流控制器包括第一和第二功率转换器，所述转换器彼此相连以交换有功功率，并与输入端和输出端相连。将控制器与功率转换器相连，并控制转换器以向输出端提供受控的有功功率量，并从所述功率流转换器的输入端获得此受控的有功功率量。在输入端和输出端之间的节点处转移电流，允许在输入端和输出端对电流独立进行控制。

在优选实施例中，两个功率转换器串联互连。在转换器之间的节点处，并联连接可控电纳以转移电流。

根据本发明的一个方面，将所需的有功功率量从第一电力区提供到第二电力区。方法包括：(i)将电流从所述第一区转移到第一受控电压源的输入端，所述输入端具有输入电压；(ii)利用所述第一受控电压源，将具有受控幅度和相角的第一控制电压添加到所述输入电压，以在所述第一受控电压源的输出端处提供中间电压；(iii)从所述第一受控电压源的所述输出端转移电流；(iv)利用第二受控电压源，将具有受控幅度和相角的第二控制电压添加到所述中间电压，以将电流从所述第二受控电压源的输出端提供到所述第二区；(v)从所述第一受控电压源为所述第二受控电压源提供有功功率；以及(vi)在幅度和相位上来控制所述第一和第二控制电压以向所述第二区提供所述所需有功功率量，从而实质上提供给所述第一受控电压源的全部有功功率与所述第二电压源相连接。

根据本发明的另一方面，将受控的有功电功率量从第一电力区转移到第二电力区。典型方法包括：(i)将所述有功电功率提供到功率流控制器的输入端；(ii)将提供到所述输入端的所述有功电功率的部分转移到第一功率转换器；(iii)将所述有功电功率的剩余部分从所述输入端提供到所述功率流控制器的输出端；(iv)将有功功率从所述功率转换器提供到所述功率流控制器的所述输出端，从而提供到所述第二电力区；(v)通过将电流从所述输入端提供到中间节点，并在所述中间节点、通过电纳转移所述电流的部分，来改变在相对于所述输入端的所述输出端处的电流的相角；(vi)控制所述第一功率转换器，从而将所述所需有功电功率量从所述第一电力区转移到所述第二电力区。

根据本发明的另一方面，电功率流控制器包括输入端和输出端。第一和第二功率转换器在所述输入端和输出端之间彼此串联。电纳与所述第一和第二功率转换器之间的节点并联。控制器与所述第一和第二功率转换器通信。所述控制器能够控制所述第一和第二功率转换器以向所述输出端提供受控有功功率量，并从所述输入端获得所述受控有功功率量。

根据本发明的另一方面，电功率流控制器包括输入端和输出端。电抗在所述输入端和所述输出端之间串联连接。第一功率转换器与所述输入端并联。第二功率转换器与所述输出端并联。所述第一功率转换器与所述第二功率转换器相连以提供有功功率；控制器与所述第一和第二功率转换器通信。所述控制器控制所述第一和第二功率转换器以从所述输出端提供受控有功功率量，并从所述输入端获得所述受控有功功率量。

根据本发明的另一方面，一种将电功率从提供受控有功功率量的第一区转移到第二区的功率流控制电路，所述功率流控制电路包括第一可控电压源，在其输入端和其输出端之间提供第一可控电压。所述第一可控电压源的输入端用于与所述第一区互连。第二可控电压源在其输入端和其输出端之间提供第二可控电压。此输出端用于与所述第二区相连。所述第一可控电压源的所述输出端与所述第二可控电压源的所述输入端相连。阻抗与所述第一功率转换电路的所述输出端之间的节点并联。所述第二可控电压源与所述第一可控电压源相连，以从所述第一可控电压源获得有功功率。控制器，与所述第一和第二可控制电压源通信以控制所述第一和第二可控电压，以将所述有功功率从所述第一区提供到所述第二区，并实质上使提供到所述第一可控电压源的所有有功功率与所述第二电压源相连。

根据本发明的另一方面，提供了补偿电功率流控制器中的损耗的方法。所述功率流控制器包括第一和第二功率转换器，用于将受控的有功电功率量从第一电力区转移到所述功率流控制器的输入端，并从所述功率流转换器的输出端转移到第二电力区。所述第一和第二功率转换器通过储能装置彼此相连以在所述第一和第二功率转换器之间交换电能。所述方法包括控制到所述输入端的电流以维持存储在所述储能装置中的电能，从而补偿所述电功率流控制器中的损耗。

当将受控功率转换器与无源元件(例如，电纳、电抗等)相结合以控制功率流时，可以将示例功率流控制器视为“混合”功率流控制器。

当阅读以下结合附图对本发明的具体实施例的描述时，对本领域内普通技术人员来说，本发明的其它方面和特征将变得显而易见。

附图说明

在附图中，仅通过实例示出了本发明的实施例。

图1示出了根据本发明的典型实施例，由两个功率流控制器互连的两个电力区；

图2是图1的功率流控制器的简化单相等效物；

图3示出了用于测量电压和电流的旋转参考坐标系；

图4、6、7A-7F、8A-8F、9A-9C、10A-I0G和11A-11F示出了在图3的参考坐标系中、图1的功率流控制器中的示例电压和电流矢量；

图5示出了简化的闭环控制器；

图12和13示出了针对图1所示的控制器的P-delta曲线；

图14A-14E示出了在由图1所示的控制器所控制的线路上的电压和电流的矢量图；

图15-20、20A、21A、22-24和25A是形成图1所示的功率流控制器的一部分的可编程控制器的简化方框图；

图20B是在应用有功衰减之前、在电容性并联电纳两端的电压的相图；

图21B是在应用有功衰减之后在电容性并联电纳两端的电压的相图；

图26A-31示出了根据本发明另一典型实施例的替代功率流控制器。

具体实施方式

图1中示出了连接两个电力区10和12的电力传输系统的单线路图。在连接区域10与区域12的一个输电路径15上安装了根据本发明典型实施例的功率流控制器14。可以将每个区域10或12视为电力产生和或电力耗电的区域。因此，区域10和12之间的输电路径15可分为两个段：段16，将区域10连接到功率流控制器14；以及段18，将功率流控制器14连接到区域12。另外的并行输电路径20可以也存在于区域10和12之间。

段16和18是承载三相交流电的三相输电线路。将在线路段16的特定相位中流动的电流表示为I_S，并将在段18的特定相位中的电流表示为I_R。将在线路段16到功率流控制器14的连接点处的线与中性点间电压标记为V₁。将线路段18到功率流控制器14的连接点处的电压标记为V₂。输电线路段16和18均具有通常不相等的实际长度。

典型功率流控制器14包括具有并联三相可变电纳22的功率电路。可变电纳22的高压端子处的线与中性点间电压是V_M。可变电纳22的功率电路包括：变压器24、可由可控开关28切换的电容性电纳26的一个或多个分支、可由可控开关32切换或控制的电感性电纳30的一个或多个分支、以及可选谐波滤波器34。本领域内的普通技术人员应当理解，可以利用基于半导体的开关以及机械开关来实现可控开关28和32。基于半导体的可控开关的一些实例为SCR(如图1中所示)、GTO或二极管电桥和高压晶体管的组合。然而，那些具有本领域经验的人员应当理解，可变电纳22等同于典型的静止VAr补偿器(SVC)。因此，显而易见，可以成功地采用SVC的功能等效物来代替可变电纳22。一些广泛公知的SVC的等效物包括STATCOM、同步调相器(synchronouscondenser)、以及机械切换的电容器组。

功率流控制器14还包括两个电压源转换器36和38。每个转换器36和38可以包括多个六脉冲转换器，通过级间变压器互相连接以形成高阶脉冲组。电压源转换器概念的优秀评论可以参见前述“Understanding FACTS：Concepts and Technology of Flexible ACTransmission System”。转换器36通过变压器40与线路段16并联。转换器38通过变压器42与线路段18并联。转换器36和38共享连接彼此的DC端子的公共DC电路。通过电容器44提供在DC端子处的电压支持。本领域内的普通技术人员应当易于理解，在所述实施例中用作转换器36和38的电压源转换器仅仅是优选的选择。最终，转换器36和38在变压器40和42的高压侧的端子处提供可控电压(即，图1中所示的电压V_X和V_Y)，同时提供两个转换器之间的有功功率交换的路径。同样地，存在许多等效电路结构，可以用于代替所述转换器36和38；例如，可以使用具有采用电感器的DC电路的电流源转换器；可以使用AC到AC转换器。显而易见，还可以使用其它基于机械的替代物。对于普通技术人员来说，其它替代物将是显而易见的。

最后，可编程控制器46提供操作可变电纳22所需的控制信号和操作功率流控制器14的转换器36和38的控制信号，如下所述。在图1中，将对控制器46的输入分为三组。通过系统操作者提供参考信号，其表示针对线路段16和18的所需操作点。参数设定提供关于系统和与所安装的功率电路的额定水平有关的信息。测定值是与可本地访问的电流和电压成正比的信号。这些信号用于对功率电路的闭环实时控制，如下所述。

图2中示出了功率流控制器14的简化单相等效电路和互相连接的电力区1O、12和线路段16、18。用其Théyenin等效电压源V_S来表示电力区10。变量V_S表示所考虑的相位中的线与中性点间电压的瞬时值。其它电压具有相似的含义。参数R_S和X_S的值主要受线路段16的参数的控制，并且还包括代表区域10的电源阻抗的Thévenin等效物和变压器40(图1)的漏电参数。值V_R、R_R和X_R与区域12和线路段18的表示相似。下标“S”和“R”用于识别线路的“发送”和“接收”端、以及分别与该线路的这些端相连的线路段16和18。电压标记V₁、V₂、V_M反映图1中示出的电压。电压源V_X和V_Y分别表示由转换器36和38产生的电压的高压等效电压。标记为B_M的可变电容表示可控并联可变电纳22。可以假定此参数值的范围取决于已安装的功率分量；通常B_M可以是阳性的(电容性的)、零或阴性的(电感性的)。

在图2中，将转换器36、38以及区域10和12的有功和无功功率分别标记为P_X、Q_X；P_Y、Q_Y；P_S、Q_S；以及P_R、Q_R。这些功率表示各自的三相值。这是对图2中标记为C_DC的DC电容器44的充电和放电进行正确解释所必需的。在下文中，将图2中所定义的极性用于对系统的数学描述。

为了更好地理解典型功率流控制器14的操作，图4、6、7A到7F、8A到8F、9A到9C、IOA到10G、和11A到11F示出了与在功率流控制器14处或内可测量的电压和电流相对应的实例矢量，以d-q平面表示。

为了更好地理解这些图，图3示出了用于图4、6、7A到7F、8A到8F、9A到9C、10A到10G和11A到11F的旋转参考坐标系。即，在电力系统研究中，普遍利用旋转参考坐标系来考虑电压和电流。在图3中示出了轴的定向和旋转的方向，在图3中，应用以下等式：

${\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{dq}0}=K_{\mathrm{abc}2\mathrm{dq}0}{\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{abc}}---\left(1\right)$

是相应坐标系中电流或电压的瞬时值的矢量，即，F_abc表示在“abc”参考坐标系中电流或电压的瞬时值的矢量，而F_dq0表示在“dq0”参考坐标系中电流或电压的瞬时值的相应矢量。变换矩阵K_abc2dq0通过以下公式得出：

$K_{\mathrm{abc}2\mathrm{dq}0}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

正如普通技术人员所理解的，使用旋转参考坐标系的动机来自交流电机的理论。即，如果相同频率的移相电流流经电机的空间分布绕组，则在电机的气隙中所得到的磁动势(MMF)引起旋转磁场。对以相同速度旋转的参考坐标系进行定义提供了用于研究磁场矢量与参考坐标系中其它相关矢量的相互作用的工具，在参考坐标系中这些矢量的分量在稳态中是恒定的。这极大地简化了实时控制器的设计，由于这些控制器现在可以根据DC量进行操作，而不是根据在绕组中观测到的正弦变化量。

在电力系统的常规操作中，相电流和电压的代数和(即，这些变量的零序分量)非常小，并可以在分析中忽略。因此，可以将来自“abc区间”的三个标量减少为“dq区间”中的一个矢量，而不会丢失信息，并可以利用平面图中的矢量图来研究系统的性能。对旋转参考坐标系的详细描述可以参见“Analysis of Electric Machinery”(PaulC.Krause，McGraw-Hill 1986)。

图4中示出了表示由功率流控制器14所控制的线路的一个可能稳态操作点、在d-q参考坐标系中的矢量图。为了清楚，忽略了损耗。所有矢量上的下标“dq”是不言自明的，因此将其省略。将在图1和2中确定的相应电压

和

按照相等幅度的d-q矢量来显示，并在它们之间具有特定角差。本领域内的普通技术人员应当容易理解，输电系统中的功率流主要由各个地区电压之间的角差和用于互连这些区域的线路阻抗来确定。通过提供无功电压支持(在需要时)，将在任何指定区域中的电压的幅度有功地调节为与其额定值相等。为了讨论的目的，将电压 和

视为“强总线”，即，其幅度和相对位置的改变动态显著地慢于控制线路的动态。

如果区域10和12通过线路15直接互连而无需功率流控制器14，则将通过以下公知的公式得到

和

之间的自然功率传递：

$P_0=1.5\frac{\left|{\stackrel{\→}{V}}_S\right|\left|{\stackrel{\→}{V}}_R\right|}{X_S+X_R}\sin \left(\mathrm{\δ}\right)$

其中，δ表示两个电压之间的角度，如图4中所标记的。注意，X_S和X_R是线路16和18以及区域10、12的Thévenin等效阻抗；而1.5是与坐标的变换有关的比例常数。根据本发明的典型实施例的方式，功率流控制器14改变此自然发生的功率传递。图4中所示的电压和电流对应于低于P₀的功率流。在最简单的条件下，这由注入电压

和

来实现，从而分别减小

和

、以及 和

之间的角差。

如果将整个功率流控制器14看作具有两组外部电压端子

和的黑盒，可以获得对电路操作有用领悟。利用此表示，可以将电压

和

视为通过其分别控制电流 和 的机制。在图1的功率流控制器14中，这些电压受许多约束的影响(以下进行描述)。如果这些约束不存在，则图2的电路可以由两个独立的子电路代替：一个包括电压源

、线路段16和电压源

；而另一个包括电压源

、线路段18和电压源 。然后，可以利用两个传统控制器独立地控制由这些独立电路提供的电流。图5中示出了适合

的闭环控制的示例控制器。此控制器在d和q轴中分别使用独立的PI电压调节器48和50。将适当的电流误差引入PI元件的输入。相应的输出用于 和

的计算，即，矢量

的所需分量。利用代数项52和54的减法和加法来消除轴间的交叉耦合。可以包括发送端电压分量V_Sed和V_Seq的估值或测定值，如虚线所示。包括这些值消除了与48和50中整元的相当大的DC偏压。一旦产生针对

的值，

的矢量减法产生针对

的需要值。最终，可以通过转换器36直接获得针对

的需要值。可以设计类似控制器用于第二子电路中

的闭环控制。

然而，图1的功率流控制器14控制通过各个线路段16和18的电流矢量(即，幅度和相位)，同时观测对各种参数的当前约束和限制条件。这样，现在可以考虑适合于功率流控制器14的约束。

由连接转换器36和38的电容器44形成的公共DC电路允许执行转换器之间的无限制功率交换。按照图2中所示的极性，P_X的正值引起了针对DC电容器44的正向充电电流，而P_Y的正值引起了负向充电电流。用于描述V_DC的动态的微分方程式是：

$C_{\mathrm{DC}}\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{DC}}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{V_{\mathrm{DC}}}(P_X-P_Y)---\left(3\right)$

在稳态中，V_DC保持不变，因此，

P_X＝P_Y                                 (4)

或者，不同地进行公式表示，之后，取消比例因子，即：

${\stackrel{\→}{V}}_X\·{\stackrel{\→}{I}}_S={\stackrel{\→}{V}}_Y\·{\stackrel{\→}{I}}_R---\left(5\right)$

等式(5)中的乘积运算符具有dq平面中标量乘积的含意。接着，由于有限的转换器额定水平，限制了电压

和 的幅度以及容许电流

和

的幅度。构成可变电纳的分量的额定电压需要限制

的幅度。最终，针对线路段16和18的绝缘要求需要限制

和 的幅度。

为了易于参考，可以总结操作限制条件：

$\left|{\stackrel{\→}{V}}_X\right|\≤V_{X\max }---\left(6\right)$

$\left|{\stackrel{\→}{V}}_Y\right|\≤V_{Y\max }---\left(7\right)$

$\left|{\stackrel{\→}{I}}_S\right|\≤I_{X\max }---\left(8\right)$

$\left|{\stackrel{\→}{I}}_R\right|\≤I_{Y\max }---\left(9\right)$

$\left|{\stackrel{\→}{V}}_M\right|\≤V_{M\max }---\left(10\right)$

$\left|{\stackrel{\→}{V}}_1\right|\≤V_{1\max }---\left(11\right)$

$\left|{\stackrel{\→}{V}}_2\right|\≤V_{2\max }---\left(12\right)$

根据这些约束，找到允许由图1的功率流控制器14引起的选择功率量P_S的传递的容许稳态解是具有挑战性的问题。这至少部分可归因于由等式(4)给出的转换器之间相等功率交换的条件。反过来，这将非线性引入功率流控制器14的数学描述。为了从数值上评估功率流控制器14的允许稳态操作状态，因此，需要首先定位在由等式(4)定义的簇(manifold)处或附近的功率流控制器14的状态变量，之后，使用剩余自由度来找到所需稳态解。

现在，应当显而易见，可以将电压矢量 和

用作针对功率流控制器14的闭环控制的控制变量。这表示在整个暂态期间，其值将突然地改变，并在一般情况下彼此独立。因此，与利用这些电压的情况相比，有利地，寻求针对功率平衡的条件的更为不变的公式表示。

功率流控制器14的黑盒表示再次有用。由等式(4)得出的条件规定了DC电容器44中恒定的存储电能。此外，在稳态中，在三相电纳22中存储的总能量是恒定的。因此，如果忽略损耗，可以用条件P₁＝P₂代替条件(4)。尽管进行了改进，但由于其依靠电压矢量

和

时，此公示表示仍不能提供所需的不变度。通过意识到如果线路段16和18是无损耗的，则P_S＝P₁且P₂＝P_R，来获得最终公式。因此，针对无损耗系统，可以将等式(4)给出的条件可以表示为：

P_S＝P_R                                (13)

或者：

${\stackrel{\→}{V}}_S\·{\stackrel{\→}{L}}_S={\stackrel{\→}{V}}_R\·{\stackrel{\→}{I}}_R---\left(14\right)$

这有利于提供针对此条件的几何解释。根据图6，其可以得到理解。针对给定的矢量

，发送端功率P_S与

到

上的投影成比例。因此，电流矢量

和

传递相同的发送端功率，如同在与

正交的相同线路上具有其顶端的任何其它电流矢量。此线路可以视作“恒定功率线”。因此，恒定功率线向电流

提供解轨迹，用于连接来自电压源 的有功功率P_S的给定值。可以与电压矢量

正交地构建表示的解的类似恒定功率线。因此，可以将转换器之间的功率平衡的条件表示为寻求矢量

和

的解的必要条件，其位于恒定功率线的特定匹配集上。

几何上，限制条件(6)到(12)的每一个均表示各个电压或电流矢量的幅度的上限。应当理解，这些限制极大地影响功率流控制器14的容许稳态操作点。

现在，能够用公式表达对表示功率流控制器14的操作状态的容许稳态矢量图进行构建的进程。以无损耗功率流控制器14作为实例示出了该进程，在区域10和12之间的中间位置处(即，连接这些区域的线路的中间)具有假设的安装点。在图2中所定义的电路参数项中，可以将其简化描述为：

R_S＝R_R＝0                               (15)

X_S＝X_R                                  (16)

图7A到7F图示地示范了该进程的典型步骤。在图7A中，显示了电压矢量

和

。在图7B中，添加了与所需功率流P_S和P_R相对应的一对等功率线。接下来，选择电流矢量

和

，从而，其顶端位于相应等功率线上。因此，在选择每个矢量的位置时存在一个自由度。此自由度可以视作选择由相应线路端提供的无功功率量的自由。例如，对矢量

的选择唯一指定P_S和Q_S的值。反之亦然，指定P_S和Q_S的值唯一指定

的值。图7C中示出了电流矢量

和

的选择和所得到的

。一旦指定了矢量 和 ，通过以下公式来确定电压

和

：

$V_M=V_{\mathrm{Sd}}-X_S{I}_{\mathrm{Sq}}---\left(17\right)$

$V_{1q}=V_{\mathrm{Sq}}+X_S{I}_{\mathrm{Sd}}$

$V_{2d}=V_{\mathrm{Rb}}+X_R{I}_{\mathrm{Rq}}---\left(18\right)$

$V_{2q}=V_{\mathrm{Rq}}-X_R{I}_{\mathrm{Rd}}$

以矩阵形式的等式(17)和(18)表达为：

${\stackrel{\→}{V}}_1={\stackrel{\→}{V}}_S-\left[\begin{array}{cc}0& X_S\\ -X_S& 0\end{array}\right]{\stackrel{\→}{I}}_S---\left(19\right)$

${\stackrel{\→}{V}}_2={\stackrel{\→}{V}}_R+\left[\begin{array}{cc}0& X_R\\ -X_R& 0\end{array}\right]{\stackrel{\→}{I}}_R---\left(20\right)$

图7D中示出了相应矢量

和 。接着，利用以下等式、根据

和B_M的已知值确定电压

：

$V_{\mathrm{Md}}=-\frac{1}{B_M}{I}_{\mathrm{Mq}}---\left(21\right)$

$V_{\mathrm{Mq}}=\frac{1}{B_M}{I}_{\mathrm{Md}}$

以矩阵式表示的等式(21)等同于：

${\stackrel{\→}{V}}_M=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{-1}{B_M}\\ \frac{1}{B_M}& 0\end{array}\right]{\stackrel{\→}{I}}_M---\left(22\right)$

图7E中示出了结果电压

。最终，利用 和 的已知值，通过以下等式确定电压

和

：

${\stackrel{\→}{V}}_X={\stackrel{\→}{V}}_I-{\stackrel{\→}{V}}_M---\left(23\right)$

${\stackrel{\→}{V}}_Y={\stackrel{\→}{V}}_I{-\stackrel{\→}{V}}_M$

图7F中示出了完整矢量图。现在，可以通过对相关矢量长的简单测量验证限制条件(6)到(12)并可以根据此测试来认可或拒绝接受所述解。

当然，上述方程式易受在等式(21)和(22)中、B_M＝0时出现的奇点的影响。因此，将 作为

的函数表示的替代等式是有利的。修改进程开始于为电压

指定需要值。图8A到8F中示出了修改进程的步骤。图8A中示出了

的需要值连同已知的

和 。在图8B中，添加了与所需功率传送相对应的一对等功率线。通过 和B_M的已知值来唯一确定电流 ，并在图8C中示出。接着，通过将矢量

转换到新位置找到

和

的相应解，从而其顶端位于与

正交的等功率线上，且其末端位于与

正交的等功率线上。此转换可以由两个连续的转换组成，如图8D所示。第一个转换将矢量

转换到其中其顶端位于线P_S＝const的位置。第一转换的方向是任意的，以一对虚线表示。第二转换沿着线P_S＝const将得到的

移动到其中其末端位于线P_R＝const上的位置。所得矢量

的尖端与

的解的尖端一致，同时其末端与

的解的尖端一致，如图8E中所示。以类似于先前描述的进程确定电压

和

、以及由此得到的

和

。图8F中示出了最终矢量图。

可以对图8A到8F中图示的进程进行概括以计算容许稳态操作点的全部集合。可以通过以下适用于功率流控制器14的例子来理解概括进程的步骤。针对给定的

和

、已知电路参数、以及B_M的指定值，可以找到满足约束(4)和限制条件(6)到(12)的所有 和

对，忽略损耗。

通过尝试

和

的所有可能值以及拒绝接受违反了功率平衡约束或任何限制条件的所述对，可以获得所述解。但是，由于只有少数矢量 和

的组合满足功率平衡的条件的事实，这种反复试验方法将只具有较小的解数量。结果，为了获得足够数量的容许解，应当使用非常精细的实验网格(grid)，因此，该进程在计算上不是有效的。此外，利用这种“强力"方法将几乎不会提供对特定限制如何影响操作曲线的认识。

参考图9A到9C、10A到10G和11A到11F，示出了能够计算容许稳态操作点的更有效进程。假设无损耗系统具有己知电路参数X_S和X_R、给定的

和 以及指定的B_M，可以将

表示为

和

的函数：

${\stackrel{\→}{V}}_M=a({\stackrel{\→}{V}}_S-{\stackrel{\→}{V}}_X)+b({\stackrel{\→}{V}}_R-{\stackrel{\→}{V}}_Y)---\left(24\right)$

其中：

$a=\frac{X_R}{X_S+X_R}\frac{1}{1-B_S\frac{X_S{X}_R}{X_S+X_R}}---\left(25\right)$

以及

$b=\frac{X_S}{X_S+X_R}\frac{1}{1-B_M\frac{X_S{X}_R}{X_S+X_R}}---\left(26\right)$

通过等式(24)显而易见，

的所有可能解的范围是一个圆。此圆的圆心“M”具有以下座标：

M_d＝αV_Sd+bV_Rd                           (27)

M_q＝αV_Sq+bV_Rq

通过以下等式得出直径“D_M”：

D_M＝2(αV_Xmax+bV_Ymax)                    (28)

图9A中示出了该圆和相应矢量 和 。现在可以直接应用限制条件(10)，如图9B中所示。在阴影区域中

的解是由于其违反限制条件(10)而被拒绝接受的。即，图9C中示出了进一步考虑的 的范围。现在，可以将任意精细网格应用到

的容许解的范围，并可以针对

的每个值，尝试

和 的相应解，如下所述。

图10A中相对于问题中的

和

示出了

的特定值。由于

和 的值是固定的，电流

仅是

的函数，并由以下等式得出：

$I_{\mathrm{Sd}}=-\frac{1}{X_S}(V_{\mathrm{Sq}}-V_{\mathrm{Mq}}-V_{\mathrm{Xq}})---\left(29\right)$

$I_{\mathrm{Sq}}=\frac{1}{X_S}(V_{\mathrm{Sd}}-V_{\mathrm{Md}}-V_{\mathrm{Xd}})$

根据等式(29)，可以推论出针对可变

的

的值的范围是如图10B所示的圆。此圆的圆心“S”具有以下坐标：

$S_d=-\frac{I}{X_S}(V_{\mathrm{Sq}}-V_{\mathrm{Mq}})---\left(30\right)$

$S_q=\frac{1}{X_S}(V_{\mathrm{Sd}}-V_{\mathrm{Md}})$

并通过以下等式得出其直径“D_S”：

$D_S=\frac{{2V}_{X\max }}{X_S}---\left(31\right)$

在图10C中添加了限制条件(8)。利用等式(19)，还可以将限制条件(11)表示为当前空间中的圆形。其中心在“C₁”处，由以下等式得出：

$C_{1d}=-\frac{1}{X_S}{V}_{\mathrm{Sq}---\left(32\right)}$

$C_{1q}=\frac{1}{X_S}{V}_{\mathrm{Sd}}$

其直径“D₁”为：

$D_1=\frac{{2V}_{1\max }}{X_S}---\left(33\right)$

在图10D中添加此圆。满足限制条件(6)、(8)和(11)的

的容许值的范围是通过使各个单独集合相交而获得的点的集合。在图10E中示出了所得到的集合，以阴影区域表示。

限制条件(7)、(9)和(12)具有类似几何表示。代表(7)的圆的圆心坐标及直径由下以等式得出：

$R_d=\frac{1}{X_R}(V_{\mathrm{Mq}}-V_{\mathrm{Rq}})---\left(34\right)$

$R_q=\frac{1}{X_R}(V_{\mathrm{Md}}-V_{\mathrm{Rd}})$

$D_R=\frac{{2V}_{Y\max }}{X_R}---\left(35\right)$

限制条件(9)的表示应该是显而易见的，其是以原点为圆心、具有等于I_Ymax的半径的圆。代表不等式(12)的圆在“C₂”处具有圆心，坐标为：

$C_{2d}=\frac{1}{X_R}{V}_{\mathrm{Rq}}---\left(36\right)$

$C_{2q}=-\frac{1}{X_R}{V}_{\mathrm{Rd}}$

通过以下等式得出其直径“D₂”：

$D_2=\frac{{2V}_{2\max }}{X_R}---\left(37\right)$

在图10F中示出了上述三个圆形。在图10G中示出了所得到的

的容许范围。

图11A示出了

以及两对等功率线。注意，在图11B中，等功率线的交叉点限定了在图11B中标记为ι₀的轴。交叉点的ι₀坐标与通过输电线路的功率传递成比例。因此，沿ι₀对等功率线对进行转换具有改变输电功率的含义。图11C示出了

轴ι₀、两对等功率线以及先前讨论过的

。回忆图8C到8E所示范的进程，根据

的指定值和指定功率流来得到

和

的唯一稳态解。向可变功率流应用此进程得到与同一

相对应的 和 的解范围。图11C中示出了分别与功率传送p1和p2相对应的解对(

)和(

)。应当理解，与得到的 相对应的解对(

)位于与轴ι₀平行的线上。假设ι_S表示由 的解所定义的线，而ι_R表示由

的解所定义的线。图11D中示出了线ι_S和ι_R。

图11E中示出了先前讨论的电流

和 的容许范围，连同线ι_S和ι_R。点x_S和y_S表示线ι_S与

的允许值区域的交叉点。点x_R和y_R表示线ι_R上的类似点。找到解对(

)，从而

位于段 上，

位于段 上，且它们的差等于

。因此，针对图11E中所示的示例，

的尖端位于段

上，其中Z_S是X_R沿

的方向在ι_S上的投影，而匹配解

的尖端位于段

上，其中z_R是y_S沿

的方向在ι_R上的投影。与(y_S，z_R)相对应的解对(

)在该问题的条件下，引起了可针对此 实现的最大功率流。类似地，与(Z_S，X_R)相对应的解在相同条件下得到最小功率流。注意，来自线路段

和 中的每个对(

)引起了矢量对(

)的唯一解，结果，得到针对P_S＝P₁＝P₂＝P_R、Q₁和Q₂的唯一解。

针对

的容许值重复此进程得到

和

的所有容许稳态解的范围、以及在所考虑的无损耗系统中的指定B_M。可以将所得到的

的解和有功和无功功率列成表格。接着，可以针对所有关注的B_M重复该进程，并可以随后对所得到的多重表格进行处理，以消除副本，而仅保持需要的解。可以将各种最优化概念引入对表格的处理。清楚地，有利于选择使用电压

和

的较低幅度来实现相同功率流的解。这种选择使得已安装的转换器的额定值最小化。

最后，可以针对每对 和

创建一组表格。可以提早准备表格并与控制器46相关联地存储在存储器中，或者，可选地，可以对部分表格进行实时计算，以具有需要的精确度，从而覆盖在功率流控制器14的操作点附近的范围。由于问题的本质允许实现并行处理，所以实时计算是可行的。此外，各种最优化进程取决于操作点，且可以使用可应用限制来提高计算的速度。针对P₁、Q₁和Q₂的值，存储单独的V_Md、V_Mq和B_M。稍后，控制器46可以使用代表P₁、Q₁和Q₂的操作者提供值从与

和 的实际值相关联的表格中选择V_Md、V_Mq和B_M的相应值。

应当理解，上述进程在计算上并不是最佳的。用这种方法使读者易于理解下述概念。最佳化是可能的，并主要当作实际实现的问题。

可以使用基于上述进程获得的表格来绘制与由功率流控制器14所控制的线路15有关的各种曲线。或许，最关心的是P-delta曲线。对这些曲线和各种限制的影响进行讨论提供了关于怎样协调转换器36和38的控制与并联电纳22的控制以最大化或最小化功率流的有用认识。

图12中示出了与b_M的三个离散值相对应的标准化P-delta曲线组的实例。考虑b_M的正值、零和负值。所考虑的B_M的正值(电容性)幅度上比所考虑的负值(电感性)大四倍。本领域内普遍技术人员应当理解，这种数值选择对应于SVC的典型实现，其中对一个电感组进行调节以提供对在多个电容组的阶之间提供的无功功率的微调。在图12中，仅将对已注入转换器的电压的限制，即限制条件(6)和(7)，应用于计算用途中以产生所述曲线。可以容易地识别针对B_M的每个值的两条曲线。上方的曲线对应于最大化的功率流，而下方的曲线对应于最小化功率流。本领域内普通技术人中应当理解，针对δ的任何给定值，可以在由这些曲线所指定的两个极值之间任意选择所需功率流，并且由转换器36和38的适当控制来实现。此外，根据图12显而易见，针对B_M的每个值可达到的功率流的范围发生重叠；因此，在δ的任何给定值处，在仅使用关联电纳的离散值的同时，可以在最低和最高曲线之间连续改变功率流。

图13中示出了另一组P-delta曲线。对曲线的标注类似于图12。在图13中，除受限制的转换器电压的幅度之外，还将端子电压的幅度和线路电流的幅度限制为每单位一个。由于额外限制的应用，显然，限定了解的可能范围。例如，在δ的较大值处，没有曲线具有有效解。这是由于即使利用与线路两端的电压相反地施加的转换器的全电压容量，电流将仍然处于所述限制值之上，因此，没有解存在。因此，针对δ＞125°，转换器将必须进行旁路，以避免由于过电流造成的损坏。

在δ的较低值处，在大多数曲线上可见最大功率流的急剧下降。例如，针对B_M＞0的上限曲线对于δ＜65°急剧下降。这是由于施加了端子电压限制。具体地，当δ的值减小而BM保持恒定时，在线路中间提供的无功功率增加了电压 的幅度。为了在限制内保持端子电压电平，由转换器注入的电压必须用于对抗 的增加。因此，降低了保持向功率流控制施加的转换器电压量，且最大功率流下降。

在针对B_M＞0的下限曲线上观察类似现象。在此情况下，目的是最小化功率流；因此，由于在电压控制时损耗了部分转换器电压容量，最小的可行功率流上升。

最终，利用等于零的并联电纳22，在不增加设备端子处的电压的幅度到1p.u.以上的情况下，不能够使δ的较低值处的功率流反转。因此，代表零并联电纳22的最小化功率流的曲线在δ的较低值处等于零。

“可达集查找表”的存在允许功率流控制器14的操作者选择功率流控制器14的设置点，按照这种方式，总是将操作点保持在已安装设备的限制内。在实时控制器的讨论中，在下文中，将假设指定为控制器的输入的变量的参考值始终属于可达集。

图14A到14E中示出了由功率流控制器14控制的线路的示意性矢量图。为了保持与之前附图的一致性，已经使用了相同的简化。

在图14A中重复图4的矢量图。使用相同的线路电流的值但不同的B_M的值构造图14B的图形。因此，所得到的矢量 具有较大的幅度且相应的 和

不同。对两幅图的比较提供了可以利用并联电纳22的阶变值，使功率流控制器14用于线路电流的微调的另一实证。

图14C中所示的矢量图证明了功率流控制器14独立地控制提供给接收线路段18的无功功率量的能力。以虚线示出了与图14A的操作点相对应的矢量的位置，以有助于对差值进行量化。

图14D中示出了与增加的功率流相对应的矢量图。电流

和 的幅度的增加是各个矢量

和

之间、以及矢量

和

之间相对角度的增加的结果。

最后，图14E中示出了说明功率流反转的矢量图。矢量

和

的相对位置表明了B_M＜0，即，并联电纳主要是电感性的。

现在，为了控制功率流控制器14的操作状态以提供在区域10和12之间受控的功率传递，控制器46(图1)对作为控制变量的电压矢量 和 进行控制，以便对电流

和

进行闭环控制，同时对约束和限制条件进行观察，如上所述。

参见图15到25，示出了适合于功率流控制器14的动态控制的示例可编程控制器46的方框图。提出示例控制器16以提供对成功控制器设计所需的概念的认识。应当理解，许多添加和修改是可能的。此外，应当理解，信号的流向和块之间的区别是有些随意的，可能未在实际实现中清楚地描绘。例如，控制器46的实际实现可以利用基于计算机的控制器来形成，进行编程以接收控制输入并提供等价于所述块的输入，无需实际计算这里所述的中间值。这种控制器可以维护存储器变量以进行信号和参数值、以及子程序的存储，以执行分配给所述块的功能。可以重新使用子程序的代码来实现不同块的功能。这样，严格来说，变得不清楚是哪个块。另一方面，显而易见，基于计算机程序的控制器实现允许容易地对可能是有利于计算所需要的任何参数进行访问。因此，自由地使用方块图内的示例参数值以提供对如何构造和使用示例控制器46的解释。

图15A中示出了控制器46的高级组织。如所示，控制器46包括并联电纳控制块66和与存储了可达控制状态的、按照上述制成表格的查找表的存储器进行通信的转换器控制块64。电纳控制块66确定要提供给电纳22(图1)的控制输出，同时转换器控制块64提供用于控制电压源转换器36和38的操作的输出。由输电系统操作者来提供P₂、Q₁和Q₂的参考值。将代表这些适合于在控制器46内直接使用的值的信号表示为：p_2ref、q_1ref和q_2ref。将这些信号用于可达集查找表块62内的查找表以确定转换器控制块64和并联电纳控制块66的参考信号。如需要，可以插入查找表块62内存储的数值以提供未明确存储在块62内的p_2ref、q_1ref和q_2ref的值。

如上所述，任何指定的“线路操作点”对应于无穷多的“内部操作点”(即，

b_M等的集合)。查找表块62的作用是能够选择用于引起对已安装设备的优选最佳使用的唯一内部操作点。转换器控制块64为查找表块62提供多重“状态信号”，以便于相关表格的选择。

转换器控制块64负责对电压源转换器36和38的闭环动态控制。对此块的输入为：p_2ref、q_2ref、V_mrefd和V_mrefq。如参见图8A到8F详细描述地，可以根据所需功率传递P₂(近似等于P_R或P_S)和

的指定值找到唯一内部操作点。因此，严格来说，指定q_2ref的值是不必需的。然而，根据查找表提供q_2ref的值允许更简单地对转换器控制块64进行内部组织。

转换器控制块64输出用于控制电压源转换器36和38中的切换元件的信号；在所述实施例中，将这些信号表示为“GTO/MCT/IGBT点火脉冲”。将适合直接应用于电压源转换器36和38的功率电子开关的控制端子的适当隔离和缓冲的信号统称为“点火脉冲”。点火脉冲直接控制VSC中开关的状态，因此，其提供了直接控制电压

和

的方式。

现在，在适当功率电平下可用的电子开关为：门极可关断闸流管(GTO)、MOS控制闸流管(MCT)和绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)。将通过制造经济学来推动对转换器切换元件和开关的整个数量的具体选择；因此，点火脉冲的特性、其数量、波形和定时主要是与实现相关，并不再进一步对其进行描述。

并联电纳控制块66采用参考信号b_Mref并产生针对并联电纳22的适当控制信号。使用代表

和

的反馈信号，有利于校正控制脉冲的定时以及计算并联电纳b_M的实际值。根据并联电纳22的实现，实际电纳改变将发生，相对于由查找表块提供的参考值，具有一定延迟。块64使用b_M的准确值；因此，将b_M的信号从块66直接提供给块64。

由于在针对可变电容器组28的切换和电感器组32的控制的公开实例中使用了可控硅整流器(SCR)，将在并联电纳控制块66处的信号表示为“SCR点火脉冲”。显然，如果在可变并联电纳22的功率电路中使用了替换切换和控制装置，则将产生适当的控制信号。

现在，将并联电纳控制视为成熟的主题。对典型SVC构造和其控制器实现的全面评述可以参见：“Understanding FACTS：Concepts andTechnology of Flexible AC Transmission Systems”。因此，这里将不再进一步讨论块66。

图16中示出了示例转换器控制块64的方框图。通过使用信号标注来表示块的互连。小写字母的标注用于表示控制器内的缩放信号。注意，部分信号标注表示矢量，即，这些值的有序对或有序三态值。横过信号路径的短线号表示每个信号的“内部次序”。没有“横线”的信号路径表示标量值。

在块102中进行信号获取、调节和缩放。实际测量技术将根据实现而改变。传感器的带宽应当充分高于电压源转换器(此系统中的传动装置)的带宽。由于高功率电压源转换器的带宽仅为几百赫兹时，最普遍用到的传感器将是合适的。优选地，传感器测量电流的传递函数与传感器测量电压的传递函数相匹配。这应该会均衡稍后用于控制器的信号的延迟。

将所有输入值的缩放和调节信号传递到块104，在其中变换为旋转参考坐标系。根据等式(1)和(2)来进行该变换。将进行转换所需的θ的值输入到此块；其在右手侧示出。

块106产生信号θ。此块是积分器，采用系统频率的信号作为其输入。得到系统频率的信号，作为频率“f_B”的基本值与由102产生的校正值“Δf”的总和。有利地，由于以下控制规则中没有取决于旋转参考坐标系与系统中任何矢量的精确同步，产生精确的Δf信号的速度并非关键的。

块108监视DC电容器44。根据电压源转换器36和38的尺寸和实际构造，DC电容器44可能将构造为在相同条件下进行操作的多个电容器组。在这种情况下，可以根据对一个电容器组中电流的测量得到总电流的信号，然后相应进行缩放以表示整个集合。电容器充电的动态取决于已安装的电容量。这些动态预计是慢于线路电流控制的动态，因此，传感电路的带宽可以相应地慢于针对线路电流和电压的传感电路的带宽。

在块110中计算等效发送和接收端电压的稳态电压估计。对此块的输入是表示端子电压的值的信号和表示流过相应线路段的电流的信号。早先已经解释了：对发送和接收端电压的估计用于减小在电流调节器中PI增益的整元上的偏置。因此，由于积分器将抑制剩余误差，因此精确估计并非关键的。结果，对此块的设计被认为是实践工程师已掌握的，这里将不再给予另外的关注。

块118负责DC电容器电压控制。根据v_DC、i_DC和 来计算发送端电流参考校正值

。将详细评述此块的内部结构。

在块112中计算电流的参考值。将详细评述此块的内部结构。应当注意，此块接收由控制块62提供的参考信号值p_2ref、q_2ref和

以及由电纳控制块66提供的值b_M。根据这些值和本地测量的信号值和估计变量，计算出电流参考并传递给电流调节器。

电流调节器114执行闭环电流控制。其产生与所需的电压 和

成正比的信号 和

以提供所需电流，如以下所述。

首先，将表示所需电压矢量的 和

变换为固定参考坐标系，并根据获得的值，在块116的内部产生适当的点火脉冲。θ的值是执行变换所必需的，同时v_DC的值是消除DC电压变化对转换器输出电压的影响所必需的。此块的内部设计是与实现相关的，将不再进一步对其进行讨论。

作为总结，优选地，在当前空间中实现功率流控制器14的动态控制。由此，首先将在控制器级处的参考值(即，p_2ref、q_2ref和

)转换为发送和接收线路段中电流的参考值(即，

和 )。然后，使用闭环电流控制器使该系统电流强行变得与其各自参考值相等。通过对电流的参考值进行适当修改来实现其它目的，诸如保持DC电容器充电。通过对电流调节器的讨论，显而易见，在一些条件下对电压 的有功衰减可能是必需的。这也通过修改电流参考值来实现。

以下对控制器块的讨论是其于DC电容器充电和放电的动态远远慢于AC电路中电流和电压的动态的假设。因此，能够假设在AC电路暂态期间DC电容器上的电压缓慢改变，且可以通过块116中适当的切换调制来抑制其改变。将单独评述针对DC电容器电压控制的调节器结构。此假设实现了结构化的全面控制器设计。

通过识别示例功率流控制器14的状态变量和复核其相互关联性，有助于开始此讨论。应当理解，功率流控制器14的状态变量的数量取决于B_M的值。

针对BM＞0，即，针对主要具有电容性电纳的可变电纳22，存在7个状态变量。它们是：AC电路中的I_sd、I_sq、I_Rd、I_Rq、V_Md和V_Mq，以及DC电路中的V_DC。电压矢量 和

是单独可调的，且可以任意选择B_M的值，因此，在系统中存储五个控制变量：V_Xd、V_Xq，V_Yd、V_Yq和B_M。

针对B_M＜0，即，针对主要具有电感性电纳的可变电纳22，电压V_Md、V_Mq是其它系统电压的线性组合，因此，系统的阶减小为五。控制变量的数量保持不变。

针对B_M＝0，电流矢量 和

是相等的，即， 。因此，系统的阶减小为三；状态变量是I_sd、I_sq和V_DC。在此情况下，当B_M＝0时，控制变量的数量减小为四个。

在表1中对此进行总结。

	BM＞0	BM＝0	BM＜0
				系统的阶	7	3	5
状态变量	ISd、ISq、IRd、IRq、VMd、VMq、VDC	ISd≡IRd、ISq≡IRq、VDC	ISd、ISq、IRd、IRq、VDC
				控制变量的数量	5	4	5
控制变量	VXd、VXq、VYd、VYq、BM	VXd、VXq、VYd、VYq	VXd、VXq、VYd、VYq、BM

                     表1：针对B_M的各种值的状态和控制变量

在每种情况下，可以将电压矢量 和

看作缓慢改变的干扰，并可以根据本地测量到的变量来估计其值。另外，根据之前的假设，DC电容器的动态远远慢于AC电路的动态；因此，V_DC可以视为恒定的。

此外，在AC电路暂态期间保持B_M的值恒定是可行的。B_M的值可以缓慢地改变，或者即刻改变，然后，在以下时间间隔期间保持不变。在后一种情况下，B_M的改变干扰了系统电流和电压的稳态，并通过电压矢量

和 的适当动作来衰减随后的暂态。按照此假设，在每种情况下，控制变量的数量变为四个。

现在，可以根据B_M的值将控制块64的电流调节器114分析为三个独立的电流调节器122、124和126，如图17所示。来自每个调节器122、124和126的输出信号是与相应使能信号相乘得到的标量。例如，当b_M＞0时，表示电压 的需要值的输出信号

是与块130中的信号En_p相乘得到的标量。块128的作用是根据b_M的实际值产生适当的使能信号。因此，可以产生表示

和 的需要值的输出信号 和

，作为相应调节器输出的简单矢量和。通过块136和146，分别针对信号

和

实现和函数。

首先，可以评述电流调节器122(即，针对b_M＞0的电流调节器114)。图18中示出了其完整方框图，并参见图19A到19E、20A到20B和21A到21B进行解释。可以将用于描述图2中所示的系统的微分方程式分为三组。第一，用于描述线路段18的动态的微分方程式为：

$L_R\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Rd}}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ω}{L}_R{I}_{\mathrm{Rq}}+R_R{I}_{\mathrm{Rd}}=V_{\mathrm{Md}}+V_{\mathrm{Yd}}-V_{\mathrm{Rd}}---\left(38\right)$

$L_R\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Rq}}}{\mathrm{dt}}-\mathrm{\ω}{L}_R{I}_{\mathrm{Rd}}+R_R{I}_{\mathrm{Rq}}=V_{\mathrm{Mq}}+V_{\mathrm{Yq}}-V_{\mathrm{Rq}}$

其次，用于描述线路段16的动态的微分方程式为：

$L_S\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Sd}}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ω}{L}_S{I}_{\mathrm{Sd}}+R_S{I}_{\mathrm{Sd}}=V_{\mathrm{Sd}}-V_{\mathrm{Xd}}-V_{\mathrm{Md}}---\left(39\right)$

$L_S\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Sq}}}{\mathrm{dt}}-\mathrm{\ω}{L}_S{I}_{\mathrm{Sd}}+R_R{I}_{\mathrm{Sq}}=V_{\mathrm{Sq}}-V_{\mathrm{Xq}}-V_{\mathrm{Mq}}$

第三，用于描述正并联可变电纳22的动态(即，并联AC电容器的动态)的微分方程式为：

$\frac{B_M}{\mathrm{\ω}}\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{Md}}}{\mathrm{dt}}+B_M{V}_{\mathrm{Mq}}=I_{\mathrm{Md}}=I_{\mathrm{Sd}}-I_{\mathrm{Rd}}---\left(40\right)$

$\frac{B_M}{\mathrm{\ω}}\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{Mq}}}{\mathrm{dt}}-B_M{V}_{\mathrm{Md}}=I_{\mathrm{Mq}}=I_{\mathrm{Sq}}-I_{\mathrm{Rq}}$

所述三组方程式(38)、(39)和(40)描述了整个动态系统。每组内的状态变量是交叉关联的，且还存在组之间的交叉关联。注意，V_Md和V_Mq出现在方程式(38)和(39)的右侧，而线路电流的d-q分量出现在方程式(40)的右侧。由于在具有六种状态的系统中存在四个控制变量的事实，出现了额外的复杂性。

可以利用电压分量V_Yd和V_Yq来获得适合于对I_Rd和I_Rq进行闭环控制的调节器以实现闭环动态。将(38)重写为更一般的形式：

$L_R\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Rd}}}{\mathrm{dt}}=-R_R{I}_{\mathrm{Rd}}-\mathrm{\ω}{L}_R{I}_{\mathrm{Rq}}+V_{\mathrm{Md}}+V_{\mathrm{Yd}}-V_{\mathrm{Rd}}---\left(41\right)$

$L_R\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Rq}}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\ω}{L}_R{I}_{\mathrm{Rd}}-R_R{I}_{\mathrm{Rd}}+V_{\mathrm{Mq}}+V_{\mathrm{Yd}}-V_{\mathrm{Rq}}$

在图19A中的虚线“a”和“b”之间示出了此动态系统的方框图。线“a”的左侧是块202和204，表示针对电压源转换器38的动态的近似。具体地，电压源转换器38充当放大器，采用信号v_Yd和v_Yq执行对这些信号到“abc”参考坐标系的转换，并输出在“d-q”空间中对应于电压V_Yd和V_Yq的电压V_Ya、V_Yb和V_Yc。将所有这些打包到两个块中，以便简化方框图。因子K_VSC表示从信号到输出电压的总增益，而特征在于时间常数“T_VSC”的一阶延迟模拟了上述处理固有的延迟。同样，位于线“b”右侧的块206和208表示电流测量系统的近似传递函数。这些块的输出是电流反馈信号，分别为：i_Rd和i_Eq。

设想

的值如图19B中所示形成。针对这样构成的动机在于删去方程式(41)右侧上不必要的项并引入能够得到所需动态的新项。图19C中示出了所得到的系统。显然，在d和q轴中的动态现在是去关联的，因此可以独立进行处理。信号ERR_RD和ERR_RQ表示由于对项的不完全取消而造成的各个误差，并可以将其视为此系统的干扰。在块252和254中嵌入的积分增益位于干扰插入点之前；因此，在每个环路中将实现电流控制中的零稳态误差。通过对PI增益的适当选择，可以将电流分量I_Rd和I_Rq的闭环动态的速度和衰减调整为需要的值。如果使用了适当的参数组合，则从

的分量到

的分量的闭环传递函数近似第一阶延迟块，如图19D中所示。

可以使用类似原理构成针对

的闭环控制的调节器。在此系统中对PI增益的适当选择(图18中的块256和258)可以确保此调节器与针对

的调节器的等效动态，而不考虑实际线路段长度。注意，使这些控制器的时间常数匹配是非强制性的，仅是可行的。图19E中示出了所得到的从

的分量到 的分量的简化传递函数。

根据上述讨论显而易见，信号

和 的构成基于

的瞬时值。因此，只要

和

的需要值是转换器“力所能及”的，

的动态不影响

和

的动态。相反—即， 和

的动态不影响

的动态—是非真的。在图20A中分别示出了表示根据方程式(40)的 的动态和根据图19D和图19E的 和

的闭环动态的方框图。为了简单的原因，使用表示物理变量的信号来绘制此方框图。根据引入到电流调节器的输入的参考值

和

，通过以下等式得出 的预期稳态值：

${\stackrel{\→}{V}}_M^0=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{-1}{b_M}\\ \frac{1}{b_M}& 0\end{array}\right]({\stackrel{\→}{i}}_S^0-{\stackrel{\→}{i}}_R^0)---\left(42\right)$

另一方面，对方框图的检验表明在 的动态中不存在衰减；因此，此电压的不需要的振荡将根据操作点的每个改变而发生。在图20B中示出。以 为圆心的圆是

在初始条件类型干扰之后的轨迹。图中所示的正切矢量表示v_Md和v_Mq根据方框图或方程式(40)的导数。

将衰减引入此系统中等同于将额外的分量添加到上述指向

的正切矢量。实现此的简单方法是从

中减去正切矢量的相位延迟值。图21A中示出了所提出的补偿。将在块332和334中实现的传递函数G_C(s)的相位延迟和增益的选择与元件306和308中已经存在的相位延迟进行协调，以便实现适当的总相移。图21B中示出了所得到的

动态的改变。

接下来，评述电流调节器126(即，针对b_M＜0的电流调节器114，将L_M定义为：

$L_M=\frac{-1}{\mathrm{\ω}{B}_M}---\left(43\right)$

用于描述系统的微分方程式为：

$(L_S+L_M)\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Sd}}}{\mathrm{dt}}-L_M\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Rd}}}{\mathrm{dt}}=-R_S{I}_{\mathrm{Sd}}-\mathrm{\ω}(L_S+L_M)I_{\mathrm{Sq}}+\mathrm{\ω}{L}_M{I}_{\mathrm{Rd}}+V_{\mathrm{Sd}}-V_{\mathrm{Xd}}$

$(L_S+L_M)\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Sq}}}{\mathrm{dt}}-L_M\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Rq}}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\ω}(L_S+L_M)I_{\mathrm{Sd}}-R_S{I}_{\mathrm{Sq}}-\mathrm{\ω}{L}_M{I}_{\mathrm{Rd}}+V_{\mathrm{Sq}}-V_{\mathrm{Xq}}---\left(44\right)$

$L_M\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Sd}}}{\mathrm{dt}}+(L_R+L_M)\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Rd}}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\ω}{L}_M{I}_{\mathrm{Sq}}-R_R{I}_{\mathrm{Rd}}-\mathrm{\ω}(L_M+L_R)I_{\mathrm{Rq}}+V_{\mathrm{Yd}}-V_{\mathrm{Rd}}$

$-L_M\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Sq}}}{\mathrm{dt}}+(L_R+L_M)\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Rq}}}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{\ω}{L}_M{I}_{\mathrm{Sd}}+\mathrm{\ω}(L_M+L_R)I_{\mathrm{Rd}}-R_R{I}_{\mathrm{Rq}}+V_{\mathrm{Yq}}-V_{\mathrm{Rq}}$

显然， 不再是状态变量，结果，额外的关联存在于电流项之间。尽管如此，在每个方程式的右侧上控制变量的存在允许对所有电流分量的直接控制。图22中示出了适合闭环电流控制的控制器的方框图。使用常数a、b、c、d解决状态变量之间的关联。这允许在块252、254、256和258中直接选择PI增益。事实上，这些块是在块122中所使用的相同块。通过示例，早先的陈述说明了多少子程序可以在不同块之间共享。

最后，将评述适合于B_M＝0的电流调节器124。由于在此情况下仅存在两种状态和四个控制变量，能够独立地控制

，同时控制线路电流的动态。由于其在转换到不同操作模式之前(即，与并联电纳22耦合之前)可以按照所需方向来定位此矢量，有功地控制

是有用的。图23中示出了适合于此操作模式的控制器结构的示例。

块112负责将电流参考值提供到电流调节器114。原理上，此块的操作如下。根据输入p_2ref和q_2ref和测量到的

的值来计算信号 接着，使用输入 以便根据已知的b_M的值来计算 。最后，得到作为

和

的矢量和的

。这是概念上的组织。然而，具体的结构必须处理由于b_M的值的改变而造成的电流控制器的结构变化，并必须提供合适的输入，用于对由DC电压控制器提供的电流参考进行校正。

图24示出了电流参考值计算块112的内部结构的详细方框图。按照以下方式产生根据p_2ref和q_2ref的值来计算

所需的电压矩阵。信号v_2d和v_2q在块362和364中进行低通滤波，然后馈入到矩阵组成块366。在块368中对此电压矩阵进行求逆(invert)，随后，使用求逆结果计算 。这些低通滤波器的时间常数应该充分高于闭环电流控制器的时间常数，以抑制电压动态对包括

的信号的影响。直接根据信号v_Mrefq、v_Mrefd和b_M来构成信号

。由DC电压调节器提供的输入信号

用于准备信号Δp_2ref和Δq_2ref(当b_M＝0时，需要用于修改p_2ref和q_2ref)，并通过块370添加到

的信号。最后，通过块372，得到作为

与 的修改值(当b_M≠0时)的矢量和的

这可以根据针对b_M≠0的该讨论对其进行推导。

的存在最终导致了 的稳态误差。类似地，针对b_M＝0，

的存在导致了p₂和q₂的稳态误差。允许这些相对较小的误差能够简单实现DC电压控制器，而无需精确地计算可达集查找表。以最简单项来表达，此方法允许系统自发收敛到根据查找表获得的操作点附近的操作点。在以下对DC电压控制器进行评述时，这种陈述将变得更清楚。

DC电容器44的电压直接与电压源转换器36和38的功率平衡相关。在对计算容许稳态操作点的集合进行讨论的部分中对功率平衡的约束和其等效公式进行了讨论。作为概括，示出了：在无损耗系统中，由(4)表示的功率平衡条件可以用(14)来代替。接着，引入对(14)的图形解释，且以下对容许稳态操作点的推导依靠于保持系统在由(14)定义的簇上，即，将电流矢量

和

保持在其各自等功率线上。

重要的是，需要强调，在无损耗系统的情况下进行了上述推导，以及试图在没有保持DC电容器充电的策略的情况下操作实时系统将导致耗尽充电，因此会禁用转换器。在此部分中，将利用已经介绍过的几何概念来讨论控制DC充电容量的策略。

利用图8示出了查找无耗损系统的稳态操作点的进程，并以相关讨论进行解释。简而言之，通过假设所需的功率传递和

是已知的，并根据B_M的已知值，得到线路电流的唯一矢量解开始此进程。所得到的电流矢量

和 的尖端位于各个等功率线上。如果现在假设电流的闭环控制是可操作的，以及电压矢量

的稳态值是不变的，则损耗的存在将导致DC电容器上的充电的逐渐减少。此结论来自保持图2的系统的能量守恒规则。因此，为了保持DC电容器的恒定充电，需要改变线路发送和接收端之间的功率平衡。实现此的一个方法是以

的方向增加

，同时将

保持在初始值。图25A中示出了此改变的几何解释。改变功率平衡的等效解包括以与矢量 的方向相反的方向修改电流矢量 ，同时保持矢量

不变，或以相应方向同时改变两个矢量。为了简化且与已经讨论过的方框图的一致，进一步的讨论将假设V_DC通过仅改变矢量

得到控制。

控制块118(图16中所示)提供DC电压控制。图25B中示出了此块的可能内部结构。DC电压调节器由利用PI块382控制i_DC的内环组成。将此PI块的输出与以

的方向定向的单位矢量的d-q分量相乘。由于粗略估计将具有适当定向，利用估计而不是测量值是可能的。仅有的不利方面在于：如果电压的估计是不正确的，则所得到的 的改变将不具有最小幅度；但是，在382中的整元将进行调整以便在i_DC中实现零误差。控制DC电容器上的电压的外环仅具有比例增益元件384。这就足够了，因为设备(DC电容器)是积分器。将

的所需增量变化确定为图25B中的

。此信号将在电流参考值计算块112内使用，已经对其进行了解释。

应当理解，这里展示的控制器结构仅用于解释而提供。通过改变线路的发送和接收端之间的功率平衡来控制DC电容器上的电压。这允许简单地实现实质上与电流调节器去关联的DC电压控制器。因此，总控制系统得到构造并相对简单地进行设计。那些在本领域内有经验的人员现在将理解，这样构造DC电压调节器允许系统与等功率交换的簇暂时分离(在暂态期间)并在稳态时返回到其。

最后，为了完整性，应当理解，DC电容器的初始充电允许操作电压源转换器36和38。此初始充电可以由在启用转换器时将去连接的小额定水平的辅助电路来提供。现在，本领域内的普通技术人应当容易理解，能够对上述实施例进行大量修改。

在图26到31中示出了功率流控制器的替代示例实施例。

如图所示，本发明的其它实施例的示例性的功率流控制器可以利用图26A中所示的同步调相器、或图26B中所示的STATCOM来构成。

如果STATCOM用于实现中点电纳，则可以通过将所有转换器连接到公共DC总线来实现操作范围的适当改进，如图26C中所示。通过与存储设备交换能量，增加典型功率转换器的DC总线上的能量存储允许功率流控制器暂态地消耗或提供有功功率。这在图27A的实施例中得到进一步例证。可以在转换器的一个或全部与网络之间实现有功功率交换。通过有功功率交换，系统暂态响应将得到改善。长时间稳态操作将保持不变。功率流控制器和系统之间的净能量交换也可以得到实现。这在图27B中得到描述，其中功率源或宿连接到DC总线。本领域内普通技术人员应当容易理解，对DC电压控制电路进行修改以适应与DC链路的动态或静态能量交换。

可以利用可选转换器技术的主机容易地实现本发明的示例的功率流转换器。在图28A到28C中示出了三种其它可能的构造。图28A描述了其中利用DC到DC转换器使转换器之间的功率交换更容易的构造。图28B描述了利用电流源转换器来实现的功率流转换器。尽管用电流受控源替代了电压受控源，仅需要少量重新形成关联控制器以适应电流源转换器。总操作原理实质上保持相同。

图28C示出了使用直接ac到ac转换器系统提供功率流控制器的两个可控源。此外，低电平控制将需要修改，但是，总操作原理不变。

作为使用所述转换器36、38来提供控制器14的可控源的替代，可以代替地使用各种电子-机械的转换器。图29A和29B中示出了采用机械装置产生可控源的两种可能构造。在图29A的实施例中，同步机械装置提供受控电压。可以通过其单个激励器控制来调节电压幅度。每个同步机械装置与DC机相连。然后，可以使用DC机调节来将所需的有功功率量从一个受控源传送到另一个。有利地，此构造本质上确保了功率平衡得到满足。便利地，因此不需要外部功率平衡控制动作。由于固有的功率平衡，对受控电压幅度的调节，连同源之间的功率流控制允许对控制器的完全控制。图29B示出了采用数量减少的机械的类似构造。使用成倍馈入的感应机代替一个同步机、两个dc机、和dc机之间的电联系。可以采用感应机的激励控制来改变受控源的幅度并调整源之间的功率流。此外，功率平衡得到本质上确保。

图30表示具有N+1输电线路段的多端功率流控制器。在N+1端功率流控制器中，可以独立地控制N个有功功率流。功率平衡仅需要所有转换器功率的总和实际上为零(减去任意损耗)。在输电线路段中所有N+1个无功功率流也可以得到控制。图30给出了一个具体的多端构造，其中存在一个发送端网络和N个接收端网络。在此情况下，独立控制到接收端的功率，同时发送端输电线路段上的转换器确保功率平衡得以实现。此外，可以独立地控制所有输电线路段中的无功功率流。可以与图1的功率流控制器14相同的方式来实现多点电容器稳压。

图31示出了图1的功率流控制器的对偶电路，其可以图1的功率流控制器14的Y形到delta变换的方法来获得。目前，受控源是并联电流源转换器，且将中心电纳变换为串联电抗。如在初始配置中那样，这里，转换器之间的功率平衡的需要同样存在，并可以通过使用适当的控制算法来实现。此电路也具有大量更简单的等效方案；利用电压源转换器代替电流源转换器是一种变体。

根据前述，本领域内普通技术人员将容易理解，可以使用任意数量的已知功率转换器和无源电子元件并进行组合以构成作为本发明的示例的功率流控制器。可以对电压、电流和电子-机械转换器进行组合以形成适当的功率流控制器。

根据对功率流控制器14的讨论，以及图26A-31中描述的变体，显而易见，示例功率流控制器将受控量的有功功率(PI)从电力区10转移到其输入，并将此有功功率提供到第二电力区。在功率流控制器内，将所转移的有功功率部分提供给第一功率转换器(即，图1的转换器36；图26A、26B、26C、27A、27B、28A、30的最左边的电压源转换器；图28B的最左边的电流源转换器；图28C的AC/AC转换器；以及图29A、29B的最左边的电动机械功率转换器)，且部分提供给剩余的功率控制器。对提供到第一功率转换器的有功电功率量进行控制，并影响转移到功率流控制器的总有功功率。将提供到功率转换器的有功功率依次提供给控制器的输出端(通过图1的转换器38；图26A、26B、26C、27A、27B、28A、30的最右边的电压源转换；图28B的最右边的电流源转换器；图28C的AC/AC转换器；图29A、29B的最右边的电动机械功率转换器)，连同在输入端的剩余有功功率。为了实现对转移到第一功率转换器的有功功率量的灵活控制，通过电纳/电抗或其等效物来转移部分输入电流。此被转移的电流确保在功率流控制器的输出端处所提供的电流不需要与在其输入端处所提供的电流同相，为了控制目的，有效地对这两种电流进行了去关联。可以实质上与在功率流控制器的输出端处的电流无关地控制转移到功率流控制器的输入端的电流。便利地，还可以由功率流控制器在其输入端处提供无功功率的可控量(Q₁)，同时可以由功率流控制器在输出端处提供无功功率的另一可控量(Q₂)。有利地，可以独立地控制提供给控制器/从控制器提供的有功功率(即，p₁＝p₂)以及由控制器提供到其输入端/输出端(即，Q₁、Q₂)的无功功率。

图31中描述了与所述功率流控制器类似的delta连接。通过经过最左边并联功率转换器转移电流来转移输入节点处的功率。通过最右边的并联转换器将此功率提供给功率流控制器的输出。在控制器输入和输出节点之间的电抗确保了：通过对转换器的协调控制并实质上与已转移到功率流控制器的电流无关，可以将这些节点处的电位差控制为需要值。当然，在稳态操作中将维持功率流控制器的输入端和输出端之间的功率平衡。

正如现在所理解的那样，在所述实施例中，仅将提供给示例功率流控制器的部分有功功率转移到第一功率转换器。功率转换器的额定值可以显著小于由功率流控制器所转移的总表观功率。

此外，可以利用传统的、现有的可变电纳来构成示例功率转换器。利用至少一个传统的、现有的元件(例如，可变电纳22)，配电系统操作者可以因此构成功率流转换器。

当然，上述实施例仅用于说明，并不以任何方式进行限制。实现本发明的所述实施例容许对形式、部分布置、细节和操作顺序进行各种修改。本发明应该包含权利要求所定义的其范围内的所有这样的修改。

Claims (25)

1、一种将所需有功功率量从第一电力区提供到第二电力区的方法，所述方法包括：

将电流从所述第一区转移到第一受控电压源的输入端，所述输入端具有输入电压；

利用所述第一受控电压源，将具有受控幅度和相角的第一控制电压添加到所述输入电压，以在所述第一受控电压源的输出端处提供中间电压；

从所述第一受控电压源的所述输出端转移电流；利用第二受控电压源，将具有受控幅度和相角的第二控制电压添加到所述中间电压，以将电流从所述第二受控电压源的输出端提供到所述第二区；

从所述第一受控电压源为所述第二受控电压源提供有功功率；

在幅度和相位上来控制所述第一和第二控制电压以向所述第二区提供所需有功功率量，从而实质上将提供给所述第一受控电压源的全部有功功率与所述第二电压源相连接。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于转移电流包括：通过可调电纳转移电流。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括：存储操作点集合以便由所述控制器使用；选择所述操作点集合中的一个以提供所需有功功率，并控制所述第一和第二控制电压以提供所需有功功率量，同时保持所述操作点集合中的所述一个。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于还包括：控制所述可调电纳的值。

5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括：控制所述电纳处的电压，以便控制通过所述电纳转移的电流。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一和第二受控电压源通过储能装置彼此相连，并且还包括控制所述储能装置中的平均能量以保持恒定。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述控制平均能量包括：控制到所述输入端的电流以保持存储在所述储能装置中的所述平均能量，从而补偿所述电功率流控制器中的损耗。

8、根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述储能装置包括电容器，其中控制所述储能装置中的平均能量以保持恒定包括：控制所述第一和第二控制电压以保持所述电容器两端的DC电压。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在幅度和相位上控制所述第一和第二控制电压以从所述第二受控电压源的输出端提供所需无功功率。

10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在幅度和相位上控制所述第一和第二控制电压以从所述第一受控电压源的输入端获得所需无功功率。

11、一种将受控有功电功率量从第一电力区转移到第二电力区的方法，所述方法包括：

将所述有功电功率提供到功率流控制器的输入端；

将提供到所述输入端的所述有功电功率的部分转移到第一功率转换器；

将所述有功电功率的剩余部分从所述输入端提供到所述功率流控制器的输出端；

将有功功率从所述功率转换器提供到所述功率流控制器的所述输出端，从而提供到所述第二电力区；

通过将电流从所述输入端提供到中间节点，并在所述中间节点处、通过电纳转移所述电流的部分，来改变相对于所述输入端的所述输出端处的电流的相角；

控制所述第一功率转换器，从而将所述所需有功电功率量从所述第一电力区转移到所述第二电力区。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于通过与所述第一功率转换器相连的第二功率转换器，将来自所述第一功率转换器的所述有功功率提供到所述输出端。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于还包括：控制所述第二功率转换器以实质上将来自所述第一功率转换器的所述有功功率的全部耦合到所述输出端。

14、根据权利要求11所述的方法，其特征在于还包括控制所述第一和第二功率转换器以将第一受控无功功率量转移到所述功率流控制器。

15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于还包括控制所述第一和第二功率转换器以向所述输出端提供第二受控无功功率。

16、一种电功率流控制器，包括：

输入端和输出端；

第一功率转换器和第二功率转换器，彼此串联在所述输入端和输出端之间；

电纳，与所述第一功率转换器和所述第二功率转换器之间的节点关联；

控制器，与所述第一功率转换器和所述第二功率转换器进行通信，所述控制器可进行操作以控制所述第一功率转换器和所述第二功率转换器，从而向所述输出端提供受控有功功率量，并从所述输入端提取所述受控有功功率量。

17、根据权利要求16所述的电功率流转换器，其特征在于所述第一功率转换器包括变压器耦合的电压源转换器。

18、根据权利要求18所述的电功率流转换器，其特征在于所述第二功率转换器包括变压器耦合的第二电压源转换器。

19、根据权利要求17所述的电功率流转换器，其特征在于所述第一功率转换器是第一电动机械式功率转换器，以及所述第二功率转换器是第二电动机械式功率转换器；所述第二电动机械式功率转换器与所述第一电动机械式功率转换器相连以交换有功功率。

20、根据权利要求17所述的电功率流转换器，其特征在于所述控制器用于控制所述第一功率转换器和所述第二功率转换器以在所述输入端处提供第一受控无功功率量。

21、根据权利要求17所述的电功率流转换器，其特征在于所述控制器用于控制所述第一功率转换器和第二功率转换器，以在所述输出端处提供第二受控无功功率量。

22、一种电功率流控制器，包括：

输入端和输出端；

电抗，串联在所述输入端和所述输出端之间；

第一端子集合，与所述输入端并联并与第一功率转换器相连；

第二端子集合，与所述输出端并联并与第二功率转换器相连；

所述第一功率转换器与所述第二功率转换器相连以向所述第二功率转换器提供有功功率；

控制器，与所述第一和第二功率控制器通信；所述控制器用于控制所述第一和第二功率转换器以从所述输出端提供受控有功功率量，并从所述输入端提取所述受控有功功率量。

23、根据权利要求22所述的电功率流控制器，其特征在于还包括：将所述第一功率转换器连接到所述第二功率转换器的储能装置，其中所述控制器还用于控制来自所述输入端的电流以保持存储在所述储能装置中的电能，从而补偿所述电功率流控制器中的损耗。

24、一种将电功率从第一区转移以便向第二区提供受控有功功率量的功率流控制电路，所述功率流控制电路包括：

第一可控电压源，在其输入端和其输出端之间提供第一可控电压，其中其输入端用于与所述第一区互连；

第二可控电压源，在其输入端和其输出端之间提供第二可控电压，其中其输出端用于与所述第二区相连；

所述第一可控电压源的所述输出端与所述第二可控电压源的所述输入端相连；

阻抗，与所述第一功率转换电路的所述输出端之间的节点并联；

所述第二可控电压源与所述第一可控电压源相连，以从所述第一可控电压源获得有功功率；

控制器，与所述第一和第二可控制电压源通信，以控制所述第一和第二可控电压，从而将所述有功功率从所述第一区提供到所述第二区，并实质上将提供到所述第一可控电压源的所有有功功率耦合到所述第二电压源。

25、一种补偿电功率流控制器中的电损耗的方法，所述功率流控制器包括：第一和第二功率转换器，用于将受控的有功电功率量从第一电力区转移到所述功率流控制器的输入端，并从所述功率流转换器的输出端转移到第二电力区，所述第一和第二功率转换器通过储能装置彼此相连以在所述第一和第二功率转换器之间交换能量；所述方法包括：

控制到所述输入端的电流以保持存储在所述储能装置中的能量，从而补偿所述电功率流控制器中的损耗。

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