南京UPFC工程運行方式

凌　峰，秦　健，戴　陽，何宏杰，黃如海，潘　磊

運行控制

南京UPFC工程運行方式

凌峰1，秦健1，戴陽1，何宏杰1，黃如海2，潘磊2

（1.江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

南京統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）工程是中國首套UPFC工程，也是世界上首套采用模塊化多電平（MMC）拓撲的UPFC工程，用于解決南京西環(huán)網輸電潮流不均問題。南京UPFC工程采用基于多換流器可切換的優(yōu)化結構，具有多種運行方式，靈活性和可靠性高，但帶來了一定的復雜性，從而對南京UPFC工程運行方式的研究極為必要。文中詳細介紹了南京UPFC工程采用的5種運行方式和設置方法，研究設備故障時的系統(tǒng)處理策略，針對不同區(qū)域設備檢修或故障分析系統(tǒng)最優(yōu)的運行方式。研究結果可作為后續(xù)UPFC工程運行方式分析和選擇的參考。

UPFC；靜止同步補償器；靜止同步串聯(lián)補償器；運行方式

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是一種能夠獨立、快速、精確、連續(xù)控制系統(tǒng)電壓和潮流的第三代柔性交流輸電（FACTS）裝置，它能控制線路電流，最大化電網傳輸能力；阻尼系統(tǒng)振蕩，提高電網穩(wěn)定性；提供緊急功率支援，避免大規(guī)模切負荷；優(yōu)化潮流，減少環(huán)流，降低網絡損耗。因此UPFC裝置可以充分挖掘現(xiàn)有電網潛力，節(jié)省輸電走廊，推動電網建設向環(huán)境友好型發(fā)展［1-3］。南京西環(huán)網統(tǒng)一潮流控制器示范工程是國內首套UPFC工程，也是世界上首套基于模塊化多電平（MMC）換流器的UPFC工程，總容量3×60 MV·A，安裝于220 kV鐵北站，用于解決南京西環(huán)網的潮流不均問題，其建設成本僅為增加新的輸電走廊投資的五分之一。

南京UPFC工程采用基于多換流器、可切換的優(yōu)化雙回線路系統(tǒng)結構，3個換流器互為備用，通過轉換刀閘可改變各換流器的交流側連接方式，能以UPFC、靜止同步補償器（STATCOM）或靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC）等多種方式運行，經濟性、靈活性和可靠性高。高靈活性必然會帶來一定的復雜性。目前有關UPFC方面的文獻基本聚焦于具體運行方式下控制策略和保護策略的研究［4-7］，對運行方式的選擇和切換研究尚屬空白。因此以南京UPFC具體工程為對象，研究UPFC運行方式的選擇和切換策略十分必要。

1　南京UPFC工程主接線

南京UPFC工程的優(yōu)化雙回結構示意圖如圖1所示。3個互為備用的MMC換流器C1，C2，C3可以通過轉換刀閘與3個交流側相聯(lián)接。3個交流側分別是W1并聯(lián)交流側、W2串聯(lián)I交流側和W3串聯(lián)II交流側。

并聯(lián)交流側采用2臺并聯(lián)變壓器互為備用，分別接至燕子磯站的2條35 kV母線。正常情況下，1臺并聯(lián)變壓器運行、另1臺熱備用，當運行并聯(lián)變壓器故障或網側失電時，通過備自投功能可以快速切換至備用變壓器。2個串聯(lián)交流側各安裝1臺串聯(lián)變壓器（26.5 kV/20.8 kV），通過其高壓側繞組串聯(lián)接入220 kV線路，串聯(lián)變壓器高壓側分相，低壓側采用星型接法并經高阻接地。串聯(lián)變壓器兩側各配置1臺機械旁路斷路器（W2/W3.QF1和W2/W3.QF2），用于隔離換流器與串聯(lián)線路。同時，串聯(lián)變壓器低壓側與中性點間配置1臺三相晶閘管旁路開關（TBS），用于對換流器進行快速保護。

3個換流器采用完全相同的結構和容量，均可接入并聯(lián)交流側，C1可接于2個串聯(lián)交流側，C2和C3分別接于串聯(lián)I交流側和串聯(lián)II交流側。

2　南京UPFC工程運行方式

為了方便設置UPFC系統(tǒng)的運行方式（以下簡稱“站運行方式”），南京UPFC工程為運行人員提供各換流器的運行模式和接線方式的選擇，如圖2所示。其中接線方式增加“停用”，表示換流器不接入任何交流側。“停用”狀態(tài)下?lián)Q流器的運行模式不考慮。

南京UPFC系統(tǒng)有5種站運行方式，即雙回線路UPFC運行方式、單回（線路I/線路II）UPFC運行方式、雙回線路SSSC運行方式、單回（線路I/線路II）SSSC運行方式以及STATCOM運行方式。站運行方式和各換流器的運行模式與接線方式的對應關系如表1所示。

圖2　換流器運行模式和接線方式圖

2.1UPFC運行方式

2.1.1雙回線路UPFC運行方式

雙回線路UPFC運行方式是南京UPFC工程的主運行方式。如圖3所示，換流器C1接入并聯(lián)交流側，換流器C2接入串聯(lián)I交流側，換流器C3接入串聯(lián)II交流側。所有換流器的直流側連接至公共直流母線。并聯(lián)交流側的一臺并聯(lián)變壓器運行，另一臺熱備用，啟動電阻旁路刀閘W1.DS4合位；串聯(lián)交流側的串聯(lián)變壓器兩側旁路開關分位，TBS閥帶電保持不觸發(fā)狀態(tài)。該運行方式下，并聯(lián)側主要起支撐公共直流母線電壓作用，同時對并聯(lián)交流側電網進行無功補償；串聯(lián)側控制其串聯(lián)接入的線路的潮流，有功功率和無功功率可獨立控制。

2.1.2單回線路UPFC運行方式

當某條線路故障或檢修時，南京UPFC系統(tǒng)可運行于單回線路UPFC運行方式。如圖4所示。以鐵北—曉莊II線退出運行為例，選擇換流器C1和C2投入運行。此時換流器C1接入并聯(lián)交流側，換流器C2接入串聯(lián)I交流側，換流器C3停用。換流器C1和C2的直流側連接至公共直流母線。并聯(lián)交流側的一臺并聯(lián)變壓器運行，另一臺熱備用，啟動電阻旁路刀閘W1.DS4合位；串聯(lián)I交流側的串聯(lián)變壓器兩側旁路開關分位，TBS閥帶電保持不觸發(fā)狀態(tài)；串聯(lián)II交流側的串聯(lián)變壓器網側旁路開關合位，UPFC系統(tǒng)與鐵曉II線隔離。該運行方式下，并聯(lián)側仍然起支撐公共直流母線電壓作用，同時對并聯(lián)交流側電壓起一定的無功補償能力；串聯(lián)側控制其串聯(lián)接入的線路的潮流，有功功率和無功功率可獨立控制。

表1　站運行方式與換流器模式對應關系

2.2STATCOM運行方式

在不需要對西環(huán)網進行潮流控制時，南京UPFC系統(tǒng)還可運行于STATCOM運行方式，對電網提供一定的無功補償。受限于并聯(lián)變壓器的容量，僅允許1臺換流器投入STATCOM運行。如圖5所示，選擇換流器C2投入運行為例。換流器C2接入并聯(lián)交流側，換流器C1和C3停用。所有換流器的直流側均隔離。并聯(lián)交流側的一臺并聯(lián)變壓器運行，另一臺熱備用，啟動電阻旁路刀閘W1.DS4合位；串聯(lián)交流側的串聯(lián)變壓器網側旁路開關合位，UPFC系統(tǒng)與雙回線路隔離。該運行方式下，并聯(lián)側主要對并聯(lián)交流側電網進行無功補償或者交流電壓控制。

圖3　雙回線路UPFC運行方式

圖4　單回線路UPFC運行方式

圖5　STATCOM運行方式

2.3SSSC運行方式

2.3.1雙回線路UPFC運行方式

當某個換流器檢修時，為保證雙回線路潮流控制，南京UPFC系統(tǒng)可運行于雙回線路SSSC運行方式。如圖6所示，以換流器C1檢修為例，換流器C2和C3投入運行。換流器C2接入串聯(lián)I交流側，換流器C3接入串聯(lián)II交流側，換流器C1停用。所有換流器的直流側均隔離。并聯(lián)交流側的2臺并聯(lián)變壓器均熱備用，啟動電阻旁路刀閘W1.DS4分位；串聯(lián)交流側的串聯(lián)變壓器兩側旁路開關分位，TBS閥帶電保持不觸發(fā)狀態(tài)。該運行方式下，并聯(lián)側主要為換流器啟動時進行充電，正常運行后可改變狀態(tài)；串聯(lián)側控制其串聯(lián)接入的線路的潮流，但僅線路有功功率可控，線路的無功功率會隨著所控制的有功變化而改變。

圖6　雙回線路SSSC運行方式

2.3.2單回線路SSSC運行方式

當某條線路故障或檢修，同時換流器僅剩1個可用時，南京UPFC系統(tǒng)可運行于單回線路SSSC運行方式。如圖7所示，以鐵北—曉莊II線退出運行，換流器C2和C3檢修為例，換流器C1投入運行。換流器C1接入串聯(lián)I交流側，換流器C2和C3停用。所有換流器的直流側均隔離。并聯(lián)交流側的2臺并聯(lián)變壓器均熱備用，啟動電阻旁路刀閘W1.DS4分位；串聯(lián)I交流側的串聯(lián)變壓器兩側旁路開關分位，TBS閥帶電保持不觸發(fā)狀態(tài)。該運行方式下，并聯(lián)側主要為換流器啟動時進行充電，正常運行后可改變狀態(tài)；串聯(lián)I側控制其串聯(lián)接入的線路的潮流，僅有功功率可控，線路的無功功率會隨著所控制的有功變化而改變。

圖7　單回線路SSSC運行方式

3　南京UPFC系統(tǒng)運行方式轉換方案

為了方便研究南京UPFC系統(tǒng)運行方式的轉換方案，可以從主設備故障的角度進行詳細分析。

3.1線路故障

3.1.1220 kV線路故障

南京UPFC系統(tǒng)正常運行在雙回線路UPFC運行方式。當鐵北—曉莊I線或II線的線路發(fā)生故障時，UPFC系統(tǒng)會根據(jù)故障類型及嚴重程度進行重啟或運行方式自動切換。當某回線發(fā)生瞬時故障或鄰近線路故障后，故障電流會通過串聯(lián)變壓器耦合到換流器，UPFC系統(tǒng)保護迅速動作，停運串聯(lián)接入該線路的換流器，其他換流器繼續(xù)運行。同時UPFC系統(tǒng)會自動根據(jù)故障特性判斷故障的原因，若為線路故障（本線或者相鄰線路），則進入停運換流器的重啟邏輯，等待線路重合閘成功后，重新啟動該換流器。重啟成功后，UPFC系統(tǒng)保持雙回線路UPFC運行方式運行。

當某回線發(fā)生永久故障時，UPFC系統(tǒng)仍按照上述邏輯處理，當判斷出線路重合閘失敗或者不重合時，永久停運該換流器。同時，UPFC系統(tǒng)會自動切換為“準”單回線路UPFC運行（此時站運行方式仍然為雙回線路UPFC），該方式與1.1.2節(jié)定義的單回線路UPFC運行方式不同的是，故障線路對應的串聯(lián)變壓器閥側的W2/W3.QF2合位，停用換流器的直流側和交流側仍然保持聯(lián)接。在該回線路故障消除后需恢復雙回線路UPFC運行時，可無需停運整個UPFC系統(tǒng)，而是手動操作W2/W3.QF2斷開，快速地切換至雙回線路UPFC運行。如需轉換成單回線路UPFC運行方式，則只能手動停運UPFC系統(tǒng)，將該故障線路對應換流器的交、直流側均隔離后再切換方式。

3.1.235 kV進線故障

當并聯(lián)交流側發(fā)生線路故障時，若母線不失電，南京UPFC系統(tǒng)會自動抑制流過并聯(lián)側換流器的故障電流，UPFC系統(tǒng)繼續(xù)運行；若運行的并聯(lián)變壓器對應母線失電，則UPFC系統(tǒng)啟動備自投邏輯，切換并聯(lián)側換流器接入另一臺熱備用的變壓器、以接至另一條正常的母線，此過程UPFC系統(tǒng)持續(xù)運行。以上情況下，UPFC系統(tǒng)一直保持雙回線路UPFC運行方式運行。若并聯(lián)交流側進線故障導致2條母線均失電，UPFC系統(tǒng)會停運所有換流器，220 kV串聯(lián)線路潮流將不再受控，恢復成自然潮流。

3.2換流器故障

當換流器發(fā)生故障，南京UPFC系統(tǒng)保護迅速動作，停運所有換流器。若只有1個換流器故障，則可手動將故障換流器的交流側和直流側均隔離后，以雙回線路SSSC運行方式重新投入運行；若有2個換流器故障，則可選擇的運行方式為單回線路SSSC運行方式（需人為停運一條線路）或STATCOM運行方式。

3.3變壓器故障

3.3.1并聯(lián)變壓器故障

若運行中的并聯(lián)變壓器故障，則UPFC系統(tǒng)備自投動作，切換至另一臺熱備用的并聯(lián)變壓器，UPFC系統(tǒng)可持續(xù)運行，整個過程無需運行人員干預。當2臺并聯(lián)變壓器均故障，UPFC系統(tǒng)保護迅速動作，停運所有換流器。此時，UPFC系統(tǒng)只能保持站停運狀態(tài)，待至少1臺并聯(lián)變壓器檢修完成后再投入使用。

3.3.2串聯(lián)變壓器故障

當某條線路的串聯(lián)變壓器發(fā)生故障，UPFC系統(tǒng)保護迅速動作，停運聯(lián)接該故障變壓器的換流器，其他換流器繼續(xù)運行。此時系統(tǒng)處于一條線路被控另一條線路不控的狀態(tài)，UPFC系統(tǒng)對系統(tǒng)潮流的控制能力將失效，需手動停運其他換流器后，保持站停運狀態(tài)或選擇其他運行方式。此時可選擇的運行方式為單回線路UPFC運行方式（需人為停運不能被控的線路）或STATCOM運行方式；若2個串聯(lián)變壓器均故障，則只能選擇STATCOM運行方式。

3.4設備故障停運后運行方式選擇

上述切換方案均是在南京UPFC系統(tǒng)正常運行時發(fā)生故障后的處理策略。設備故障停運后，南京UPFC系統(tǒng)站運行方式選擇的建議表如表2所示。

表2　南京UPFC系統(tǒng)運行方式選擇建議表

表2　續(xù)南京UPFC系統(tǒng)運行方式選擇建議表

4　結束語

南京UPFC系統(tǒng)可選擇的運行方式較多，具備較好的靈活性和高可靠性，但同時也增加了控制和運行的復雜性。從設備故障的角度對運行方式的切換進行設計和建議，針對性強、實用性高。調度人員可依據(jù)本文的研究結果對南京UPFC系統(tǒng)的運行方式進行設定，簡化了判斷和選擇邏輯。同時也可作為其他UPFC工程運行方式設計的參考。

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［4］楊杰.電壓源換相高壓直流輸電交直流系統(tǒng)故障特性研究［D］.北京：清華大學，2010.

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［6］張振華，江道灼.基于MMC拓撲的UPFC控制策略仿真研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，39（3）：73-77.

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The Operation Modes for Nanjing UPFC Project

LING Feng1，QIN Jiang1，DAI Yang1，HE Hongjie1，HUANG Ruhai2，PAN Lei2
（1.Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China；2.Nanjing Nari-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

In order to solve the problems existing in Nanjing west power grid，the first unified power flow controller（UPFC）in china is built，which is also the first UPFC project using MMC topology in the world.With multiple converters Nanjing UPFC has manyoperating modes.Considering the high flexibility，reliability and complexity of the UPFC project，it is necessary to research its operating modes.The five operating modes are introduced，and the settling method for main device failures is discussed.The research can be taken as a reference for the future UPFC projects.

unified power flow controller（UPFC）；static synchronous compensator（STATCOM）；static synchronous series compensator（SSSC）；operating mode

TM761

A

1009-0665（2015）06-0036-05

2015-08-05；

2015-09-16

凌峰（1971），男，江蘇無錫人，高級工程師，從事電網工程建設管理、智能電網應用、電網新技術應用等方面的工作；

秦健（1970），男，江蘇啟東人，高級工程師，從事電網工程建設管理、智能電網應用、電網新技術應用等方面的工作；

戴陽（1978），男，江蘇泰州人，工程師，從事電網工程建設管理、智能電網應用、電網新技術應用等方面的工作；

何宏杰（1981），男，浙江德清人，高級工程師，從事電網工程建設管理、智能電網應用、電網新技術應用等方面的工作；

黃如海（1987），男，江蘇南通人，工程師，研究方向為超高壓直流輸電、柔性直流輸電和柔性交流輸電；

潘磊（1985），男，湖北荊州人，工程師，從事柔性直流輸電及柔性交流輸電技術研究工作。