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）原理及應用

江蘇省電力公司檢修分公司 謝 吉 朱宏杰

本文介紹了UPFC工作原理和應用場景，并結合蘇州南部500千伏電網(wǎng)UPFC工程，分析了UPFC方案實施的必要性和實用性；對UPFC適用不同工況的多種運行方式進行闡述，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：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)的受進電力規(guī)模及潮流分布季節(jié)變化較大。

常規(guī)加強電網(wǎng)的措施存在停電時間長、投資巨大、工程實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具備動態(tài)無功支撐能力，為特高壓直流的安全穩(wěn)定運行提供保障。

2.UPFC工作原理

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

圖1 UPFC基本原理結構圖

UPFC原理結構如圖1所示，包括通過一個公共直流端相連接的兩個VSC。其中一個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VSC逆變器2，通過一個交接變壓器被串聯(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，這種電路拓撲結構能實現(xiàn)兩個變換器交流端之間的有功功率雙向流動，同時每個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)為一個基頻交流同步電壓源，傳輸線的電流流經(jīng)這個電壓源會導致其與電網(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轉變?yōu)榻涣餍问讲⑼ㄟ^一個并聯(lián)變壓器耦合進電網(wǎng)。除了補償變換器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，為線路提供獨立的并聯(lián)無功補償。

從本質上說，UPFC事實上可以看成為一個與系統(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（以下簡稱UPFC的控制角）的可控范圍為0 ≤ρ≤ 2π。將其串聯(lián)于雙機系統(tǒng)中的傳輸線上，可得如圖2所示含有UPFC傳輸系統(tǒng)的簡化原理圖。

圖2 含有UPFC的傳輸系統(tǒng)簡化原理圖

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應用場景

UPFC可實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、相角調(diào)節(jié)、線路阻抗補償、動態(tài)的潮流控制與無功補償控制功能，在電網(wǎng)中具備廣泛應用的前景。

“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%，風電、光伏等隨機性可再生能源的裝機容量將由目前的854萬千瓦增長至1800萬千瓦。由于風電等隨機性可再生能源的出力波動及區(qū)外來電（如水電直流）的季節(jié)性變化，電網(wǎng)潮流復雜多變、難以控制，直接影響到特高壓區(qū)外來電的受進。同時，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，對電能使用的需求增長與電網(wǎng)建設占用土地、環(huán)境資源的矛盾日益突出，特別是人口密集、負荷密度高的蘇南負荷中心，建設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問題和直流大方式下雙極閉鎖后需大量拉限負荷的問題。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UPFC。接入系統(tǒng)方案為裝設UPFC裝置一套，將梅里～木瀆雙線雙開換入UPFC，實現(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備和二次控制保護設備兩部分。蘇州南部500千伏電網(wǎng)UPFC工程的結構示意圖如圖4所示。

紅色虛框內(nèi)為UPFC成套一次設備，主要包括串接至線路的GIS設備、一臺三相并聯(lián)變壓器、兩臺串聯(lián)變壓器、三組IGBT電壓源換流閥及閥冷卻設備、兩套晶閘管旁路開關、直流回路、橋臂電抗器、變壓器機械旁路開關以及一些連接的開關、刀閘、避雷器和互感器等。

二次設備包括UPFC控制保護設備、后臺工作站、交流保護設備、閥控制設備、輔助系統(tǒng)、直流屏等。

圖4 UPFC成套設備范圍

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備，容量為300MVA，電壓等級43.5/105/10kV，采用ONAN/ONAF冷卻方式，接線型式III/Yn/△接法，III側為串接在線路中，Y側中性點經(jīng)高阻接地，△側為平衡繞組。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備，容量300MVA，電壓等級500/94/35kV，采用ONAN/ONAF冷卻方式，接線型式Yn/Y/△接法，中壓Y側中性點通過高阻接地，△側為35kV側供站用變。

3）串聯(lián)變壓器500kV側GIS

串聯(lián)變壓器500kV側交流設備采用戶外GIS設備，每臺串聯(lián)變壓器對應一臺GIS，共兩臺。如圖6所示，GIS設備包含有一臺500kV旁路斷路器、一臺500kV交流斷路器、三臺雙接地隔離刀閘、一臺單接地隔離刀閘、三臺單相500kV電流互感器和6臺單相的500kV電壓互感器。

圖6 串變500kV側GIS組合設備

4）并聯(lián)變壓器500kV側GIS

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

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，其拓撲結構如圖7所示。橋臂中的每個子模塊可以獨立控制，每相上、下兩個橋臂的電壓和等于直流母線電壓。交流電壓由每相中兩個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。每個橋臂裝設橋臂電抗器，閥側和直流側發(fā)生短路故障時，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)的分界點和轉換器。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換流器結構

6）晶閘管旁路開關

晶閘管旁路開關的作用是在換流器故障時，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，迅速旁路變壓器，保證換流器不受沖擊。晶閘管旁路開關的特點是：系統(tǒng)正常運行時其有電壓無電流，系統(tǒng)發(fā)生故障時有電流無電壓、且其故障電流大、時間短。

7）控制保護系統(tǒng)

控制保護系統(tǒng)是整個統(tǒng)一潮流控制器系統(tǒng)的大腦，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)及所有設備的控制、監(jiān)視和保護。二次系統(tǒng)構成分為站監(jiān)控層、間隔層、就地層、站LAN網(wǎng)、站級現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線網(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開關柜推薦選用移開式開關柜，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）直流測量裝置

直流極線電流測量裝置采用電子式電流互感器；直流電壓測量裝置采用阻容分壓型。

5.UPFC三種運行方式

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

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

SSSC運行方式：一個或者兩個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，潮流控制的預期效果與UPFC容量大小密切相關。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)濟效益的增加，安裝不同容量的UPFC對于系統(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，但同時安裝容量的大小與設備投資成本直接相關。

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

7.結語

作為串并聯(lián)型FACTS裝置中最具代表意義的設備，UPFC除了在潮流實時控制上能夠發(fā)揮強大的作用外，同時在動態(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)運用UPFC，可同時充分發(fā)揮UPFC潮流控制和無功電壓支撐兩個方面的功能，提高了直流換流站運行可靠性，且增加了電網(wǎng)供電能力及適應性。可見，在蘇州南部500千伏電網(wǎng)應用UPFC具有較好的實用性。

[1]經(jīng)研咨〔2016〕187號.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術研究院關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審意見.

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

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