李群 林金嬌

摘要：電網(wǎng)潮流靈活、精準(zhǔn)控制是現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，也是世界性難題。統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）系列標(biāo)準(zhǔn)研究和制定前，UPFC技術(shù)和市場(chǎng)被美國(guó)企業(yè)獨(dú)家壟斷。歷時(shí)十余年，項(xiàng)目組攻克了核心技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備、工程應(yīng)用等系列難題，國(guó)際首創(chuàng)模塊化多電平UPFC技術(shù)并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新編制了UPFC系列標(biāo)準(zhǔn)，打破了美國(guó)企業(yè)獨(dú)家壟斷，并實(shí)現(xiàn)了技術(shù)超越，在引領(lǐng)電網(wǎng)“高效、綠色、活力”高質(zhì)量發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)電力裝備產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)做出重要貢獻(xiàn)。論文闡述了統(tǒng)一潮流控制器系列標(biāo)準(zhǔn)的研制背景、內(nèi)容、創(chuàng)新特色和應(yīng)用成效。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)一潮流控制器 電力潮流 標(biāo)準(zhǔn)

Abstract： The flexible and accurate control of power flow is a bottleneck problem in the development of modern power grid， which is also a world difficult problem. Before the research and formulation of Unified Power Flow Controller （UPFC） series standards， the technology and market of UPFC were monopolized by American enterprises. Over the past ten years， the project team has overcome a series of problems such as core technology， key equipment， engineering application， etc. And it initiated the modular multi-level UPFC technology and realized engineering application. On this basis， the UPFC series standards were developed innovatively， which broke the exclusive monopoly of American enterprises， and achieved technological transcendence. The UPFC series standards made important contributions to leading the power grid to develop in an efficient， environment-friendly and dynamic way， and promoting the upgrading of industrial structure of domestic electric power equipment. This paper describes the development background， content， innovative features and application effect of the UPFC series standards.

Key words： Unified Power Flow Controller （UPFC）， power flow， standard

1 概述

電網(wǎng)中功率的分布和流向稱(chēng)為潮流，潮流的靈活精準(zhǔn)控制是電力領(lǐng)域的世界性難題。根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，21世紀(jì)以來(lái)全球13次大停電中12次由潮流失控引起。我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模和復(fù)雜度已達(dá)世界之最，潮流失控風(fēng)險(xiǎn)高，且潮流分布不均限制了約10%～30%的供電能力，每年用于改善潮流分布、提高潮流輸送能力的投資超過(guò)4000億元。發(fā)電調(diào)節(jié)、負(fù)荷轉(zhuǎn)移等傳統(tǒng)潮流控制手段速度慢、效果差，研究新型潮流控制技術(shù)，是我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

統(tǒng)一潮流控制器是國(guó)際公認(rèn)的功能最強(qiáng)大的潮流調(diào)控裝置，其核心部件包括換流器、串聯(lián)變壓器、控制保護(hù)系統(tǒng)等，是一種技術(shù)先進(jìn)、構(gòu)造復(fù)雜的大型電力裝備，在樞紐變電站建設(shè)運(yùn)行中，調(diào)節(jié)輸電系統(tǒng)電壓、相角和阻抗，實(shí)現(xiàn)潮流靈活、精準(zhǔn)、快速控制。

長(zhǎng)期以來(lái)，全球UPFC技術(shù)和市場(chǎng)被美國(guó)企業(yè)獨(dú)家壟斷，我國(guó)UPFC的裝備研制和工程應(yīng)用處于空白。在國(guó)家863計(jì)劃等項(xiàng)目支持下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)歷時(shí)10余年，攻克UPFC技術(shù)壁壘，國(guó)際首創(chuàng)模塊化多電平的新一代UPFC技術(shù)，成功研制UPFC成套裝備并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用?；诩夹g(shù)創(chuàng)新成果，構(gòu)建了國(guó)際首套UPFC技術(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)，形成了統(tǒng)一潮流控制器工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則等10項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、調(diào)試、運(yùn)維等環(huán)節(jié)，為UPFC在我國(guó)的工程應(yīng)用和國(guó)外市場(chǎng)開(kāi)拓提供了重要保障。

2 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

該系列標(biāo)準(zhǔn)包括Q/GDW 11547—2016《統(tǒng)一潮流控制器工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》等10 項(xiàng)UPFC企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是我國(guó)首創(chuàng)UPFC技術(shù)成果的體現(xiàn)。根據(jù)美國(guó)電力研究院發(fā)布的技術(shù)報(bào)告（① Inez Unified Power Flow Controller： Enhancements and Field Operation Support，EPRI，A. Edris.? ② Convertible Static Compensator （CSC） for New York Power Authority Final Report. EPRI， A. Edris.），我國(guó)UPFC關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與代表國(guó)際最高水平的美國(guó)Marcy、Inez等工程進(jìn)行了比較，均優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)技術(shù)最高水平?；谠撓盗袠?biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目組牽頭制定UPFC領(lǐng)域IEC、IEEE標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)，主導(dǎo)編制UPFC系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1部（共計(jì)24項(xiàng)），為指導(dǎo)UPFC研制及應(yīng)用構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)布局。

核心技術(shù)方面，國(guó)際上首次提出拓?fù)淇伸`活變換的模塊化多電平UPFC技術(shù)，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，取得了UPFC核心技術(shù)的重大突破，獲得授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利12項(xiàng)，含美國(guó)專(zhuān)利2項(xiàng)，打破了國(guó)外UPFC技術(shù)壟斷。核心技術(shù)主要指標(biāo)明顯優(yōu)于國(guó)外最高水平，在總體損耗方面，國(guó)外技術(shù)約2%，該系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)小于0.8%;在諧波方面，國(guó)外技術(shù)大于2%，該系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)小于1%;占地面積減小約30%，可節(jié)省換流器容量超過(guò) 25%。

成套設(shè)備方面，突破了UPFC換流器、串聯(lián)變壓器、控制保護(hù)、晶閘管旁路開(kāi)關(guān)（TBS）等成套裝備關(guān)鍵技術(shù)，首次構(gòu)建UPFC成套裝備技術(shù)要求體系及配合原則，提出了綜合需求匹配的UPFC成套設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)及功能性能的優(yōu)化配合，獲得授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利7項(xiàng)。依托該系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，TBS耐沖擊電流70 kA，國(guó)外技術(shù)要求42 kA;串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組全絕緣設(shè)計(jì)，網(wǎng)側(cè)繞組端間雷電全波沖擊耐受電壓達(dá)4倍額定電壓，抗短路能力達(dá)50千安/2秒，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)變壓器要求，國(guó)外技術(shù)未見(jiàn)特殊要求;具有9種控制功能，國(guó)外技術(shù)僅3種。

工程應(yīng)用方面，提出了基于多目標(biāo)優(yōu)化的UPFC工程選址定容技術(shù)原則，發(fā)明了基于電網(wǎng)潮流動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)的UPFC在線調(diào)控運(yùn)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了UPFC應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的規(guī)范化;攻克串聯(lián)變壓器、換流閥等設(shè)備試驗(yàn)方法，首創(chuàng)UPFC成套設(shè)備系統(tǒng)帶電試驗(yàn)技術(shù)，規(guī)范了UPFC工程調(diào)試流程和要求，獲得發(fā)明專(zhuān)利13項(xiàng)。依托該系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，投運(yùn)的UPFC設(shè)備最高電壓500 kV，最大容量750 MV·A，國(guó)外分別為345 kV和320 MV·A;UPFC功率控制響應(yīng)時(shí)間低于90 ms，控制誤差低于0.5%，顯著高于國(guó)外300 ms和1%的同類(lèi)技術(shù)要求;提出將UPFC綜合用于調(diào)節(jié)線路潮流并優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布，而國(guó)外僅用于調(diào)節(jié)線路潮流。

3 標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新特色

該系列標(biāo)準(zhǔn)在UPFC核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、成套設(shè)備規(guī)范化、工程應(yīng)用系統(tǒng)化、技術(shù)體系國(guó)際化等方面取得了創(chuàng)新突破。

（1）國(guó)際首創(chuàng)模塊化多電平UPFC技術(shù)及規(guī)范，取得電力潮流控制技術(shù)重大突破。首創(chuàng)采用IGBT功率器件和可轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊化多電平UPFC技術(shù);解決了國(guó)外UPFC技術(shù)可靠性低、損耗大、諧波高和運(yùn)維復(fù)雜等問(wèn)題。見(jiàn)圖1。

（2）發(fā)明UPFC成套裝備技術(shù)并形成技術(shù)規(guī)范，推動(dòng)電力智能裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。發(fā)明耐沖擊、高可靠的 UPFC 成套裝備關(guān)鍵技術(shù)，形成設(shè)計(jì)方法和技術(shù)要求;提出UPFC成套設(shè)備配合原則，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)及功能性能的優(yōu)化配合。見(jiàn)圖2。

（3） 提出UPFC選址定容、調(diào)控運(yùn)行技術(shù)和規(guī)范，指導(dǎo)工程應(yīng)用、提升供電能力。提出綜合需求匹配的UPFC規(guī)劃設(shè)計(jì)方法;規(guī)范整體功能和性能檢測(cè)流程和方法;提出電網(wǎng)潮流動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)控運(yùn)行技術(shù)及運(yùn)維技術(shù)要求。見(jiàn)圖3。

（4）創(chuàng)建新一代UPFC整體技術(shù)架構(gòu)，發(fā)起并主導(dǎo)UPFC技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。提出含UPFC研發(fā)、制造、應(yīng)用全環(huán)節(jié)技術(shù)架構(gòu);在IEC、IEEE分別牽頭成立UPFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組;主導(dǎo)編制IEC標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、IEEE標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)。見(jiàn)圖4。

4 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用與成效

UPFC系列標(biāo)準(zhǔn)基于我國(guó)首創(chuàng)并研發(fā)的新一代UPFC技術(shù)形成，目前國(guó)內(nèi)所有UPFC工程均采用了該系列標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)中模塊化多電平換流器及控制保護(hù)等核心技術(shù)已應(yīng)用于江蘇、浙江、內(nèi)蒙古等多省市、自治區(qū)百余項(xiàng)MMC型STATCOM（又稱(chēng)SVG，UPFC的并聯(lián)部分）工程中，有效解決了眾多電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)電壓支撐不足、供電能力受限等問(wèn)題，并出口至北美、東南亞等地。

該系列標(biāo)準(zhǔn)解決了潮流控制的世界級(jí)難題，提升了駕馭大電網(wǎng)運(yùn)行的能力，充分挖掘了電網(wǎng)供電潛能，有效降低潮流越限、失控風(fēng)險(xiǎn)，降低電網(wǎng)因供電能力不足而拉閘限電的負(fù)面影響，保障了社會(huì)供電安全。目前我國(guó)所有UPFC工程均依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，在南京建成國(guó)際首個(gè)模塊化多電平UPFC工程，首次實(shí)現(xiàn)我國(guó)電網(wǎng)潮流靈活控制，提升南京地區(qū)供電能力60萬(wàn)kW;在蘇州建成世界上容量最大、電壓等級(jí)最高的UPFC工程，提升清潔能源消納能力130萬(wàn)kW。

依托該系列標(biāo)準(zhǔn)建成的UPFC、 SVG 等工程，支撐了我國(guó)特高壓直流等工程對(duì)清潔能源電力的輸送，并發(fā)揮了對(duì)風(fēng)電、光伏等波動(dòng)性清潔能源送出的潮流調(diào)控和電壓動(dòng)態(tài)支撐作用，提升清潔能源消納能力，有力支撐了國(guó)家綠色發(fā)展戰(zhàn)略。

該系列標(biāo)準(zhǔn)打破美國(guó)潮流控制技術(shù)獨(dú)家壟斷，依托其形成以全國(guó)產(chǎn)大容量 MMC 換流閥、控制保護(hù)、串聯(lián)變壓器等設(shè)備為核心的智能電力裝備產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，提高了民族裝備制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為打通國(guó)產(chǎn)裝備出口壁壘，成果列入“中國(guó)制造 2025”先進(jìn)設(shè)備。

5 結(jié)論

該系列標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)內(nèi)外首套UPFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是第一批“國(guó)家科技成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)試點(diǎn)”支撐項(xiàng)目，在UPFC核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、成套設(shè)備規(guī)范化、工程應(yīng)用系統(tǒng)化、技術(shù)體系國(guó)際化等方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，通過(guò)自主創(chuàng)新的先進(jìn)技術(shù)解決制約現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的核心問(wèn)題，打破美國(guó)企業(yè)電力潮流控制技術(shù)獨(dú)家壟斷。該系列標(biāo)準(zhǔn)為UPFC 工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)保障，填補(bǔ)了柔性交流輸電領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外空白，將電網(wǎng)運(yùn)行水平提升至新高度，提升國(guó)產(chǎn)裝備核心競(jìng)爭(zhēng)力，提升了中國(guó)在柔性輸電技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)。