统一潮流控制器在南京西环网的应用

蔡晖,祁万春,黄俊辉,谢珍建,汪惟源

(1.国网江苏省电力公司电力经济技术研究院，南京市 210008; 2.国网江苏省电力公司发展策划部，南京市 210024)



统一潮流控制器在南京西环网的应用

蔡晖1,祁万春1,黄俊辉1,谢珍建1,汪惟源2

(1.国网江苏省电力公司电力经济技术研究院，南京市 210008; 2.国网江苏省电力公司发展策划部，南京市 210024)

首先介绍了统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)在国内外理论研究和工程应用的发展和现状。接着具体阐述了南京西环网在发展中存在的输电通道能力不足、潮流分布不均等问题。通过与常规解决措施的对比，阐明了在南京西环网中应用UPFC提高电网输电能力及稳定性的可行性、必要性和必然性。经分析计算发现,通过应用UPFC，不仅能够有效控制电网潮流，提高现有电网的输电能力，从而避免投资巨大、实施难度极大的城市电缆输电通道建设，而且还能够很好地适应未来电网网架的变化。因此，在南京西环网甚至将来的江苏电网中，应用UPFC可以显著提高电网的输电能力、利用效率及运行安全性，能够取得良好的经济效益和社会效益。

统一潮流控制器(UPFC)；南京西环网; 输电能力；运行安全

0 引 言

现代电力系统发展迅速，随着负荷不断增长、网架结构日益复杂、新能源大规模接入，潮流分布不均、电压支撑能力不足、短路电流过大、机电振荡等问题往往相互交织，给电网运行控制带来新的挑战。由于输电走廊的饱和及电网公司的商业化运作，依靠建设新输电线路来增加输送容量将会越来越困难。

从电网实际情况来看，潮流分布不均已成为制约电网输送能力的重要因素。以江苏、上海、福建电网为例，由于电源分布不平衡、负荷水平高、220 kV分区电网多等特点，电网潮流分布极为复杂。在“迎峰度夏”及其他电网高峰负荷时段，许多220 kV分区电网出现主变或线路过载甚至超过稳定极限的情况，而部分线路功率畸轻，受重载主变或线路的制约，分区供电能力无法充分发挥，不仅影响电网发挥规模效益，还导致出现限电等现象，给国民经济的发展带来不利影响，急需采用潮流优化控制技术提高现有电网的供电能力并提高设备利用率。传统电网缺乏有效的调节手段，通过采用新型FACTS(flexible alternative current transmission system)装置来改善系统运行工况，提高电网输送容量是一个现实且理想的选择[1-5]。

FACTS技术作为电网新技术，由于其先进的控制原理、可充分利用和提高现有电网资源利用率、可以改善电网静动态运行特性、很好地适应电力市场运营及新能源接入等优点，日益引起业内的广泛关注和重视。统一潮流控制器(unified power flow controller， UPFC)作为第3代FACTS设备的代表，是迄今为止功能最全面的FACTS装置，能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相和端电压调节等多种基本功能。UPFC既能在电力系统稳定方面实现潮流调节，合理控制有功功率、无功功率，提高线路的输送能力，实现优化运行；又能在动态方面，通过快速无功吞吐，动态支撑接入点的电压，提高系统电压稳定性；还可以改善系统阻尼，提高功角稳定性[6-10]。

未来的电力系统必将向大型互联电网发展，随着负荷水平的持续攀升，电网规模的急剧增长，以及对供电质量和效益等要求的不断提高，电网基础建设的难度加大，给未来电网的运行带来一系列的挑战。UPFC作为功能最强、最杰出的FACTS设备，具有广阔的应用前景。

本文首先介绍UPFC技术在国内外理论研究和工程实际应用的现状；然后对南京西环网的近况及未来发展中存在的问题进行详细描述；接着通过与新建输电通道等常规网架加强手段对比，阐述UPFC在南京西环网投运的可行性、必要性和必然性。最后对UPFC技术的应用对南京西环网运行的经济性、稳定性、未来发展的适应性等方面的影响进行分析。

1 UPFC的理论研究及工程应用现状

1992年，L.Gyugyi提出了统一潮流控制器(UPFC)的概念，UPFC是迄今功能最全面的FACTS装置，包括了电压调节、串联补偿和移相控制等所有能力，可以同时并快速地控制输电线路中的有功功率和无功功率[11]。实现单回线路控制的UPFC结构如图1所示，由2个共用直流母线的背靠背的电压源换流器构成，二者都通过换流变压器接入系统，其中，换流器1对应的换流变压器以并联形式接入，换流器2对应的换流变压器以串联形式接入。有功功率可以在2个换流器之间双向流动，每个换流器的交流输出端都可独立地发出或吸收无功功率。

图1 UPFC基本结构

换流器2的功能是通过串联变压器给线路注入幅值和相角均可控的电压矢量，即可同时或有选择性地调节线路上的电压、阻抗和相角；换流器1的功能是通过公共直流母线提供或吸收换流器2所需要的有功功率，以维持串联变压器与线路之间的有功功率交换。除了换流器2能与系统进行有功和无功功率的交换外，换流器1也可同时发出或吸收无功功率，为系统提供独立的并联无功补偿。UPFC的基本控制方式分别为线路端电压控制、线路电抗控制、相角控制和自动潮流控制4种控制方式。

自1998年世界第1套UPFC工程在美国Inez投运以来，共有3套UPFC投入工程运行。分别是美国Inez地区的UPFC，容量为138 kV/320 MVA；韩国kangjin地区的UPFC，容量为154 kV/80 MVA；美国纽约Marcy地区的CSC，容量为345 kV/200 MVA。UPFC的安装运行为当地解决了电压支撑和区域馈电线路过负荷等问题。这3套UPFC装置的成功运行，为UPFC工程化提供了宝贵的工程经验和运行经验。总体来看，国外虽然已有3套UPFC装置投入运行，但限于当时的技术水平，仍处于积累运行经验的阶段，在降低运行损耗、提高运行可靠性和性能、满足电网需求等方面，UPFC还有很多需要进一步完善的地方[12-13]。国内UPEC的理论研究工作主要集中在UPFC系统建模、控制器设计及控制策略、换流器控制方法、改善电力系统运行等方面，目前还没有实际工程应用[14-15]。

UPFC具有很好的应用前景，该技术的应用目前在我国尚属空白，国内企业通过柔性直流输电、STATCOM(static synchronous compensator)等电力电子设备的研制为本项目的研究积累了一定的经验，但是对许多应用问题还需深入研究，特别是应用于高电压等级的UPFC换流阀组及其多目标控制器的研究方面，因此，南京电网安装UPFC将有利于我国对UPFC的应用开展更深入的研究。

2 南京西环网在规划发展中存在的问题

南京西环网系指南京主城220 kV环网西部(见图2)，是南京城网的主要负荷中心。目前，该区域供电电源主要由500 kV东善桥变、龙王山变从南北两端共同供电，区域内还有华润板桥电厂、华能南京电厂共计1 300 MW的机组。

2015年西环网供电负荷预计将达到约2 500 MW。 由于南京主城环网的电网结构及电源、负荷分布特点，上述西环网供电的主要输电通道存在较严重的潮流分布不均情况，其中500 kV龙王山变向西环网的220 kV输电通道潮流偏重，尤其是西环网内220 kV晓庄南送下关、中央门断面潮流过重情况尤为突出，而500 kV东善桥变向西环网的220 kV输电通道潮流较轻，从而影响了南京电网向西环网的整体供电能力和安全可靠水平。

图2 南京西环网系统接线示意图

机组满出力的工况下，晓庄—中央、晓庄—下关线路潮流达到817 MW，其中晓庄—下关线路潮流441 MW，已超过生产部门规定的正常限额 (按功率因数0.95考虑，限额为约418 MW)，通过采取110 kV电网转移负荷、降低区外和区内机组出力、在区内机组上安装安全稳定自动装置等措施，西环网供电能力达到2 500 MW，基本满足2015年的负荷发展需求。

2016年为满足负荷的增长，南京电网拟建设500 kV秦淮变向西环网中南部地区供电，以减少晓庄南送断面的输电压力；同时相应配套秦淮—滨南第2通道(2×9 km，其中电缆通道 8 km)也于同期投运。晓庄南送断面潮流约为600 MW，在安全稳定自动装置的配合下，西环网供电能力达3 000～3 200 MW，能够满足2016—2018年西环网的负荷需求，但依赖安全稳定自动装置解决N-1问题不满足《电力系统安全稳定导则》的要求。此外，由于秦淮—滨南第2通道需建设2×8 km的电缆，建设难度和工程量均很大。若不能与秦淮变同步投运，西环网供电能力难以满足负荷需求。

可见至2016年，即使新增1座500 kV变电站，南京西环网仍存在安全隐患(不满足《电力系统安全稳定导则》)及供电能力不足的问题。

3 南京西环网输电能力分析

3.1 制约供电能力因素分析

(1)负荷分布不均匀。南京主城负荷分布不均匀，西环网区域内人口密集，聚集了南京的商业、金融、文化中心，且供电可靠性要求较高，拥有军区、政府、学校等重要负荷点。西环网负荷基数大，重要等级高，增长较快。

(2)电源分布不均匀。南京主城电源主要包括500 kV变电站和电厂。500 kV龙王山变电站位于南京市区电网的东北面，500 kV东善桥变电站位于南京市区电网的南面；220 kV接入的电厂主要位于东北面及东面，对于负荷较重的西环网，仅在晓庄变电站和秦淮变电站各有1个电厂，分别是华能南京电厂2×320 MW机组、板桥电厂2×330 MW机组。

(3)两端供电方式，线路输送存在瓶颈。南京市区西环网的供电方式为龙王山变电站从东向西、东善桥变电站由南向北供电，输电通道出现“卡脖子”问题，晓庄—下关/晓庄—中央断面潮流过重。

(4)线路改造和新建线路难度较大。西环网很多线路均位于老城区，线路运行年代较长，周边房屋密集，线路截面较小，改造困难。城区原则上已不允许新建架空线路，因此新建线路只能采用电缆，电缆建设周期长，费用高，且市区房屋密集的地方电缆通道也较难走通。

3.2 解决潮流问题的方案对比

南京西环网地区至2016年左右2个断面存在潮流问题，分别是晓庄断面和秦淮—滨南断面。由于调整分区结构(即西环网解环)的措施存在电网可靠性下降，导致300～400 MW负荷存在短时失电的危险。因此解决潮流问题，仅考虑保持现有网架结构，采取如下的电网加强方案。

方案1：华能南京电厂—晓庄的一回线路开断环入码头变电站，晓庄断面向西环网供电增加至3个通道，同时，电厂的1台机组接入码头变电站。

方案2：将经港—晓庄双线开断环入铁北，并将1台华能南京320 MW机组改接铁北，在铁北—晓庄线路安装串联电抗器。

方案3：晓庄—中央、晓庄—下关线路更换倍容量导线。

方案4：在铁北—晓庄线路上加装UPFC装置，进行潮流调节。

对4个方案进行经济技术性比较，如表1所示。考虑保持现有电网结构，通过加强电网来解决现有潮流问题，经过各方面的经济技术比较，推荐方案4，即加装潮流控制器解决南京西环网的潮流问题。

UPFC装置的等效阻抗值很小，且相当于在系统线路上串联阻值很小的电抗器，不会提高系统的短路水平。为节省投资，考虑接入铁北—晓庄双回线的UPFC采用公用并联侧的结构(见图3)，通过计算选定串联侧的2个换流变容量取70 MVA(额定电流 1.5 kA、额定电压27 kV)，并联侧换流变容量取70 MVA。

图3 南京西环网UPFC方案设想图

3.3 UPFC对未来南京主城电网网架变化的适应性

2017—2020年，根据规划，南京电网将投运500 kV秋藤变向西环网供电，如图4所示。500 kV变电站及配套220 kV送出线路投运后，在一定程度上减缓了西环网北部220 kV送电断面的潮流，但由于负荷的增加，西环网部分输电断面(晓庄南送断面、绿博园送出断面)潮流仍无法满足N-1校核，仍需通过UPFC的潮流调节和无功电压控制能力，优化向西环网供电主要输电断面的潮流分布，从而在整体上达到提高南京电网向西环网的供电能力。

同时，根据南京市政府的相关要求，华能南京电厂2×320 MW机组将于“十三五”中后期关停。UPFC的投运较好地适应了华能南京机组关停后的西环网北部受电断面潮流偏轻，从而影响整体受电能力的情况，并维持了南京城市环网的整体性和输电效益，有效地保证了电网的安全可靠供电。进一步的研究表明，远景年，随着负荷的增加，电源的变化及电网结构的调整，UPFC仍然在西环网外部受电通道和内部输电通道的潮流优化上起到关键作用(见表2)。

图4 500 kV秋藤变220 kV系统方案图

注：UPFC作用方向指降低或提升UPFC所在线路(铁北-晓庄)的功率。

4 结 语

南京市区电网2016年左右开始出现输电瓶颈问题，大大降低了电网的整体供电能力和安全可靠水平。若采取传统措施，无法解决供电问题，适应电网发展的需求，因此加装UPFC装置成为满足2016年及远景电网发展的最佳措施。

根据计算，UPFC装置不会提高系统的短路电流水平，对系统短路电流起到一定程度的降低作用。UPFC工程包括换流阀、变压器、控制保护和水冷等主要设备，初步估算的费用约为2.2亿元。与其他电网加强方案相比，UPFC的应用在兼具可行性的前提下，经济性上也具有一定的优势。同时，UPFC能够很好地适应未来电网网架的变化，在新的网架中仍能发挥自身的潮流调节作用。由于UPFC为新兴设备，国内暂无运行管理经验，因此需要加强对UPFC装置的监测监管工作，同时做好数据整理收集工作，为今后全国UPFC的推广使用提供宝贵的实际经验。

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祁万春(1979) 男，高级工程师，主要研究方向为电力系统规划技术;

黄俊辉(1965) 男，高级工程师，主要研究方向为电网规划研究及管理;

谢珍建(1980)男，高级工程师，主要研究方向为电力系统规划技术;

汪惟源(1975)男，高级工程师，主要研究方向为电网规划与自动控制。

(编辑：张小飞)

Firstly, the development and present situation of theoretical study and engineering application of the unified power flow controller (UPFC) at home and abroad were introduced.Then, the constraints in developing Nanjing Western grid were described in detail, such as limited transfer capacities of power imported channels, unbalanced power flow distributions and so on.Through the comparison with other convention solutions, the feasibility, necessity and inevitability of UPFC applied in Nanjing Western grid to improve the system’s reliability and transfer capacity were investigated.Through the analysis and calculation, it is found that the application of UPFC not only can effectively control power flow, enhance the transfer capacity of the existing power grid, which can avoid constructing city-crossed cable channel with huge investment and difficult construction; but also can be well adapted to the changes of power grid frame in the future.Therefore, the application of UPFC in Nanjing Western grid or even Jiangsu grid in the future can prominently improve the transfer capacity, utilization efficiency and running security of power grid, which can achieve good economic and social benefits.

unified power flow controller (UPFC); Nanjing Western power system; transfer capacity; operation reliability

Application of UPFC in Nanjing Western Power System CAI Hui1, QI Wanchun1, HUANG Junhui1, XIE Zhenjian1, WANG Weiyuan2

(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute, Nanjing 210008, China; 2.State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210024, China)

TM 744

A

1000-7229(2015)08-0073-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.012

2015-05-28

2015-07-05

蔡晖(1984)男，博士，工程师，主要研究方向为电力系统规划技术;