统一潮流控制器(UPFC)作为当今最先进和最通用的柔性交流输电装置(FACTS),结合了并联型和串联型柔性交流输电装置的优势,能够为电网提供电压控制、无功或有功补偿、线路阻抗补偿、潮流调节、低频振荡阻尼,并能增强系统的功角和电压稳定性。尤其随着近年来MMC型电压源换流器的逐步发展成熟,使MMC型UPFC得以设计制造并应用于实际工程。目前为止,关于UPFC的运行原理已经有了大量的研究积累,但仍然存在一些不足或缺陷亟待解决。关于含UPFC系统的数学建模方面,现有研究大多对UPFC采取电流注入或功率注入的等效建模方法,而并未基于实际电路进行建模,使得分析结果与实际情况存在一定差距;关于含UPFC系统稳态潮流规律的现有研究中,一方面缺乏从坐标域的全局范围和局部范围的不同角度对系统潮流的分布和变化规律分别进行分析,并且未对系统不同关键节点处的稳态潮流分布和变化规律进行对比分析。另一方面,也未曾针对UPFC输出的串联侧嵌入电压变量的具体调节方式、系统潮流变化率特性或潮流调节效率等方面进行详细分析;关于UPFC的控制策略研究方面,现有的控制策略难以同时满足快速性、准确性和实用性等调节需求;关于UPFC的仿真建模及方案设计方面,现有研究缺乏针对不同稳态和暂态仿真事件类型及同种事件类型中的不同突变事件的全面设计,也缺乏针对系统不同关键节点处仿真结果的对比分析。本文旨在弥补以上现有研究的不足和缺陷,以含UPFC的双端电力系统的实际电路为基础,针对该系统在不同典型运行工况下的不同关键节点处的稳态潮流数学建模、潮流分布与变化规律、潮流变化率调节特性、实用控制策略、电磁暂态仿真等多方面展开理论建模、设计、测试与分析,以全面详细地总结UPFC的稳态潮流规律,潮流调节特性及控制策略等方面的特性。本文所完成的主要工作可以概括为以下几个方面。(1)建立了含UPFC双端电力系统稳态潮流的原始详细数学模型,以及包含全局与局部潮流变化范围的分部潮流数学模型,对UPFC的稳态潮流规律进行了理论分析、测试与归纳。以嵌入UPFC后的典型双端电力系统的实际电路为基础,从系统的送端到受端选取了UPFC嵌入后潮流发生明显变化的五个代表性关键节点。分别推导了每个关键节点处的有功与无功潮流表达式,建立了含UPFC典型双端电力系统的原始详细潮流模型。然后,对原始详细潮流模型做进一步的简化与分解,并重组为局部潮流模型(Local Power Flow Model,LPFM)与全局潮流模型(Global Power Flow Model,GPFM)两部分,统称为分部潮流模型。设置了多种系统典型运行工况,分别对每个关键节点处的潮流从GPFM和LPFM的角度进行了理论分析和案例测试,并分别对测试结果在二维平面和三维空间中进行了分析比较。最后,针对系统不同运行工况下不同关键节点处的局部潮流运行区域内部随串联侧嵌入电压幅值和相角变化的稳态潮流分布规律进行了分析和对比。测试分析表明,在UPFC运行过程中,系统各关键节点处的潮流均同时存在潮流曲线在局部潮流区域内的旋转以及局部潮流区域在全局坐标中的移动这两种变化规律。UPFC可以将不同系统运行工况下不同关键节点处的有功-无功分布点(P-Q点)调整到同一坐标区域或点,以适应系统工况变化的需求。通常情况下,针对UPFC输出的串联侧嵌入电压相角的调节往往集中在有限的特定范围内,有利于提升UPFC潮流调节的效率和精确性。(2)开展了关于多特征自变量的UPFC潮流变化率调节特性建模与分析。基于前文建立的原始详细数学模型,选取了UPFC输出的串联侧嵌入电压的幅值、相角以及系统相位差作为潮流调节的三个特征自变量,推导了每个关键节点处关于每个特征自变量的有功与无功潮流变化率数学模型。接下来,将UPFC输出的串联侧嵌入电压的幅值和相角两个特征自变量的不同递增变化方式组合成调节潮流变化率的两种典型调节模式,并针对系统第三个特征变量的相角差变化方式设计了调节潮流变化率的几种典型调节场景。最后,以调节潮流变化率过程中的变量调节自由度和潮流调节效率等方面为分析依据,对系统每个关键节点处在不同调节模式和调节场景下的潮流变化率调节规律进行案例测试和分析比较。测试分析表明,通过在坐标域中调节不同的特征自变量,可以针对不同系统运行工况及应用场景的需求,将系统不同关键节点处的潮流变化率调整到不同的水平,从而改变系统潮流调节的效率。以此实现了综合协调潮流调节效率与系统保护和稳定性要求的关系,有利于做出使电网既高效又稳定的运行调节选择。(3)完成了MMC型UPFC的新型前馈协调控制策略设计与性能分析。以含UPFC双端电力系统的实际电路为基础,首先分别设计了UPFC并联侧及串联侧换流器的电流内环及电压外环的基本交叉耦合控制框架。在此基础上,进一步分别设计了关于并联侧换流器输出电流的d轴和q轴分量以及串联侧换流器输出电压的d轴和q轴分量的前馈控制模块及其控制回路。同时通过理论推导分别对以上控制回路的输入测引入必要的前馈补偿信号,有效提升了控制策略的精确性,以此完成了整个前馈协调控制策略的设计。另一方面,对所设计的前馈控制策略的电流内环、电压外环及前馈控制回路的开环和闭环传递函数分别进行了推导和设计。最后,对以上设计的所有控制回路的复频域和时域性能指标进行了计算分析。理论分析表明,UPFC的所有相关内环、外环以及前馈控制回路能够在无相互重叠及干扰的各自频率区域运行,并在阻尼比、相位裕度等频域特性以及稳定时间和最大过冲等时域特性方面表现了良好的性能。以此验证了所设计控制策略的快速性、精确性及稳定性。(4)完成了MMC型UPFC关于多类型稳态与暂态突变事件的电磁暂态仿真建模、方案设计及仿真分析。以含MMC型UPFC的220 kV输电系统为案例,首先针对MMC型UPFC的组成结构,变压器联结方式,MMC输入参数等方面进行了全面仿真建模。然后,分别在三种典型的稳态与暂态仿真事件类型所对应的各自仿真时域坐标中,在以500ms为固定时间间隔的多个时间点,连续设计了不同突变事件。这种仿真方案全面涵盖了有功与无功潮流参考值阶跃调节、系统运行工况变化以及在系统不同关键位置的多种典型横向和甩负荷暂态故障等三种仿真事件类型中的不同突变事件,有利于针对UPFC在同种仿真事件类型中的不同突变事件的性能表现在同一仿真时域坐标中进行分析归纳,同时也有利于对系统不同关键节点处的仿真结果在同一时域坐标中进行对比分析。在PSCAD平台中搭建了相应电磁暂态模型并完成了时域仿真,对仿真中系统不同关键节点处的有功与无功潮流、电压与电流波形及总谐波畸变率等关键细节和指标进行了详细分析和对比。仿真结果表明,UPFC主要通过大幅度调节串联侧嵌入电压的相角来实现系统潮流的阶跃调节及阻尼暂态接地故障引起的潮流振荡,同时通过调节串联侧嵌入电压的输出功率以实时适应系统运行工况的变化。以此验证了所设计的新型前馈协调控制策略在220 kV MMC型UPFC系统中具有控制效率高、波形质量好、运行稳定可靠等优良特性。