統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)簡(jiǎn)介

1、精心整理i.UPFC 勺原理和功能簡(jiǎn)述1.11.1 UPFCUPFC 的原理簡(jiǎn)述UPFC 的原理結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。圖 2-1 中并聯(lián)換流器的作用相當(dāng)于靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM，串聯(lián)換流器的作用相當(dāng)于靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC，兩者通過(guò)直流電容上的電壓Vdc提供電源，其中有功功率可以在 2 個(gè)換流器的交流端向任并聯(lián)換流器在公用直流聯(lián)結(jié)處提供或吸收串聯(lián)換流器所需要的有功能量， 經(jīng)換Xj 流后到交流端送入與輸電線路并聯(lián)的變壓器，的兩側(cè)有功功率相等，直流電容器既不發(fā)出也不吸收有功功率，電壓Vdc保持恒定。同 STATCOM 原理相同，并聯(lián)換流器能夠可控的產(chǎn)生或吸收無(wú)功功率， 當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)

2、, 可為線路提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償；串聯(lián)換流器可控制VB保持為 0 和VBmax以內(nèi)，并且使相 角B圖 2-1UPFC的因此在穩(wěn)態(tài)時(shí)，不考慮自身?yè)p耗，UPFC一方向自由流動(dòng)，并且可以在其交流輸出端獨(dú)立的發(fā)出或吸收無(wú)功功率。精心整理保持在 0 和360之間，并通過(guò)串聯(lián)變壓器將電壓VB疊加到線路電壓上。通過(guò)控精心整理制VB的幅值和相角，UPFC 就可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電力傳輸中的串聯(lián)補(bǔ)償和移相等功能。UPFC 的詳細(xì)原理可見附錄 A。1.1.2 2 UPFCUPFC 的功能UPFC是由串聯(lián)補(bǔ)償?shù)?SSS(和并聯(lián)補(bǔ)償?shù)?STATCOM有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的新型潮流控 制裝置，能同時(shí)調(diào)節(jié)線路阻抗、節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相位，僅通過(guò)

3、控制規(guī)律的改變，就 能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償和移相等多種功能，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)潮流分布、最大化電 I r-1|=網(wǎng)傳輸能力、改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能等目的。圖 2-2UPFC 主要控制功能圖 2-2 為 UPFC 的各種控制功能。圖 2-2(a)為電壓調(diào)節(jié)功能，即 UPFC 串聯(lián)注入電*i I I】廠 r壓與送端電壓的方向相同或相反，即只調(diào)節(jié)電壓的幅值，不改變電壓的相位。圖 2-2(b) 為串聯(lián)補(bǔ)償功能，補(bǔ)償電壓與線路電流的相位垂直。圖2-2(c)為相角調(diào)節(jié)功能，即不改變電壓的幅值，只改變電壓的相角，此時(shí) UPFC 產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓在圖中所示的弧線 上，相當(dāng)于移相器。 圖 2-2(d)為自動(dòng)潮流控制功能

4、， 此時(shí) UPFC 是前面三種功能的綜 合。 UPFC的控制器可以根據(jù)系統(tǒng)的需求，選擇一種或多種功能的組合作為其控制目I1C I標(biāo)。UPFC 不同于其它 FACTS 裝置之處在于，它能同時(shí)控制母線電壓、線路有功和無(wú) 功潮流。在電網(wǎng)中應(yīng)用 UPFC 第一，能夠合理控制線路潮流，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；第二， 有助于實(shí)現(xiàn)無(wú)功優(yōu)化，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；第三，施以合適的控制，UPFC 能夠改善系統(tǒng)阻尼，提高功角穩(wěn)定性。2. UPFC工程應(yīng)用現(xiàn)狀自從 UPFC 技術(shù)發(fā)明之后，美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)的大公司和研究機(jī)構(gòu)先后研制了三套高電壓、大容量的 UPFC 裝置，并已經(jīng)在電力系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行。本節(jié)對(duì)這三套UPFC 裝置

5、的工程背景、系統(tǒng)構(gòu)成等情況進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。精心整理3 3 1 1 美國(guó) INEZINEZ 地區(qū) UPFCUPFC 工程（1）工程概況美國(guó)電力公司（AEP 與美國(guó)電力研究院（EPR）、西屋公司合作，研制了世界上第一套 UPFC 裝置（138kV、320MVA），安裝在東肯塔基州的 Inez 變電站，于 1998年 6 月投運(yùn)，大幅提高了電網(wǎng)輸送能力和電壓穩(wěn)定性。Inez 變電站的地區(qū)負(fù)荷為 2000MW，由幾條長(zhǎng)距離重負(fù)荷的 138kV 線路供電，OJ_ I r 1|_其周邊地區(qū)有發(fā)電廠和 138kV 變電站。系統(tǒng)電壓由 20 世紀(jì) 80 年代早期安裝在BeaverCreek 的 SVC 及幾個(gè)

6、138kV 及更低電壓等級(jí)的輸變電站的并聯(lián)電容器組支撐。盡管該地區(qū)安裝了很多并聯(lián)電容器組，138kV 線路兩端壓降仍可高達(dá) 7%8%系統(tǒng)I I1；1I . I I .J H=IKangjinUPFC 工程的電氣主接線形式如圖 3-4 所示，UPFC 能運(yùn)行在40MvarSTATCOM 40MvarSSS(和 80MVAUPFC 模式。圖 3-4KangjinUPFC 工程電氣主接線Kangjin UPFCT程變壓器主要參數(shù)如表 3-1 所示。表 3-1 變壓器參數(shù)變壓器變比(kV)容量(MVA)連接形式并聯(lián)變壓器(154/1.732)/14.84540Y-串聯(lián)變壓器6.061/14.84540

7、Ope nY-A耦合變壓器4.857/8.23922.2Ope nY-AKan gji nUPFCT程的串、并聯(lián)側(cè)換流器結(jié)構(gòu)相同，均采用三相三電平換流器二重 化方式，構(gòu)成容量為 40MVA 的 24 脈動(dòng)換流器。換流器的額定交流電壓為14.845kV,額定交流電流為 1.55kA。精心整理3.33.3 美國(guó)紐約地區(qū) CSCCSC 工程紐約電力公司和美國(guó)電科院，西門子公司合作，研制了世界上第一套CSC(ConvertibleStaticCompensatqr 也稱廣義 UPFC 裝置(345kV, 200MVA)，安裝在 紐約州 Marcy 變電站，于 2004 年 6 月投運(yùn)，解決區(qū)域間電力輸

8、送瓶頸問(wèn)題，促進(jìn)該 地區(qū)實(shí)現(xiàn)電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度。Marcy 變電站位于紐約州的東南部地區(qū)，該地區(qū)負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)(預(yù)計(jì)每年增加I廠J |3%),卻沒(méi)有相應(yīng)的新增電源計(jì)劃，所需電力主要由7 條 115kV 到 345kV 的區(qū)域聯(lián)絡(luò)線饋入。受電壓穩(wěn)定性限制，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率最低僅為線路額定傳輸容量的25%，最高也不超過(guò) 75%，因此需要采取有效手段挖掘已有線路的輸電能力。研究It|!II1i；/表明，導(dǎo)致該地區(qū)線路輸送能力受限的系統(tǒng)約束隨著負(fù)荷實(shí)時(shí)變化，多種補(bǔ)償需求相互交織。電力公司在 Marcy 變電站安裝靈活性最強(qiáng)的 CSC 裝置，滿足該地區(qū)電網(wǎng) 在多種運(yùn)行工況下的補(bǔ)償需求。-If j(2)系統(tǒng)構(gòu)成如圖

9、 3-5 所示，通過(guò)開關(guān)操作，紐約 CSCT 程的系統(tǒng)接線形式能夠靈活變化，實(shí)現(xiàn) 100MVASTATCOM， 200MVASTATCOM，100MVASSSC， 200MVASSSC，200MVAUPFC 200MVAIPFC 等多種運(yùn)行模式。圖 3-5CSC 工程電氣主接線圖Xj NYPACS 工程的整體布局如圖 3-6 所示，包括變壓器、隔離開關(guān)、空芯電抗器、CT、互聯(lián)鋁母線等傳統(tǒng)戶外設(shè)備，以及換流器、冷卻系統(tǒng)、控制、保護(hù)等戶內(nèi)設(shè) 備。圖 3-6CSC 工程的整體布局戶內(nèi)建筑體積約為 28.96 米X35.66 米X8.23 米，包括換流閥廳、控制室、配電室、電池電源室和機(jī)械設(shè)備室，如圖

10、3-7 所示。逆變器正常工作時(shí)直流電壓較高(士6.014kV)，閥廳必須注重防塵和除濕，因此獨(dú)立配備風(fēng)道。閥廳大小約為21.95 米X精心整理I r-29.87 米，高度為 6.1 米。兩臺(tái)換流器各自采用獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，大部分熱量由水循 環(huán)系統(tǒng)送至風(fēng)冷系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)中的水/風(fēng)熱交換器位于戶外，并緊靠大樓的一側(cè), 同側(cè)室內(nèi)為冷卻系統(tǒng)的水泵和凈化設(shè)備。圖 3-7MarcyCS 戶內(nèi)設(shè)備布局精心整理附錄 AUPFC 裝置詳細(xì)原理A. 1UPFC 的結(jié)構(gòu)UPFC 的結(jié)構(gòu)如圖 A-1 所示。UPFC 的功率回路包括兩個(gè)共用直流母線的電壓源換流器（VoltageSourcedConverter,VSC，其

11、中 VSC1 通過(guò)并聯(lián)耦合變壓器并聯(lián)在母 線路上，VSC2 通過(guò)串聯(lián)耦合變壓器串聯(lián)在線路中。兩個(gè)VSC 的直流電壓由公共直流電容器組提供。VSC2 輸出電壓相量串聯(lián)注入線路中，其幅值變化范圍為0Upq，相角變化范圍為 0360。在這一過(guò)程中，VSC2 與線路既可以交換有功功率，I1又可以交換無(wú)功功率。雖然無(wú)功功率是由VSC2 內(nèi)部發(fā)出或吸收的，但有功功率的丿:嚴(yán)、JI I I I I| I J I I :發(fā)出或吸收需要直流儲(chǔ)能元件。VSC1 主要用來(lái)向 VSC2 提供有功功率，同時(shí)維持直. -I .流母線的電壓恒定。這樣，從交流系統(tǒng)吸收的凈有功功率就等于兩個(gè)VSC 及其耦合變壓器的損耗。圖 A

12、-1UPFC 結(jié)構(gòu)示意圖UPFC 的控制系統(tǒng)從功能上可分為內(nèi)部控制和外部控制。其中，內(nèi)部控制就是I1對(duì)兩個(gè) VSC 的運(yùn)行進(jìn)行控制，它產(chǎn)生規(guī)定的串聯(lián)注入電壓指令，同時(shí)吸收期望的并 聯(lián)無(wú)功電流。內(nèi)部控制還要為 VSC 閥提供觸發(fā)信號(hào)，使 VSC 輸出電壓按照?qǐng)D A-1 所示的控制結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部參考輸入具有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。UPFC 的外部控制決定了它的運(yùn)行功能，其參考輸入決定了 UPFC 的運(yùn)行模式和補(bǔ)償要求，可由現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行V 11Ii設(shè)置，也可由專門的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)控制。A.2 含 UPFC 的輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性圖 A-2 為 UPFC 接入輸電系統(tǒng)示意圖，串聯(lián)側(cè)的補(bǔ)償功能用電壓相量Upq 表

13、示。精心整理（a）簡(jiǎn)化電路（b）相量關(guān)系圖 A-2 接入 UPFC 裝置的輸電系統(tǒng)及相量圖精心整理假設(shè)輸電系統(tǒng)送端、受端及 UPFC 串聯(lián)注入電壓為可以推導(dǎo)輸電系統(tǒng)受端功率為P si n6+巴si n( 6 + P)XX(A-2)Xpqcos!:n_；.當(dāng)2時(shí)，Upq 對(duì)線路功率 P 的作用最大。圖 A-3 繪出了不同 Upq 的功角 特性曲線。，UPFC 可以控制線路功率 P 在較大范圍內(nèi)變化，因此能夠較好地適應(yīng)輸 電系統(tǒng)對(duì)功率變化的需求。圖 A-3 接入 UPFC 裝置的雙機(jī)系統(tǒng)功角特性曲線：1 .I1將式（A-2）作適當(dāng)變換，可得取不同值時(shí)，輸電系統(tǒng)受端有功功率Pr與無(wú)功功率Qr之間的關(guān)

14、系曲線如圖 A-4所示?？梢钥闯?，UPFC 大大擴(kuò)展了輸電系統(tǒng)的原有的運(yùn)行范圍，特別是 =90:時(shí),如果沒(méi)有 UPFC 的補(bǔ)償，輸電系統(tǒng)已經(jīng)到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行極限，而加入U(xiǎn)PFC 后，系統(tǒng)的運(yùn)行范圍（藍(lán)色曲線）已經(jīng)大大超出原有范圍（紅色曲線），而系統(tǒng)仍然能夠穩(wěn) 定運(yùn)行，所以 UPFC 能大大擴(kuò)展系統(tǒng) P-Q 運(yùn)行范圍。如果一個(gè)系統(tǒng)中安裝適當(dāng)數(shù)量 的 UPFC,對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行（優(yōu)化潮流分布、提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限、增大系統(tǒng)穩(wěn)定 裕度）具有重要意義。圖 A-4UPFC 控制的輸電系統(tǒng)受端 P-Q 運(yùn)行范圍A. 3UPFC 的動(dòng)態(tài)性能為了考察 UPFC 的動(dòng)態(tài)特性，在 PSCAD/EMTDC 環(huán)境下建立了

15、UPFC 的動(dòng)態(tài)仿 真j2:.:Us二Ue2= U cos j sin心：=Ue24jUpq二Upqe22,(6. . 6 )=U cosj sinI 22丿 心丄cL &丄門cosj sin_ 2J2(A-1)二UpqPU2sin.rX2(+ QrU；cos1UUX、2pqmax(A-3)精心整理模型。該模型忽略了裝置輸出諧波的影響，考慮了并聯(lián)側(cè)、直流側(cè)和串聯(lián)側(cè)動(dòng)態(tài)， 可用于潮流控制、暫穩(wěn)控制、阻尼控制等研究。UPFC 裝設(shè)在雙回線中一回線路的首端。隨著指令階躍變化，UPFC 可實(shí)現(xiàn)對(duì)受控線路有功、無(wú)功功率的獨(dú)立、快速、精 I r-1|_確、連續(xù)控制，如圖 A-5 所示。圖 A-5U

16、PFC 潮流控制性能I1當(dāng)系統(tǒng)遭受動(dòng)態(tài)干擾并引發(fā)功率振蕩時(shí)，UPFC 可對(duì)輸電線路的功率進(jìn)行強(qiáng)制控-* I I制從而能很好地阻尼系統(tǒng)振蕩。通常將阻尼控制和潮流控制綜合進(jìn)行考慮，在潮流 控制的基礎(chǔ)上疊加阻尼控制。實(shí)際可采用線路有功功率偏差作為阻尼控制的輸入信 號(hào)，通過(guò)阻尼控制器，輸出阻尼控制信號(hào)damp-sig,用以調(diào)節(jié)線路功率控制的參考值，從而達(dá)到增加系統(tǒng)阻尼、平息振蕩的目的。系統(tǒng)遭受小干擾后，UPFC 不進(jìn)行控制、UPFC 采用移相控制附加阻尼控制，以及采用自動(dòng)潮流控制附加阻尼控制時(shí)，發(fā)卩電機(jī)電磁功率，角度變化率，以及串聯(lián)注入電壓和線路電流的波形如圖A-6 所示。（a）UPFC 未進(jìn)行控制（b）移相控制+阻尼控制（c）自動(dòng)潮流控制+阻尼控制圖 A-6UPFC 阻尼功率震蕩仿真波形由仿真波形可見，在系統(tǒng)發(fā)生功率振蕩時(shí)，UPFC 可通過(guò)不同的控制方式阻尼功Xj X）J率振蕩，效果也有所不同。附錄 BUPFC 裝置初步設(shè)計(jì)B. 1 電氣主接線單套 UPFC 裝置的電氣主接線如圖 B-1 所示。兩臺(tái)背靠背換流器分別通過(guò)并聯(lián) 耦合變壓器 TR-SH 和串聯(lián)耦合變壓器 TR-SE 接入系統(tǒng)。兩臺(tái)換流器直流側(cè)通過(guò)直流精心整理I r-開關(guān) SWDC 相連。TR-SH 容量為 50MVA，次側(cè)接入 220kV 母線，二次側(cè)連