统一潮流控制器(UPFC)作为最新一代的柔性交流输电系统(FACTS)装置,可以同时实现电网潮流控制、交流母线电压控制、阻尼低频振荡等功能,为解决我国电网发展中遇到的问题提供了一种有力的技术手段。南京西环网UPFC示范工程和苏州南部电网500 kV UPFC工程的投运反映出UPFC在我国具有巨大的应用前景。研究含UPFC电力系统的控制与优化问题,探索电网信息化和智能化水平逐渐提高的趋势下应用UPFC装置的方法和原则,是实现UPFC应用效果的前提和关键,对推动UPFC的工程应用,加速传统电网向坚强、灵活、可控的智能电网转变,具有十分积极的意义。在总结前人工作的基础上,本文结合南京西环网UPFC示范工程和苏州南部电网500 kV UPFC工程的实际需求,较为系统地研究了含UPFC电力系统的控制与优化相关问题,主要研究内容包括:(1)提出了基于UPFC的输电线路过载控制策略。首先基于电网络理论推导了电网中输电线路电流对UPFC系统级控制指令值(线路有功/无功潮流指令值以及并联换流器无功功率指令值)变化的灵敏度,根据所得控制灵敏度,分析了利用UPFC系统级控制解决输电线路过载问题的可行性和控制思路。然后,制定了一套基于反馈控制的输电线路过载控制策略,当检测到输电线路过载时,能够自动生成满足输电网线路负载约束的UPFC控制指令值,迅速将输电线路负载降到热稳定限额以下。接着,给出了所提控制策略应用于一般性大规模电力系统的方法。最后,选取南京西环网UPFC示范工程和苏州南部电网500 kV UPFC工程作为应用案例,验证了所提出的控制灵敏度分析和控制策略的有效性。(2)提出了同时考虑UPFC串、并联换流器的交流电压控制策略,所提控制策略充分利用UPFC串联换流器的无功潮流控制能力,通过增强UPFC安装线路两侧系统之间的无功支援,缓解了 N-1故障后无功分布不均造成的电压越限问题。首先,推导了 UPFC安装位置邻域交流母线电压对UPFC系统级控制指令值变化的灵敏度,根据所得控制灵敏度,进一步分析了 UPFC串、并联换流器的电压控制特性。然后,制定了一套同时考虑UPFC串、并联换流器的交流电压控制策略,并给出关键参数的选取原则。最后,选取苏州南部电网500 kV UPFC工程作为应用案例,验证了所提出的控制灵敏度分析和控制策略的有效性。所提出的输电线路过载控制和交流电压控制一起,构成了输电网中UPFC完整的系统级控制策略,在增强电网运行安全性的同时,降低了电网运行的复杂度。(3)研究了 UPFC对系统低频振荡特性的影响情况,并提出了 UPFC附加阻尼控制器的设计方法。首先建立了含UPFC电力系统的低频振荡分析模型。接着,以发电机通过含UPFC输电断面向无穷大系统供电的典型结构为例,分析了 UPFC接入系统后系统低频振荡特性的变化情况及其关键影响因素。然后,提出了一套UPFC附加阻尼控制器的设计方法,包括基于留数比标准差指标的附加阻尼控制器输入信号选取方法和基于测试信号法的控制器参数整定方法。最后,选取苏州南部电网500 kV UPFC工程作为应用案例,验证了所提附加阻尼控制器设计方法的有效性。同时分析结果表明,在简化系统中得到的主要分析结论,对分析UPFC接入实际电网后系统的低频振荡特性同样具有借鉴和指导意义。(4)研究了 UPFC选址定容的关键影响因素,并给出了 UPFC安装位置和容量的优化方法与原则。推导了 UPFC所需安装容量与关键输电线路潮流转移需求、UPFC安装位置、网架结构参数之间的关系,提出了 UPFC串联换流器安装容量的计算方法。在此基础上,分析了影响UPFC安装容量的主要因素,并针对两种典型的网架结构(放射形和环形结构),研究了转移单位潮流所需的UPFC安装容量受UPFC安装位置、网架结构参数的影响情况。接着,在几种常见输电场景中分析了 UPFC的潮流转移特性。进一步,将UPFC潮流转移特性与UPFC电压控制特性、UPFC对系统低频振荡特性的影响情况相结合,提出了 UPFC安装位置和容量的优化方法和指导原则。IEEE 39节点系统和苏州南部电网中的案例分析结果验证了所提出的UPFC串联换流器安装容量计算方法和关键影响因素分析的有效性,同时验证了所提优化方法和原则的可行性,能够为UPFC工程的选址定容提供理论上和方法上的支撑。(5)提出了高比例可再生能源配电网中考虑安全稳定约束的UPFC降损策略。首先推导了无约束网损最小条件。然后,在考虑了电压允许运行范围、线路负载限值、UPFC额定值等安全稳定约束的条件下,将考虑安全稳定约束的UPFC降损控制问题转化为一个非常简化的OPF问题,为降低求解OPF问题的计算量,给出了利用系统运行参数的测量值描述OPF问题中的不等式约束、消除等式约束的方法。接着,给出了考虑安全稳定约束的UPFC降损策略,所提控制策略通过动态反馈控制将系统控制在无约束网损最小运行点,当无约束网损最小运行点不满足系统安全稳定约束条件时,将OPF计算产生的校正信号叠加到动态控制器上,以最小的网损提升量为代价,实现电压越限控制和线路过载控制。最后,在改进IEEE 33节点测试系统中验证了所提控制策略的有效性。