統(tǒng)一潮流控制器UPFC簡(jiǎn)介

1、1,UPFC勺原理和功能簡(jiǎn)述2.1 UPFC的原理簡(jiǎn)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(bǔ)償器STATCOM,串聯(lián)換流器的作用相當(dāng)于靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器SSSC,兩者通過直流電容上的電壓Vdc提供電源,其中有功功率可以在2個(gè)換流器的交流端向任一方向自由流動(dòng),并且可以在其交流輸出端獨(dú)立的發(fā)出或吸收無功功率.參數(shù)設(shè)定圖2-1UPFC勺原理結(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(shí),不考慮自身損耗,UPFC勺兩側(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Vdc保持恒定.

2、同STATCOMM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(shí),可為線路提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償；串聯(lián)換流器可限制Vb保持為0和VBmax以內(nèi),并且使相角中b保持在0和360之間,并通過串聯(lián)變壓器將電壓蟲疊加到線路電壓上.通過限制山的幅值和相角,UPFCM可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電力傳輸中的串聯(lián)補(bǔ)償和移相等功能.UPFC勺詳細(xì)原理可見附錄A.2.2 UPFC的功能UPFC是由串聯(lián)補(bǔ)償?shù)腟SSG口并聯(lián)補(bǔ)償?shù)腟TATCOMT機(jī)結(jié)合構(gòu)成的新型潮流限制裝置,能同時(shí)調(diào)節(jié)線路阻抗、節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相位,僅通過限制規(guī)律的改變,就能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償和移相等多種功能,到達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)潮流分布、最大化電網(wǎng)傳輸水平、改

3、善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能等目的.(b)(c)(d)圖2-2UPFC主要限制功能圖2-2為UPFC的各種限制功能.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(bǔ)償功能,補(bǔ)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(shí)UPFCT生的補(bǔ)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(dòng)潮流限制功能,此時(shí)UPFCM前面三種功能的綜合.UPFC勺限制器可以根據(jù)系統(tǒng)的需求,選擇一種或多種功能的組合作為其限制目標(biāo)UPF同于其它FACTS!置之處在于,它能同時(shí)

4、限制母線電壓、線路有功和無功潮流.在電網(wǎng)中應(yīng)用UPFC第一,能夠合理限制線路潮流,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；第二,有助于實(shí)現(xiàn)無功優(yōu)化,提升系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；第三,施以適宜的限制,UPFCfg夠改善系統(tǒng)阻尼,提升功角穩(wěn)定性.2.UPFCX程應(yīng)用現(xiàn)狀自從UPFC技術(shù)創(chuàng)造之后,美國、德國、韓國等國的大公司和研究機(jī)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(shí)際運(yùn)行.本節(jié)對(duì)這三套UPFC裝置的工程背景、系統(tǒng)構(gòu)成等情況進(jìn)行簡(jiǎn)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EPR八西屋公司合作,研制了世界上第一套UPFC裝置138kV、320MVA,安裝在東肯

5、塔基州的Inez變電站,于1998年6月投運(yùn),大幅提升了電網(wǎng)輸送水平和電壓穩(wěn)定性.Inez變電站的地區(qū)負(fù)荷為2000MW,由幾條長距離重負(fù)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BeaverCree陰SVC及幾個(gè)138kV及更低電壓等級(jí)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(dá)7%8%系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),許多138kV線路輸送的功率高達(dá)300MVA,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了線路自然功率,電網(wǎng)對(duì)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(jì)算機(jī)模擬研究說明,Inez地區(qū)迫切

6、需要增加線路傳輸容量并提供電壓支撐,除了新建線路、變電站擴(kuò)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(jí)改造的一局部.(2)系統(tǒng)構(gòu)成InezUPFCT程的電氣主接線如圖3-1所示.通過開關(guān)操作,UPFC可運(yùn)行在160MvarSTATCOM320MvarSTATCOM60MvarSSSC320MVAUPFC莫式.并聯(lián)側(cè)變壓器采用主、備用相結(jié)合的方式,增強(qiáng)了UPFC的可靠性、靈活性.I_連接甌新賴流捌摸流器】【圖3-1INEZUPFC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3-2INEZUPFC整體布局UPFC大樓占地約30.5米

7、X61米,包括換流閥廳、限制室、配電室、電源室等,如圖3-3所示圖3-3UPFC閥廳布局3.2 韓國KangjinUPFC工程(1)工程概況韓國電力公司(KEPCO)口韓國電科院(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(yùn),解決該地區(qū)電壓偏低和電網(wǎng)過負(fù)荷問題.Kangjin地區(qū)主要由345kV長線路供電,線路Shinkwangju-Shinkangjin或Kwangyang-YeosUt生故障會(huì)導(dǎo)致Kangjin地區(qū)電壓嚴(yán)重偏低,154kV線路過負(fù)荷.由于路權(quán)問題,該地區(qū)

8、的新建線路方案被推遲,因此急需FACT眼術(shù)提供電壓支撐和潮流轉(zhuǎn)移手段.為了保證該地區(qū)電網(wǎng)正常運(yùn)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.KangjinUPFCT程是FACT豉術(shù)在韓國345kV骨干電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用前的驗(yàn)證性工程.(2)系統(tǒng)構(gòu)成表3-1變壓器參數(shù)KangjinUPFCT程的電氣主接線形式如圖3-4所示,UPFCft運(yùn)行在40MvarSTATCOM40MvarSSSG口80MVAUPFCM式.變壓器變比(kV)容量(MVA)連接形式并聯(lián)變壓器(154/1.732)/14.84540Y-A串聯(lián)變壓器6.061/14.84540OpenY-A耦合變

9、壓器4.857/8.23922.2OpenY-AKangjinUPFCT程變壓器主要參數(shù)如表3-1所示KangjinUPFCT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(dòng)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(ConvertibleStaticCompensator,也稱廣義UPFC裝置(345kV,200MVA),安裝在紐約州Marcy變電站,于2004年6月投運(yùn),解決區(qū)域間電力輸送瓶頸問題,促進(jìn)該地區(qū)實(shí)現(xiàn)電力

10、經(jīng)濟(jì)調(diào)度.Marcy變電站位于紐約州的東南部地區(qū),該地區(qū)負(fù)荷持續(xù)增長(預(yù)計(jì)每年增加3%),卻沒有相應(yīng)的新增電源方案,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水平.研究說明,導(dǎo)致該地區(qū)線路輸送水平受限的系統(tǒng)約束隨著負(fù)荷實(shí)時(shí)變化,多種補(bǔ)償需求相互交織.電力公司在Marcy變電站安裝靈活性最強(qiáng)的CSCII置,滿足該地區(qū)電網(wǎng)在多種運(yùn)行工況下的補(bǔ)償需求.(2)系統(tǒng)構(gòu)成如圖3-5所示,通過開關(guān)操作,紐約CSCT程的系統(tǒng)接線形式能夠靈活變化,實(shí)現(xiàn)100MVASTATC

11、OM200MVASTATCOIM100MVASSSC200MVASSSC200MVAUPFC200MVAIPFC?多種運(yùn)行模式.ManrjU5kVTr制I匿嗡mvac?Tr-SEITr-$F2JWMVACh,whrNewSentIai:11W)(khuperCorersScolLirri(Ue)攫遣李I(lǐng)盤和瑞II圖3-5CSC工程電氣主接線圖NYPACSC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)、限制、保護(hù)等戶內(nèi)設(shè)備.圖3-6CSC工程的整體布局戶內(nèi)建筑體積約為28.96米X35.66米X8.23米,包括換流閥廳、限制

12、室、配電室、電池電源室和機(jī)械設(shè)備室,如圖3-7所示.逆變器正常工作時(shí)直流電壓較高(6.014kV),閥廳必須注重防塵和除濕,因此獨(dú)立配備風(fēng)道.閥廳大小約為21.95米X29.87米,高度為6.1米兩臺(tái)換流器各自采用獨(dú)立的冷卻系統(tǒng),大局部熱量由水循環(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3-7MarcyCS內(nèi)設(shè)備布局附錄AUPFC裝置詳細(xì)原理A.1UPFC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(gè)共用直流母線的電壓源換流器(VoltageSourcedConverter,VSC),其中VSC1通過并聯(lián)耦合

13、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(gè)VSC的直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,具幅值變化范圍為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(chǔ)能元件.VSC1主要用來向VSC2提供有功功率,同時(shí)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(gè)VSC及其耦合變壓器的損耗.圖A-1UPFC結(jié)構(gòu)示意圖UPFC的限制系統(tǒng)從功能上可分為內(nèi)部限制和外部限制.其中,內(nèi)部限制就是對(duì)兩個(gè)VSC的運(yùn)行進(jìn)行限

14、制,它產(chǎn)生規(guī)定的串聯(lián)注入電壓指令,同時(shí)吸收期望的并聯(lián)無功電流.內(nèi)部限制還要為VSC閥提供觸發(fā)信號(hào),使VSC輸出電壓根據(jù)圖A-1所示的限制結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部參考輸入具有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng).UPFC的外部限制決定了它的運(yùn)行功能,其參考輸入決定了UPFC的運(yùn)行模式和補(bǔ)償要求,可由現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行設(shè)置,也可由專門的自動(dòng)限制系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)限制.A.2含UPFC的輸電系統(tǒng)運(yùn)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(bǔ)償功能用電壓相量Upq表示.圖A-2接入U(xiǎn)PFC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Us=Ue*,Ur=UeU：=Uf66)=UIcosjsin22=Ucos-jsin

15、2J2jej2：pqe小)=Upqcos-；jsin一2(A-1)可以推導(dǎo)輸電系統(tǒng)受端功率為u2UUsin、.pqsin、：一P(A-2)圖A-3接入U(xiǎn)PFCg置的雙機(jī)系統(tǒng)功角特性曲線,2Qr=U-cos：.-1UUpqcos：XX=-當(dāng)2時(shí),Upq對(duì)線路功率P的作用最大.圖A-3繪出了不同Upq的功角特性曲線.,UPFC可以限制線路功率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(duì)功率變化的需求.將式A-2作適當(dāng)變換,可得2U.P.sin、.X+Qr-U(COsd-1)1XJUUpqmaxLX、2(A-3)6取不同值時(shí),輸電系統(tǒng)受端有功功率P與無功功率Qr之間的關(guān)系曲線如圖A-4所示.可以

16、看出,UPFC大大擴(kuò)展了輸電系統(tǒng)的原有的運(yùn)行范圍,特別是6=90口時(shí),如果沒有UPFC的補(bǔ)償,輸電系統(tǒng)已經(jīng)到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行極限,而參加UPFC后,系統(tǒng)的運(yùn)行范圍藍(lán)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(yùn)行,所以UPFC能大大擴(kuò)展系統(tǒng)P-Q運(yùn)行范圍.如果一個(gè)系統(tǒng)中安裝適當(dāng)數(shù)量的UPFC,對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行優(yōu)化潮流分布、提升系統(tǒng)穩(wěn)定極限、增大系統(tǒng)穩(wěn)定裕度具有重要意義Q,圖A-4UPFC限制的輸電系統(tǒng)受端P-Q運(yùn)行范圍A.3UPFC的動(dòng)態(tài)性能為了考察UPFC的動(dòng)態(tài)特性,在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立了UPFC的動(dòng)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)

17、動(dòng)態(tài),可用于潮流限制、暫穩(wěn)限制、阻尼限制等研究.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(shí)現(xiàn)對(duì)受控線路有功、無功功率的獨(dú)立、快速、精確、連續(xù)限制,如圖A-5所示.圖A-5UPFC潮流限制性能當(dāng)系統(tǒng)遭受動(dòng)態(tài)干擾并引發(fā)功率振蕩時(shí),UPFC可對(duì)輸電線路的功率進(jìn)行強(qiáng)制限制從而能很好地阻尼系統(tǒng)振蕩.通常將阻尼限制和潮流限制綜合進(jìn)行考慮,在潮流限制的根底上疊加阻尼限制.實(shí)際可采用線路有功功率偏差作為阻尼限制的輸入信號(hào),通過阻尼限制器,輸出阻尼限制信號(hào)damp-sig,用以調(diào)節(jié)線路功率限制的參考值,從而到達(dá)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(jìn)行限制、UPFC

18、采用移相限制附加阻尼限制,以及采用自動(dòng)潮流限制附加阻尼限制時(shí),發(fā)電機(jī)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所示一aUPFC未進(jìn)行限制b移相限制+阻尼限制c自動(dòng)潮流限制+阻尼限制圖A-6UPFC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(shí),UPFC可通過不同的限制方式阻尼功率振蕩,效果也有所不同.附錄BUPFC裝置初步設(shè)計(jì)8.1 電氣主接線單套UPFC裝置的電氣主接線如圖B-1所示.兩臺(tái)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(tái)換流器直流側(cè)通過直流開關(guān)SWDC相連.TR-SH容量為50MVA,一次側(cè)接入220kV母線,二次側(cè)連接并聯(lián)側(cè)換流器；TR-SE容量為50MVA,系統(tǒng)側(cè)繞組串聯(lián)接入220kV線路；閥側(cè)繞組連接串聯(lián)側(cè)換流器.BPSW為晶閘管旁路開關(guān),角接在TR-SE的閥側(cè),主要用于快速轉(zhuǎn)移流過串聯(lián)側(cè)換流器的故障電流.220kV母線MMC-VSC1HVB-SEMMC-VSC2圖B-1UPFC電氣主接線圖8.2 平面布局整體設(shè)備布局如圖B-3所示,包括兩臺(tái)UPFC.圖中KWT為2層,兩層