統(tǒng)一潮流控制器系列標準研制與應用

李群 林金嬌

摘要：電網潮流靈活、精準控制是現代電網發(fā)展的瓶頸問題，也是世界性難題。統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）系列標準研究和制定前，UPFC技術和市場被美國企業(yè)獨家壟斷。歷時十余年，項目組攻克了核心技術、關鍵設備、工程應用等系列難題，國際首創(chuàng)模塊化多電平UPFC技術并實現工程應用，在此基礎上創(chuàng)新編制了UPFC系列標準，打破了美國企業(yè)獨家壟斷，并實現了技術超越，在引領電網“高效、綠色、活力”高質量發(fā)展，推動我國電力裝備產業(yè)結構升級做出重要貢獻。論文闡述了統(tǒng)一潮流控制器系列標準的研制背景、內容、創(chuàng)新特色和應用成效。

關鍵詞：統(tǒng)一潮流控制器 電力潮流 標準

Abstract： The flexible and accurate control of power flow is a bottleneck problem in the development of modern power grid， which is also a world difficult problem. Before the research and formulation of Unified Power Flow Controller （UPFC） series standards， the technology and market of UPFC were monopolized by American enterprises. Over the past ten years， the project team has overcome a series of problems such as core technology， key equipment， engineering application， etc. And it initiated the modular multi-level UPFC technology and realized engineering application. On this basis， the UPFC series standards were developed innovatively， which broke the exclusive monopoly of American enterprises， and achieved technological transcendence. The UPFC series standards made important contributions to leading the power grid to develop in an efficient， environment-friendly and dynamic way， and promoting the upgrading of industrial structure of domestic electric power equipment. This paper describes the development background， content， innovative features and application effect of the UPFC series standards.

Key words： Unified Power Flow Controller （UPFC）， power flow， standard

1 概述

電網中功率的分布和流向稱為潮流，潮流的靈活精準控制是電力領域的世界性難題。根據國際大電網委員會統(tǒng)計，21世紀以來全球13次大停電中12次由潮流失控引起。我國電網規(guī)模和復雜度已達世界之最，潮流失控風險高，且潮流分布不均限制了約10%～30%的供電能力，每年用于改善潮流分布、提高潮流輸送能力的投資超過4000億元。發(fā)電調節(jié)、負荷轉移等傳統(tǒng)潮流控制手段速度慢、效果差，研究新型潮流控制技術，是我國電網發(fā)展亟需解決的關鍵問題。

統(tǒng)一潮流控制器是國際公認的功能最強大的潮流調控裝置，其核心部件包括換流器、串聯(lián)變壓器、控制保護系統(tǒng)等，是一種技術先進、構造復雜的大型電力裝備，在樞紐變電站建設運行中，調節(jié)輸電系統(tǒng)電壓、相角和阻抗，實現潮流靈活、精準、快速控制。

長期以來，全球UPFC技術和市場被美國企業(yè)獨家壟斷，我國UPFC的裝備研制和工程應用處于空白。在國家863計劃等項目支持下，項目團隊歷時10余年，攻克UPFC技術壁壘，國際首創(chuàng)模塊化多電平的新一代UPFC技術，成功研制UPFC成套裝備并實現工程應用?；诩夹g創(chuàng)新成果，構建了國際首套UPFC技術系列標準，形成了統(tǒng)一潮流控制器工程設計導則等10項標準，覆蓋規(guī)劃、設計、生產、檢驗、調試、運維等環(huán)節(jié)，為UPFC在我國的工程應用和國外市場開拓提供了重要保障。

2 標準主要內容

該系列標準包括Q/GDW 11547—2016《統(tǒng)一潮流控制器工程設計導則》等10 項UPFC企業(yè)標準，是我國首創(chuàng)UPFC技術成果的體現。根據美國電力研究院發(fā)布的技術報告（① Inez Unified Power Flow Controller： Enhancements and Field Operation Support，EPRI，A. Edris.? ② Convertible Static Compensator （CSC） for New York Power Authority Final Report. EPRI， A. Edris.），我國UPFC關鍵技術指標與代表國際最高水平的美國Marcy、Inez等工程進行了比較，均優(yōu)于國外同類技術最高水平?；谠撓盗袠藴?，項目組牽頭制定UPFC領域IEC、IEEE標準6項、行業(yè)標準4項，主導編制UPFC系列團體標準1部（共計24項），為指導UPFC研制及應用構建了標準布局。

核心技術方面，國際上首次提出拓撲可靈活變換的模塊化多電平UPFC技術，擁有完全自主知識產權，取得了UPFC核心技術的重大突破，獲得授權發(fā)明專利12項，含美國專利2項，打破了國外UPFC技術壟斷。核心技術主要指標明顯優(yōu)于國外最高水平，在總體損耗方面，國外技術約2%，該系列標準技術小于0.8%;在諧波方面，國外技術大于2%，該系列標準技術小于1%;占地面積減小約30%，可節(jié)省換流器容量超過 25%。

成套設備方面，突破了UPFC換流器、串聯(lián)變壓器、控制保護、晶閘管旁路開關（TBS）等成套裝備關鍵技術，首次構建UPFC成套裝備技術要求體系及配合原則，提出了綜合需求匹配的UPFC成套設計方法，實現了系統(tǒng)參數及功能性能的優(yōu)化配合，獲得授權發(fā)明專利7項。依托該系列標準技術要求，TBS耐沖擊電流70 kA，國外技術要求42 kA;串聯(lián)變壓器網側繞組全絕緣設計，網側繞組端間雷電全波沖擊耐受電壓達4倍額定電壓，抗短路能力達50千安/2秒，遠高于傳統(tǒng)變壓器要求，國外技術未見特殊要求;具有9種控制功能，國外技術僅3種。

工程應用方面，提出了基于多目標優(yōu)化的UPFC工程選址定容技術原則，發(fā)明了基于電網潮流動態(tài)優(yōu)化調節(jié)的UPFC在線調控運行技術，實現了UPFC應用于電網調度運行的規(guī)范化;攻克串聯(lián)變壓器、換流閥等設備試驗方法，首創(chuàng)UPFC成套設備系統(tǒng)帶電試驗技術，規(guī)范了UPFC工程調試流程和要求，獲得發(fā)明專利13項。依托該系列標準技術要求，投運的UPFC設備最高電壓500 kV，最大容量750 MV·A，國外分別為345 kV和320 MV·A;UPFC功率控制響應時間低于90 ms，控制誤差低于0.5%，顯著高于國外300 ms和1%的同類技術要求;提出將UPFC綜合用于調節(jié)線路潮流并優(yōu)化電網潮流分布，而國外僅用于調節(jié)線路潮流。

3 標準創(chuàng)新特色

該系列標準在UPFC核心技術標準化、成套設備規(guī)范化、工程應用系統(tǒng)化、技術體系國際化等方面取得了創(chuàng)新突破。

（1）國際首創(chuàng)模塊化多電平UPFC技術及規(guī)范，取得電力潮流控制技術重大突破。首創(chuàng)采用IGBT功率器件和可轉換拓撲結構的模塊化多電平UPFC技術;解決了國外UPFC技術可靠性低、損耗大、諧波高和運維復雜等問題。見圖1。

（2）發(fā)明UPFC成套裝備技術并形成技術規(guī)范，推動電力智能裝備產業(yè)發(fā)展。發(fā)明耐沖擊、高可靠的 UPFC 成套裝備關鍵技術，形成設計方法和技術要求;提出UPFC成套設備配合原則，實現了系統(tǒng)參數及功能性能的優(yōu)化配合。見圖2。

（3） 提出UPFC選址定容、調控運行技術和規(guī)范，指導工程應用、提升供電能力。提出綜合需求匹配的UPFC規(guī)劃設計方法;規(guī)范整體功能和性能檢測流程和方法;提出電網潮流動態(tài)優(yōu)化調控運行技術及運維技術要求。見圖3。

（4）創(chuàng)建新一代UPFC整體技術架構，發(fā)起并主導UPFC技術國際標準。提出含UPFC研發(fā)、制造、應用全環(huán)節(jié)技術架構;在IEC、IEEE分別牽頭成立UPFC技術標準工作組;主導編制IEC標準2項、IEEE標準4項。見圖4。

4 標準應用與成效

UPFC系列標準基于我國首創(chuàng)并研發(fā)的新一代UPFC技術形成，目前國內所有UPFC工程均采用了該系列標準。該標準中模塊化多電平換流器及控制保護等核心技術已應用于江蘇、浙江、內蒙古等多省市、自治區(qū)百余項MMC型STATCOM（又稱SVG，UPFC的并聯(lián)部分）工程中，有效解決了眾多電網的動態(tài)電壓支撐不足、供電能力受限等問題，并出口至北美、東南亞等地。

該系列標準解決了潮流控制的世界級難題，提升了駕馭大電網運行的能力，充分挖掘了電網供電潛能，有效降低潮流越限、失控風險，降低電網因供電能力不足而拉閘限電的負面影響，保障了社會供電安全。目前我國所有UPFC工程均依據此標準，在南京建成國際首個模塊化多電平UPFC工程，首次實現我國電網潮流靈活控制，提升南京地區(qū)供電能力60萬kW;在蘇州建成世界上容量最大、電壓等級最高的UPFC工程，提升清潔能源消納能力130萬kW。

依托該系列標準建成的UPFC、 SVG 等工程，支撐了我國特高壓直流等工程對清潔能源電力的輸送，并發(fā)揮了對風電、光伏等波動性清潔能源送出的潮流調控和電壓動態(tài)支撐作用，提升清潔能源消納能力，有力支撐了國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略。

該系列標準打破美國潮流控制技術獨家壟斷，依托其形成以全國產大容量 MMC 換流閥、控制保護、串聯(lián)變壓器等設備為核心的智能電力裝備產業(yè)鏈，推動產業(yè)優(yōu)化升級，提高了民族裝備制造業(yè)的核心競爭力，為打通國產裝備出口壁壘，成果列入“中國制造 2025”先進設備。

5 結論

該系列標準為國內外首套UPFC技術標準，是第一批“國家科技成果轉化為技術標準試點”支撐項目，在UPFC核心技術標準化、成套設備規(guī)范化、工程應用系統(tǒng)化、技術體系國際化等方面實現了技術突破，通過自主創(chuàng)新的先進技術解決制約現代電網發(fā)展的核心問題，打破美國企業(yè)電力潮流控制技術獨家壟斷。該系列標準為UPFC 工程應用提供技術指導和標準保障，填補了柔性交流輸電領域國內外空白，將電網運行水平提升至新高度，提升國產裝備核心競爭力，提升了中國在柔性輸電技術應用領域的話語權。