统一潮流控制器UPFC简介

1. UPFC勺原理和功能简述2.1 UPFC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Vdc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。参数设定图2-1 UPFC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Vdc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 Vb保持为0和VBmax以内，并且使相角b保持在0和360之间，并通过串联变压器将电压V&叠加到线 路电压上。通过控制V&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A2.2 UPFC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。Upq(b)(c)图2-2 UPFC主要控制功能(d)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。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（EPR）、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Beaver Creek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组,38kV线路两端压降仍可咼达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Inez UPFC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 160Mvar STATCOM320Mvar STATCOM160Mvar SSSC320MVA UPFC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3-1 INEZ UPFC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。图3-2 INEZ UPFC整体布局UPFC大楼占地约米x 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3-3 UPFC阀厅布局韩国Kangjin UPFC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-Yeos发生故障会导致 Kangjin地区电压严重 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。Kangjin UPFCT程是FACT取术在韩国 345kV骨干电网系统应用前的验证性项目。（2）系统构成Kangjin UPFCE程的电气主接线形式如图3-4所示，UPFC能运行在40Mvar STATCOM 40Mvar SSSC和 80MVA UPFC模式。图3-4 Kangjin UPFC 工程电气主接线Kangjin UPFCE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(15440Y- 串联变压器40Open Y- 耦合变压器Open Y- Ka ngjin UPFCE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 的额定交流电压为，额定交流电流为。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（Convertible Static Compensatqr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CSCX程的系统接线形式能够 灵活变化，实现 100MVA STATCOM200MVA STATCOM100MVA SSSC 200MVA SSSC 200MVA UPFC 200MVA IPFC等多种运行模式。扶遼憲1处尢崙II图3-5 CSC工程电气主接线图NYPA CS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3-6 CSC工程的整体布局户内建筑体积约为米X米X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（士 kV）,阀厅必须注重防尘和除湿，因此独立配备风道。阀厅大 小约为米X米，高度为米。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。/ RUU 54事一3*1*1”.礼Hi tt, Pl删曉虚| r Ji. fa.U B.匚 丁- -Tin m 11D图3-7 Marcy CSC户内设备布局附录A UPFC装置详细原理UPFC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（Voltage Sourced Converter, 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 0Upq，相角变化范围 为0360。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。图A-1 UPFC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。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。图A-2接入UPFC装置的输电系统及相量图(b)相量关系j sin2Urj-Ue 2 U cos2j sin(A-1)UpqUpqe2Upqcos -2j sin 2假设输电系统送端、受端及UPFC串联注入电压为j UsUe 2 U cos2可以推导输电系统受端功率为Pu2 .sin XUUpq .X sinQrU 2cos1UU pqcos(A-2)XXn当 2 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。A气/ OJ/ 工上 0 / f書*/ y J / / /卄-、t t r / 妣 f / /、f r f r / y j z* t t图A-3 接入UPFC装置的双机系统功角特性曲线将式（A-2 ）作适当变换，可得2 2 2UUPrsinQr cosXX2UU pq maxX(A-3)取不同值时，输电系统受端有功功率P|与无功功率Qr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UPFC，对于系统的优化运行（优化潮流分布、提高系统稳定极限、增大系统稳定裕度）具有重要意义UPFC的动态性能为了考察UPFC的动态特性，在 PSCAD/EMTDC环境下建立了UPFC的动态仿真模型。该模型忽略了装置输出谐波的影响， 考虑了并 联侧、直流侧和串联侧动态，可用于潮流控制、暂稳控制、阻尼控制 等研究。UPFC装设在双回线中一回线路的首端。随着指令阶跃变化，UPFC可实现对受控线路有功、无功功率的独立、快速、精确、连续控 制，如图A-5所示。 Ul-500图A-5 UPFC潮流控制性能当系统遭受动态干扰并引发功率振荡时，UPFC可对输电线路的功率进行强制控制从而能很好地阻尼系统振荡。通常将阻尼控制和潮流 控制综合进行考虑，在潮流控制的基础上叠加阻尼控制。实际可米用 线路有功功率偏差作为阻尼控制的输入信号，通过阻尼控制器，输出 阻尼控制信号damp-sig,用以调节线路功率控制的参考值，从而达到 增加系统阻尼、平息振荡的目的。系统遭受小干扰后，UPFC不进行控 制、UPFC采用移相控制附加阻尼控制，以及采用自动潮流控制附加阻 尼控制时，发电机电磁功率，角度变化率，以及串联注入电压和线路 电流的波形如图A-6所示。Afd JV Xzr P 一 -Jijii 1i -r lTrn_IIIIjt. aUPFC未进行控制（b）移相控制+阻尼控制（c）自动潮流控制+阻尼控制图A-6 UPFC阻尼功率震荡仿真波形由仿真波形可见，在系统发生功率振荡时，UPFC可通过不同的控 制方式阻尼功率振荡，效果也有所不同。附录B UPFC装置初步设计电气主接线单套UPFC装置的电气主接线如图B-1所示。两台背靠背换流器 分别通过并联耦合变压器TR-SH和串联耦合变压器TR-SE接入系统。 两台换流器直流侧通过直流开关 SWDC相连。TR-SH容量为50MVA， 一次侧接入220kV母线，二次侧连接并联侧换流器；TR-SE容量为 50MVA，系统侧绕组串联接入220kV线路；阀侧绕组连接串联侧换流 器。BPSW为晶闸管旁路开关，角接在 TR-SE的阀侧，主要用于快速 转移流过串联侧换流器的故障电流。L1I L1BRKSHISH1TR-SHY/d11I VSC1220kV母线暇Ush；TV1Y/yn/ HVB-SETR-SE1ISE1I BP1UlBPSWiMMC-VSC1SWDCI1MMC-VSC2图B-1 UPFC电气主接线图平面布局整体设备布局如图B-3所示，包括两台UPFC。图中阀厅为2层, 两层分别放置一套UPFC阀体和35kV开关柜。其余均为一层，包括所 有的进线开关、变压器和传感器，220kV开关柜选择GIS开关柜。容翳 iHAtu 吋轉昶糧轉 hum imZlhi-,*, -M- . - _2ao佩j