500kV統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）原理及應(yīng)用

江蘇省電力公司檢修分公司 謝 吉 朱宏杰

500kV統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）原理及應(yīng)用

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本文介紹了UPFC工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景，并結(jié)合蘇州南部500千伏電網(wǎng)UPFC工程，分析了UPFC方案實(shí)施的必要性和實(shí)用性；對(duì)UPFC適用不同工況的多種運(yùn)行方式進(jìn)行闡述，說明了UPFC的靈活性和可靠性。

統(tǒng)一潮流控制器；蘇州南部UPFC工程；錦蘇直流

1.引言

蘇州南部500kV電網(wǎng)的主要電源為錦蘇直流，由于該電源為水電直流，季節(jié)性很強(qiáng)：夏季通常滿送，冬季送端枯水期送電大幅減少（約10-20%），從而使得蘇州南部電網(wǎng)的受進(jìn)電力規(guī)模及潮流分布季節(jié)變化較大。

常規(guī)加強(qiáng)電網(wǎng)的措施存在停電時(shí)間長(zhǎng)、投資巨大、工程實(shí)施困難等一系列問題，在蘇州南部電網(wǎng)加裝500kV UPFC，可有效解決蘇州南部電網(wǎng)直流的送出和消納問題；且UPFC具備動(dòng)態(tài)無功支撐能力，為特高壓直流的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

2.UPFC工作原理

UPFC是由并聯(lián)補(bǔ)償?shù)撵o止同步補(bǔ)償器（STATCOM）和串聯(lián)補(bǔ)償?shù)撵o止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）相結(jié)合組成的新型潮流控制裝置。

圖1 UPFC基本原理結(jié)構(gòu)圖

UPFC原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括通過一個(gè)公共直流端相連接的兩個(gè)VSC。其中一個(gè)VSC逆變器1，通過耦合變壓器與輸電線路并聯(lián)連接；另一個(gè)VSC逆變器2，通過一個(gè)交接變壓器被串聯(lián)插入在輸電線路中。

UPFC的功率變換部分由兩個(gè)變換器通過共用的直流母線連接成背靠背的形式，共用一組直流母線電容，這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)變換器交流端之間的有功功率雙向流動(dòng)，同時(shí)每個(gè)變換器都可以在其交流輸出端產(chǎn)生或吸收無功功率。

在構(gòu)成 UPFC 的雙變換系統(tǒng)中，逆變器2 通過串聯(lián)在輸電線路中的變壓器向電網(wǎng)中注入幅值和相位可調(diào)的電壓Upq，是實(shí)現(xiàn) UPFC電網(wǎng)控制功能的主要部分，其注入的電壓表現(xiàn)為一個(gè)基頻交流同步電壓源，傳輸線的電流流經(jīng)這個(gè)電壓源會(huì)導(dǎo)致其與電網(wǎng)之間的有功、無功功率交換。

變換器1的基本功能就是提供或吸收由變換器2與電網(wǎng)發(fā)生功率交換所致的直流有功功率需求。這種直流有功功率需求由變換器1轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍问讲⑼ㄟ^一個(gè)并聯(lián)變壓器耦合進(jìn)電網(wǎng)。除了補(bǔ)償變換器2所需的有功功率以外，變換器1還能夠產(chǎn)生或吸收可控的無功功率，為線路提供獨(dú)立的并聯(lián)無功補(bǔ)償。

從本質(zhì)上說，UPFC事實(shí)上可以看成為一個(gè)與系統(tǒng)同頻、幅值和相角可控、與傳輸線串聯(lián)的同步電壓源Upq。其幅值Upq的可控范圍為0 ≤Upq≤Upqmax；相角ρ（以下簡(jiǎn)稱UPFC的控制角）的可控范圍為0 ≤ρ≤ 2π。將其串聯(lián)于雙機(jī)系統(tǒng)中的傳輸線上，可得如圖2所示含有UPFC傳輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖。

圖2 含有UPFC的傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖

圖中Us、Ur和UX分別表示為系統(tǒng)的送端系統(tǒng)電壓、受端系統(tǒng)電壓和傳輸線電抗壓降。由圖2可見，UPFC借助于可調(diào)的幅值Upq和可調(diào)的相角ρ與傳輸線產(chǎn)生有功功率和無功功率的交換，因此，通過調(diào)整合適的Upq和ρ可以達(dá)到控制線路傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率的目的，這就是UPFC的基本工作原理。

3.UPFC應(yīng)用場(chǎng)景

UPFC可實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、相角調(diào)節(jié)、線路阻抗補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)的潮流控制與無功補(bǔ)償控制功能，在電網(wǎng)中具備廣泛應(yīng)用的前景。

“十三五”期間，江蘇電網(wǎng)區(qū)外來電比例由目前的19%上升至39%，風(fēng)電、光伏等隨機(jī)性可再生能源的裝機(jī)容量將由目前的854萬千瓦增長(zhǎng)至1800萬千瓦。由于風(fēng)電等隨機(jī)性可再生能源的出力波動(dòng)及區(qū)外來電（如水電直流）的季節(jié)性變化，電網(wǎng)潮流復(fù)雜多變、難以控制，直接影響到特高壓區(qū)外來電的受進(jìn)。同時(shí)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)電能使用的需求增長(zhǎng)與電網(wǎng)建設(shè)占用土地、環(huán)境資源的矛盾日益突出，特別是人口密集、負(fù)荷密度高的蘇南負(fù)荷中心，建設(shè)新的輸電走廊變得異常困難，工程投資也非常高昂，甚至無法實(shí)施。

圖3 UPFC接入方案示意圖

蘇州南部500千伏電網(wǎng)在規(guī)劃發(fā)展中存在的主要問題是直流小方式下的受進(jìn)問題和直流大方式下雙極閉鎖后需大量拉限負(fù)荷的問題。為解決蘇州南部電網(wǎng)直流的送出和消納問題，在木瀆變北面選擇站址建設(shè)UPFC。接入系統(tǒng)方案為裝設(shè)UPFC裝置一套，將梅里～木瀆雙線雙開換入U(xiǎn)PFC，實(shí)現(xiàn)UPFC裝置在木瀆～梅里雙線的控制功能，UPFC接入系統(tǒng)方案如圖3所示。

4.蘇州南部500千伏電網(wǎng)UPFC工程

UPFC成套裝置包括一次主設(shè)備和二次控制保護(hù)設(shè)備兩部分。蘇州南部500千伏電網(wǎng)UPFC工程的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

紅色虛框內(nèi)為UPFC成套一次設(shè)備，主要包括串接至線路的GIS設(shè)備、一臺(tái)三相并聯(lián)變壓器、兩臺(tái)串聯(lián)變壓器、三組IGBT電壓源換流閥及閥冷卻設(shè)備、兩套晶閘管旁路開關(guān)、直流回路、橋臂電抗器、變壓器機(jī)械旁路開關(guān)以及一些連接的開關(guān)、刀閘、避雷器和互感器等。

二次設(shè)備包括UPFC控制保護(hù)設(shè)備、后臺(tái)工作站、交流保護(hù)設(shè)備、閥控制設(shè)備、輔助系統(tǒng)、直流屏等。

圖4 UPFC成套設(shè)備范圍

1）串聯(lián)變壓器

本工程串聯(lián)變壓器采用戶外油浸式三相一體設(shè)備，容量為300MVA，電壓等級(jí)43.5/105/10kV，采用ONAN/ONAF冷卻方式，接線型式III/Yn/△接法，III側(cè)為串接在線路中，Y側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地，△側(cè)為平衡繞組。串聯(lián)變壓器示意圖見圖5。

圖5 500kV串聯(lián)變壓器示意圖

2）并聯(lián)變壓器

本工程并聯(lián)變壓器采用戶外油浸式三相一體設(shè)備，容量300MVA，電壓等級(jí)500/94/35kV，采用ONAN/ONAF冷卻方式，接線型式Y(jié)n/Y/△接法，中壓Y側(cè)中性點(diǎn)通過高阻接地，△側(cè)為35kV側(cè)供站用變。

3）串聯(lián)變壓器500kV側(cè)GIS

串聯(lián)變壓器500kV側(cè)交流設(shè)備采用戶外GIS設(shè)備，每臺(tái)串聯(lián)變壓器對(duì)應(yīng)一臺(tái)GIS，共兩臺(tái)。如圖6所示，GIS設(shè)備包含有一臺(tái)500kV旁路斷路器、一臺(tái)500kV交流斷路器、三臺(tái)雙接地隔離刀閘、一臺(tái)單接地隔離刀閘、三臺(tái)單相500kV電流互感器和6臺(tái)單相的500kV電壓互感器。

圖6 串變500kV側(cè)GIS組合設(shè)備

4）并聯(lián)變壓器500kV側(cè)GIS

并聯(lián)變壓器500kV側(cè)交流設(shè)備采用戶外GIS設(shè)備。包含有一臺(tái)500kV斷路器、兩臺(tái)500kV雙接地隔離刀閘、三臺(tái)單相電壓互感器和三臺(tái)單相電流互感器。

5）IGBT換流器

本工程采用基于IGBT可控器件的半橋式模塊化多電平電壓源換流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。橋臂中的每個(gè)子模塊可以獨(dú)立控制，每相上、下兩個(gè)橋臂的電壓和等于直流母線電壓。交流電壓由每相中兩個(gè)橋臂的子模塊旁路比例來控制，橋臂中的子模塊越多，交流電壓的諧波越小。每個(gè)橋臂裝設(shè)橋臂電抗器，閥側(cè)和直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，橋臂電流迅速上升，橋臂電抗抑制這一電流上升速度。

換流閥是組成換流器的基本組件，是交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的分界點(diǎn)和轉(zhuǎn)換器。本工程中換流閥使用的電力電子器件是普通模塊式封裝的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。換流器為空氣絕緣、內(nèi)冷為水冷卻的多電平戶內(nèi)支撐式IGBT閥。

圖7 IGBT換流器結(jié)構(gòu)

6）晶閘管旁路開關(guān)

晶閘管旁路開關(guān)的作用是在換流器故障時(shí)，迅速隔離換流器，保證交流線路不受故障影響；在線路故障時(shí)，迅速旁路變壓器，保證換流器不受沖擊。晶閘管旁路開關(guān)的特點(diǎn)是：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)其有電壓無電流，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)有電流無電壓、且其故障電流大、時(shí)間短。

7）控制保護(hù)系統(tǒng)

控制保護(hù)系統(tǒng)是整個(gè)統(tǒng)一潮流控制器系統(tǒng)的大腦，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及所有設(shè)備的控制、監(jiān)視和保護(hù)。二次系統(tǒng)構(gòu)成分為站監(jiān)控層、間隔層、就地層、站LAN網(wǎng)、站級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線及現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)。

8）接地電阻采用戶外安裝三相大功率高壓電阻器成套裝置，采用ONAN冷卻方式。

9）啟動(dòng)電阻采用戶外安裝的單相大功率高壓電阻器，采用ONAN冷卻方式。

10）串聯(lián)電抗器采用戶外干式空心電抗器。

11）35kV開關(guān)柜推薦選用移開式開關(guān)柜，1250A、25kA的真空斷路器。35kV站用變壓器推薦選用戶外油浸式，有載調(diào)壓變壓器，容量為2500kVA。

12）直流測(cè)量裝置

直流極線電流測(cè)量裝置采用電子式電流互感器；直流電壓測(cè)量裝置采用阻容分壓型。

5.UPFC三種運(yùn)行方式

UPFC運(yùn)行方式：一個(gè)換流器并聯(lián)接入交流系統(tǒng)，另外一個(gè)或者兩個(gè)換流器通過串聯(lián)變壓器串聯(lián)接入220千伏母線，換流器直接側(cè)連接。

STATCOM運(yùn)行方式：一個(gè)或者多個(gè)換流器通過并聯(lián)變壓器并聯(lián)接入交流系統(tǒng)，換流器直流側(cè)斷開。

SSSC運(yùn)行方式：一個(gè)或者兩個(gè)換流器分別通過串聯(lián)變壓器串聯(lián)接入220千伏母線，換流器直流側(cè)斷開。

6.存在的問題和解決方案

在UPFC安裝位置確定的前提下，潮流控制的預(yù)期效果與UPFC容量大小密切相關(guān)。潮流的調(diào)控方向無論是提升或是降低，其控制量大小均最終反映為一定的UPFC容量，控制量越大，所需要的UPFC容量也越大。

安裝UPFC后可提高斷面的輸電能力，輸電能力的提高直接體現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)效益的增加，安裝不同容量的UPFC對(duì)于系統(tǒng)最大輸電能力有不同程度的提高，為系統(tǒng)帶來不同的收益，但同時(shí)安裝容量的大小與設(shè)備投資成本直接相關(guān)。

因此，UPFC容量選擇需要兼顧控制效果與經(jīng)濟(jì)效益兩方面的因素，綜合選取最優(yōu)的安裝容量。

7.結(jié)語

作為串并聯(lián)型FACTS裝置中最具代表意義的設(shè)備，UPFC除了在潮流實(shí)時(shí)控制上能夠發(fā)揮強(qiáng)大的作用外，同時(shí)在動(dòng)態(tài)無功電壓支撐方面可與STATCOM相媲美。在錦屏水電直流落戶的蘇州南部500千伏電網(wǎng)運(yùn)用UPFC，可同時(shí)充分發(fā)揮UPFC潮流控制和無功電壓支撐兩個(gè)方面的功能，提高了直流換流站運(yùn)行可靠性，且增加了電網(wǎng)供電能力及適應(yīng)性?？梢?，在蘇州南部500千伏電網(wǎng)應(yīng)用UPFC具有較好的實(shí)用性。

[1]經(jīng)研咨〔2016〕187號(hào).國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院關(guān)于江蘇蘇州南部電網(wǎng)500千伏UPFC示范工程可行性研究的評(píng)審意見.

[2]中國(guó)電科院.500kV統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)需求分析報(bào)告.

[3]江蘇省電力設(shè)計(jì)院.江蘇蘇州南部電網(wǎng)500千伏UPFC示范工程可研.