UPFC統(tǒng)一潮流控制器

UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）

報告人：孫沖UnifiedPowerFlowController

FACTS控制器

FACTS控制技術(shù)經(jīng)數(shù)十年的不斷發(fā)展完善，實現(xiàn)的功能也日趨強大，F(xiàn)ACTS家族也由最初的幾種發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)十種。最初，F(xiàn)ACTS控制技術(shù)采用反并聯(lián)晶閘管控制結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)的應(yīng)用主要有靜止無功補償器(SVC)、可控串聯(lián)補償器（TCSC）、可控移相器（TCPS）等。隨著電力電子技術(shù)的進步，出現(xiàn)了基于GTO電壓源換流器的新一代FACTS控制器，主要有串聯(lián)潮流控制器(SPFC)、靜止移相器(SPS）、高級無功發(fā)生器(ASVC)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)等，以及最新一代新型控制器：線間潮流控制器(IPFC)、廣義統(tǒng)一潮流控制器(GUPFC)。UPFC基本原理UPFC的結(jié)構(gòu)3UPFC的簡單介紹12UPFC的工作原理45UPFC安裝地點世界上第一臺UPFC裝置是美國電力公司（APE）、西屋公司（WESTINGHOUSE）以及美國電力科學(xué)研究院（EPRI）于1998年在KENTUCKY東部的INZE變電站138KV高壓輸電線路上安裝的UPFC系統(tǒng)，其串聯(lián)部分即同步靜止串聯(lián)補償器(SSSC)和并聯(lián)部分即靜止同步補償器（STATCOM容量各為160MVA，合計320MVA，其中并聯(lián)部分于1997年7月完成，串聯(lián)部分SSSC于1998年6月投入運行。2003年5月韓國在kangjin變電站安裝了額定容量80MVA的UPFC裝置，該裝置由40MVA的串聯(lián)部分和40MVA的并聯(lián)部分組成我國在UPFC領(lǐng)域的研究起步較晚。最早開展UPFC物理模型和設(shè)備研制方面工作的是電力科學(xué)院，在1995年完成一套UPFC的試驗裝置。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)完成了一套物理模型容量為4KVA的試驗裝置，并在清華大學(xué)的國家重點實驗室做了試驗研究取得良好的效果UPFC的基本原理UPFC的提出及作用

統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)的概念，最先是由L．Gyugyi等人于1992年提出的。國外對UPFC的研究較早，1998年世界上第一臺裝置，在美國地區(qū)的138KV的高壓輸電線路上的成功運行，足以說明UPFC的硬件實現(xiàn)是完全可行的，目前運行良好。而我國起步較晚，在1995年以后才開始研究。UPFC的基本思想是一種統(tǒng)一的可控硅控制裝置，只需改變其控制規(guī)律，就能分別或同時實現(xiàn)并聯(lián)補償、串聯(lián)補償、移相和端電壓調(diào)節(jié)等4種基本功能，以及這些功能間的相互組合作用。UPFC既能在電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面實現(xiàn)潮流調(diào)節(jié)，合理控制有功功率、無功功率的流動，提高線路的輸送能力，實現(xiàn)優(yōu)化運行，又能在動態(tài)方面，通過快速無功吞吐，動態(tài)地支撐接入點的電壓，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，若適當(dāng)控制，還可以改善系統(tǒng)阻尼，提高功角穩(wěn)定性。UPFC的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由共用直流側(cè)大電容的兩個完全相同的電壓源型變流器及兩個變壓器組成將UPFC看作是一臺STATCOM裝置和一臺SSSC裝置用直流側(cè)并聯(lián)起來。STATCOM——靜止同步補償器（StaticSynchronousCompensator,簡稱STATCOM，又稱SVG）。STATCOM并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個可控的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償電網(wǎng)系統(tǒng)所需無功功率，對電網(wǎng)無功功率實現(xiàn)動態(tài)無功補償。SSSC——靜止同步串聯(lián)補償器（StaticSynchronousSeriesCompensator）

SSSC串聯(lián)在輸電線路，基于同步電壓源的原理，向電路中注入一個與線路電流相差90°的可控電壓，它不再利用電容器或電抗器產(chǎn)生或吸收無功功率來實現(xiàn)無功補償，而通過產(chǎn)生一個具有可控幅值和相角、同步、近似正弦的電壓差來和系統(tǒng)交換無功功率實現(xiàn)補償。并且它可以與線路交換有功功率增加線路傳輸能力。UPFC的結(jié)構(gòu)并聯(lián)側(cè)的工作原理統(tǒng)一潮流控制器并聯(lián)側(cè)的調(diào)節(jié)目的有二：一是有功調(diào)節(jié)，即穩(wěn)定直流側(cè)大電容上的電壓，從電網(wǎng)吸取有功功率補充串聯(lián)側(cè)所需要的有功功率和整個UPFC的有功功率消耗；二是無功調(diào)節(jié)，即可以輸出無功功率以穩(wěn)定接入點的端電壓。并聯(lián)側(cè)的工作原理1.無功功率控制模式在無功功率控制模式下，根據(jù)給定值感性或容性無功的需求，將其轉(zhuǎn)化為無功電流的給定值，將給定值與電流實際值進行比較，將差值轉(zhuǎn)化為電壓作為并聯(lián)變流器的輸入信號。并聯(lián)部分可以向系統(tǒng)發(fā)送或吸收一定的有功功率以維持直流電容電壓的穩(wěn)定和滿足系統(tǒng)內(nèi)部的有功功率損耗。2.節(jié)點電壓控制模式在電壓控制模式下，并聯(lián)部分可以控制接入點的電壓，使其維持在給定值。

UPFC的結(jié)構(gòu)串聯(lián)側(cè)工作原理變流器2通過串聯(lián)在線路中的變壓器給輸電線路注入了幅值和相角可變的電壓，可以看作是一個同步交流電壓源，線路電流流經(jīng)這一電壓源從而導(dǎo)致了有功功率和無功功率在電壓源以及交流線路之間的交換。其中與交流線路交換的無功需求是由變流器自身產(chǎn)生的，而有功功率的需求則被轉(zhuǎn)化為直流功率形式，也就是說直流電容可作為這一串聯(lián)電壓源的有功功率儲備，從而對線路進行有功和無功功率的控制。所以，統(tǒng)一潮流控制器的主要功能是由變流器2實現(xiàn)的。

串聯(lián)側(cè)工作原理

1.直接電壓注入模式在這種工作模式下，UPFC只產(chǎn)生給定的電壓矢量，幅值和相角的大小可以任意給定。實際電壓與給定進行比較，誤差通過處理作為串聯(lián)變流器的輸入。

2.輸電線阻抗補償模式控制注入電壓的幅值與輸電線電流的幅值成比例，這樣，從輸電線上看，UPFC可等效為一個串聯(lián)阻抗，即調(diào)節(jié)線路的阻抗，該阻抗可以是一個復(fù)阻抗。如果注入電壓矢量與輸電線電流矢量正交，就意味著對輸電線進行感性或容性的補償。因此，該工作模式可以用來配合已經(jīng)存在的輸電線串聯(lián)電容補償。

3.相角調(diào)節(jié)模式根據(jù)輸入母線電壓矢量控制注入電壓矢量，但其大小滿足以下要求，即使得輸出電壓偏移給定的角度，但幅值保持不變。同樣將實際電壓與給定進行比較，對誤差進行處理后作為串聯(lián)變流器的輸入。

4.潮流控制模式在這種控制模式下，UPFC需獨立地控制線路的有功和無功功率。實現(xiàn)原理是通過向線路注入一個適當(dāng)?shù)难a償電壓同時使電路產(chǎn)生一個理想的電流向量，從而達到調(diào)節(jié)線路潮流的目的。其中串聯(lián)變流器的給定值是線路希望達到的有功和無功功率傳輸能力，通過計算將傳輸功率轉(zhuǎn)換為電流的給定值，將實際電流值經(jīng)反饋與給定值比較，對誤差進行處理后，得到串聯(lián)變流器的輸入控制值。這是傳統(tǒng)的輸電線補償所不能做到的，對潮流規(guī)劃和控制帶來了很大的方便。同時也可以有效減少系統(tǒng)擾動帶來的影響（如阻尼功率振蕩）。UPFC對電能質(zhì)量影響1）對短期電壓降落的影響2）UPFC對雷擊過電壓的影響3）UPFC對線路諧波的影響作為一種統(tǒng)一的晶閘管控制裝置的UPFC，它的加入必然會引起輸電線路參數(shù)，如阻抗值和相位角的變化，在一定程度上影響線路的暫態(tài)過程。此外，UPFC按一定規(guī)律開閉不同電路，從本質(zhì)而言，它仍是一諧波源，因此必然會向系統(tǒng)注入諧波，影響電力系統(tǒng)的動態(tài)電能質(zhì)量。同時它也可以減少系統(tǒng)自己產(chǎn)生的諧波。3）UPFC對線路諧波的影響可以看出UPFC對電能質(zhì)量是有明顯的改善作用，對電力諧波也起到一定的抑制作用，但是必須選取合適的參數(shù)，并加上濾波器，才可以把UPFC向系統(tǒng)注入的諧波減到最小。UPFC對潮流控制UPFC的安裝地點由于電力電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的限制，并不能夠在任何地方都安裝UPFC；這在技術(shù)上，尤其是經(jīng)濟上是不允許的。所以選取UPFC安裝地點一般會考慮以下3個方面：考慮緊急控制有效程度考慮穩(wěn)態(tài)潮流控制電力市場下的UPFC安裝地點綜合量化評價在選擇UPFC的裝設(shè)地點時，必須考慮緊急控制的有效程度；即在所選擇的地點，UPFC可以提供最大的系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。但是UPFC的最主要功能是控制電力系統(tǒng)潮流，在電力市場的運營下，發(fā)電廠是獨立單位，不完全受電網(wǎng)調(diào)度的指令，是根據(jù)市場規(guī)律和經(jīng)濟效益為基本出發(fā)點的，在這種環(huán)境下，選擇適當(dāng)?shù)牡攸c來發(fā)揮UPFC的最大功效是很重要的。對實際系統(tǒng)而言，不同系統(tǒng)對于緊急控制和穩(wěn)態(tài)潮流控制的要求也不同，可以得出以下一些一般性原則：1）要以電力系統(tǒng)的安全為主。在充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度的前提下，再考慮系統(tǒng)潮流控制的要求。具體的，可以在穩(wěn)定裕度的靈敏度系數(shù)大的幾個安裝地點中，再考慮穩(wěn)態(tài)潮流控制時這些安裝地點的影響效果指標。2）充分考慮電力市場條件下的經(jīng)濟問題。有些電網(wǎng)由于其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，電氣聯(lián)系很緊密，電網(wǎng)本身就有很高的穩(wěn)定裕度。在這種情況下（電網(wǎng)安全穩(wěn)定基本可以得到保證），就主要以穩(wěn)態(tài)潮流控制的UPFC安裝地點的評價為主，這樣就可以節(jié)省不必要的投資。參考文獻1、基