陳　剛，劉建坤，李　群

（1.江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

專論與綜述

統(tǒng)一潮流控制器技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用分析

陳剛1，劉建坤2，李群2

（1.江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是功能最全面、技術(shù)最復(fù)雜的柔性交流輸電技術(shù)，文中在介紹UPFC的技術(shù)原理、運(yùn)行方式等基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了UPFC的換流器技術(shù)發(fā)展，并介紹了國外UPFC的應(yīng)用情況和使用背景。文中對南京西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程的必要性進(jìn)行了研究，并詳細(xì)介紹了工程的接入系統(tǒng)、UPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、換流器結(jié)構(gòu)、串并聯(lián)側(cè)接入和直流場方案等，并對工程的綜合效益進(jìn)行了分析，結(jié)果表明UPFC技術(shù)對于解決南京西環(huán)網(wǎng)潮流控制問題具有十分重要的作用。

柔性交流輸電；統(tǒng)一潮流控制器；模塊化多電平換流器；潮流控制；穩(wěn)定性

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，區(qū)域內(nèi)發(fā)電和負(fù)荷分布不均衡、輸變電設(shè)備潮流分布不均勻問題日益突出，設(shè)備重載和輕載問題并存，而受制于重載設(shè)備的承受能力、電網(wǎng)供電能力難以得到充分利用。此外，由于城市規(guī)劃的限制，線路改造和電網(wǎng)擴(kuò)建難度日益增大［1，2］。因此，在現(xiàn)有網(wǎng)架的基礎(chǔ)上如何提高電網(wǎng)的輸電能力、改善電網(wǎng)的潮流分布、保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行是當(dāng)前亟待解決的問題。統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是目前為止功能最全面、控制范圍最廣且特性最優(yōu)越的柔性交流輸電裝置［3-5］。UPFC通過調(diào)節(jié)串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)換流器輸出電壓的幅值和相角，可以獨(dú)立或同時對受控母線的電壓幅值、受控線路的有功和無功功率進(jìn)行快速控制［6］，為改善電網(wǎng)的潮流分布、提高線路輸電能力提供了新思路和新技術(shù)。目前，國內(nèi)還未有UPFC的實(shí)際工程投產(chǎn)，其研究主要集中在仿真建模、控制策略等方面，其中電源型模型［7］詳細(xì)地闡述了UPFC的基本原理，功率注入模型［8］在不改變原有電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的基礎(chǔ)上嵌入UPFC進(jìn)行潮流計(jì)算，動態(tài)模型［9］結(jié)合不同控制器有效地對系統(tǒng)的潮流、節(jié)點(diǎn)電壓和暫態(tài)穩(wěn)定控制進(jìn)行分析［10-12］。但是，大多數(shù)研究僅限于理論層面，針對實(shí)際電網(wǎng)工程中的應(yīng)用研究還較少。

文中對UPFC的技術(shù)原理和發(fā)展歷程進(jìn)行了概括總結(jié)，闡述了UPFC的運(yùn)行方式，介紹了模塊化多電平換流器（MMC）技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)，討論了UPFC的作用及其在國外實(shí)際電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。研究了在南京西環(huán)網(wǎng)加裝UPFC的必要性，并提出了南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程的接入系統(tǒng)、UPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、換流器結(jié)構(gòu)、串并聯(lián)側(cè)接入和直流場的詳細(xì)方案，方案對于UPFC工程的示范推廣具有重要參考價值。

1　UPFC技術(shù)及發(fā)展

1.1 統(tǒng)一潮流控制器技術(shù)原理

UPFC的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由2個共用直流側(cè)的電壓源換流器（VSC）組成［13］。VSC1通過控制直流電壓恒定來維持UPFC內(nèi)部有功功率的平衡，為串聯(lián)部分的有功功率提供了通道，同時向系統(tǒng)提供無功功率補(bǔ)償，以便支撐和調(diào)整節(jié)點(diǎn)1的電壓。VSC2可以在其能力的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)2的電壓幅值和相角，從而控制了節(jié)點(diǎn)2與系統(tǒng)受端之間的有功功率、無功功率［7，14］。

圖1 UPFC的典型結(jié)構(gòu)

在UPFC的眾多穩(wěn)態(tài)模型中，電源型模型最能夠詳細(xì)解釋UPFC的基本原理，該模型的等效電路如圖2所示。加裝UPFC后，線路潮流為：

由式（1）可以看出，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)側(cè)等效電壓源的幅值和相角，能夠改變注入節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的附加功率，從而改變線路潮流分布，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。

圖2串聯(lián)電壓源和并聯(lián)電流源的UPFC等效電路

1.2 UPFC的運(yùn)行方式

如圖1所示，UPFC的串聯(lián)電壓源換流器VSC2的結(jié)構(gòu)等效于靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）。其主要運(yùn)行方式［15］有：（1）恒阻抗模式：VSC2注入的可控電壓源的幅值與線路電流成一固定比值，相位可超前或滯后線路電流90°，其相應(yīng)補(bǔ)償電抗為容性或感性；（2）恒電壓模式：VSC2的注入可控電壓源幅值固定，補(bǔ)償電抗隨著線路電流的變化而變化，相位同樣可超前或滯后線路電流90°；（3）恒功率模式：VSC2的注入可控電壓源的幅值與相位同時在不斷變化，保證線路潮流固定在某一參考值。

并聯(lián)電壓源換流器VSC1的結(jié)構(gòu)等效于一臺靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）。其主要運(yùn)行方式［16］有：（1）恒無功模式：VSC1的注入可控電流源的幅值與相位不斷變化，保持恒定無功功率注入；（2）恒電壓模式：VSC1通過調(diào)節(jié)可控電流源的幅值和相位，無功功率可控，保持電壓恒定。

將SSSC和STATCOM運(yùn)行方式進(jìn)行組合可以得到UPFC運(yùn)行方式，其綜合了SSSC和STATCOM運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)，可獨(dú)立控制線路有功、線路無功和節(jié)點(diǎn)電壓幅值。值得指出的是，由于無法實(shí)現(xiàn)有功交換，獨(dú)立的SSSC裝置只能為所串入的線路提供同線路電流相位垂直的串聯(lián)電壓，從而保證其直流側(cè)電壓恒定，而UPFC從結(jié)構(gòu)上作為SSSC和STATCOM的組合，將STATCOM通過直流側(cè)與SSSC耦合后接入電網(wǎng)，可為串聯(lián)側(cè)提供有功支撐，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)的有功交換，從而可以任意調(diào)節(jié)串聯(lián)側(cè)電壓與線路電流之間的相角差，因此可實(shí)現(xiàn)比單獨(dú)SSSC更為強(qiáng)大的潮流控制能力。

1.3換流器技術(shù)

VSC是UPFC最為核心的部件，具有多種拓?fù)湫问?，常見的有兩電平、三電平及多電平等?7，18］。目前實(shí)際工程中廣泛采用的VSC多為兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖3給出了其拓?fù)涫疽鈭D。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對簡單，通常采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），控制相對容易；缺點(diǎn)是過高開關(guān)頻率導(dǎo)致較大損耗、低電壓等級以及串聯(lián)IGBT引起的動靜態(tài)均壓和電磁干擾等，這些缺點(diǎn)限制了其在實(shí)際工程中的進(jìn)一步應(yīng)用。

圖3兩電平VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三電平及多電平VSC拓?fù)渲饕畜槲恍秃图壜?lián)型。根據(jù)箝位器件的不同，箝位型拓?fù)淇煞譃槎O管箝位型、飛跨電容型［19，20］。圖4（a）和圖4（b）分別為二極管箝位型三電平和飛跨電容型三電平拓?fù)涫疽鈭D。相比于兩電平VSC，采用箝位型多電平結(jié)構(gòu)可以有效地提升換流器容量，同時減小可關(guān)斷器件的電壓應(yīng)力，但該種拓?fù)浯嬖谥绷鱾?cè)均壓問題且難以模塊化生產(chǎn)的困難。

圖4三電平VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC是由德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學(xué)的學(xué)者Rainer Marquardt在2001年提出［21］，該換流器采用模塊化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整子模塊的串聯(lián)個數(shù)實(shí)現(xiàn)電壓及功率等級的靈活變化，且可以擴(kuò)展到任意電平輸出。

三相MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，該換流器采用三相結(jié)構(gòu)，每相分為上下2個橋臂，每個橋臂由若干個結(jié)構(gòu)、參數(shù)相同的子模塊（SM）與電抗器L串聯(lián)構(gòu)成［22］。單個SM的結(jié)構(gòu)由上下2個IGBT及其反向并聯(lián)二極管和直流電容組成。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，單個SM有投入和切除2種狀態(tài)，S1導(dǎo)通S2關(guān)斷時為投入狀態(tài)式，SM輸出電壓為電容電壓UC；S1關(guān)斷S2導(dǎo)通時為切除狀態(tài)，SM輸出電壓為0。通過調(diào)整相單元上下橋臂SM處于投入狀態(tài)的個數(shù)即可合成所期望的電壓，該輸出電壓是所有SM輸出電平的代數(shù)和，此外需要保證任何時刻每個相單元中上下橋臂投入的SM個數(shù)之和為定值以維持直流電壓的恒定［23］。

圖5 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC的調(diào)制技術(shù)對MMC的工作性能產(chǎn)生直接影響。目前常用的MMC的調(diào)制技術(shù)主要有：最近電平逼近調(diào)制（NLM）、載波移相脈寬調(diào)制（CSP-SPWM）、空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）和特定次諧波消除調(diào)制方式（SHEPWM）［24-27］。其中，NLM調(diào)制采用階梯波逼近正弦波，原理簡單，動態(tài)響應(yīng)速度快，易于硬件實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是在換流器輸出電平數(shù)較少或調(diào)制系數(shù)較低時，波形質(zhì)量差，輸出的諧波含量增加；CSP-SPWM在較低的器件開關(guān)頻率下可以實(shí)現(xiàn)較高的等效開關(guān)頻率，采用CSP-SPWM時MMC各功率單元的開關(guān)頻率相同，各單元能量分布均衡，且諧波特性良好，但實(shí)現(xiàn)方式較為復(fù)雜；SVPWM在電平數(shù)較高時受到限制；SHEPWM在計(jì)算開關(guān)點(diǎn)時需要求解非線性超越方程，計(jì)算復(fù)雜，動態(tài)特性較差［23］。因此，在實(shí)際工程中，NLM和CSP-SPWM的應(yīng)用較為廣泛。

與傳統(tǒng)的兩電平、三電平VSC相比，MMC拓?fù)溆兄@著優(yōu)勢：MMC的輸出波形十分平滑，幾乎接近于標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓，因此MMC可大大減少濾波器容量甚至不需要裝設(shè)濾波裝置，從而節(jié)省了系統(tǒng)諧波抑制設(shè)備的投資；MMC開關(guān)器件的開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗也相應(yīng)減少；MMC結(jié)構(gòu)的高度模塊化，可以滿足不同的電壓等級和功率等級的需要，能夠?qū)崿F(xiàn)任意電平的輸出，方便容量升級，利于集成化、降低成本和提高系統(tǒng)可靠性［24-29］。

2　國外UPFC工程應(yīng)用情況

國外已有3座投入實(shí)際運(yùn)行的UPFC工程。主要包括美國INEZ變電站的 UPFC工程，紐約州的Marcy 345 kV變電站的CSC工程以及韓國Kangjin變電站的UPFC工程，3個工程的具體應(yīng)用情況如下所述。

2.1美國INEZ變電站UPFC工程

世界上首臺UPFC于1998年投運(yùn)，由AEP、EPRI和西屋電氣公司共同開發(fā)，安裝在美國AEP系統(tǒng)的INZE地區(qū)的765/138 kV電網(wǎng)［30，31］。整個UPFC由2臺完全相同、額定容量為160 MV·A的換流器組成。為了充分利用2個換流器，用2臺相同的并聯(lián)變壓器和1臺串聯(lián)變壓器通過母線和隔離開關(guān)與換流器連接。通過開關(guān)切投可實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行方式，2個換流器可以以UPFC模式工作，或者斷開換流器之間直流側(cè)開關(guān)后可以以STATCOM+SSSC或者2個STATCOM的方式運(yùn)行。解決了向INZE地區(qū)供電的幾條重負(fù)荷的長輸電線路線損大且母線電壓低的問題［32］。

2.2 紐約Marcy變電站可轉(zhuǎn)換式靜止補(bǔ)償器（CSC）工程

2004年，紐約州的Marcy 345 kV變電站安裝了CSC［33，34］，其內(nèi)部包含了1臺完整UPFC的結(jié)構(gòu)。整個設(shè)備由 2臺±100 MV·A的 VSC換流器、1個 200 MV·A的并聯(lián)變壓器和2個100 MV·A的串聯(lián)變壓器組成。并聯(lián)變壓器與Marcy變電站母線相連，2個串聯(lián)變壓器分別串接于變電站的兩回出線上。通過開關(guān)的轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)4種運(yùn)行方式（SATCOM、SSSC、UPFC、IPFC）的轉(zhuǎn)換。該項(xiàng)目的投運(yùn)在不增加新的線路的情況下解決了Utica—Albany聯(lián)絡(luò)線輸送的電力接近線路傳送極限的問題，提高了系統(tǒng)的傳輸容量和線路電壓的穩(wěn)定性、防止意外事故的發(fā)生，同時使得電網(wǎng)的運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)。

2.3韓國Kangjin地區(qū)UPFC工程

為解決韓國Kangjin地區(qū)由于附近的發(fā)電廠出力下降及附近輸電線路斷開導(dǎo)致變電站主變過負(fù)荷的問題，2003年在Kangjin地區(qū)安裝了1臺±80 MV·A的UPFC［35］。該臺UPFC由1組2個并聯(lián)換流器和1組2個串聯(lián)換流器組成，換流器都為40 MV·A，采用4重化三相三電平結(jié)構(gòu)，同時用帶中間抽頭的變壓器連接各組換流器來降低6n+1次諧波。在串聯(lián)變壓器和換流器之間接有晶體管旁路開關(guān)電路，系統(tǒng)發(fā)生故障時斷開旁路開關(guān)電路，使UPFC退出運(yùn)行，防止過電流損壞換流器。

3　南京西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程

3.1南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程必要性分析

南京西環(huán)網(wǎng)為南京主城220 kV環(huán)網(wǎng)西部，主要供電范圍為南京鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)以及棲霞新港地區(qū)、雨花經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，是南京城網(wǎng)的主要負(fù)荷中心。由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及電源、負(fù)荷分布特點(diǎn)，南京西環(huán)網(wǎng)存在較嚴(yán)重的潮流分布不均情況，其中500 kV龍王山變向西環(huán)網(wǎng)的220 kV輸電通道潮流偏重，尤其是西環(huán)網(wǎng)內(nèi)220 kV曉莊南送下關(guān)、中央門斷面潮流過重情況尤為突出，而500 kV東善橋變向西環(huán)網(wǎng)的220 kV輸電通道較輕，影響了南京西環(huán)網(wǎng)的整體供電能力和安全可靠水平。南京西環(huán)網(wǎng)2015年底電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6西環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖（2015年底）

2014、2015年高峰方式下，曉莊—下關(guān)/曉莊—中央門斷面潮流重載，最大潮流已接近800 MW，超過650 MW穩(wěn)定限額，需要采用安自裝置切除華能南京機(jī)組來滿足N-1；2016至2019年，隨著新建500 kV變電站的投運(yùn)，曉莊南送斷面潮流降低，但仍無法滿足N-1校核，需要保留安自裝置；2020年及以后，為滿足該區(qū)域電網(wǎng)供電，500 kV秋藤變投運(yùn)，曉莊南送斷面潮流隨之減輕，但秋藤變配套送出的綠博園—碼頭線路潮流過重，仍難以滿足N-1校核。

為解決南京西環(huán)網(wǎng)潮流分布不均和供電能力受限的問題，可考慮的常規(guī)方案如下：

第一類方案：新建線路通道或?qū)υ型ǖ缹?shí)施增容改造，可將華能南京電廠至?xí)郧f單回線路開斷環(huán)入碼頭變（方案1），或曉莊—下關(guān)/曉莊—中央門—下關(guān)線路更換倍容量導(dǎo)線（方案2）。經(jīng)詳細(xì)論證，方案1需建設(shè)2×9 km的220 kV電纜，投資規(guī)模巨大、建設(shè)難度大，且華能南京機(jī)組關(guān)停后作用降低；方案2政策處理難度大，且改造時的停電安排難以實(shí)施。

第二類方案：通過調(diào)整分區(qū)結(jié)構(gòu)（開斷西環(huán)網(wǎng)）解決潮流不均供電能力受限的問題。該類方案安全風(fēng)險大，存在400 MW城區(qū)負(fù)荷短時停電的可能。

對此，根據(jù)詳細(xì)研究分析，考慮在西環(huán)網(wǎng)裝設(shè)UPFC來均衡西環(huán)網(wǎng)各輸電通道潮流，提升西環(huán)網(wǎng)的供電能力。

3.2 UPFC的系統(tǒng)方案

3.2.1 UPFC接入方案和容量

根據(jù)網(wǎng)架拓?fù)浜统绷鞣治?，UPFC最適合的安裝地點(diǎn)為曉莊變，但由于場地限制，該工程考慮在曉莊變附近的鐵北開關(guān)站裝設(shè)UPFC裝置，將曉莊—經(jīng)港雙線開斷環(huán)入鐵北站，并將原鐵北—曉莊線路作為備用線路運(yùn)行。具體安裝方案見圖7。

圖7 UPFC的安裝方案

根據(jù)近期和遠(yuǎn)景年對UPFC潮流控制要求的計(jì)算分析，在各種可能運(yùn)行方式下，對UPFC的容量要求如表1所示。遠(yuǎn)景年（2020年）西環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，UPFC串聯(lián)側(cè)最大容量需求為59.32 MV·A，對此確定配置串聯(lián)側(cè)換流器2組，各60 MV·A；此外，由于南京西環(huán)網(wǎng)內(nèi)電纜較多，無功調(diào)節(jié)需求較大，且考慮串聯(lián)側(cè)換流器同并聯(lián)側(cè)換流器可互為備用因素，并聯(lián)側(cè)配置換流器1組，容量同為60 MV·A。工程計(jì)劃2015年底投運(yùn)。

3.2.2 UPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 UPFC容量需求

圖8西環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖（2020年）

如圖9所示，3個換流器均通過隔離刀閘連接至串聯(lián)變壓器，再通過2個串聯(lián)變壓器分別接入鐵北—曉莊220 kV雙回線路；同時，3個換流器均通過隔離刀閘連接至1個起動電阻，再通過2個并聯(lián)側(cè)變壓器分別接入站內(nèi)35 kV母線的2個分段；3個換流器采用背靠背的連接方式，通過隔離刀閘連接至直流公共母線上。采用此結(jié)構(gòu)后，通過串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)刀閘的開斷組合，3個換流器可組合成雙線UPFC、單線UPFC、雙線SSSC、單線SSSC及STATCOM等運(yùn)行方式。

圖9南京UPFC工程系統(tǒng)主接線

3.2.3換流器結(jié)構(gòu)

工程采用半橋式MMC，每相上、下橋臂各26個子模塊，并配置2個冗余子模塊，每個子模塊可以獨(dú)立控制，交流電壓由每相中2個橋臂的子模塊旁路比例來控制。每個橋臂裝設(shè)橋臂電抗器，用于抑制閥側(cè)和直流側(cè)發(fā)生短路故障時的橋臂電流上升速度。

3.2.4串聯(lián)換流器接入系統(tǒng)方案

串聯(lián)側(cè)共設(shè)置2臺三繞組（含平衡線圈）串聯(lián)聯(lián)結(jié)變壓器，串聯(lián)變壓器使用III/Yn/△接法，Y側(cè)中性點(diǎn)通過高阻接地，△側(cè)為平衡繞組。串聯(lián)聯(lián)結(jié)變壓器高壓側(cè)采用III接線組別實(shí)現(xiàn)分相串入曉莊—經(jīng)港雙回220 kV線路中，變壓器低壓側(cè)繞組連接換流器，該側(cè)為Y接法，中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地以保證SSSC模式有可靠的接地點(diǎn)；為了減小線路故障后閥側(cè)的故障電壓，提供線路3N次諧波的通路，改變變壓器零序阻抗，串聯(lián)變壓器采用帶平衡繞組的結(jié)構(gòu)。經(jīng)計(jì)算，配置串聯(lián)變壓器的容量為70/70/25 MV·A，變壓器各側(cè)的電壓為26.5/ 20.8/10 kV。

3.2.5并聯(lián)換流器接入系統(tǒng)方案

并聯(lián)換流器經(jīng)過2組互為備用的三相雙繞組并聯(lián)聯(lián)結(jié)變壓器分別接入35 kV母線的2個分段上，由于鐵北開關(guān)站無220 kV變壓器，而燕子磯變同鐵北開關(guān)站為一址兩站，因此方案中將UPFC并聯(lián)側(cè)接入燕子磯變35 kV母線。根據(jù)UPFC正常工作需要，為換流閥和直流極提供參考地電位，換流器側(cè)需要配置接地點(diǎn)，同時為防止換流器側(cè)諧波電流注入35 kV系統(tǒng)，并聯(lián)變壓器采用DYn接法，星側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地。經(jīng)計(jì)算，配置并聯(lián)變壓器容量為60 MV·A，變壓器各側(cè)電壓為35±2×2.5%/20.8 kV。

3.2.6直流場方案

南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程直流場采用三端背靠背的連接方式，3個換流器布置在1個閥廳，直流場區(qū)主接線采用雙極直流接線，直流電壓等級為±20 kV，采用戶內(nèi)直流場布置。UPFC正常工作時，并聯(lián)側(cè)換流器控制直流電壓，為串聯(lián)側(cè)換流器控制線路潮流提供所需要的有功功率，直流系統(tǒng)功率主要取決于串聯(lián)側(cè)換流器與線路交流的有功功率。經(jīng)計(jì)算，配置直流系統(tǒng)容量為40 MW。

3.3 UPFC工程綜合效益分析

3.3.1 UPFC近期對電網(wǎng)作用分析

2015年底加裝UPFC裝置之后，UPFC可控制曉莊南送斷面潮流，使其滿足N-1校核。經(jīng)計(jì)算，可使南京西環(huán)網(wǎng)的供電能力由2500～3200 MW（考慮安自切機(jī)）提高到3500 MW，供電能力提升300～1000 MW；可以為南京城區(qū)電網(wǎng)提供±60 MVar的動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力。

3.3.2 UPFC遠(yuǎn)期對電網(wǎng)適應(yīng)性分析

2020年及以后，如圖8所示，南京電網(wǎng)將投運(yùn)500 kV秋藤變向西環(huán)網(wǎng)供電，在一定程度上減緩了西環(huán)網(wǎng)北部220 kV送電斷面的潮流，但由于負(fù)荷的增加，綠博園送出斷面潮流仍無法滿足N-1校核，仍需通過UPFC的潮流調(diào)節(jié)能力，優(yōu)化向西環(huán)網(wǎng)供電主要輸電斷面的潮流分布。經(jīng)計(jì)算，UPFC通過使曉莊南送斷面提高300 MW，優(yōu)化500 kV秦淮、秋藤送出潮流分布，可解決秋藤變投運(yùn)后220 kV綠博園—碼頭線路N-1過載問題，并使得西環(huán)網(wǎng)供電能力由3100 MW提高到3600 MW。UPFC對西環(huán)網(wǎng)供電能力提升作用可參見表2。

表2 UPFC對西環(huán)網(wǎng)供電能力提升一覽表　MW

3.3.3 UPFC經(jīng)濟(jì)社會效益分析

經(jīng)濟(jì)效益方面，通過裝設(shè)UPFC，由于其對南京西環(huán)網(wǎng)供電能力的提升作用，可使得秋藤擴(kuò)建及配套送出工程推遲至少2年，節(jié)約投資約1.7億元以上，秋藤建成后，通過UPFC的調(diào)節(jié)作用，每年可增供電量約25億kW·h，每年增收利潤約5000萬元。

社會效益方面，工程可為國內(nèi)高度城市化地區(qū)電網(wǎng)采用智能輸電技術(shù)提升供電能力，破解電網(wǎng)建設(shè)難題起到示范作用；此外，工程可為將來500 kV電網(wǎng)應(yīng)用UPFC積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并可為在更高電壓等級電網(wǎng)應(yīng)用，提高跨省、跨區(qū)電網(wǎng)間潮流控制水平，增強(qiáng)我國交直流混聯(lián)大電網(wǎng)輸電能力提供新的技術(shù)手段。

4　結(jié)束語

作為功能強(qiáng)大、特性優(yōu)越的FACTS裝置，UPFC綜合了多種靈活控制手段，可以控制線路阻抗、電壓和相角，同時能夠調(diào)節(jié)輸電線路的有功和無功潮流，為解決目前電網(wǎng)中潮流分布不均、無功動態(tài)調(diào)節(jié)能力不足等問題提供了新的解決手段。

相比國外已應(yīng)用的UPFC裝置，南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程是在世界范圍內(nèi)首個使用MMC技術(shù)的UPFC工程，是新開發(fā)的功能更強(qiáng)大、配置更靈活的FACTS裝置，其應(yīng)用對滿足電網(wǎng)對潮流優(yōu)化、電壓支撐等多方面需求，提高系統(tǒng)的可控性、穩(wěn)定性和靈活性具有重要意義［36］。文中分析了南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程的應(yīng)用必要性，并提出了UPFC工程的接入系統(tǒng)、整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、換流器結(jié)構(gòu)、串并聯(lián)側(cè)和直流場的詳細(xì)方案，工程方案具有極高的科技示范作用和巨大的推廣價值，也為更高電壓等級電網(wǎng)的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

［1］童 強(qiáng).含F(xiàn)ACTS元件的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算模型與算法的研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2005.

［2］劉振亞.中國電力與能源［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［3］POVH D，WEINHOLD M.Basic Control of Unified Power FlowController.IEEE Transactions on Power Systems，1997，12（4）：1734-1739.

［4］唐愛紅，朱鵬程，程時杰，等.統(tǒng)一潮流調(diào)節(jié)器實(shí)驗(yàn)裝置的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2006，21（6）：122-126.

［5］GYUGYI L，SCHSTRUDER C D，EDRIS A.The Unified Power Flow Controller:a New Approach to Power Transmission Control. IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10（2）：1085-1097.

［6］劉前進(jìn)，宋永華.UPFC潮流控制與優(yōu)化的研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2000，24（18）：23-26.

［7］GYUGYI L.Unified Power-flow Control Concept for Flexible AC Transmission Systems［J］.IEE Proceedings-C，1992，139（4）：323-333.

［8］GOTHAM D J，HEYDT G T.Power Flow Control and Power Flow Studies for System with FACTS Devices［J］.IEEE Trans Actions on Power Systems，1998，12（1）：60-65.

［9］NABAVI-NIAKI A，IRAVANI M R.Steady State and Dynamic Models of Unified Power Flow Controller（UPFC）for Power System Studies［J］.IEEE Transactionson Power Systems，1996，11 （4）：1937-1943.

［10］FANG D Z，F(xiàn)ANG Z，WANG H F.Application and the Injection Modelling Approach to Power Flow Analysis for Systems with Unified Power Flow Controller［J］.International Journal of Electrical Power&Energy Systems，2001，22（23）：421-425.

［11］章良棟，岑文輝，劉 為.UPFC的模型及控制器研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，1998，22（1）：36-39.

［12］WANG H F.Application of Modeling UPFC into Multi-machine Power Systems［J］.IEE Proceedings-Generaction Transmission and Distribution，1999，145（3）：306-312.

［13］BIAN J，RAMEY D G，NELSON R J，et al.A Study of Equipment Sizes and Constraints for a Unified Power Flow Controller ［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（3）：1385-1391.

［14］GYUGYI L.Dynamic Compensation of AC Transmission Lines by Solid-state Synchronous［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1994，9（2）：904-911.

［15］HINGORANI N G，GYUGYI L.Understanding FACTS:Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems［M］. New York：IEEE Press，2000.

［16］謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［17］RODRIGUEZ J，LAIJ S，PPENGF Z.Multilevel Inverters：a Survey of Topologies，Controls，and Applications［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2002，49（4）：724-738.

［18］王小峰，何湘寧，鄧 焰.載波交疊特性PWM方法在飛跨電容多電平逆變器中的應(yīng)用研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27 （10）：98-102.

［19］劉軍娜，趙成勇，李廣凱.二極管箝位式三電平VSC損耗分析［J］.電力自動化設(shè)備，2011，31（4）：96-99.

［20］丁冠軍，湯廣福，丁 明，等.新型多電平電壓源換流器模塊的拓?fù)錂C(jī)制與調(diào)制策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29（36）：1-8.

［21］MARQUARDT R.Stromrichterschaltungen mit Verteilten Ergiesspeichern:German，DE10103031A1［P］.2001-01-24.

［22］劉鐘淇，宋 強(qiáng)，劉文華.基于模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（2）：53-58.

［23］趙 昕，趙成勇，李廣凱，等.采用載波移相技術(shù)的模塊化多電平換流器電容電壓平衡控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，31 （21）：48-55.

［24］管敏淵，徐 政，潘偉勇，等.最近電平逼近調(diào)制的基波諧波特性解析計(jì)算［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（5）：1327-1332.

［25］王曉鵬，楊曉峰，范文寶，等.模塊組合多電平變換器的脈沖調(diào)制方案對比［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（5）：28-33.

［26］李 強(qiáng)，賀之淵，湯廣福.新型模塊化多電平換流器空間矢量脈寬調(diào)制方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（22）：75-79，123.

［27］周明磊，游小杰，王琛琛，等.特定次諧波消除調(diào)制方式的諧波特性分析［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（9）：11-19.

［28］徐 政，屠卿瑞，裘 鵬.從2010國際大電網(wǎng)會議看直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（12）：3070-3077.

［29］丁冠軍，丁 明，湯廣福.VSC-HVDC主電路拓?fù)浼捌湔{(diào)制策略分析與比較［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（10）：64-68.

［30］李駢文.美國INEZ變電站統(tǒng)一潮流控制器簡介［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2002，26（8）：84-87.

［31］SCHAUDER C，STACEY E，LUND M，et al.AEP UPFC Project:Installation，Commissioning and Operation of the±160 MV·A STATCOM（phase I）［C］//IEEE Transactions on Power Delivery.IEEE，1998.

［32］徐淑梅.聯(lián)合電力潮控制器（UPFC）在美國電力公司投運(yùn)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1998，22（6）：78-79.

［33］蘇 玲，陳建業(yè).可轉(zhuǎn)換式靜止補(bǔ)償器——一種新型FACTS控制器［J］.國際電力，2003，7（1）：21-23.

［34］ARABI S，HAMADANIZADEH H，F(xiàn)ARDANESH B.Convertible Static Compensator Performance Studies on the NY State Transmission System［C］//IEEE Transactions on Power System. IEEE，2002.

［35］KIM S Y，YOON J S，CHANG B H，et al.The Operation Experience of KEPCO UPFC［C］//Electrical Machines and Systems. 2005.

［36］王華雷，伏祥運(yùn)，湯 奕，等.基于滑模變結(jié)構(gòu)的含多FACTS電力系統(tǒng)穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制［J］.江蘇電機(jī)工程，2015，34（4）：1-4，9.

State of the Art and Application Analysis of Unified Power Flow Controller

CHEN Gang1，LIU Jiankun2，LI Qun2
（1.Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China；2.Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

As the most comprehensive and complicated FACTS technology，unified power flow controller's technical principle and operation mode are introduced in this paper.Also the converter technology is detailed analyzed as well as the application and background overboard.This paper also discusses the necessity，system scheme，typical topology，converter access technology and DC field scheme of the UPFC project in Nanjing western power grid.At last，the comprehensive benefits of UPFC are demonstrated.Analysis results show that UPFC plays an important role in solving the power flow control problems facing Nanjing western power grid.

flexible AC transmission；unified power flow controller；modular multilevel converter；power flow control；stability

TM761

A

1009-0665（2016）01-0001-06

2015-11-20

陳剛（1972），男，江蘇蘇州人，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行、電力系統(tǒng)規(guī)劃以及柔性交直流輸電等研究工作；

劉建坤（1980），男，山東濰坊人，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)仿真分析、電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行以及柔性交直流輸電等研究工作；

李群（1967），男，江蘇靖江人，研究員級高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析、電能質(zhì)量以及柔性交直流輸電等研究工作。