The recent request for better utilization of existing transmission networks and the constant demand of modern society for more flexible, controllable, and stable power systems have afforded great opportunities for the application of the Flexible AC Transmission System (FACTS) devices. With the availability of the fully controlled semiconductors such as the gate turn-off thyristor (GTO) and the insulated gate bipolar transistor (IGBT) etc getting more and more economical, the voltage-sourced converter (VSC)-based FACTS devices have become more realistic choices for the power industries than ever before. The VSC-based interline power flow controller (IPFC) was first proposed in 1998, as the latest component of FACTS device family. Its unique capability of simultaneously compensating multiple transmission lines at a given substation has since aroused great interest of researchers and power industries around the world. This dissertation presents a study on the application of IPFC to optimal power flow (OPF) control and stability enhancement in deregulated power systems.

Like Unified Power Flow Controller (UPFC), the IPFC is a kind of combined compensators, in which at least two Static Synchronous Series Compensators (SSSCs) are combined via a common DC voltage link. If there is no energy storage system installed in the apparatus, this DC voltage link is usually modeled as a DC capacitor. It is this link that provides the IPFC with the path through which different transmission lines can exchange active and reactive power. In both steady-state analysis and rotor angle stability analysis, the VSC of IPFC can be modeled as a series voltage source injecting an almost sinusoidal voltage with controllable magnitude and angle. In order to study the effect of inclusion of the IPFC in power systems by numerical simulation, proper mathematical modeling of IPFC is necessary and very important. Based on the equivalent circuit of IPFC, various power injection models have been developed by the author, in which the voltage sources are removed and the impact of IPFC is represented by active and reactive power injections at the buses connecting to IPFC series transformers. These power injections can be expressed by system variables and IPFC variables. According to different purposes of IPFC application, different control strategies are adopted, and accordingly, the VSCs are represented by different sets of variables, such as controllable magnitudes and angles of injected voltages, and controllable injected voltage components perpendicular to each other, etc. In the dissertation, power injection models of IPFC in steady state analysis, transient stability analysis, and small-signal stability analysis are proposed respectively. Here the IPFC is assumed to generate or absorb no active power.

First, investigation of IPFC steady state operation and some comparison with the performance of UPFC in steady state is carried out. Three possible applications of IPFC to optimal OPF control have been explored, namely congestion management, power flow regulation, and available transfer capability (ATC) enhancement. By using the IPFC power injection model in steady state analysis, we can know that IPFC is a powerful tool for congestion management. It is shown that based on the multi-objective OPF control method, congestion can be resolved by the application of IPFC without generation redispatching, while the simultaneous optimization of both the total active power loss and IPFC capacity is achieved. It is also shown in numerical examples that both the UPFC and the IPFC are powerful tools for power flow regulation. Combined with generating bus voltage adjustment, the OPF incorporating either FACTS device can effectively minimize the overall generating cost without active power generation redispatching. Due to the necessity of a relatively large shunt VSC, the capacity of the UPFC is usually significantly larger than that of the IPFC to achieve a similar or the same effect of the same goal, even when the series VSCs and their corresponding constraints are exactly same. The IPFC also demonstrates its superiority over UPFC in efficiency in its application to ATC enhancement. All the OPF control problems in this dissertation are solved by the sequential quadratic programming (SQP) method.

Based on the energy function analysis, the operation of IPFC should guarantee that the time derivative of the global energy of the system is not greater than zero in order to damp the electromechanical oscillations. Accordingly, control laws of IPFC are proposed for its application to the single-machine infinite-bus (SMIB) system and the multimachine systems, respectively. By using the IPFC power injection model in transient stability analysis, numerical simulations on the corresponding model power systems are presented to demonstrate their effectiveness in improving power system transient stability.

This dissertation also evaluates the damping effect of the PI controller, which is originally for constant power flow control, and modal analysis of the power system is carried out. Then the pole shifting technique is adopted to stabilize the oscillatory mode having insufficient damping ratio by use of a PSS-type supplementary damping controller. The design process of the supplementary damping controller and the selection of input signal according to the mode observability are presented. By using the IPFC power injection model in small-signal stability analysis, numerical simulations demonstrate that the IPFC with the above control system is an effective tool to damp power oscillations. In the comparison between IPFC and UPFC in this part, the IPFC demonstrates its superiority over UPFC in both efficiency and effectiveness in damping of power flow oscillation and rotor swing. Numerical results are in line with the respective characteristics of series and shunt VSCs.

Finally this dissertation develops a detailed dynamic model of IPFC suitable for power system electromechanical stability analysis. The dynamic equation of the DC capacitor is derived and the effect of a PI-type DC voltage regulator on small-signal stability enhancement is analyzed. Quantitative analysis demonstrates that with proper control of the DC capacitor voltage and a large enough DC capacitor, variation of the DC capacitor voltage is very small during power oscillations. Therefore active power exchange between IPFC and the rest of power systems is very little. Thus the proposed power injection models are verified. In this part, eigenvalue sensitivity based parameter optimization technique has bee adopted for PI controller parameter tuning.

Thus, modeling, simulation and application of IPFC in power networks have been fully explored.

本論文は、「Application of Interline Power Flow Controller(IPFC) to Optimal Power Flow Control and Stability Enhancement in Power Systems (送電線間潮流制御装置(IPFC)による電力系統最適潮流制御と安定度向上制御)」と題し、7章よりなる。

第1章は「Introduction(序論)」で、FACTS(Flexible AC Transmission Systems)機器、そのなかでも電圧型インバータを系統に直列に接続するタイプの機器についてその概要を述べ、最適潮流(OPF)制御、各種安定度向上制御へのFACTS機器の適用について概観している。最後に、本論文の構成を述べている。

第2章は「Mathematical Modeling of IPFC and UPFC(IPFCとUPFCの数学モデル)」と題し、IPFCとUPFCの等価回路に基づいた安定度解析に適したIPFCの数学モデルの開発について述べている。ここでは、電力系統安定度の計算機シミュレーションのために、系統に直列接続されるIPFCの変圧器両端の母線での有効電力源、無効電力源によってIPFCを等価的に表す電力注入モデルを提案している。この有効・無効電力源は、系統の電気的変数とIPFCの制御変数によって明示的に表現されており、IPFCを既存の潮流計算プログラムや最適潮流計算プログラム、安定度計算プログラムに容易に組み込むことが可能になっている。

第3章は「Application of IPFC to Optimal Power Flow (OPF) Control(IPFCの最適潮流制御への適用)」と題し、まず、多目的OPF制御手法に基づいたUPFCの運用によって、発電量の再配分を行わないで送電線の混雑を解消し、系統内の全有効電力損失とIPFCの設置容量の両方の同時最適化(最小化)が達成されることを示している。また、OPF制御手法に基づいたIPFCの運用による送電線運用容量の拡大の可能性についても検討し、確率的数値シミュレーションにより、IPFCが送電線運用容量の拡大に有効であることを示している。加えて、有望なFACTS機器の一つであるUPFC(Unified Power Flow Controller)とIPFCとの比較を行い、UPFCは系統に並列接続する比較的大容量の電圧型インバータを必要とすることから、同じ効果を達成するための機器容量はIPFCの方がかなり小さくなることを示している。

第4章は「Power System Transient Stability Improvement by IPFC(IPFCによる電力系統過渡安定度向上)」と題し、IPFCの電力系統過渡安定度向上制御への適用とその効果について検討している。まず、エネルギー関数に基づく過渡安定度向上のためのIPFCの非線形制御則を提案している。この制御則に基づいてIPFCを運用することにより、系統の総エネルギーがより速く減衰することになり、その結果、過渡安定度が向上する。この制御には、非線形の制御系が複雑にならないように、ローカルに測定可能な変数を用いている。一機無限大母線系統、多機系統に対して数値シミュレーションを行い、提案した制御系の有効性を示している。

第5章は「Power Oscillation Damping Improvement by IPFC(IPFCによる電力動揺抑制)」と題し、IPFCの設置送電線通過電力の一定制御のためのPI制御系を提案し、その通過電力動揺抑制制御にも効果があることを示している。このPI制御系に加えて、ダンピングの弱いモードを改善するためのPSS(Power System Stabilizer) 型の制御系も提案している。このPSS型制御系は、系統の固有値感度を用いた線形計画法を用いて設計される。時間領域での数値シミュレーションと周波数領域での固有値解析によって、提案するIPFC制御系の有効性を確認している。また、IPFCの電力動揺抑制の性能をUPFCと比較している。UPFCは系統に並列接続された電圧型インバータによって母線の電圧変動も抑制することができるが、第3章で述べた同じ理由で、UPFCはIPFCより大容量となる。一方、IPFCはUPFCより多くの系統に直列接続された電圧型インバータを持つので、電力動揺抑制や位相角変動抑制において、UPFCより優れていることを示している。

第6章は「Development and Analysis of the IPFC Detailed Dynamic Model(IPFCの詳細動的モデルの開発と解析)」と題し、より詳細な定態安定度解析、電力動揺解析のために、IPFCの電圧型インバータ間DCキャパシタの動的方程式を考慮したIPFCの動的モデルを導出している。このモデルでは、DCキャパシタ電圧維持のためにIPFCの設置母線電圧位相に一致する電圧型インバータの注入電圧成分のPI制御を行っている。数値シミュレーションにより、DCキャパシタ電圧の変動が、電力系統が動揺しているときでさえ極めて小さいことが示されており、また、このIPFCの詳細動的モデルと第2章で開発したIPFCの電力注入モデルを比較して、第5章までの電力注入モデルの使用が、安定度解析において妥当であることも示されている。

第7章は「Conclusions(結論)」で、各章の結論をまとめ、今後の課題を述べている。

以上を要するに、本論文は、FACTS機器の一つであるIPFCを電力系統における最適潮流制御と各種安定度向上制御に適用するための手法を提案し、電力系統の最適運用、安定度向上に大きく寄与すること、及びUPFCに対する優位性をシミュレーションによって明らかにしたもので、電気工学上貢献するところが少なくない。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。