含FACTS装置的大电网新能源系统的稳定性协调控制综述

王金星,刘 青

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定071003)

●综 述●

含FACTS装置的大电网新能源系统的稳定性协调控制综述

王金星,刘 青

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定071003)

随着大规模风能、太阳能等新能源发电的迅速增加，能源供需广域平衡、大容量高效变流器等新技术的相继涌现，对大电网新能源系统的灵活交流输电技术(FACTS)提出了新的要求。回顾了大电网新能源系统的发展历程和储能、MMC、WAMS等新兴技术，以及其需要解决的若干问题。再针对大电网新能源系统稳定性协调控制问题，分别对FACTS、含储能的FACTS、含新能源接入的FACTS进行分析，提出大电网新能源系统的概念，并归纳了FACTS装置相关控制的最新研究进展。最后提出以UPFC为代表的FACTS与储能技术相结合是未来解决大电网新能源系统输送电能的重要方法，并展望了FACTS接入大电网新能源系统稳定性协调控制未来的研究方向。

UPFC；FACTS；大电网新能源系统；协调控制；综述

随着我国用电负荷快速增长，对电网输送容量和安全的要求越来越高，但受到土地资源、社会因素、环境保护、运营成本等多方面的限制，建设新的输电走廊越来越困难。因此，充分发掘利用现有电力网络的输电能力，通过先进的技术手段解决电网在潮流控制、运行稳定性、电能质量等方面问题，对于电力工业而言，变得日益迫切并更具有吸引力[1-2]。以UPFC、STATCOM、SSSC、SVC等为代表的柔性交流输电技术(Flexible Alternating Current Transmission Systems，FACTS)应运而生，在调整电网潮流、提高输电线路输送容量、提高电力系统暂态、稳态和中长期稳定性、阻尼电力系统低频振荡以及限制短路电流等方面具有良好效果。

近年来风能、太阳能等新能源发电在国内外规模的快速扩大，发电容量的迅速提高，世界能源供给将实现石油、煤炭、天然气和新能源的“四分天下”[3]；同时因新能源自身的间歇性、波动性，局部电网对新能源的接纳能力有限，导致国内外的“弃风弃光”现象严重。大量新能源的浪费对大功率输电技术的稳定性、灵活性提出了更高的要求，随着高压、特高压柔性交流输电技术的迅速发展，基于新能源接入的柔性交流输电已成为了当下的热门课题。

储能系统能够显著提升电力系统运行的稳定性、灵活性和可靠性，并为大规模新能源的接纳并网提供了一个重要的解决方案[4]。随着近年抽水蓄能、热能存储、压缩空气、电化学、超导磁等储能技术研究的进一步深入，电力储能将在抑制电力系统功率振荡、“削峰填谷”、应对大规模新能源接纳方面发挥着越来越重要的作用。

模块化多电平换流器(modular multi-level converter，MMC)通过将多个子模块级联叠加的方式来实现高电压、低谐波的输出，是一种新型的电压变换方式，在未来电网内的广泛应用具有广阔的发展前景[5]。广域测量系统(Wide Area Measurement System，WAMS)是通过采用同步相角测量单元(Phase Measurement Unit，PMU)，实现全网数据在高精度同步时钟下的实时、高速、精确采集，为电网的潮流计算、稳定性分析、继电保护整定等提供数据同步的技术支持[6]。

鉴于此，以UPFC为代表的FACTS装置接入大电网新能源系统的稳定性协调控制方法值得深入研究。结合储能、MMC、WAMS等新兴技术，分析和总结FACTS装置稳定性协调控制的最新研究进展，针对大电网新能源系统稳定性协调控制问题，分别对FACTS、含储能的FACTS、含新能源接入的FACTS进行分析，并提出FACTS与储能技术相结合是未来解决大电网新能源系统输送电能问题的重要方法。

1 FACTS装置对电力系统稳定性的 协调控制及分析

1.1 FACTS装置的研究背景和最新进展

美国电力科学研究院指出FACTS技术随着科技的发展也在与时俱进，未来将面临着更多来自增大输电容量、维持电网安全稳定、优化系统运行以及环境保护和柔性直流输电竞争等方面的压力[7]。FACTS利用先进的电力电子技术彻底改变了交流输电网的控制和操作方式，摆脱了过去机械、慢速、间断、不精确的工作方法，现正向智能化、电子化、快速、连续、精准的方向迅速发展。

最近二十余年，众多性能各异的FACTS装置(如SVC、TCSC、STATCOM、SSSC、UPFC、SMES、IPFC等)先后被投入美国、欧洲、日本的实际电网中，其分类和代表器件的功能应用如表1所示。21世纪初，在我国已有多台SVC、STATCOM和TCSC装置运行于500 kV变电站，并取得了良好的经济和社会效益。2015年11月，南京220 kV西环网UPFC工程建成并投运，是我国首个拥有自主知识产权、采用MMC技术的UPFC工程。2016年11月，世界上电压等级最高、容量最大的苏州南部电网500 kV的UPFC工程在江苏省苏州市开工建设，它将是世界上第一次实现500 kV电网潮流的精准、灵活、快速控制，并显著提高苏州电网消纳新能源的能力。

表1 FACTS装置的分类和应用Table 1 Classification and application of FACTS devices

FACTS自20世纪80年代中期被提出以来，其概念在不断的发展，但主要目标仍然是应用大功率、高性能的电力电子器件，实现对输电线路电压、阻抗、相角、功率、潮流的综合全面灵活控制，以达到提高线路输电容量、提高电网灵活性和稳定性的目标[8]。仿真和FACTS工程应用表明，电力系统在加入FACTS装置后，系统暂态失稳的风险明显降低，且同容量的FACTS设备中UPFC的控制效果较好[9]。

1.2 FACTS装置的研究内容和研究现状

目前FACTS技术的研究内容主要包括：FACTS设备在电网中的安装位置、FACTS参数控制方法对电网暂稳态特性的影响、新型控制策略的设计和优化、以及各种FACTS设备间交互影响的协调等。

FACTS装置可以从系统级和设备级两个层次来稳定大规模新能源接入系统的电压波动，为电网提供紧急的无功支撑，并可结合不同FACTS 装置的投资费用、灵敏度等得到配置FACTS的多目标折衷方案和最佳安装地点[10-12]。

FACTS交互影响是指在多变量控制系统内的一个操作输入变量影响若干个测量输出变量,或者一个输出变量被一系列输入变量所影响[13]。交互影响的协调控制通常分为智能控制、线性控制和非线性控制等多种控制方法，基于WAMS、模糊理论、免疫算法及协同进化算法的多目标协调控制方法将是未来我国解决FACTS交互影响的研究的重要方向[14-15]。

FACTS应用于提高线路输送容量和稳定线路电压，一直是FACTS技术研究的重心。采用FACTS暂态稳定控制、小扰动稳定控制、阻尼控制等方法，可以有效消除特高压、大容量、高效率、低损耗电力集中外送的主要限制因素[16]。针对以UPFC为代表的FACTS装置的非线性特征和不确定性问题，已存在一些非线性最优控制策略和非线性鲁棒控制策略的研究[17]。

2 含储能UPFC对含新能源接入系 统的稳定性协调控制的相关研究

随着全球能源互联网、智能电网和特高压战略的实施和推进，柔性交直流输电将向着高电压、大容量、高效率、低损耗、多目标、多装置协同控制的方向快速发展，来实现跨网、跨国、远距离和大规模新能源接入的综合调节控制[18]。FACTS 的发展将面对重大的机遇和挑战，机遇源于电网对输送容量和电压控制等的广泛需求，挑战主要是面临着大功率电力电子器件开发研究、协调控制的难题，未来将主要集中表现在含储能的全控型 FACTS功率及能量的优化配置与协调控制方法、面向新能源发电的分布式 FACTS 网络优化控制策略、基于WAMS的全控型多FACTS协调控制技术等方面。

2.1 含储能的FACTS装置对电力系统稳定性控 制研究现状

风能、太阳能发电自身固有的波动性、随机性和间歇性问题是新能源进一步发展的瓶颈。通过先进的电力电子技术，利用储能系统储存用电低谷时的多余能量，释放用电高峰时的备用能量，是解决新能源电源功率间歇性、波动性、随机性问题和提高新能源发电机组利用效率的关键。所以，大规模电力系统储能的研究已是迫在眉睫。

电力储能技术能够有效缓解电力系统的功率失衡问题，对系统频率稳定和电网安全有重要的作用，可以较好地抑制了系统的功率振荡。抽水蓄能技术是目前唯一一种发展完善且可靠性、经济性较高的储能技术，但因其受选址要求和生态环境的影响，其大规模开发受到一定的限制。目前以超导磁储能(SMES)、蓄电池储能(BESS)、超级电容器储能(SCES)为代表的新型储能技术正在快速发展，工程应用也在不断增多。

将先进的储能技术与FACTS技术相结合已有相关的研究，并逐渐以其独特的优势引起社会的关注。储能设备与并联储能型FACTS结合能够较好的抑制发电机的功角摆动、抑制系统低频振荡和超低频振荡的现象[19-20]，显著减少切机切负荷、系统连锁故障的现象，大大地提高了电网的暂稳态控制、输电能力和主动防御能力[21-23]。

将以电化学、超导磁、飞轮为代表的储能技术与FACTS相结合的研究，目前主要集中在蓄电池储能系统(BESS)与STATCOM的组合器件STATCOM/BESS和基于飞轮储能的柔性功率调节器(FPC)。通过电流解耦控制，STATCOM/BESS能够完成有功功率和无功功率的独立调节，使输电更为柔性化[24]。FPC能够改变电力网络的阻尼参数，抑制电力系统的有功功率振荡，实现储能装置与电力网络功率的动态快速交换，增强电力系统的灵活控制能力和稳定域度[25]。现有的研究成果和过去的工程经验表明，储能系统用于抑制电力系统功率振荡的效果良好，含储能FACTS应用到未来大规模新能源接入的电网具有较好的前景[26]。

2.2 FACTS装置对含新能源接入电力系统的稳 定性控制研究

FACTS装置在新能源接入电网电源侧的应用非常广泛，在稳定电网新能源接入点的电压、削弱新能源电源的功率振荡、提升电网暂态稳定性等具有显著地优势。目前，国内以风能、光伏为代表的新能源发电集中分布于新疆、青海、内蒙古等地，西北大规模新能源电力面临着高电压、远距离、大容量的集中输送。为解决系统无功和电压控制问题，输电线路的关键节点多安装FACTS设备，以提高电网的安全稳定水平，还能够抑制系统过电压和潜供电流，保证大电网电磁暂态安全[27]。

UPFC作为目前FACTS装置中功能最强大的元件，能够消除异步风力机因风源的波动性和间歇性而引起的电网电压崩溃，维持风电场电压和电网稳定[28]。通过优化UPFC的控制策略能够调整风力机的桨距角的控制系统，增加电网的次同步阻尼，从而削弱风力机组的功率振荡[29]。

STATCOM作为目前电力系统应用最广泛和功能最灵活的无功调节设备之一，能够建立起无功实时控制系统，减小输电线路有功变化对无功输出的影响，保证系统关键节点的电压稳定和有功输出[30]。装设STATCOM的风电场能够稳定输出电压和功率，并可以快速重建风电场故障后的电压，缩短故障切除时间和风力发电机转子加速时间，避免机组功角与系统功角偏差过大导致的切机，可靠保证风力发电机的连续并网和故障穿越能力[31-33]。

国内外的科学研究和工程实践已经证明，FACTS装置能够有效调节新能源接入系统的无功潮流和节点电压，增大输电线路的输电容量，改善电力系统的暂态、稳态特性。但当波动性、间歇性新能源大规模接入系统时，较大的风速、光照和负荷波动会将造成系统的频率波动和功率失衡，需要有足够的旋转备用和储能装置来维持电网的功率平衡和频率稳定[34]。为解决大规模新能源接入引起电力系统功率波动和频率稳定问题，特提出大电网新能源系统的概念，结构模型如图1所示。

图1 大电网新能源系统结构图Fig.1 Structure diagram of new energy system for large power grid

大电网新能源系统由发电、输配电、用电和储能交互组成，发电包括风能、太阳能等新能源发电和火力发电等，输配电是利用大功率电力电子装置实现高电压、大容量、高效率、低损耗的柔性交直流输电，用电主要包括照明等阻性负荷和电动机等阻感性负荷。储能交互是指利用物理、化学、电磁等储能方式按照一定规律与大电网进行能量交换。

FACTS技术与储能技术、新能源功率预测技术相结合，是减少因新能源发电并网而增加旋转备用容量投资的有效途径。

3 UPFC接入大电网新能源系统的 稳定性协调控制的研究

3.1 国内外UPFC研究现状

统一潮流控制器(UPFC)是目前最为灵活、功能最全、技术最复杂的柔性交流输电装置[35]，通常可以把它理解为拥有公共直流侧电容的STATCOM和SSSC组合起来的FACTS装置。但UPFC的功能不能等于一个STATCOM和一个SSSC功能的简单叠加，UPFC的控制灵活性远远大于二者之和。UPFC可以同时调控输电线路的有功潮流和无功潮流，提供可控的并联无功补偿，提升系统电压的暂稳态及中长期稳定能力，还能够阻尼电力系统振荡，提高电网输送电能的稳定极限，增加电力系统稳定运行裕度，限制短路电流等。

电力系统的潮流是自然流动的，电源和负荷功率的变化都会引起电网潮流或大或小的改变。因电源、负荷分布位置和输电线路参数不同，有些输电线路的潮流容易造成激增，出现功率越限的现象；另外，一些输电线路则容易出现潮流较小，较为通畅。UPFC是输电线路加装的柔性潮流控制装置，通过调控节点电压和线路阻抗等来跟踪控制电网的功率流动，其调控方式灵活多样、调控效果精确可靠，有力保障了电力系统的安全稳定可靠运行。目前，国内外关于UPFC的研究主要以下两个方面：

a.UPFC的数学模型及其在电力系统中的应用；

b.UPFC的交互影响及协调控制策略。

3.2 UPFC数学模型及其稳定性控制的研究

3.2.1 UPFC数学模型

UPFC数学模型是研究和设计其控制策略的基础，通常分为静态数学模型和动态数学模型。静态模型通常用于分析和计算含UPFC的电网潮流，动态模型则主要研究当电网运行状态突变时，UPFC对电网稳定性、潮流、电压的控制作用[36]。UPFC的静态模型，目前主要有电源模型、阻抗型模型、解耦型模型、功率注入模型等[37-39]，这些模型都是建立在直流侧电压不变的基础上，保证流入UPFC并联侧的有功功率等于流出其串联侧的有功功率。UPFC的动态特性，则是在考虑UPFC直流侧电压变化的情况来分析和研究的。

UPFC控制功能强大，集电压、潮流、稳定性等多种控制功能于一身，能够良好地调节UPFC接入点母线电压和所在线路的功率流动[40]，其并联侧补偿无功功率及维持母线电压恒定，等效于调节变压器一侧分接头开关的作用[41]。

3.2.2 UPFC稳定性控制研究

UPFC强大的柔性输电控制能力，通常通过在UPFC控制系统内安装相应的控制器来实现，每一个控制器通常被给予一个特定的控制功能。UPFC装置的控制系统主要有有功功率、无功功率、交流电压、交流频率、直流电压、直流电流六个控制器。UPFC良好的控制性能主要通过对某个或某几个控制器进行优化分析和协调控制来实现的，直流电压控制器是UPFC其他控制器正常工作的基础。UPFC投入系统运行的目标和作用主要包括系统潮流控制、电压稳定控制和抑制功率振荡三个方面。

系统潮流控制主要研究UPFC在潮流计算中的数学模型和相关控制器、控制策略的设计。通过对UPFC进行交叉耦合控制，可以实现用UPFC串联侧变流器输出电压d轴分量调节输电系统的无功功率，用输入电压的q轴分量调节输电系统的有功功率，并能够达到较好的调控效果[42]。

电力系统电压稳定控制通常分为电压暂态稳定控制和电压稳态稳定控制两种。暂态电压控制比稳态电压控制略为复杂，需要考虑直流侧电压的变化。考虑直流侧电压变化，采用非线性的控制策略，通过调节UPFC并联侧输出电流的横、纵分量能够分别有效调控并联侧母线电压、直流侧电压；通过调节UPFC串联侧变压器的输出电压的横、纵分量可以分别调控输电线路的有功和无功功率[43]，从而较好地实现电力系统电压的暂态稳定控制。

电力系统振荡是指当电网存在短路、故障切除等干扰时，引起同步发电机间电势差和相角差以及各节点电压和电流随时间不断变化的现象。工程实践表明，通过对UPFC控制系统设计状态反馈线性控制器，可以较好的抑制大电网的低频振荡[44]。

4 结 论

随着经济和电网建设的快速推进，全球能源互联互供的要求日益迫切，电能输送将向大电源大容量特高压集中外送的方向发展。通过分析和总结国内外先进控制方法和新兴技术的研究成果，以UPFC为代表的柔性交流输电技术未来将面临更大的机遇和挑战，多目标多装置协同控制将是大电网新能源系统FACTS控制技术的发展趋势。

结合统一潮流控制器(UPFC)和蓄电池储能系统(BESS)，解决大电网新能源系统的潮流和稳定控制问题，同时平衡新能源电源和负荷的波动，使包括传统电源、新能源电源、负荷等大电网内的功率设备得到高效合理利用，将是未来大规模新能源接入电网时输送电能的重要发展方向。以UPFC为代表的FACTS接入大电网新能源系统稳定性协调控制的研究未来将主要集中在以下几点：

1)结合FACTS技术与储能技术，用于控制大电网新能源系统的电源和负荷波动。

2)结合FACTS技术与WAMS技术，全网统一时间坐标下的精准潮流控制和功率调度。

3)结合FACTS技术与MMC技术，柔性输电装置的模块化多电平结构设计和优化分析。

4)FACTS装置内部器件的精简电子化，如基于级联多电平VSC的无变压器UPFC[45]。

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(编辑 李世杰)

Review on stability coordination control of new energy system for large power grid with FACTS devices

WANG Jinxing,LIU Qing

(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

With the rapid increase of new energy sources such as large-scale wind energy and solar energy,the new technologies such as wide-area balance of energy supply and demand and high-capacity and high-efficiency converters have emerged,as well as the new requirements for flexible AC transmission systems (FACTS).In this paper,the development of new energy system for large power grid and the emerging technologies such as energy storage,MMC and WAMS as well as some problems need to be solved are reviewed.In light of the problem of stability coordination control of new energy system for large power grid,FACTS,FACTS with storage energy,FACTS with new energy access are analyzed,the concept of new energy system for large power grid is put forward,and the latest research progress of FACTS device-related control is summarized.Finally,it is proposed that the combination of FACTS and energy storage technology,which is represented by UPFC,is an important method to solve the energy transmission of new energy system in large power grid in the future,and the future research direction of FACTS access to stability control of new energy system for large power grid is discussed.

UPFC；FACTS; new energy system for large power grid; coordination control; review

2017-05-02。

王金星(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向为柔性交流输电、新能源发电与并网稳定性控制、电力系统储能。

TM723

A

2095-6843(2017)04-0370-07