UPFC的原理与应用实例.doc

UPFC的原理与应用实例 1、 UPFC的工作原理图1 为统一潮流控制器（Unified power flow controller，UPFC）的原理图。由图可以看出UPFC装置可以看成是由STATCOM装置和SSSC装置的直流侧并联而成。基于变流器的并联型补偿器，如STATCOM装置，它可以有效地产生无功电流，补偿系统无功功率，维持节点的电压，但是对线路的电压补偿能力较弱；而基于变流器的串联补偿装置，如SSSC装置，可以有效地补偿输电线路的电压，控制线路的潮流，但是对无功电流的补偿能力不强。将两个装置综合起来，便组成了UPFC装置。它既具有很强的补偿线路电压能力，又有很强的补偿无功功率的能力。而且还具有在四个象限内吸收、发出有功功率，也可以吸收发出无功功率的作用，具有非常强的控制线路潮流的能力。 图1 UPFC的原理图在图1中，右侧的串联部分主要实现的功能有：控制补偿电压Uc的大小Uc与相角，相当于可控的同步电压源；并联部分的功能是：提供或者吸收有功功率，为串联部分提供能量支持及进行无功补偿。因此，UPFC有多种控制功能：电压调节、串联补偿、相角调节、多功能潮流控制，这也说明了UPFC具有很强的灵活性。UPFC各种功能的实现取决于其控制方法，使用良好的控制方法，可以提高UPFC改善电力系统的稳定性和传输能力。从图1就可以看出，UPFC的控制系统分为两部分，即并联部分的控制和串联部分的控制，其中并联部分的控制目标是使UPFC产生适当的补偿电流矢量ic并维持直流侧电压的稳定，而串联部分的控制目标是使UPFC产生所需要的补偿电压矢量ucref。图2为串联部分的控制框图。通过给定串联部分输出的有功功率和无功功率参考值及系统的电压，可以计算出串联部分输出的有功电流分量和无功电流分量的参考值（ip*，iq*）；将UPFC装置串联部分的实际输出有功电流分量（ip，iq）和无功电流参考值比较产生差值，产生的差值经过PI放大器放大，可以得到串联部分补偿电压的大小和相位；限幅器的使用可以防止串联部分出现超限值和低限值补偿，通过锁相环获得系统电压的相角，来计算出串联变流器实际补偿电压的大小和相位，补偿电压的大小和相位产生相应的驱动脉冲来控制变流器的开关器件。 图2 UPFC 装置串联变流器控制框图图3 为并联部分的控制框图。该控制方法不仅可以维持系统电压为给定的参考值外，还可以保证直流侧电压恒定，维持系统电压的恒定主要靠UPFC并联部分的无功电流来实现，而维持直流侧电容电压的恒定则通过控制有功电流分量来实现。和串联控制器类似，在该控制系统中，加入了无功电流限幅器，锁相环及脉冲驱动环节产生合适的驱动脉冲去控制并联变流器中开关器件的开通关断。 图3 UPFC 装置并联变流器控制框图并联部分的控制还有一种形式，就是不控制直流侧电压恒定的控制，此时，只需将图3中的控制直流电压略去即可。这种控制方法简单，容易实现。但是如果串联部分需要较大的有功功率支撑，并联部分不对直流侧电压进行控制容易导致直流电压波动大，有可能危及装置的安全，因此，只有串联部分对有功功率的不大时才采用这种制方法。2、 UPFC的应用实例1991年L.Gyugyi博士首先提出了统一潮流控制器（UPFC）的概念。目的就是为了实现交流输电系统的实时控制和动态补偿，以解决系统输电时存在的各种问题，并提出多功能、灵活的解决途径。将SSSC和STATCOM结合起来组成一个装置就是UPFC装置，具有独立控制有功功率和无功功率的能力。它能将换流器产生的交流电压通过变压器串入输电线路加在线路相电压上，使线路的电压幅值和传输相角连续变化，以实现线路有功和无功潮流的准确调节，同时可提高线路的输送能力并阻尼系统振荡。1998年，美国电力（American Electric Power, AEP）和西屋公司以及美国电力科学研究院合作，研制了世界上第一台UPFC装置在肯塔基州东部的Inez变电站应用，它安装在美国138kV高压传输线上，它的主电路采用由GTO组成的8重化三水平GTO结构，输出48k1该UPFC采用了二台容量为160MV有源电压变流器。作为预期控制能力最强的控制器，Inez的UPFC所带来的效益是显著的，在每年减少24MW有功损耗的同时，还减少了过热负荷及低电压，增加了现有系统的传输容量，并提高了系统的动态特性。2004年韩国晓星株式会社与西门子（美国）合作制成的一套UPFC装置运行在韩国kangjin变电站，该装置由40MVA的串联部分和40MVA的并联部分组成，电压等级为154kV。我国UPFC装置的研究区起步较晚。最早开始UPFC物理模型和设备研制工作的是中国电力科学院，在1995年完成一套UPFC的实验装置。哈尔滨工业大学和清华大学完成了物理模型为4kVA（有文章也称为5kVA）的实验装置，其换流器采用智能功率模块（IPM），型号是日本三菱公司的IPM25RSB120。在IPM中主开关器件为第三代IGBT，每只IPM中包含三相全桥的6只功率器件及一只耗能制动器件。并在清华大学重点实验室做了实验研究并取得了良好的效果。我国科研单位和高校人员对UPFC的实现进行探索性的研究，提出了各种数学模型和控制策略，也做出了试验研究装置，但实际装置却未见详细报道。我觉得该装置的未在实际电网中应用的原因有：由于有些电网网架结构合理，电气联系紧密，电网本身就有很高的安全裕度，这种情况下就要考虑装置的安装经济性；另外由于UPFC装置控制结构复杂，而常规的一些补偿装置结构和控制简单经济，但也能满足系统控制潮流的要求，这也制约了其在电力系统的实际应用。