UPFC統(tǒng)一潮流控制器

UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）

報(bào)告人：孫沖UnifiedPowerFlowController

FACTS控制器

FACTS控制技術(shù)經(jīng)數(shù)十年的不斷發(fā)展完善，實(shí)現(xiàn)的功能也日趨強(qiáng)大，F(xiàn)ACTS家族也由最初的幾種發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)十種。最初，F(xiàn)ACTS控制技術(shù)采用反并聯(lián)晶閘管控制結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)的應(yīng)用主要有靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)、可控串聯(lián)補(bǔ)償器（TCSC）、可控移相器（TCPS）等。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了基于GTO電壓源換流器的新一代FACTS控制器，主要有串聯(lián)潮流控制器(SPFC)、靜止移相器(SPS）、高級(jí)無(wú)功發(fā)生器(ASVC)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)等，以及最新一代新型控制器：線間潮流控制器(IPFC)、廣義統(tǒng)一潮流控制器(GUPFC)。UPFC基本原理UPFC的結(jié)構(gòu)3UPFC的簡(jiǎn)單介紹12UPFC的工作原理45UPFC安裝地點(diǎn)世界上第一臺(tái)UPFC裝置是美國(guó)電力公司（APE）、西屋公司（WESTINGHOUSE）以及美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）于1998年在KENTUCKY東部的INZE變電站138KV高壓輸電線路上安裝的UPFC系統(tǒng)，其串聯(lián)部分即同步靜止串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)和并聯(lián)部分即靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM容量各為160MVA，合計(jì)320MVA，其中并聯(lián)部分于1997年7月完成，串聯(lián)部分SSSC于1998年6月投入運(yùn)行。2003年5月韓國(guó)在kangjin變電站安裝了額定容量80MVA的UPFC裝置，該裝置由40MVA的串聯(lián)部分和40MVA的并聯(lián)部分組成我國(guó)在UPFC領(lǐng)域的研究起步較晚。最早開(kāi)展UPFC物理模型和設(shè)備研制方面工作的是電力科學(xué)院，在1995年完成一套UPFC的試驗(yàn)裝置。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)完成了一套物理模型容量為4KVA的試驗(yàn)裝置，并在清華大學(xué)的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做了試驗(yàn)研究取得良好的效果UPFC的基本原理UPFC的提出及作用

統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)的概念，最先是由L．Gyugyi等人于1992年提出的。國(guó)外對(duì)UPFC的研究較早，1998年世界上第一臺(tái)裝置，在美國(guó)地區(qū)的138KV的高壓輸電線路上的成功運(yùn)行，足以說(shuō)明UPFC的硬件實(shí)現(xiàn)是完全可行的，目前運(yùn)行良好。而我國(guó)起步較晚，在1995年以后才開(kāi)始研究。UPFC的基本思想是一種統(tǒng)一的可控硅控制裝置，只需改變其控制規(guī)律，就能分別或同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相和端電壓調(diào)節(jié)等4種基本功能，以及這些功能間的相互組合作用。UPFC既能在電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面實(shí)現(xiàn)潮流調(diào)節(jié)，合理控制有功功率、無(wú)功功率的流動(dòng)，提高線路的輸送能力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，又能在動(dòng)態(tài)方面，通過(guò)快速無(wú)功吞吐，動(dòng)態(tài)地支撐接入點(diǎn)的電壓，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，若適當(dāng)控制，還可以改善系統(tǒng)阻尼，提高功角穩(wěn)定性。UPFC的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由共用直流側(cè)大電容的兩個(gè)完全相同的電壓源型變流器及兩個(gè)變壓器組成將UPFC看作是一臺(tái)STATCOM裝置和一臺(tái)SSSC裝置用直流側(cè)并聯(lián)起來(lái)。STATCOM——靜止同步補(bǔ)償器（StaticSynchronousCompensator,簡(jiǎn)稱STATCOM，又稱SVG）。STATCOM并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可控的無(wú)功電流源，其無(wú)功電流可以快速地跟隨負(fù)荷無(wú)功電流的變化而變化，自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)所需無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。SSSC——靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（StaticSynchronousSeriesCompensator）

SSSC串聯(lián)在輸電線路，基于同步電壓源的原理，向電路中注入一個(gè)與線路電流相差90°的可控電壓，它不再利用電容器或電抗器產(chǎn)生或吸收無(wú)功功率來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，而通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)具有可控幅值和相角、同步、近似正弦的電壓差來(lái)和系統(tǒng)交換無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。并且它可以與線路交換有功功率增加線路傳輸能力。UPFC的結(jié)構(gòu)并聯(lián)側(cè)的工作原理統(tǒng)一潮流控制器并聯(lián)側(cè)的調(diào)節(jié)目的有二：一是有功調(diào)節(jié)，即穩(wěn)定直流側(cè)大電容上的電壓，從電網(wǎng)吸取有功功率補(bǔ)充串聯(lián)側(cè)所需要的有功功率和整個(gè)UPFC的有功功率消耗；二是無(wú)功調(diào)節(jié)，即可以輸出無(wú)功功率以穩(wěn)定接入點(diǎn)的端電壓。并聯(lián)側(cè)的工作原理1.無(wú)功功率控制模式在無(wú)功功率控制模式下，根據(jù)給定值感性或容性無(wú)功的需求，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)功電流的給定值，將給定值與電流實(shí)際值進(jìn)行比較，將差值轉(zhuǎn)化為電壓作為并聯(lián)變流器的輸入信號(hào)。并聯(lián)部分可以向系統(tǒng)發(fā)送或吸收一定的有功功率以維持直流電容電壓的穩(wěn)定和滿足系統(tǒng)內(nèi)部的有功功率損耗。2.節(jié)點(diǎn)電壓控制模式在電壓控制模式下，并聯(lián)部分可以控制接入點(diǎn)的電壓，使其維持在給定值。

UPFC的結(jié)構(gòu)串聯(lián)側(cè)工作原理變流器2通過(guò)串聯(lián)在線路中的變壓器給輸電線路注入了幅值和相角可變的電壓，可以看作是一個(gè)同步交流電壓源，線路電流流經(jīng)這一電壓源從而導(dǎo)致了有功功率和無(wú)功功率在電壓源以及交流線路之間的交換。其中與交流線路交換的無(wú)功需求是由變流器自身產(chǎn)生的，而有功功率的需求則被轉(zhuǎn)化為直流功率形式，也就是說(shuō)直流電容可作為這一串聯(lián)電壓源的有功功率儲(chǔ)備，從而對(duì)線路進(jìn)行有功和無(wú)功功率的控制。所以，統(tǒng)一潮流控制器的主要功能是由變流器2實(shí)現(xiàn)的。

串聯(lián)側(cè)工作原理

1.直接電壓注入模式在這種工作模式下，UPFC只產(chǎn)生給定的電壓矢量，幅值和相角的大小可以任意給定。實(shí)際電壓與給定進(jìn)行比較，誤差通過(guò)處理作為串聯(lián)變流器的輸入。

2.輸電線阻抗補(bǔ)償模式控制注入電壓的幅值與輸電線電流的幅值成比例，這樣，從輸電線上看，UPFC可等效為一個(gè)串聯(lián)阻抗，即調(diào)節(jié)線路的阻抗，該阻抗可以是一個(gè)復(fù)阻抗。如果注入電壓矢量與輸電線電流矢量正交，就意味著對(duì)輸電線進(jìn)行感性或容性的補(bǔ)償。因此，該工作模式可以用來(lái)配合已經(jīng)存在的輸電線串聯(lián)電容補(bǔ)償。

3.相角調(diào)節(jié)模式根據(jù)輸入母線電壓矢量控制注入電壓矢量，但其大小滿足以下要求，即使得輸出電壓偏移給定的角度，但幅值保持不變。同樣將實(shí)際電壓與給定進(jìn)行比較，對(duì)誤差進(jìn)行處理后作為串聯(lián)變流器的輸入。

4.潮流控制模式在這種控制模式下，UPFC需獨(dú)立地控制線路的有功和無(wú)功功率。實(shí)現(xiàn)原理是通過(guò)向線路注入一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓同時(shí)使電路產(chǎn)生一個(gè)理想的電流向量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)線路潮流的目的。其中串聯(lián)變流器的給定值是線路希望達(dá)到的有功和無(wú)功功率傳輸能力，通過(guò)計(jì)算將傳輸功率轉(zhuǎn)換為電流的給定值，將實(shí)際電流值經(jīng)反饋與給定值比較，對(duì)誤差進(jìn)行處理后，得到串聯(lián)變流器的輸入控制值。這是傳統(tǒng)的輸電線補(bǔ)償所不能做到的，對(duì)潮流規(guī)劃和控制帶來(lái)了很大的方便。同時(shí)也可以有效減少系統(tǒng)擾動(dòng)帶來(lái)的影響（如阻尼功率振蕩）。UPFC對(duì)電能質(zhì)量影響1）對(duì)短期電壓降落的影響2）UPFC對(duì)雷擊過(guò)電壓的影響3）UPFC對(duì)線路諧波的影響作為一種統(tǒng)一的晶閘管控制裝置的UPFC，它的加入必然會(huì)引起輸電線路參數(shù)，如阻抗值和相位角的變化，在一定程度上影響線路的暫態(tài)過(guò)程。此外，UPFC按一定規(guī)律開(kāi)閉不同電路，從本質(zhì)而言，它仍是一諧波源，因此必然會(huì)向系統(tǒng)注入諧波，影響電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量。同時(shí)它也可以減少系統(tǒng)自己產(chǎn)生的諧波。3）UPFC對(duì)線路諧波的影響可以看出UPFC對(duì)電能質(zhì)量是有明顯的改善作用，對(duì)電力諧波也起到一定的抑制作用，但是必須選取合適的參數(shù)，并加上濾波器，才可以把UPFC向系統(tǒng)注入的諧波減到最小。UPFC對(duì)潮流控制UPFC的安裝地點(diǎn)由于電力電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的限制，并不能夠在任何地方都安裝UPFC；這在技術(shù)上，尤其是經(jīng)濟(jì)上是不允許的。所以選取UPFC安裝地點(diǎn)一般會(huì)考慮以下3個(gè)方面：考慮緊急控制有效程度考慮穩(wěn)態(tài)潮流控制電力市場(chǎng)下的UPFC安裝地點(diǎn)綜合量化評(píng)價(jià)在選擇UPFC的裝設(shè)地點(diǎn)時(shí)，必須考慮緊急控制的有效程度；即在所選擇的地點(diǎn)，UPFC可以提供最大的系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。但是UPFC的最主要功能是控制電力系統(tǒng)潮流，在電力市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)下，發(fā)電廠是獨(dú)立單位，不完全受電網(wǎng)調(diào)度的指令，是根據(jù)市場(chǎng)規(guī)律和經(jīng)濟(jì)效益為基本出發(fā)點(diǎn)的，在這種環(huán)境下，選擇適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)來(lái)發(fā)揮UPFC的最大功效是很重要的。對(duì)實(shí)際系統(tǒng)而言，不同系統(tǒng)對(duì)于緊急控制和穩(wěn)態(tài)潮流控制的要求也不同，可以得出以下一些一般性原則：1）要以電力系統(tǒng)的安全為主。在充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度的前提下，再考慮系統(tǒng)潮流控制的要求。具體的，可以在穩(wěn)定裕度的靈敏度系數(shù)大的幾個(gè)安裝地點(diǎn)中，再考慮穩(wěn)態(tài)潮流控制時(shí)這些安裝地點(diǎn)的影響效果指標(biāo)。2）充分考慮電力市場(chǎng)條件下的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。有些電網(wǎng)由于其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，電氣聯(lián)系很緊密，電網(wǎng)本身就有很高的穩(wěn)定裕度。在這種情況下（電網(wǎng)安全穩(wěn)定基本可以得到保證），就主要以穩(wěn)態(tài)潮流控制的UPFC安裝地點(diǎn)的評(píng)價(jià)為主，這樣就可以節(jié)省不必要的投資。參考文獻(xiàn)1、基