统一潮流控制器(UPFC)简介

11.UPFC的原理和功能简述2.1UPFC的原理简述UPFC的原理结构如图2-1所示。图2-1中并联换流器的作用相当于静止同步补偿器（STATCOM），串联换流器的作用相当于静止同步串联补偿器（SSSC），两者通过直流电容上的电压dcV提供电源，其中有功功率可以在2个换流器的交流端向任一方向自由流动，并且可以在其交流输出端独立的发出或吸收无功功率。并联变压器并联换流器串联换流器串联变压器控制器测量变量参数设定变量参考量BVdcVEaVEbVEcVFcVFbVFaVEVFVlVsV图2-1UPFC的原理结构并联换流器在公用直流联结处提供或吸收串联换流器所需要的有功能量，经换流后到交流端送入与输电线路并联的变压器，因此在稳态时，不考虑自身损耗，UPFC的两侧有功功率相等，直流电容器既不发出也不吸收有功功率，电压dcV保持恒定。同STATCOM原理相同，并联换流器能够可控的产生或吸收无功功率，当系统需要时，可为线路提供动态无功补偿；串联换流器可控制BV保持为0和maxBV以内，并且2使相角B保持在0和360之间，并通过串联变压器将电压BV叠加到线路电压上。通过控制BV的幅值和相角，UPFC就可实现传统的电力传输中的串联补偿和移相等功能。UPFC的详细原理可见附录A。2.2UPFC的功能UPFC是由串联补偿的SSSC和并联补偿的STATCOM有机结合构成的新型潮流控制装置，能同时调节线路阻抗、节点电压幅值和相位，仅通过控制规律的改变，就能实现并联补偿、串联补偿和移相等多种功能，达到优化系统潮流分布、最大化电网传输能力、改善系统动态响应性能等目的。sUspqUUspqUUsUspqUUpqUIsUspqUUpqUsUspqUUpqU(a)(b)(c)(d)图2-2UPFC主要控制功能图2-2为UPFC的各种控制功能。图2-2(a)为电压调节功能，即UPFC串联注入电压与送端电压的方向相同或相反，即只调节电压的幅值，不改变电压的相位。图2-2(b)为串联补偿功能，补偿电压与线路电流的相位垂直。图2-2(c)为相角调节功能，即不改变电压的幅值，只改变电压的相角，此时UPFC产生的补偿电压在图中所示的弧线上，相当于移相器。图2-2(d)为自动潮流控制功能，此时UPFC是前面三种功能的综合。UPFC的控制器可以根据系统的需求，选择一种或多种功能的组合3作为其控制目标。UPFC不同于其它FACTS装置之处在于，它能同时控制母线电压、线路有功和无功潮流。在电网中应用UPFC，第一，能够合理控制线路潮流，实现经济运行；第二，有助于实现无功优化，提高系统电压稳定性；第三，施以合适的控制，UPFC能够改善系统阻尼，提高功角稳定性。2.UPFC工程应用现状自从UPFC技术发明之后，美国、德国、韩国等国的大公司和研究机构先后研制了三套高电压、大容量的UPFC装置，并已经在电力系统中实际运行。本节对这三套UPFC装置的工程背景、系统构成等情况进行简单介绍。3.1美国INEZ地区UPFC工程（1）工程概况美国电力公司（AEP）与美国电力研究院（EPRI）、西屋公司合作，研制了世界上第一套UPFC装置（138kV、320MVA），安装在东肯塔基州的Inez变电站，于1998年6月投运，大幅提高了电网输送能力和电压稳定性。Inez变电站的地区负荷为2000MW，由几条长距离重负荷的138kV线路供电，其周边地区有发电厂和138kV变电站。系统电压由20世纪80年代早期安装在BeaverCreek的SVC及几个138kV及更低电压等级的输变电站的并联电容器组支撑。尽管该地区安装了很多并联电容器4组，138kV线路两端压降仍可高达7%~8%。系统正常运行时，许多138kV线路输送的功率高达300MVA，远远超过了线路自然功率，电网对紧急事故的稳定裕度很小，一旦发生故障，就可能导致大面积的停电事故。经过分析和计算机模拟研究表明，Inez地区迫切需要增加线路传输容量并提供电压支撑，除了新建线路、变电站扩容外，AEP还决定在Inez变电站安装一套UPFC，作为AEP输电系统升级改造的一部分。（2）系统构成InezUPFC工程的电气主接线如图3-1所示。通过开关操作，UPFC可运行在160MvarSTATCOM，320MvarSTATCOM，160MvarSSSC，320MVAUPFC模式。并联侧变压器采用主、备用相结合的方式，增强了UPFC的可靠性、灵活性。图3-1INEZUPFC系统主接线整体布局如图3-2所示。换流阀安装于室内，变压器、连接电抗安装于户外。5BigSandy线路曲折变压器（中间耦合变压器）串联主变并联主变并联备用变冷却散热系统（户外部分）UPFC大楼（换流阀+控制系统）图3-2INEZUPFC整体布局UPFC大楼占地约30.5米×61米，包括换流阀厅、控制室、配电室、电源室等，如图3-3所示。图3-3UPFC阀厅布局3.2韩国KangjinUPFC工程（1）工程概况韩国电力公司(KEPCO)和韩国电科院(KEPRI)、Hyosung公司、西门子公司合作，研制了世界上第二套UPFC装置（154kV，80MVA），安装在朝鲜半岛南半部的Kangjin变电站，于2003年投运，解决该地区电压偏低和电网过负荷问题。Kangjin地区主要由345kV长线路供电，线路Shinkwangju-Shinkangjin或Kwangyang-Yeosu发生故障会导致Kangjin地区电压严重6偏低，154kV线路过负荷。由于路权问题，该地区的新建线路计划被推迟，因此急需FACTS技术提供电压支撑和潮流转移手段。为了保障该地区电网正常运行，电力公司在Kangjin变电站安装UPFC，向系统提供无功支撑，改善系统潮流分布。KangjinUPFC工程是FACTS技术在韩国345kV骨干电网系统应用前的验证性项目。（2）系统构成KangjinUPFC工程的电气主接线形式如图3-4所示，UPFC能运行在40MvarSTATCOM，40MvarSSSC和80MVAUPFC模式。图3-4KangjinUPFC工程电气主接线KangjinUPFC工程变压器主要参数如表3-1所示。表3-1变压器参数变压器变比(kV)容量(MVA)连接形式并联变压器(154/1.732)/14.84540Y-Δ串联变压器6.061/14.84540OpenY-Δ耦合变压器4.857/8.23922.2OpenY-ΔKangjinUPFC工程的串、并联侧换流器结构相同，均采用三相三电平换流器二重化方式，构成容量为40MVA的24脉动换流器。换流器7的额定交流电压为14.845kV，额定交流电流为1.55kA。3.3美国纽约地区CSC工程纽约电力公司和美国电科院，西门子公司合作，研制了世界上第一套CSC(ConvertibleStaticCompensator，也称广义UPFC)装置（345kV，200MVA），安装在纽约州Marcy变电站，于2004年6月投运，解决区域间电力输送瓶颈问题，促进该地区实现电力经济调度。Marcy变电站位于纽约州的东南部地区，该地区负荷持续增长（预计每年增加3%），却没有相应的新增电源计划，所需电力主要由7条115kV到345kV的区域联络线馈入。受电压稳定性限制，联络线传输功率最低仅为线路额定传输容量的25%，最高也不超过75%，因此需要采取有效手段挖掘已有线路的输电能力。研究表明，导致该地区线路输送能力受限的系统约束随着负荷实时变化，多种补偿需求相互交织。电力公司在Marcy变电站安装灵活性最强的CSC装置，满足该地区电网在多种运行工况下的补偿需求。（2）系统构成如图3-5所示，通过开关操作，纽约CSC工程的系统接线形式能够灵活变化，实现100MVASTATCOM，200MVASTATCOM，100MVASSSC，200MVASSSC，200MVAUPFC，200MVAIPFC等多种运行模式。8图3-5CSC工程电气主接线图NYPACSC工程的整体布局如图3-6所示，包括变压器、隔离开关、空芯电抗器、CT、互联铝母线等传统户外设备，以及换流器、冷却系统、控制、保护等户内设备。图3-6CSC工程的整体布局户内建筑体积约为28.96米×35.66米×8.23米，包括换流阀厅、控制室、配电室、电池电源室和机械设备室，如图3-7所示。逆变器正常工作时直流电压较高(±6.014kV)，阀厅必须注重防尘和除湿，因此独立配备风道。阀厅大小约为21.95米×29.87米，高度为6.1米。9两台换流器各自采用独立的冷却系统，大部分热量由水循环系统送至风冷系统，冷却系统中的水/风热交换器位于户外，并紧靠大楼的一侧，同侧室内为冷却系统的水泵和净化设备。图3-7MarcyCSC户内设备布局10附录AUPFC装置详细原理A.1UPFC的结构UPFC的结构如图A-1所示。UPFC的功率回路包括两个共用直流母线的电压源换流器（VoltageSourcedConverter,VSC），其中VSC1通过并联耦合变压器并联在母线路上，VSC2通过串联耦合变压器串联在线路中。两个VSC的直流电压由公共直流电容器组提供。VSC2输出电压相量串联注入线路中，其幅值变化范围为0～Upq，相角变化范围为0～360。在这一过程中，VSC2与线路既可以交换有功功率，又可以交换无功功率。虽然无功功率是由VSC2内部发出或吸收的，但有功功率的发出或吸收需要直流储能元件。VSC1主要用来向VSC2提供有功功率，同时维持直流母线的电压恒定。这样，从交流系统吸收的净有功功率就等于两个VSC及其耦合变压器的损耗。11图A-1UPFC结构示意图UPFC的控制系统从功能上可分为内部控制和外部控制。其中，内部控制就是对两个VSC的运行进行控制，它产生规定的串联注入电压指令，同时吸收期望的并联无功电流。内部控制还要为VSC阀提供触发信号，使VSC输出电压按照图A-1所示的控制结构对内部参考输入具有适当的响应。UPFC的外部控制决定了它的运行功能，其参考输入决定了UPFC的运行模式和补偿要求，可由现场工作人员进行设置，也可由专门的自动控制系统进行最优控制。A.2含UPFC的输电系统运行特性图A-2为UPFC接入输电系统示意图，串联侧的补偿功能用电压相量Upq表示。sUrUpqUXrUsUpqU2UPrjQrCP2U（a）简化电路（b）相量关系图A-2接入UPFC装置的输电系统及相量图假设输电系统送端、受端及UPFC串联注入电压为222cossin22cossin22cossin22jsjrjpqpqpqUUeUjUUeUjUUeUj（A-1）可以推导输电系统受端功率为1222sinsincos1cospqrpqrUUUPXXUUUQXX（A-2）当π2时，Upq对线路功率P的作用最大。图A-3绘出了不同Upq的功角特性曲线。，UPFC可以控制线路功率P在较大范围内变化，因此能够较好地适应输电系统对功率变化的需求。图A-3接入UPFC装置的双机系统功角特性曲线π2将式（A-2）作适当变换，可得22222maxsincos1pqrrUUUUPQXXX(A-3)取不同值时，输电系统受端有功功率rP与无功功率rQ之间的关系曲线如图A-4所示。可以看出，UPFC大大扩展了输电系统的原有的运行范围，特别是=90时，如果没有UPFC的补偿，输电系统已经到达稳定运行极限，而加入UPFC后，系统的运行范围（蓝色曲线）已经大大超出原有范围（红色曲线），而系统仍然能够稳定运行，所以UPFC能大大扩展系统P-Q运行范围。如果一个系统中安装适当数量的13UPFC，对于系统的优化运行（优化潮流分布、