统一潮流控制器在苏南500 kV电网中的应用

李 鹏， 林金娇， 孔祥平

(国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

统一潮流控制器在苏南500 kV电网中的应用

李 鹏， 林金娇， 孔祥平

(国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

针对苏州南部500 kV电网供电能力提升、特高压直流功率消纳等问题，开展了统一潮流控制器(UPFC)在苏南500 kV电网应用的可行性研究，并给出了UPFC接入系统方案及拓扑结构，通过系统计算确定UPFC变压器及换流器容量。仿真计算验证了其对苏州南部500 kV电网潮流及电压调节作用，结果表明：苏南电网冬季大负荷及锦苏特高压直流小方式下，能消除梅里木渎断面N-1过载的问题；夏季锦苏直流大方式下发生双极闭锁时，通过提升地区电网供电能力，减小苏南地区切负荷量；通过UPFC无功电压控制，提供苏南地区电网电压恢复水平，一定程度上减少了锦苏直流发生换相失败。并给出了UPFC主设备关键参数的选择依据。

统一潮流控制器(UPFC)；换流器；串联变压器

随着电网供电能力提升难度增加，采用新技术发挥电网潜能需求愈发迫切，统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作为功能最强大的灵活交流输电装置，通过换流器控制能够对多个电气参数实现柔性控制，可以快速、灵活的调节电网的潮流分布，为破解廊道资源紧张等难题提供了重要解决手段[1,2]。

针对220 kV南京电网潮流缺乏灵活有效控制手段的问题，江苏省电力公司研制了国内外首套基于MMC技术的UPFC成套设备，并在南京220 kV西环网实现示范应用[3]。工程于2015年12月投入运行，多次将西环网关键断面潮流控制在稳定限额以下，为南京电网供电能力提升发挥了重要作用。结合苏州南部500 kV电网供电能力提升、特高压直流功率消纳等问题，江苏省电力公司开展了UPFC在苏南500 kV电网中应用的可行性分析，在借鉴南京220 kV UPFC示范工程经验的基础上制定了苏南500 kV UPFC工程技术方案，对500 kV UPFC拓扑结构、设备参数、容量确定及作用等进行分析。

1 苏南电网基本情况

1.1 苏南电网情况

苏州电网是江苏电网重要的负荷中心，2015年苏州全市全社会最大负荷22 230 MW。苏州南部电网是苏州电网的重要组成部分，其负荷约占苏州电网的45%，供电范围包括苏州市区及吴江地区，主要电源为锦苏特高压直流，并通过梅里—木渎、华能苏州—(石牌)—车坊及石牌—玉山—车坊3个500 kV输电通道受电。

1.2 工程必要性

特高压锦苏直流对苏州南部电网提供了有效的电力支撑, 但由于该电源为水电直流，受季节性影响，冬季枯水期送电大幅减少(仅20%左右)。冬季锦苏直流小方式下苏州南部电网500 kV交流受电通道潮流分布不均，梅里—木渎双回线潮流较重，限制了该地区电网的供电能力。另外，苏州南部500 kV电网负荷总量大，常规电源少，单一容量最大的电源锦苏直流不能向该地区提供无功支撑，动态无功电压支撑能力不足。

针对苏州南部电网存在问题，可考虑线路增容或新建线路等常规方案来解决，但投资巨大，且建设难度极大。借鉴南京220 kV UPFC示范工程的实施经验，经分析计算，在苏州南部500 kV电网安装UPFC可有效消除近期及远景冬季特高压直流小方式下的电力受进通道的过载问题，并为苏南地区提供动态无功电压支撑。加装UPFC方案与传统方案技术经济比较详见表1。

表1 方案技术经济综合比较表

2 苏南500 kV UPFC接入系统方案

2.1 UPFC接入电网方案

为解决苏州南部电网直流小方式下梅里—木渎双线的N-1过载问题，保证充分消纳锦苏直流输送功率，提升苏南地区电网的动态无功/电压支撑能力，选择在紧邻500 kV木渎变装设UPFC装置，将梅里—木渎双线改接至UPFC，实现UPFC对木渎—梅里双线的潮流控制功能，如图1所示。

图1 苏南UPFC接入方案

UPFC串联变压器线路侧接入500 kV梅里—木渎双回线路中。串联变两端与500 kV梅里线路(一进一出)形成4回接线单元，分别设置进线断路器和旁路断路器。并联变压器线路侧采用并联接线方式接入木渎500 kV开关场内，采用变压器-线路单元接线，并设置独立断路器。因此，UPFC站500 kV部分交流进线2回(梅里侧)、交流出线3回(木渎侧)，串联变进线4回，并联变进线1回，共10个进出线单元，配置5台断路器，如图2所示。

图2 500 kV侧接线

2.2 UPFC系统结构

苏南500 kVUPFC工程系统方案原理如图3所示，串、并联侧3个换流器采用背靠背连接方式，串联侧2个换流器通过2个串联变压器接入木渎—梅里500 kV双回线路。并联侧1个换流器通过起动电阻接至并联变压器，再接入木渎变500 kV交流场。串联变压器阀侧和系统侧各配置1台旁路断路器，并在系统侧配置1台连接断路器，网侧和阀侧旁路开关均断开时，串联变压器串入线路，UPFC投入运行；并联变压器通过专用断路器接入木渎变500 kV预留间隔。

图3 UPFC系统方案原理

3 苏南UPFC的容量及作用

3.1 容量选择计算

3.1.1 系统情况

2015年，苏州南部电网最大负荷10 270 MW。“十三·五”期间，苏州南部地区负荷仍将平稳增长。预计苏州南部电网2018年最大负荷将达到12 710 MW，夏季高峰负荷运行方式下锦苏直流丰水期送电6700 MW时，苏州南部500 kV电网需要受进电力2980 MW；冬季高峰负荷运行方式下锦苏直流枯水期送电1340 MW时，苏州南部500 kV电网需要受进电力7160 MW。预计苏州南部电网2020年最大负荷预计将达到13 500 MW。

考虑到苏州南部电网在直流小方式下梅里—木渎线路的N-1过载问题，通过UPFC控制能够将梅里—木渎通道的潮流转移至裕度较大相邻通道，从而避免了N-1后另一回线潮流越限，从而提高该地区的供电能力。

3.1.2 容量计算

UPFC串联变压器容量选取原则为：满足潮流控制需求时，网侧绕组注入线路的最大电压UT_max与阀侧绕组折算至线路侧的最大注入电压UVL_max中的较大值，以及线路额定电流IL_N，按下式确定串联变压器容量SNT：

(1)

根据系统对UPFC调节潮流的需求，可以计算出串联变压器网侧绕组注入线路的最大电压UT_max；而串联变压器阀侧最大电压则与其漏抗大小有关，在计算串联变压器阀侧折算至线路侧的最大注入电压UVL_max时，需要先估算一个串联变压器漏抗值，根据南京UPFC工程的经验，综合考虑流经串联变压器的短路电流限制需求及换流器容量选择需求(改变线路有功功率时，换流器与线路交换的主要是无功功率，串变的漏抗越大，对换流器提升线路功率能力的影响越大)，串联变压器的漏抗取为0.2 p.u.。

UPFC串联侧换流器容量选取原则为：满足潮流控制需求时，串联变压器阀侧折算至线路侧的最大注入电压、以及线路额定电流，按式(2)来确定串联换流器容量SNV：

(2)

基于3.1中的潮流边界条件，考虑串联变压器漏抗为0.2 p.u.，梅里—木渎线路额定电流为4 kA，针对不同年份的各种方式，对系统进行仿真计算，UPFC所需的变压器以及阀侧容量计算结果详见表2。

表2 各方式下UPFC变压器及阀侧容量

由表2结果可见，上述各方式下UPFC所需最大串联变压器容量约为285 MV·A，对应最大注入线路电压为41.1 kV，换流器最大容量约为235 MV·A，对应最大阀侧折算至线路侧的电压为33.9 kV。考虑一定的裕度，取串联变压器额定容量为300 MV·A，额定电压为43.5 kV；串联侧换流器额定容量为250 MV·A。

UPFC在改变线路有功潮流时，串联换流器与并联换流器之间交换的有功功率较小，当改变线路的无功功率时，串联换流器与并联换流器之间交换的有功功率变化较大，经仿真估算，2个串联侧换流器和并联侧换流器交流的功率取为180 MW，即直流功率180 MW，可以满足系统控制需求。

由于并联侧换流器和2个串联侧换流器背靠背连接，3个换流器的直流电压等级相等，为了充分发挥UPFC并联换流器的无功补偿能力，可将并联侧换流器的容量取为与串联侧换流器一样，即为250 MV·A。

3.2 苏南UPFC的作用

3.2.1 潮流控制作用

结合直流冬季小方式下的苏州南部500 kV电网潮流问题，对加装UPFC装置后电网潮流情况进行校核，计算结果分析见表3[4-7]。

表3 各方式下UPFC提升电网供电能力

由计算结果可见：

(1) 2018年至2020年，考虑1000 kV泰州—苏州特高压GIL过江段线路未投运，在冬季苏州直流小方式下(20%出力)，梅里—木渎线路发生N-1故障，另一回线路将超过其热稳极限。

(2) 2020年，冬季苏州直流小方式下(20%出力)，若GIL过江线路投运，梅里—木渎线路发生N-1故障后，另一回线路潮流约3 020.2 MW，越限约2.38%，需要切除负荷约270 MW。

(3) 远景年饱和负荷且在冬季苏州直流小方式下(20%出力)，梅里—木渎线路发生N-1故障后，另一回线路潮流约3447 MW，越限约16.85%，，需要限负荷约1930 MW。

(4) 2018年夏季高峰方式，若发生苏州直流双极闭锁，满发苏南地区所有机组后，还需限负荷2300 MW；加装UPFC后，可减少限负荷量约1000 MW，有效降低直流双极闭锁后的切负荷量。

(5) 建设UPFC后，可有效消除近期及远景冬季直流小方式下，梅里—木渎N-1故障后，另一回线路的过载问题。

3.2.2 无功电压分析

在特高压直流落点的苏南500 kV电网运用UPFC，可同时发挥UPFC潮流控制和无功电压支撑两个方面的功能，有助于提高直流系统运行可靠性，增加电网供电能力及适应性[8-11]。

UPFC投运后，并联侧最大理论可输出动态无功出力范围为-250～250 MVAr，可对系统提供一定的动态无功电压支撑。通过仿真计算可知，UPFC投运后，若发生较严重故障，如梅里—木渎线路(梅里侧)、玉山—车坊线路(玉山侧)、茅山—斗山线路(茅山侧)发生三永故障，通过UPFC无功支撑，可使得苏州南部电网恢复电压提高约2～3 kV。

对投产年木渎变进行调相调压计算，结果表明：各运行方式下，木渎变及UPFC站500 kV母线运行电压在502～508 kV之间， UPFC并联变压器额定抽头电压按(505±8×1.25%) kV考虑。

4 短路电流计算

以2018年为计算年份，远景年考虑苏州地区特高压苏州站2×3000 MV·A主变接入苏州南部500 kV电网供电。相关变电站的500 kV母线三相短路电流计算结果见表4所示。

表4 UPFC接入前后短路电流计算结果 kA

在系统故障时，晶闸管旁路开关TBS会迅速闭合，串联变压器阀侧被旁路，相当于串联变压器漏抗串在线路中，有助于抑制系统短路电流；此时，串联变压器网侧绕组会流过较大的短路电流(与线路短路电流相等)。因此，为降低串联变压器的制造难度，应考虑降低串联变压器网侧绕组的短路电流设计水平。综合考虑串变短路电流限制及换流器容量选择的需求，串变短路阻抗按20%考虑。

由计算结果可见，所有方式下500 kV母线最大短路电流为53 kA，去除木渎—梅里对应线路分支影响，并计及串变短路阻抗影响，经计算串变绕组的故障电流为37 kA。考虑到未来电网发展，500 kV系统短路电流水平按63 kA考虑，全开机、全接线方式下，在木梅线木渎侧发生三相金属性短路、短路点电流接近63 kA时，由线路木渎侧短路电流接近52 kA。故在串联变压器绕组抗短路能力选择时，计及短路阻抗影响，经计算流过串变绕组的故障电流约为42 kA，最终考虑计算误差，串变绕组抗短路能力取为45 kA。

5 主设备参数选择

5.1 换流器

根据计算，换流器容量取250 MV·A/180 MW，采用MMC结构，IGBT采用3300 V/1500 A器件。综合考虑IGBT额定电压和额定电流参数，可估算出：直流系统电压为±90 kV，直流电流为1000 A。

根据柔性直流和UPFC工程的运行经验，并联侧换流器的额定交流电压的选取考虑零功率运行时换流器输出调制比约为0.85，由此可以计算出并联侧MMC阀侧额定电压约为93.7 kV，故并联侧MMC阀侧额定电压取为94 kV，额定交流电流为1536 A，相应可计算出其桥臂电流的有效值约为837 A。经核算，通过与并变分接头配合，并联侧额定电压取94 kV可满足并联MMC在整个运行范围内调制比小于1。

串联变压器阀侧额定电压的选取除了考虑换流器正常运行时MMC调制比不大于1，还需要考虑换流阀桥臂电流满足额定运行的要求，由于UPFC阀侧交流电流是由线路电流经串联变压器耦合过来的，因此，串联变压器变比的选择决定了串联侧换流器阀侧的额定电流。综合考虑上述2个因数，经仿真计算验证，串联变压器阀侧电压取为105 kV，对应阀侧额定电流为1.65 kA，相应桥臂额定电流约为890 A。

根据系统计算，串联的MMC容量取250 MV·A，由此计算出其额定工作电压为87.5 kV。综合考虑各种运行工况，根据图5所示UPFC串联侧等效回路可知，串联侧MMC理论上输出电压(内电势Ea)最大值计算条件为同时满足：(1) 提升线路电流至额定电流；(2) MMC阀侧电压达到额定电压；(3) 串联MMC与系统交换全部为无功功率。其中，L0为桥臂电抗器电抗值，LT为串联变压器网侧/阀侧间的漏抗，k串变阀侧/网侧电压变比。

图5 UPFC串联侧等效回路

基于以上条件，计及桥臂电抗器(电抗值36 mH)，可计算出串联MMC最大输理论输出电压(内电势)为103.7 kV，相量图如图6所示，对应调制比为0.942。考虑实际运行中串联MMC在控制线路有功潮流时，其与系统交换的不完全是无功功率，故实际MMC输出的电压会更小，因此，本工程串联侧MMC的调制比有足够裕度。

5.2 并联变压器

并联变压器为普通三绕组500 kV变压器，接线组别：YN0/YN/d11，高中短路阻抗按10%考虑，电压变比为505±8×1.25%/94/36 kV，各侧额定容量为300/300/100 MV·A，采用自然油循环风冷方式。高压绕组在中性点处串入调压线圈，采用三相有载调压分接开关实现高压绕组的中性点调压。

图6 UPFC串联侧MMC最大输出电压时相量

5.3 串联变压器

串联变压器采用单相三绕组变压器，网侧/阀侧容量为300/300 MV·A，网侧/阀侧短路阻抗按20%考虑，串联变压器带平衡绕组，网侧/阀侧联接组别为III/YN，额定电压比为43.5 kV/105 kV。串联变压器可在承受45 kA的短路电流下运行2 s。

6 结束语

本文结合苏州南部500 kV电网供电能力提升、特高压直流功率消纳等问题，总结了UPFC在苏南500 kV电网中应用的可行性及技术方案，苏南500 kV UPFC投运后将具备如下作用：针对苏南电网冬季大负荷方式情况，锦苏直流小方式下，消除梅里木渎断面N-1过载的问题；夏季大方式情况，锦苏直流大方式下发生双极闭锁时，通过提升地区电网供电能力，减小苏南地区切负荷量；通过UPFC无功电压控制，提供苏南地区电网电压恢复水平，一定程度上减少锦苏直流发生换相失败。

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李 鹏

李 鹏(1982 —)，男，陕西周至人，高级工程师，从事电力系统继电保护、直流控保技术等研究工作；

林金娇(1989 —)，女，山东栖霞人，工程师，从事电力系统继电保护、电力系统数字仿真及柔性直流输电技术研究工作;

孔祥平(1988 —)，男，江西上饶人，博士，从事电力系统继电保护、直流输电及柔性输电技术等研究工作。

Application of UPFC in the 500 kV Southern Power Grid of Suzhou

LI Peng, LIN Jinjiao, KONG Xiangping

(State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China)

To enhance the power supply capacity and solve the problem for UHVDC power assumption of 500 kV power network in Suzhou, the feasibility research on the application of UPFC in 500 kV Southern Power Grid of Suzhou is carried out. Combined with the scheme of UPFC integrated and its topology structure, the capacity of UPFC is determined by system calculation and the principle for the key parameters selection of UPFC main equipment are supplied. The effect of UPFC on the power flow and voltage regulation of 500 kV power grid in southern Suzhou is verified by simulation, which indicate that under the heavy load condition of Suzhou power network in winter, the regulation of UPFC can eliminate the key section overload problem as N-1,while under the heavy load condition in summer, it can decrease the capacity of load shedding as the UHVDC bipolar blocked. The reactive power control of UPFC can provide the dynamic voltage support for power grid, which is benefit to decrease the probability and duration time of commutation failure of UHVDC.

UPFC; modular multi-level converter; series transformer

2016-10-31；

2016-11-28

国家电网公司科技项目500 kV 统一潮流控制器协调控制和保护配合技术研究

TM77

A

2096-3203(2017)01-0020-05