統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)簡介

1、1. UPFC的原理和功能簡述122.1 UPFC的原理簡述UPFC的原理結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1中并聯(lián)換流器的作用相當(dāng)于靜止同步補償器（STATCOM），串聯(lián)換流器的作用相當(dāng)于靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC），兩者通過直流電容上的電壓提供電源，其中有功功率可以在2個換流器的交流端向任一方向自由流動，并且可以在其交流輸出端獨立的發(fā)出或吸收無功功率。圖2-1 UPFC的原理結(jié)構(gòu)并聯(lián)換流器在公用直流聯(lián)結(jié)處提供或吸收串聯(lián)換流器所需要的有功能量，經(jīng)換流后到交流端送入與輸電線路并聯(lián)的變壓器，因此在穩(wěn)態(tài)時，不考慮自身損耗，UPFC的兩側(cè)有功功率相等，直流電容器既不發(fā)出也不吸收有功功率，電壓保持恒定。同S

2、TATCOM原理相同，并聯(lián)換流器能夠可控的產(chǎn)生或吸收無功功率，當(dāng)系統(tǒng)需要時，可為線路提供動態(tài)無功補償；串聯(lián)換流器可控制保持為0和以內(nèi)，并且使相角保持在0和之間，并通過串聯(lián)變壓器將電壓疊加到線路電壓上。通過控制的幅值和相角，UPFC就可實現(xiàn)傳統(tǒng)的電力傳輸中的串聯(lián)補償和移相等功能。UPFC的詳細原理可見附錄A。2.2 UPFC的功能UPFC是由串聯(lián)補償?shù)腟SSC和并聯(lián)補償?shù)腟TATCOM有機結(jié)合構(gòu)成的新型潮流控制裝置，能同時調(diào)節(jié)線路阻抗、節(jié)點電壓幅值和相位，僅通過控制規(guī)律的改變，就能實現(xiàn)并聯(lián)補償、串聯(lián)補償和移相等多種功能，達到優(yōu)化系統(tǒng)潮流分布、最大化電網(wǎng)傳輸能力、改善系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能等目的。圖2-

3、2 UPFC主要控制功能圖2-2為UPFC的各種控制功能。圖2-2(a)為電壓調(diào)節(jié)功能，即UPFC串聯(lián)注入電壓與送端電壓的方向相同或相反，即只調(diào)節(jié)電壓的幅值，不改變電壓的相位。圖2-2(b)為串聯(lián)補償功能，補償電壓與線路電流的相位垂直。圖2-2(c)為相角調(diào)節(jié)功能，即不改變電壓的幅值，只改變電壓的相角，此時UPFC產(chǎn)生的補償電壓在圖中所示的弧線上，相當(dāng)于移相器。圖2-2(d)為自動潮流控制功能，此時UPFC是前面三種功能的綜合。UPFC的控制器可以根據(jù)系統(tǒng)的需求，選擇一種或多種功能的組合作為其控制目標(biāo)。UPFC不同于其它FACTS裝置之處在于，它能同時控制母線電壓、線路有功和無功潮流。在電網(wǎng)中

4、應(yīng)用UPFC，第一，能夠合理控制線路潮流，實現(xiàn)經(jīng)濟運行；第二，有助于實現(xiàn)無功優(yōu)化，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；第三，施以合適的控制，UPFC能夠改善系統(tǒng)阻尼，提高功角穩(wěn)定性。2. UPFC工程應(yīng)用現(xiàn)狀自從UPFC技術(shù)發(fā)明之后，美國、德國、韓國等國的大公司和研究機構(gòu)先后研制了三套高電壓、大容量的UPFC裝置，并已經(jīng)在電力系統(tǒng)中實際運行。本節(jié)對這三套UPFC裝置的工程背景、系統(tǒng)構(gòu)成等情況進行簡單介紹。3.1美國INEZ地區(qū)UPFC工程（1）工程概況美國電力公司（AEP）與美國電力研究院（EPRI）、西屋公司合作，研制了世界上第一套UPFC裝置（138kV、320MVA），安裝在東肯塔基州的Inez變電站，

5、于1998年6月投運，大幅提高了電網(wǎng)輸送能力和電壓穩(wěn)定性。Inez變電站的地區(qū)負荷為2000MW，由幾條長距離重負荷的138kV線路供電，其周邊地區(qū)有發(fā)電廠和138kV變電站。系統(tǒng)電壓由20世紀(jì)80年代早期安裝在Beaver Creek的SVC及幾個138kV及更低電壓等級的輸變電站的并聯(lián)電容器組支撐。盡管該地區(qū)安裝了很多并聯(lián)電容器組，138kV線路兩端壓降仍可高達7%8%。系統(tǒng)正常運行時，許多138kV線路輸送的功率高達300MVA，遠遠超過了線路自然功率，電網(wǎng)對緊急事故的穩(wěn)定裕度很小，一旦發(fā)生故障，就可能導(dǎo)致大面積的停電事故。經(jīng)過分析和計算機模擬研究表明，Inez地區(qū)迫切需要增加線路傳輸容

6、量并提供電壓支撐，除了新建線路、變電站擴容外，AEP還決定在Inez變電站安裝一套UPFC，作為AEP輸電系統(tǒng)升級改造的一部分。（2）系統(tǒng)構(gòu)成Inez UPFC工程的電氣主接線如圖3-1所示。通過開關(guān)操作，UPFC可運行在160Mvar STATCOM，320Mvar STATCOM，160Mvar SSSC，320MVA UPFC模式。并聯(lián)側(cè)變壓器采用主、備用相結(jié)合的方式，增強了UPFC的可靠性、靈活性。圖3-1 INEZ UPFC系統(tǒng)主接線整體布局如圖3-2所示。換流閥安裝于室內(nèi)，變壓器、連接電抗安裝于戶外。 圖3-2 INEZ UPFC 整體布局UPFC大樓占地約30.5米61米，包括換

7、流閥廳、控制室、配電室、電源室等，如圖3-3所示。圖3-3 UPFC閥廳布局3.2 韓國Kangjin UPFC工程（1）工程概況韓國電力公司(KEPCO)和韓國電科院(KEPRI)、Hyosung公司、西門子公司合作，研制了世界上第二套UPFC裝置（154kV，80MVA），安裝在朝鮮半島南半部的Kangjin變電站，于2003年投運，解決該地區(qū)電壓偏低和電網(wǎng)過負荷問題。Kangjin地區(qū)主要由345kV長線路供電，線路Shinkwangju- Shinkangjin或Kwangyang-Yeosu發(fā)生故障會導(dǎo)致Kangjin地區(qū)電壓嚴(yán)重偏低，154kV線路過負荷。由于路權(quán)問題，該地區(qū)的新建

8、線路計劃被推遲，因此急需FACTS技術(shù)提供電壓支撐和潮流轉(zhuǎn)移手段。為了保障該地區(qū)電網(wǎng)正常運行，電力公司在Kangjin變電站安裝UPFC，向系統(tǒng)提供無功支撐，改善系統(tǒng)潮流分布。Kangjin UPFC工程是FACTS技術(shù)在韓國345kV骨干電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用前的驗證性項目。（2）系統(tǒng)構(gòu)成Kangjin UPFC工程的電氣主接線形式如圖3-4所示，UPFC能運行在40Mvar STATCOM，40Mvar SSSC和80MVA UPFC模式。圖3-4 Kangjin UPFC工程電氣主接線Kangjin UPFC工程變壓器主要參數(shù)如表3-1所示。表3-1 變壓器參數(shù)變壓器變比(kV)容量(MVA)連接

9、形式并聯(lián)變壓器(154/1.732)/14.84540Y-串聯(lián)變壓器6.061/14.84540Open Y-耦合變壓器4.857/8.23922.2Open Y-Kangjin UPFC工程的串、并聯(lián)側(cè)換流器結(jié)構(gòu)相同，均采用三相三電平換流器二重化方式，構(gòu)成容量為40MVA的24脈動換流器。換流器的額定交流電壓為14.845kV，額定交流電流為1.55kA。3.3 美國紐約地區(qū)CSC工程紐約電力公司和美國電科院，西門子公司合作，研制了世界上第一套CSC(Convertible Static Compensator，也稱廣義UPFC)裝置（345kV，200MVA），安裝在紐約州Marcy變電站

10、，于2004年6月投運，解決區(qū)域間電力輸送瓶頸問題，促進該地區(qū)實現(xiàn)電力經(jīng)濟調(diào)度。Marcy變電站位于紐約州的東南部地區(qū)，該地區(qū)負荷持續(xù)增長（預(yù)計每年增加3%），卻沒有相應(yīng)的新增電源計劃，所需電力主要由7條115kV到345kV的區(qū)域聯(lián)絡(luò)線饋入。受電壓穩(wěn)定性限制，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率最低僅為線路額定傳輸容量的25%，最高也不超過75%，因此需要采取有效手段挖掘已有線路的輸電能力。研究表明，導(dǎo)致該地區(qū)線路輸送能力受限的系統(tǒng)約束隨著負荷實時變化，多種補償需求相互交織。電力公司在Marcy變電站安裝靈活性最強的CSC裝置，滿足該地區(qū)電網(wǎng)在多種運行工況下的補償需求。（2）系統(tǒng)構(gòu)成如圖3-5所示，通過開關(guān)操作，

11、紐約CSC工程的系統(tǒng)接線形式能夠靈活變化，實現(xiàn)100MVA STATCOM，200MVA STATCOM，100MVA SSSC，200MVA SSSC，200MVA UPFC，200MVA IPFC等多種運行模式。圖3-5 CSC工程電氣主接線圖NYPA CSC工程的整體布局如圖3-6所示，包括變壓器、隔離開關(guān)、空芯電抗器、CT、互聯(lián)鋁母線等傳統(tǒng)戶外設(shè)備，以及換流器、冷卻系統(tǒng)、控制、保護等戶內(nèi)設(shè)備。圖3-6 CSC工程的整體布局戶內(nèi)建筑體積約為28.96米35.66米8.23米，包括換流閥廳、控制室、配電室、電池電源室和機械設(shè)備室，如圖3-7所示。逆變器正常工作時直流電壓較高(6.014 k

12、V)，閥廳必須注重防塵和除濕，因此獨立配備風(fēng)道。閥廳大小約為21.95米29.87米，高度為6.1米。兩臺換流器各自采用獨立的冷卻系統(tǒng)，大部分熱量由水循環(huán)系統(tǒng)送至風(fēng)冷系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)中的水/風(fēng)熱交換器位于戶外，并緊靠大樓的一側(cè)，同側(cè)室內(nèi)為冷卻系統(tǒng)的水泵和凈化設(shè)備。圖3-7 Marcy CSC戶內(nèi)設(shè)備布局附錄A UPFC裝置詳細原理A.1 UPFC的結(jié)構(gòu)UPFC的結(jié)構(gòu)如圖A-1所示。UPFC的功率回路包括兩個共用直流母線的電壓源換流器（Voltage Sourced Converter, VSC），其中VSC1通過并聯(lián)耦合變壓器并聯(lián)在母線路上，VSC2通過串聯(lián)耦合變壓器串聯(lián)在線路中。兩個VSC的直

13、流電壓由公共直流電容器組提供。VSC2輸出電壓相量串聯(lián)注入線路中，其幅值變化范圍為0Upq，相角變化范圍為0360。在這一過程中，VSC2與線路既可以交換有功功率，又可以交換無功功率。雖然無功功率是由VSC2內(nèi)部發(fā)出或吸收的，但有功功率的發(fā)出或吸收需要直流儲能元件。VSC1主要用來向VSC2提供有功功率，同時維持直流母線的電壓恒定。這樣，從交流系統(tǒng)吸收的凈有功功率就等于兩個VSC及其耦合變壓器的損耗。圖A-1 UPFC結(jié)構(gòu)示意圖UPFC的控制系統(tǒng)從功能上可分為內(nèi)部控制和外部控制。其中，內(nèi)部控制就是對兩個VSC的運行進行控制，它產(chǎn)生規(guī)定的串聯(lián)注入電壓指令，同時吸收期望的并聯(lián)無功電流。內(nèi)部控制還要

14、為VSC閥提供觸發(fā)信號，使VSC輸出電壓按照圖A-1所示的控制結(jié)構(gòu)對內(nèi)部參考輸入具有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。UPFC的外部控制決定了它的運行功能，其參考輸入決定了UPFC的運行模式和補償要求，可由現(xiàn)場工作人員進行設(shè)置，也可由專門的自動控制系統(tǒng)進行最優(yōu)控制。A.2 含UPFC的輸電系統(tǒng)運行特性圖A-2為UPFC接入輸電系統(tǒng)示意圖，串聯(lián)側(cè)的補償功能用電壓相量Upq表示。 （a）簡化電路 （b）相量關(guān)系圖A-2 接入UPFC裝置的輸電系統(tǒng)及相量圖假設(shè)輸電系統(tǒng)送端、受端及UPFC串聯(lián)注入電壓為 （A-1）可以推導(dǎo)輸電系統(tǒng)受端功率為 （A-2）當(dāng)時，Upq對線路功率P的作用最大。圖A-3繪出了不同Upq的功角特性曲

15、線。，UPFC可以控制線路功率P在較大范圍內(nèi)變化，因此能夠較好地適應(yīng)輸電系統(tǒng)對功率變化的需求。圖A-3 接入UPFC裝置的雙機系統(tǒng)功角特性曲線將式（A-2）作適當(dāng)變換，可得 (A-3)取不同值時，輸電系統(tǒng)受端有功功率與無功功率之間的關(guān)系曲線如圖A-4所示。可以看出，UPFC大大擴展了輸電系統(tǒng)的原有的運行范圍，特別是=90時，如果沒有UPFC的補償，輸電系統(tǒng)已經(jīng)到達穩(wěn)定運行極限，而加入UPFC后，系統(tǒng)的運行范圍（藍色曲線）已經(jīng)大大超出原有范圍（紅色曲線），而系統(tǒng)仍然能夠穩(wěn)定運行，所以UPFC能大大擴展系統(tǒng)P-Q運行范圍。如果一個系統(tǒng)中安裝適當(dāng)數(shù)量的UPFC，對于系統(tǒng)的優(yōu)化運行（優(yōu)化潮流分布、提高

16、系統(tǒng)穩(wěn)定極限、增大系統(tǒng)穩(wěn)定裕度）具有重要意義。圖A-4 UPFC控制的輸電系統(tǒng)受端P-Q運行范圍A.3 UPFC的動態(tài)性能為了考察UPFC的動態(tài)特性，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立了UPFC的動態(tài)仿真模型。該模型忽略了裝置輸出諧波的影響，考慮了并聯(lián)側(cè)、直流側(cè)和串聯(lián)側(cè)動態(tài)，可用于潮流控制、暫穩(wěn)控制、阻尼控制等研究。UPFC裝設(shè)在雙回線中一回線路的首端。隨著指令階躍變化，UPFC可實現(xiàn)對受控線路有功、無功功率的獨立、快速、精確、連續(xù)控制，如圖A-5所示。圖A-5 UPFC潮流控制性能當(dāng)系統(tǒng)遭受動態(tài)干擾并引發(fā)功率振蕩時，UPFC可對輸電線路的功率進行強制控制從而能很好地阻尼系統(tǒng)振蕩。通常將阻尼控

17、制和潮流控制綜合進行考慮，在潮流控制的基礎(chǔ)上疊加阻尼控制。實際可采用線路有功功率偏差作為阻尼控制的輸入信號，通過阻尼控制器，輸出阻尼控制信號damp-sig，用以調(diào)節(jié)線路功率控制的參考值，從而達到增加系統(tǒng)阻尼、平息振蕩的目的。系統(tǒng)遭受小干擾后，UPFC不進行控制、UPFC采用移相控制附加阻尼控制，以及采用自動潮流控制附加阻尼控制時，發(fā)電機電磁功率，角度變化率，以及串聯(lián)注入電壓和線路電流的波形如圖A-6所示。(a) UPFC未進行控制 (b)移相控制+阻尼控制 (c)自動潮流控制+阻尼控制圖A-6 UPFC阻尼功率震蕩仿真波形由仿真波形可見，在系統(tǒng)發(fā)生功率振蕩時，UPFC可通過不同的控制方式阻尼功率振蕩，效果也有所不同。附錄B UPFC裝置初步設(shè)計B.1電氣主接線單套UPFC裝置的電氣主接線如圖B-1所示。兩臺背靠背換流器分別通過并聯(lián)耦合變壓器TR-SH和串聯(lián)耦合變壓器TR-SE接入系統(tǒng)。兩臺換流器直流側(cè)通過直流開關(guān)SW