1、11. UPFC 的原理和功能简述UPFC 的原理简述UPFC 的原理结构如图 2-1 所示。图 2-1 中并联换流器的作用相当于静止同步补偿器（STATCOM） ，串联换流器的作用相当于静止同步串联补偿器（SSSC） ，两者通过直流电容上的电压 提供电源，其中dcV有功功率可以在 2 个换流器的交流端向任一方向自由流动，并且可以在其交流输出端独立的发出或吸收无功功率。并联变压器并联换流器串联换流器串联变压器控制器测量变量参数设定变量参考量BVdcVEaVbEFbFaVEV FlV s图 2-1 UPFC 的原理结构并联换流器在公用直流联结处提供或吸收串联换流器所需要的有功能量，经换流后到交流
2、端送入与输电线路并联的变压器，因此在稳态时，不考虑自身损耗，UPFC 的两侧有功功率相等，直流电容器既不发出也不吸收有功功率，电压 保持恒定。同 STATCOM 原理相同，dcV并联换流器能够可控的产生或吸收无功功率，当系统需要时，可为线路提供动态无功补偿；串联换流器可控制 保持为 0 和 以内，并BmaxBV2且使相角 保持在 0 和 之间，并通过串联变压器将电压 叠加B36 BV到线路电压上。通过控制 的幅值和相角， UPFC 就可实现传统的电BV力传输中的串联补偿和移相等功能。UPFC 的详细原理可见附录 A。2.2 UPFC 的功能UPFC 是由串联补偿的 SSSC 和并联补偿的 ST
3、ATCOM 有机结合构成的新型潮流控制装置，能同时调节线路阻抗、节点电压幅值和相位，仅通过控制规律的改变，就能实现并联补偿、串联补偿和移相等多种功能，达到优化系统潮流分布、最大化电网传输能力、改善系统动态响应性能等目的。 sUspqspqsUspqIsUspqpqsUspqpq( a ) ( b )( c )( d )图 2-2 UPFC 主要控制功能图 2-2 为 UPFC 的各种控制功能。图 2-2(a)为电压调节功能，即UPFC 串联注入电压与送端电压的方向相同或相反，即只调节电压的幅值，不改变电压的相位。图 2-2(b)为串联补偿功能，补偿电压与线路电流的相位垂直。图 2-2(c)为相
4、角调节功能，即不改变电压的幅值，只改变电压的相角，此时 UPFC 产生的补偿电压在图中所示的弧线上，相当于移相器。图 2-2(d)为自动潮流控制功能，此时 UPFC 是前面三种功能的综合。UPFC 的控制器可以根据系统的需求，选择一种或多种3功能的组合作为其控制目标。UPFC 不同于其它 FACTS 装置之处在于，它能同时控制母线电压、线路有功和无功潮流。在电网中应用 UPFC，第一，能够合理控制线路潮流，实现经济运行；第二，有助于实现无功优化，提高系统电压稳定性；第三，施以合适的控制，UPFC 能够改善系统阻尼，提高功角稳定性。2. UPFC 工程应用现状自从 UPFC 技术发明之后，美国、
5、德国、韩国等国的大公司和研究机构先后研制了三套高电压、大容量的 UPFC 装置，并已经在电力系统中实际运行。本节对这三套 UPFC 装置的工程背景、系统构成等情况进行简单介绍。3.1 美国 INEZ 地区 UPFC 工程（1）工程概况美国电力公司（AEP）与美国电力研究院（EPRI） 、西屋公司合作，研制了世界上第一套 UPFC 装置（138kV、320MVA） ，安装在东肯塔基州的 Inez 变电站，于 1998 年 6 月投运，大幅提高了电网输送能力和电压稳定性。Inez 变电站的地区负荷为 2000MW，由几条长距离重负荷的138kV 线路供电，其周边地区有发电厂和 138kV 变电站。
6、系统电压由20 世纪 80 年代早期安装在 Beaver Creek 的 SVC 及几个 138kV 及更低电压等级的输变电站的并联电容器组支撑。尽管该地区安装了很多并4联电容器组，138kV 线路两端压降仍可高达 7%8%。系统正常运行时，许多 138kV 线路输送的功率高达 300MVA，远远超过了线路自然功率，电网对紧急事故的稳定裕度很小，一旦发生故障，就可能导致大面积的停电事故。经过分析和计算机模拟研究表明，Inez 地区迫切需要增加线路传输容量并提供电压支撑，除了新建线路、变电站扩容外，AEP 还决定在 Inez 变电站安装一套 UPFC，作为 AEP 输电系统升级改造的一部分。（2
7、）系统构成Inez UPFC 工程的电气主接线如图 3-1 所示。通过开关操作，UPFC可运行在 160Mvar STATCOM，320Mvar STATCOM，160Mvar SSSC，320MVA UPFC 模式。并联侧变压器采用主、备用相结合的方式，增强了 UPFC 的可靠性、灵活性。图 3-1 INEZ UPFC 系统主接线整体布局如图 3-2 所示。换流阀安装于室内，变压器、连接电抗安装于户外。5B i g S a n d y 线 路曲 折 变 压 器（ 中 间 耦 合 变 压 器 ）串 联主 变并 联主 变并 联 备用 变冷 却 散 热 系 统（ 户 外 部 分 ）U P F C
8、大 楼（ 换 流 阀 + 控 制 系 统 ）图 3-2 INEZ UPFC 整体布局UPFC 大楼占地约 30.5 米61 米，包括换流阀厅、控制室、配电室、电源室等，如图 3-3 所示。图 3-3 UPFC 阀厅布局3.2 韩国 Kangjin UPFC 工程（1）工程概况韩国电力公司(KEPCO) 和韩国电科院(KEPRI)、 Hyosung 公司、西门子公司合作，研制了世界上第二套 UPFC 装置（154kV，80MVA） ，安装在朝鲜半岛南半部的 Kangjin 变电站，于 2003 年投运，解决该地区电压偏低和电网过负荷问题。Kangjin 地区主要由 345kV 长线路供电，线路
9、Shinkwangju- Shinkangjin 或 Kwangyang-Yeosu 发生故障会导致 Kangjin 地区电压严重6偏低，154kV 线路过负荷。由于路权问题，该地区的新建线路计划被推迟，因此急需 FACTS 技术提供电压支撑和潮流转移手段。为了保障该地区电网正常运行，电力公司在 Kangjin 变电站安装 UPFC，向系统提供无功支撑，改善系统潮流分布。Kangjin UPFC 工程是 FACTS 技术在韩国 345kV 骨干电网系统应用前的验证性项目。（2）系统构成Kangjin UPFC 工程的电气主接线形式如图 3-4 所示，UPFC 能运行在 40Mvar STATC
10、OM，40Mvar SSSC 和 80MVA UPFC 模式。图 3-4 Kangjin UPFC 工程电气主接线Kangjin UPFC 工程变压器主要参数如表 3-1 所示。表 3-1 变压器参数变压器 变比(kV) 容量(MVA) 连接形式并联变压器 (154/1.732)/14.845 40 Y-串联变压器 6.061/14.845 40 Open Y-耦合变压器 4.857/8.239 22.2 Open Y-Kangjin UPFC 工程的串、并联侧换流器结构相同，均采用三相三电平换流器二重化方式，构成容量为 40MVA 的 24 脉动换流器。换流7器的额定交流电压为 14.845
11、kV，额定交流电流为 1.55kA。3.3 美国纽约地区 CSC 工程纽约电力公司和美国电科院，西门子公司合作，研制了世界上第一套 CSC(Convertible Static Compensator，也称广义 UPFC)装置（345kV，200MVA ） ，安装在纽约州 Marcy 变电站，于 2004 年 6 月投运，解决区域间电力输送瓶颈问题，促进该地区实现电力经济调度。Marcy 变电站位于纽约州的东南部地区，该地区负荷持续增长（预计每年增加 3%） ，却没有相应的新增电源计划，所需电力主要由7 条 115kV 到 345kV 的区域联络线馈入。受电压稳定性限制，联络线传输功率最低仅为
12、线路额定传输容量的 25%，最高也不超过 75%，因此需要采取有效手段挖掘已有线路的输电能力。研究表明，导致该地区线路输送能力受限的系统约束随着负荷实时变化，多种补偿需求相互交织。电力公司在 Marcy 变电站安装灵活性最强的 CSC 装置，满足该地区电网在多种运行工况下的补偿需求。（2）系统构成如图 3-5 所示，通过开关操作，纽约 CSC 工程的系统接线形式能够灵活变化，实现 100MVA STATCOM，200MVA STATCOM，100MVA SSSC，200MVA SSSC， 200MVA UPFC，200MVA IPFC 等多种运行模式。8图 3-5 CSC 工程电气主接线图NY
13、PA CSC 工程的整体布局如图 3-6 所示，包括变压器、隔离开关、空芯电抗器、CT、互联铝母线等传统户外设备，以及换流器、冷却系统、控制、保护等户内设备。图 3-6 CSC 工程的整体布局户内建筑体积约为 28.96 米35.66 米8.23 米，包括换流阀厅、控制室、配电室、电池电源室和机械设备室，如图 3-7 所示。逆变器正常工作时直流电压较高(6.014 kV)，阀厅必须注重防尘和除湿，因此独立配备风道。阀厅大小约为 21.95 米 29.87 米，高度为 6.1 米。9两台换流器各自采用独立的冷却系统，大部分热量由水循环系统送至风冷系统，冷却系统中的水/风热交换器位于户外，并紧靠大
14、楼的一侧，同侧室内为冷却系统的水泵和净化设备。图3-7 Marcy CSC户内设备布局10附录 A UPFC 装置详细原理A.1 UPFC 的结构UPFC 的结构如图 A-1 所示。UPFC 的功率回路包括两个共用直流母线的电压源换流器（Voltage Sourced Converter, VSC） ，其中VSC1 通过并联耦合变压器并联在母线路上，VSC2 通过串联耦合变压器串联在线路中。两个 VSC 的直流电压由公共直流电容器组提供。VSC2 输出电压相量串联注入线路中，其幅值变化范围为 0Upq，相角变化范围为 0360。在这一过程中，VSC2 与线路既可以交换有功功率，又可以交换无功功
15、率。虽然无功功率是由 VSC2 内部发出或吸收的，但有功功率的发出或吸收需要直流储能元件。VSC1 主要用来向 VSC2 提供有功功率，同时维持直流母线的电压恒定。这样，从交流系统吸收的净有功功率就等于两个 VSC 及其耦合变压器的损耗。11图 A-1 UPFC 结构示意图UPFC 的控制系统从功能上可分为内部控制和外部控制。其中，内部控制就是对两个 VSC 的运行进行控制，它产生规定的串联注入电压指令，同时吸收期望的并联无功电流。内部控制还要为 VSC 阀提供触发信号，使 VSC 输出电压按照图 A-1 所示的控制结构对内部参考输入具有适当的响应。UPFC 的外部控制决定了它的运行功能，其参
16、考输入决定了 UPFC 的运行模式和补偿要求，可由现场工作人员进行设置，也可由专门的自动控制系统进行最优控制。A.2 含 UPFC 的输电系统运行特性图 A-2 为 UPFC 接入输电系统示意图，串联侧的补偿功能用电压相量 Upq 表示。sUrUp qUXrUsUp qU2UPrj QrCP2U（a）简化电路 （b）相量关系图 A-2 接入 UPFC 装置的输电系统及相量图假设输电系统送端、受端及 UPFC 串联注入电压为（A-1）22cosin2icossin22jsjrjpqpqUejjej可以推导输电系统受端功率为 12（A-2）22sinsicos1cos pqr pqrUPXQX当2
17、时，Upq 对线路功率 P 的作用最大。图 A-3 绘出了不同 Upq 的功角特性曲线。 ，UPFC 可以控制线路功率 P 在较大范围内变化，因此能够较好地适应输电系统对功率变化的需求。图 A-3 接入 UPFC装置的双机系统功角特性曲线 2将式（A-2）作适当变换，可得(A-3)22 22maxsincos1pqr r UUPQXXX取不同值时，输电系统受端有功功率 与无功功率 之间的关 rPrQ系曲线如图 A-4 所示。可以看出，UPFC 大大扩展了输电系统的原有的运行范围，特别是 =90时，如果没有 UPFC 的补偿，输电系统已经到达稳定运行极限，而加入 UPFC 后，系统的运行范围（蓝
18、色曲线）已经大大超出原有范围（红色曲线） ，而系统仍然能够稳定运行，所以 UPFC 能大大扩展系统 P-Q 运行范围。如果一个系统中安装适当数13量的 UPFC，对于系统的优化运行（优化潮流分布、提高系统稳定极限、增大系统稳定裕度）具有重要意义。QP 2UXpqUX图 A-4 UPFC 控制的输电系统受端 P-Q 运行范围A.3 UPFC 的动态性能为了考察 UPFC 的动态特性，在 PSCAD/EMTDC 环境下建立了UPFC 的动态仿真模型。该模型忽略了装置输出谐波的影响，考虑了并联侧、直流侧和串联侧动态，可用于潮流控制、暂稳控制、阻尼控制等研究。UPFC 装设在双回线中一回线路的首端。随
19、着指令阶跃变化，UPFC 可实现对受控线路有功、无功功率的独立、快速、精确、连续控制，如图 A-5 所示。14图 A-5 UPFC潮流控制性能当系统遭受动态干扰并引发功率振荡时，UPFC 可对输电线路的功率进行强制控制从而能很好地阻尼系统振荡。通常将阻尼控制和潮流控制综合进行考虑，在潮流控制的基础上叠加阻尼控制。实际可采用线路有功功率偏差作为阻尼控制的输入信号，通过阻尼控制器，输出阻尼控制信号 damp-sig，用以调节线路功率控制的参考值，从而达到增加系统阻尼、平息振荡的目的。系统遭受小干扰后，UPFC 不进行控制、UPFC 采用移相控制附加阻尼控制，以及采用自动潮流控制附加阻尼控制时，发电
20、机电磁功率，角度变化率，以及串联注入电压和线路电流的波形如图 A-6 所示。15(a) UPFC 未进行控制 (b)移相控制+阻尼控制 (c)自动潮流控制+阻尼控制图 A-6 UPFC 阻尼功率震荡仿真波形由仿真波形可见，在系统发生功率振荡时，UPFC 可通过不同的控制方式阻尼功率振荡，效果也有所不同。附录 B UPFC 装置初步设计B.1 电气主接线单套 UPFC 装置的电气主接线如图 B-1 所示。两台背靠背换流器分别通过并联耦合变压器 TR-SH 和串联耦合变压器 TR-SE 接入系统。两台换流器直流侧通过直流开关 SWDC 相连。TR-SH 容量为50MVA，一次侧接入 220kV 母
21、线，二次侧连接并联侧换流器；TR-SE容量为 50MVA，系统侧绕组串联接入 220kV 线路；阀侧绕组连接串联侧换流器。BPSW 为晶闸管旁路开关，角接在 TR-SE 的阀侧，主要用于快速转移流过串联侧换流器的故障电流。16L 1M M C - V S C 1B R K S HY / d 1 1M M C - V S C 2B P S WY / y n / 2 2 0 k V 母线I 段IB P 1T R - S HT R - S EIV S C 2IV S C 1IS H 1IL 1H V B - S E角接IS E 1T V 2ULT V 1US HS W D C图 B-1 UPFC 电气主接线图B.2 平面布局整体设备布局如图 B-3 所示，包括两台 UPFC。图中阀厅为 2 层，两层分别放置一套 UPFC 阀体和 35kV 开关柜。其余均为一层，包括所有的进线开关、变压器和传感器，220kV 开关柜选择 GIS 开关柜。17图 B-3 UPFC 装置平面布局（两台）
