含F(xiàn)ACTS裝置的大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制綜述

王金星,劉 青

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003)

●綜 述●

含F(xiàn)ACTS裝置的大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制綜述

王金星,劉 青

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003)

隨著大規(guī)模風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電的迅速增加，能源供需廣域平衡、大容量高效變流器等新技術(shù)的相繼涌現(xiàn)，對(duì)大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的靈活交流輸電技術(shù)(FACTS)提出了新的要求?；仡櫫舜箅娋W(wǎng)新能源系統(tǒng)的發(fā)展歷程和儲(chǔ)能、MMC、WAMS等新興技術(shù)，以及其需要解決的若干問題。再針對(duì)大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制問題，分別對(duì)FACTS、含儲(chǔ)能的FACTS、含新能源接入的FACTS進(jìn)行分析，提出大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的概念，并歸納了FACTS裝置相關(guān)控制的最新研究進(jìn)展。最后提出以UPFC為代表的FACTS與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合是未來(lái)解決大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)輸送電能的重要方法，并展望了FACTS接入大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制未來(lái)的研究方向。

UPFC；FACTS；大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)；協(xié)調(diào)控制；綜述

隨著我國(guó)用電負(fù)荷快速增長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)輸送容量和安全的要求越來(lái)越高，但受到土地資源、社會(huì)因素、環(huán)境保護(hù)、運(yùn)營(yíng)成本等多方面的限制，建設(shè)新的輸電走廊越來(lái)越困難。因此，充分發(fā)掘利用現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)的輸電能力，通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段解決電網(wǎng)在潮流控制、運(yùn)行穩(wěn)定性、電能質(zhì)量等方面問題，對(duì)于電力工業(yè)而言，變得日益迫切并更具有吸引力[1-2]。以UPFC、STATCOM、SSSC、SVC等為代表的柔性交流輸電技術(shù)(Flexible Alternating Current Transmission Systems，F(xiàn)ACTS)應(yīng)運(yùn)而生，在調(diào)整電網(wǎng)潮流、提高輸電線路輸送容量、提高電力系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)和中長(zhǎng)期穩(wěn)定性、阻尼電力系統(tǒng)低頻振蕩以及限制短路電流等方面具有良好效果。

近年來(lái)風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電在國(guó)內(nèi)外規(guī)模的快速擴(kuò)大，發(fā)電容量的迅速提高，世界能源供給將實(shí)現(xiàn)石油、煤炭、天然氣和新能源的“四分天下”[3]；同時(shí)因新能源自身的間歇性、波動(dòng)性，局部電網(wǎng)對(duì)新能源的接納能力有限，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外的“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象嚴(yán)重。大量新能源的浪費(fèi)對(duì)大功率輸電技術(shù)的穩(wěn)定性、靈活性提出了更高的要求，隨著高壓、特高壓柔性交流輸電技術(shù)的迅速發(fā)展，基于新能源接入的柔性交流輸電已成為了當(dāng)下的熱門課題。

儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠顯著提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、靈活性和可靠性，并為大規(guī)模新能源的接納并網(wǎng)提供了一個(gè)重要的解決方案[4]。隨著近年抽水蓄能、熱能存儲(chǔ)、壓縮空氣、電化學(xué)、超導(dǎo)磁等儲(chǔ)能技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，電力儲(chǔ)能將在抑制電力系統(tǒng)功率振蕩、“削峰填谷”、應(yīng)對(duì)大規(guī)模新能源接納方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

模塊化多電平換流器(modular multi-level converter，MMC)通過(guò)將多個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)疊加的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓、低諧波的輸出，是一種新型的電壓變換方式，在未來(lái)電網(wǎng)內(nèi)的廣泛應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景[5]。廣域測(cè)量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System，WAMS)是通過(guò)采用同步相角測(cè)量單元(Phase Measurement Unit，PMU)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)在高精度同步時(shí)鐘下的實(shí)時(shí)、高速、精確采集，為電網(wǎng)的潮流計(jì)算、穩(wěn)定性分析、繼電保護(hù)整定等提供數(shù)據(jù)同步的技術(shù)支持[6]。

鑒于此，以UPFC為代表的FACTS裝置接入大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制方法值得深入研究。結(jié)合儲(chǔ)能、MMC、WAMS等新興技術(shù)，分析和總結(jié)FACTS裝置穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制的最新研究進(jìn)展，針對(duì)大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制問題，分別對(duì)FACTS、含儲(chǔ)能的FACTS、含新能源接入的FACTS進(jìn)行分析，并提出FACTS與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合是未來(lái)解決大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)輸送電能問題的重要方法。

1 FACTS裝置對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的 協(xié)調(diào)控制及分析

1.1 FACTS裝置的研究背景和最新進(jìn)展

美國(guó)電力科學(xué)研究院指出FACTS技術(shù)隨著科技的發(fā)展也在與時(shí)俱進(jìn)，未來(lái)將面臨著更多來(lái)自增大輸電容量、維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定、優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行以及環(huán)境保護(hù)和柔性直流輸電競(jìng)爭(zhēng)等方面的壓力[7]。FACTS利用先進(jìn)的電力電子技術(shù)徹底改變了交流輸電網(wǎng)的控制和操作方式，擺脫了過(guò)去機(jī)械、慢速、間斷、不精確的工作方法，現(xiàn)正向智能化、電子化、快速、連續(xù)、精準(zhǔn)的方向迅速發(fā)展。

最近二十余年，眾多性能各異的FACTS裝置(如SVC、TCSC、STATCOM、SSSC、UPFC、SMES、IPFC等)先后被投入美國(guó)、歐洲、日本的實(shí)際電網(wǎng)中，其分類和代表器件的功能應(yīng)用如表1所示。21世紀(jì)初，在我國(guó)已有多臺(tái)SVC、STATCOM和TCSC裝置運(yùn)行于500 kV變電站，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。2015年11月，南京220 kV西環(huán)網(wǎng)UPFC工程建成并投運(yùn)，是我國(guó)首個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、采用MMC技術(shù)的UPFC工程。2016年11月，世界上電壓等級(jí)最高、容量最大的蘇州南部電網(wǎng)500 kV的UPFC工程在江蘇省蘇州市開工建設(shè)，它將是世界上第一次實(shí)現(xiàn)500 kV電網(wǎng)潮流的精準(zhǔn)、靈活、快速控制，并顯著提高蘇州電網(wǎng)消納新能源的能力。

表1 FACTS裝置的分類和應(yīng)用Table 1 Classification and application of FACTS devices

FACTS自20世紀(jì)80年代中期被提出以來(lái)，其概念在不斷的發(fā)展，但主要目標(biāo)仍然是應(yīng)用大功率、高性能的電力電子器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路電壓、阻抗、相角、功率、潮流的綜合全面靈活控制，以達(dá)到提高線路輸電容量、提高電網(wǎng)靈活性和穩(wěn)定性的目標(biāo)[8]。仿真和FACTS工程應(yīng)用表明，電力系統(tǒng)在加入FACTS裝置后，系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)明顯降低，且同容量的FACTS設(shè)備中UPFC的控制效果較好[9]。

1.2 FACTS裝置的研究?jī)?nèi)容和研究現(xiàn)狀

目前FACTS技術(shù)的研究?jī)?nèi)容主要包括：FACTS設(shè)備在電網(wǎng)中的安裝位置、FACTS參數(shù)控制方法對(duì)電網(wǎng)暫穩(wěn)態(tài)特性的影響、新型控制策略的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、以及各種FACTS設(shè)備間交互影響的協(xié)調(diào)等。

FACTS裝置可以從系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)兩個(gè)層次來(lái)穩(wěn)定大規(guī)模新能源接入系統(tǒng)的電壓波動(dòng)，為電網(wǎng)提供緊急的無(wú)功支撐，并可結(jié)合不同F(xiàn)ACTS 裝置的投資費(fèi)用、靈敏度等得到配置FACTS的多目標(biāo)折衷方案和最佳安裝地點(diǎn)[10-12]。

FACTS交互影響是指在多變量控制系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)操作輸入變量影響若干個(gè)測(cè)量輸出變量,或者一個(gè)輸出變量被一系列輸入變量所影響[13]。交互影響的協(xié)調(diào)控制通常分為智能控制、線性控制和非線性控制等多種控制方法，基于WAMS、模糊理論、免疫算法及協(xié)同進(jìn)化算法的多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制方法將是未來(lái)我國(guó)解決FACTS交互影響的研究的重要方向[14-15]。

FACTS應(yīng)用于提高線路輸送容量和穩(wěn)定線路電壓，一直是FACTS技術(shù)研究的重心。采用FACTS暫態(tài)穩(wěn)定控制、小擾動(dòng)穩(wěn)定控制、阻尼控制等方法，可以有效消除特高壓、大容量、高效率、低損耗電力集中外送的主要限制因素[16]。針對(duì)以UPFC為代表的FACTS裝置的非線性特征和不確定性問題，已存在一些非線性最優(yōu)控制策略和非線性魯棒控制策略的研究[17]。

2 含儲(chǔ)能UPFC對(duì)含新能源接入系 統(tǒng)的穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制的相關(guān)研究

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)和特高壓戰(zhàn)略的實(shí)施和推進(jìn)，柔性交直流輸電將向著高電壓、大容量、高效率、低損耗、多目標(biāo)、多裝置協(xié)同控制的方向快速發(fā)展，來(lái)實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)、跨國(guó)、遠(yuǎn)距離和大規(guī)模新能源接入的綜合調(diào)節(jié)控制[18]。FACTS 的發(fā)展將面對(duì)重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，機(jī)遇源于電網(wǎng)對(duì)輸送容量和電壓控制等的廣泛需求，挑戰(zhàn)主要是面臨著大功率電力電子器件開發(fā)研究、協(xié)調(diào)控制的難題，未來(lái)將主要集中表現(xiàn)在含儲(chǔ)能的全控型 FACTS功率及能量的優(yōu)化配置與協(xié)調(diào)控制方法、面向新能源發(fā)電的分布式 FACTS 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制策略、基于WAMS的全控型多FACTS協(xié)調(diào)控制技術(shù)等方面。

2.1 含儲(chǔ)能的FACTS裝置對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控 制研究現(xiàn)狀

風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電自身固有的波動(dòng)性、隨機(jī)性和間歇性問題是新能源進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。通過(guò)先進(jìn)的電力電子技術(shù)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存用電低谷時(shí)的多余能量，釋放用電高峰時(shí)的備用能量，是解決新能源電源功率間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性問題和提高新能源發(fā)電機(jī)組利用效率的關(guān)鍵。所以，大規(guī)模電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的研究已是迫在眉睫。

電力儲(chǔ)能技術(shù)能夠有效緩解電力系統(tǒng)的功率失衡問題，對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和電網(wǎng)安全有重要的作用，可以較好地抑制了系統(tǒng)的功率振蕩。抽水蓄能技術(shù)是目前唯一一種發(fā)展完善且可靠性、經(jīng)濟(jì)性較高的儲(chǔ)能技術(shù)，但因其受選址要求和生態(tài)環(huán)境的影響，其大規(guī)模開發(fā)受到一定的限制。目前以超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)、蓄電池儲(chǔ)能(BESS)、超級(jí)電容器儲(chǔ)能(SCES)為代表的新型儲(chǔ)能技術(shù)正在快速發(fā)展，工程應(yīng)用也在不斷增多。

將先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)與FACTS技術(shù)相結(jié)合已有相關(guān)的研究，并逐漸以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)引起社會(huì)的關(guān)注。儲(chǔ)能設(shè)備與并聯(lián)儲(chǔ)能型FACTS結(jié)合能夠較好的抑制發(fā)電機(jī)的功角擺動(dòng)、抑制系統(tǒng)低頻振蕩和超低頻振蕩的現(xiàn)象[19-20]，顯著減少切機(jī)切負(fù)荷、系統(tǒng)連鎖故障的現(xiàn)象，大大地提高了電網(wǎng)的暫穩(wěn)態(tài)控制、輸電能力和主動(dòng)防御能力[21-23]。

將以電化學(xué)、超導(dǎo)磁、飛輪為代表的儲(chǔ)能技術(shù)與FACTS相結(jié)合的研究，目前主要集中在蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)與STATCOM的組合器件STATCOM/BESS和基于飛輪儲(chǔ)能的柔性功率調(diào)節(jié)器(FPC)。通過(guò)電流解耦控制，STATCOM/BESS能夠完成有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，使輸電更為柔性化[24]。FPC能夠改變電力網(wǎng)絡(luò)的阻尼參數(shù)，抑制電力系統(tǒng)的有功功率振蕩，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置與電力網(wǎng)絡(luò)功率的動(dòng)態(tài)快速交換，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的靈活控制能力和穩(wěn)定域度[25]?，F(xiàn)有的研究成果和過(guò)去的工程經(jīng)驗(yàn)表明，儲(chǔ)能系統(tǒng)用于抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的效果良好，含儲(chǔ)能FACTS應(yīng)用到未來(lái)大規(guī)模新能源接入的電網(wǎng)具有較好的前景[26]。

2.2 FACTS裝置對(duì)含新能源接入電力系統(tǒng)的穩(wěn) 定性控制研究

FACTS裝置在新能源接入電網(wǎng)電源側(cè)的應(yīng)用非常廣泛，在穩(wěn)定電網(wǎng)新能源接入點(diǎn)的電壓、削弱新能源電源的功率振蕩、提升電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性等具有顯著地優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)以風(fēng)能、光伏為代表的新能源發(fā)電集中分布于新疆、青海、內(nèi)蒙古等地，西北大規(guī)模新能源電力面臨著高電壓、遠(yuǎn)距離、大容量的集中輸送。為解決系統(tǒng)無(wú)功和電壓控制問題，輸電線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)多安裝FACTS設(shè)備，以提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平，還能夠抑制系統(tǒng)過(guò)電壓和潛供電流，保證大電網(wǎng)電磁暫態(tài)安全[27]。

UPFC作為目前FACTS裝置中功能最強(qiáng)大的元件，能夠消除異步風(fēng)力機(jī)因風(fēng)源的波動(dòng)性和間歇性而引起的電網(wǎng)電壓崩潰，維持風(fēng)電場(chǎng)電壓和電網(wǎng)穩(wěn)定[28]。通過(guò)優(yōu)化UPFC的控制策略能夠調(diào)整風(fēng)力機(jī)的槳距角的控制系統(tǒng)，增加電網(wǎng)的次同步阻尼，從而削弱風(fēng)力機(jī)組的功率振蕩[29]。

STATCOM作為目前電力系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛和功能最靈活的無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備之一，能夠建立起無(wú)功實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，減小輸電線路有功變化對(duì)無(wú)功輸出的影響，保證系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定和有功輸出[30]。裝設(shè)STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)能夠穩(wěn)定輸出電壓和功率，并可以快速重建風(fēng)電場(chǎng)故障后的電壓，縮短故障切除時(shí)間和風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速時(shí)間，避免機(jī)組功角與系統(tǒng)功角偏差過(guò)大導(dǎo)致的切機(jī)，可靠保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的連續(xù)并網(wǎng)和故障穿越能力[31-33]。

國(guó)內(nèi)外的科學(xué)研究和工程實(shí)踐已經(jīng)證明，F(xiàn)ACTS裝置能夠有效調(diào)節(jié)新能源接入系統(tǒng)的無(wú)功潮流和節(jié)點(diǎn)電壓，增大輸電線路的輸電容量，改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性。但當(dāng)波動(dòng)性、間歇性新能源大規(guī)模接入系統(tǒng)時(shí)，較大的風(fēng)速、光照和負(fù)荷波動(dòng)會(huì)將造成系統(tǒng)的頻率波動(dòng)和功率失衡，需要有足夠的旋轉(zhuǎn)備用和儲(chǔ)能裝置來(lái)維持電網(wǎng)的功率平衡和頻率穩(wěn)定[34]。為解決大規(guī)模新能源接入引起電力系統(tǒng)功率波動(dòng)和頻率穩(wěn)定問題，特提出大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的概念，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of new energy system for large power grid

大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)由發(fā)電、輸配電、用電和儲(chǔ)能交互組成，發(fā)電包括風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電和火力發(fā)電等，輸配電是利用大功率電力電子裝置實(shí)現(xiàn)高電壓、大容量、高效率、低損耗的柔性交直流輸電，用電主要包括照明等阻性負(fù)荷和電動(dòng)機(jī)等阻感性負(fù)荷。儲(chǔ)能交互是指利用物理、化學(xué)、電磁等儲(chǔ)能方式按照一定規(guī)律與大電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。

FACTS技術(shù)與儲(chǔ)能技術(shù)、新能源功率預(yù)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，是減少因新能源發(fā)電并網(wǎng)而增加旋轉(zhuǎn)備用容量投資的有效途徑。

3 UPFC接入大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的 穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制的研究

3.1 國(guó)內(nèi)外UPFC研究現(xiàn)狀

統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)是目前最為靈活、功能最全、技術(shù)最復(fù)雜的柔性交流輸電裝置[35]，通?？梢园阉斫鉃閾碛泄仓绷鱾?cè)電容的STATCOM和SSSC組合起來(lái)的FACTS裝置。但UPFC的功能不能等于一個(gè)STATCOM和一個(gè)SSSC功能的簡(jiǎn)單疊加，UPFC的控制靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二者之和。UPFC可以同時(shí)調(diào)控輸電線路的有功潮流和無(wú)功潮流，提供可控的并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償，提升系統(tǒng)電壓的暫穩(wěn)態(tài)及中長(zhǎng)期穩(wěn)定能力，還能夠阻尼電力系統(tǒng)振蕩，提高電網(wǎng)輸送電能的穩(wěn)定極限，增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行裕度，限制短路電流等。

電力系統(tǒng)的潮流是自然流動(dòng)的，電源和負(fù)荷功率的變化都會(huì)引起電網(wǎng)潮流或大或小的改變。因電源、負(fù)荷分布位置和輸電線路參數(shù)不同，有些輸電線路的潮流容易造成激增，出現(xiàn)功率越限的現(xiàn)象；另外，一些輸電線路則容易出現(xiàn)潮流較小，較為通暢。UPFC是輸電線路加裝的柔性潮流控制裝置，通過(guò)調(diào)控節(jié)點(diǎn)電壓和線路阻抗等來(lái)跟蹤控制電網(wǎng)的功率流動(dòng)，其調(diào)控方式靈活多樣、調(diào)控效果精確可靠，有力保障了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于UPFC的研究主要以下兩個(gè)方面：

a.UPFC的數(shù)學(xué)模型及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；

b.UPFC的交互影響及協(xié)調(diào)控制策略。

3.2 UPFC數(shù)學(xué)模型及其穩(wěn)定性控制的研究

3.2.1 UPFC數(shù)學(xué)模型

UPFC數(shù)學(xué)模型是研究和設(shè)計(jì)其控制策略的基礎(chǔ)，通常分為靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。靜態(tài)模型通常用于分析和計(jì)算含UPFC的電網(wǎng)潮流，動(dòng)態(tài)模型則主要研究當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)突變時(shí)，UPFC對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性、潮流、電壓的控制作用[36]。UPFC的靜態(tài)模型，目前主要有電源模型、阻抗型模型、解耦型模型、功率注入模型等[37-39]，這些模型都是建立在直流側(cè)電壓不變的基礎(chǔ)上，保證流入U(xiǎn)PFC并聯(lián)側(cè)的有功功率等于流出其串聯(lián)側(cè)的有功功率。UPFC的動(dòng)態(tài)特性，則是在考慮UPFC直流側(cè)電壓變化的情況來(lái)分析和研究的。

UPFC控制功能強(qiáng)大，集電壓、潮流、穩(wěn)定性等多種控制功能于一身，能夠良好地調(diào)節(jié)UPFC接入點(diǎn)母線電壓和所在線路的功率流動(dòng)[40]，其并聯(lián)側(cè)補(bǔ)償無(wú)功功率及維持母線電壓恒定，等效于調(diào)節(jié)變壓器一側(cè)分接頭開關(guān)的作用[41]。

3.2.2 UPFC穩(wěn)定性控制研究

UPFC強(qiáng)大的柔性輸電控制能力，通常通過(guò)在UPFC控制系統(tǒng)內(nèi)安裝相應(yīng)的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)控制器通常被給予一個(gè)特定的控制功能。UPFC裝置的控制系統(tǒng)主要有有功功率、無(wú)功功率、交流電壓、交流頻率、直流電壓、直流電流六個(gè)控制器。UPFC良好的控制性能主要通過(guò)對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)控制器進(jìn)行優(yōu)化分析和協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，直流電壓控制器是UPFC其他控制器正常工作的基礎(chǔ)。UPFC投入系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)和作用主要包括系統(tǒng)潮流控制、電壓穩(wěn)定控制和抑制功率振蕩三個(gè)方面。

系統(tǒng)潮流控制主要研究UPFC在潮流計(jì)算中的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)控制器、控制策略的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)UPFC進(jìn)行交叉耦合控制，可以實(shí)現(xiàn)用UPFC串聯(lián)側(cè)變流器輸出電壓d軸分量調(diào)節(jié)輸電系統(tǒng)的無(wú)功功率，用輸入電壓的q軸分量調(diào)節(jié)輸電系統(tǒng)的有功功率，并能夠達(dá)到較好的調(diào)控效果[42]。

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制通常分為電壓暫態(tài)穩(wěn)定控制和電壓穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定控制兩種。暫態(tài)電壓控制比穩(wěn)態(tài)電壓控制略為復(fù)雜，需要考慮直流側(cè)電壓的變化?？紤]直流側(cè)電壓變化，采用非線性的控制策略，通過(guò)調(diào)節(jié)UPFC并聯(lián)側(cè)輸出電流的橫、縱分量能夠分別有效調(diào)控并聯(lián)側(cè)母線電壓、直流側(cè)電壓；通過(guò)調(diào)節(jié)UPFC串聯(lián)側(cè)變壓器的輸出電壓的橫、縱分量可以分別調(diào)控輸電線路的有功和無(wú)功功率[43]，從而較好地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓的暫態(tài)穩(wěn)定控制。

電力系統(tǒng)振蕩是指當(dāng)電網(wǎng)存在短路、故障切除等干擾時(shí)，引起同步發(fā)電機(jī)間電勢(shì)差和相角差以及各節(jié)點(diǎn)電壓和電流隨時(shí)間不斷變化的現(xiàn)象。工程實(shí)踐表明，通過(guò)對(duì)UPFC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋線性控制器，可以較好的抑制大電網(wǎng)的低頻振蕩[44]。

4 結(jié) 論

隨著經(jīng)濟(jì)和電網(wǎng)建設(shè)的快速推進(jìn)，全球能源互聯(lián)互供的要求日益迫切，電能輸送將向大電源大容量特高壓集中外送的方向發(fā)展。通過(guò)分析和總結(jié)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)控制方法和新興技術(shù)的研究成果，以UPFC為代表的柔性交流輸電技術(shù)未來(lái)將面臨更大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，多目標(biāo)多裝置協(xié)同控制將是大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)FACTS控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

結(jié)合統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)，解決大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的潮流和穩(wěn)定控制問題，同時(shí)平衡新能源電源和負(fù)荷的波動(dòng)，使包括傳統(tǒng)電源、新能源電源、負(fù)荷等大電網(wǎng)內(nèi)的功率設(shè)備得到高效合理利用，將是未來(lái)大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)時(shí)輸送電能的重要發(fā)展方向。以UPFC為代表的FACTS接入大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制的研究未來(lái)將主要集中在以下幾點(diǎn)：

1)結(jié)合FACTS技術(shù)與儲(chǔ)能技術(shù)，用于控制大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的電源和負(fù)荷波動(dòng)。

2)結(jié)合FACTS技術(shù)與WAMS技術(shù)，全網(wǎng)統(tǒng)一時(shí)間坐標(biāo)下的精準(zhǔn)潮流控制和功率調(diào)度。

3)結(jié)合FACTS技術(shù)與MMC技術(shù)，柔性輸電裝置的模塊化多電平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析。

4)FACTS裝置內(nèi)部器件的精簡(jiǎn)電子化，如基于級(jí)聯(lián)多電平VSC的無(wú)變壓器UPFC[45]。

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(編輯 李世杰)

Review on stability coordination control of new energy system for large power grid with FACTS devices

WANG Jinxing,LIU Qing

(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

With the rapid increase of new energy sources such as large-scale wind energy and solar energy,the new technologies such as wide-area balance of energy supply and demand and high-capacity and high-efficiency converters have emerged,as well as the new requirements for flexible AC transmission systems (FACTS).In this paper,the development of new energy system for large power grid and the emerging technologies such as energy storage,MMC and WAMS as well as some problems need to be solved are reviewed.In light of the problem of stability coordination control of new energy system for large power grid,FACTS,FACTS with storage energy,FACTS with new energy access are analyzed,the concept of new energy system for large power grid is put forward,and the latest research progress of FACTS device-related control is summarized.Finally,it is proposed that the combination of FACTS and energy storage technology,which is represented by UPFC,is an important method to solve the energy transmission of new energy system in large power grid in the future,and the future research direction of FACTS access to stability control of new energy system for large power grid is discussed.

UPFC；FACTS; new energy system for large power grid; coordination control; review

2017-05-02。

王金星(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿嵝越涣鬏旊?、新能源發(fā)電與并網(wǎng)穩(wěn)定性控制、電力系統(tǒng)儲(chǔ)能。

TM723

A

2095-6843(2017)04-0370-07