500kV统一潮流控制器（UPFC）原理及应用

江苏省电力公司检修分公司 谢 吉 朱宏杰

500kV统一潮流控制器（UPFC）原理及应用

江苏省电力公司检修分公司 谢 吉 朱宏杰

本文介绍了UPFC工作原理和应用场景，并结合苏州南部500千伏电网UPFC工程，分析了UPFC方案实施的必要性和实用性；对UPFC适用不同工况的多种运行方式进行阐述，说明了UPFC的灵活性和可靠性。

统一潮流控制器；苏州南部UPFC工程；锦苏直流

1.引言

苏州南部500kV电网的主要电源为锦苏直流，由于该电源为水电直流，季节性很强：夏季通常满送，冬季送端枯水期送电大幅减少（约10-20%），从而使得苏州南部电网的受进电力规模及潮流分布季节变化较大。

常规加强电网的措施存在停电时间长、投资巨大、工程实施困难等一系列问题，在苏州南部电网加装500kV UPFC，可有效解决苏州南部电网直流的送出和消纳问题；且UPFC具备动态无功支撑能力，为特高压直流的安全稳定运行提供保障。

2.UPFC工作原理

UPFC是由并联补偿的静止同步补偿器（STATCOM）和串联补偿的静止同步串联补偿器（SSSC）相结合组成的新型潮流控制装置。

图1 UPFC基本原理结构图

UPFC原理结构如图1所示，包括通过一个公共直流端相连接的两个VSC。其中一个VSC逆变器1，通过耦合变压器与输电线路并联连接；另一个VSC逆变器2，通过一个交接变压器被串联插入在输电线路中。

UPFC的功率变换部分由两个变换器通过共用的直流母线连接成背靠背的形式，共用一组直流母线电容，这种电路拓扑结构能实现两个变换器交流端之间的有功功率双向流动，同时每个变换器都可以在其交流输出端产生或吸收无功功率。

在构成 UPFC 的双变换系统中，逆变器2 通过串联在输电线路中的变压器向电网中注入幅值和相位可调的电压Upq，是实现 UPFC电网控制功能的主要部分，其注入的电压表现为一个基频交流同步电压源，传输线的电流流经这个电压源会导致其与电网之间的有功、无功功率交换。

变换器1的基本功能就是提供或吸收由变换器2与电网发生功率交换所致的直流有功功率需求。这种直流有功功率需求由变换器1转变为交流形式并通过一个并联变压器耦合进电网。除了补偿变换器2所需的有功功率以外，变换器1还能够产生或吸收可控的无功功率，为线路提供独立的并联无功补偿。

从本质上说，UPFC事实上可以看成为一个与系统同频、幅值和相角可控、与传输线串联的同步电压源Upq。其幅值Upq的可控范围为0 ≤Upq≤Upqmax；相角ρ（以下简称UPFC的控制角）的可控范围为0 ≤ρ≤ 2π。将其串联于双机系统中的传输线上，可得如图2所示含有UPFC传输系统的简化原理图。

图2 含有UPFC的传输系统简化原理图

图中Us、Ur和UX分别表示为系统的送端系统电压、受端系统电压和传输线电抗压降。由图2可见，UPFC借助于可调的幅值Upq和可调的相角ρ与传输线产生有功功率和无功功率的交换，因此，通过调整合适的Upq和ρ可以达到控制线路传输的有功功率和无功功率的目的，这就是UPFC的基本工作原理。

3.UPFC应用场景

UPFC可实现电压调节、相角调节、线路阻抗补偿、动态的潮流控制与无功补偿控制功能，在电网中具备广泛应用的前景。

“十三五”期间，江苏电网区外来电比例由目前的19%上升至39%，风电、光伏等随机性可再生能源的装机容量将由目前的854万千瓦增长至1800万千瓦。由于风电等随机性可再生能源的出力波动及区外来电（如水电直流）的季节性变化，电网潮流复杂多变、难以控制，直接影响到特高压区外来电的受进。同时，随着社会经济发展，对电能使用的需求增长与电网建设占用土地、环境资源的矛盾日益突出，特别是人口密集、负荷密度高的苏南负荷中心，建设新的输电走廊变得异常困难，工程投资也非常高昂，甚至无法实施。

图3 UPFC接入方案示意图

苏州南部500千伏电网在规划发展中存在的主要问题是直流小方式下的受进问题和直流大方式下双极闭锁后需大量拉限负荷的问题。为解决苏州南部电网直流的送出和消纳问题，在木渎变北面选择站址建设UPFC。接入系统方案为装设UPFC装置一套，将梅里～木渎双线双开换入UPFC，实现UPFC装置在木渎～梅里双线的控制功能，UPFC接入系统方案如图3所示。

4.苏州南部500千伏电网UPFC工程

UPFC成套装置包括一次主设备和二次控制保护设备两部分。苏州南部500千伏电网UPFC工程的结构示意图如图4所示。

红色虚框内为UPFC成套一次设备，主要包括串接至线路的GIS设备、一台三相并联变压器、两台串联变压器、三组IGBT电压源换流阀及阀冷却设备、两套晶闸管旁路开关、直流回路、桥臂电抗器、变压器机械旁路开关以及一些连接的开关、刀闸、避雷器和互感器等。

二次设备包括UPFC控制保护设备、后台工作站、交流保护设备、阀控制设备、辅助系统、直流屏等。

图4 UPFC成套设备范围

1）串联变压器

本工程串联变压器采用户外油浸式三相一体设备，容量为300MVA，电压等级43.5/105/10kV，采用ONAN/ONAF冷却方式，接线型式III/Yn/△接法，III侧为串接在线路中，Y侧中性点经高阻接地，△侧为平衡绕组。串联变压器示意图见图5。

图5 500kV串联变压器示意图

2）并联变压器

本工程并联变压器采用户外油浸式三相一体设备，容量300MVA，电压等级500/94/35kV，采用ONAN/ONAF冷却方式，接线型式Yn/Y/△接法，中压Y侧中性点通过高阻接地，△侧为35kV侧供站用变。

3）串联变压器500kV侧GIS

串联变压器500kV侧交流设备采用户外GIS设备，每台串联变压器对应一台GIS，共两台。如图6所示，GIS设备包含有一台500kV旁路断路器、一台500kV交流断路器、三台双接地隔离刀闸、一台单接地隔离刀闸、三台单相500kV电流互感器和6台单相的500kV电压互感器。

图6 串变500kV侧GIS组合设备

4）并联变压器500kV侧GIS

并联变压器500kV侧交流设备采用户外GIS设备。包含有一台500kV断路器、两台500kV双接地隔离刀闸、三台单相电压互感器和三台单相电流互感器。

5）IGBT换流器

本工程采用基于IGBT可控器件的半桥式模块化多电平电压源换流器，其拓扑结构如图7所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压由每相中两个桥臂的子模块旁路比例来控制，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。每个桥臂装设桥臂电抗器，阀侧和直流侧发生短路故障时，桥臂电流迅速上升，桥臂电抗抑制这一电流上升速度。

换流阀是组成换流器的基本组件，是交流系统和直流系统的分界点和转换器。本工程中换流阀使用的电力电子器件是普通模块式封装的IGBT（绝缘栅双极晶体管）。换流器为空气绝缘、内冷为水冷却的多电平户内支撑式IGBT阀。

图7 IGBT换流器结构

6）晶闸管旁路开关

晶闸管旁路开关的作用是在换流器故障时，迅速隔离换流器，保证交流线路不受故障影响；在线路故障时，迅速旁路变压器，保证换流器不受冲击。晶闸管旁路开关的特点是：系统正常运行时其有电压无电流，系统发生故障时有电流无电压、且其故障电流大、时间短。

7）控制保护系统

控制保护系统是整个统一潮流控制器系统的大脑，实现对整个系统及所有设备的控制、监视和保护。二次系统构成分为站监控层、间隔层、就地层、站LAN网、站级现场总线及现场总线网。

8）接地电阻采用户外安装三相大功率高压电阻器成套装置，采用ONAN冷却方式。

9）启动电阻采用户外安装的单相大功率高压电阻器，采用ONAN冷却方式。

10）串联电抗器采用户外干式空心电抗器。

11）35kV开关柜推荐选用移开式开关柜，1250A、25kA的真空断路器。35kV站用变压器推荐选用户外油浸式，有载调压变压器，容量为2500kVA。

12）直流测量装置

直流极线电流测量装置采用电子式电流互感器；直流电压测量装置采用阻容分压型。

5.UPFC三种运行方式

UPFC运行方式：一个换流器并联接入交流系统，另外一个或者两个换流器通过串联变压器串联接入220千伏母线，换流器直接侧连接。

STATCOM运行方式：一个或者多个换流器通过并联变压器并联接入交流系统，换流器直流侧断开。

SSSC运行方式：一个或者两个换流器分别通过串联变压器串联接入220千伏母线，换流器直流侧断开。

6.存在的问题和解决方案

在UPFC安装位置确定的前提下，潮流控制的预期效果与UPFC容量大小密切相关。潮流的调控方向无论是提升或是降低，其控制量大小均最终反映为一定的UPFC容量，控制量越大，所需要的UPFC容量也越大。

安装UPFC后可提高断面的输电能力，输电能力的提高直接体现为经济效益的增加，安装不同容量的UPFC对于系统最大输电能力有不同程度的提高，为系统带来不同的收益，但同时安装容量的大小与设备投资成本直接相关。

因此，UPFC容量选择需要兼顾控制效果与经济效益两方面的因素，综合选取最优的安装容量。

7.结语

作为串并联型FACTS装置中最具代表意义的设备，UPFC除了在潮流实时控制上能够发挥强大的作用外，同时在动态无功电压支撑方面可与STATCOM相媲美。在锦屏水电直流落户的苏州南部500千伏电网运用UPFC，可同时充分发挥UPFC潮流控制和无功电压支撑两个方面的功能，提高了直流换流站运行可靠性，且增加了电网供电能力及适应性。可见，在苏州南部500千伏电网应用UPFC具有较好的实用性。

[1]经研咨〔2016〕187号.国网北京经济技术研究院关于江苏苏州南部电网500千伏UPFC示范工程可行性研究的评审意见.

[2]中国电科院.500kV统一潮流控制器(UPFC)需求分析报告.

[3]江苏省电力设计院.江苏苏州南部电网500千伏UPFC示范工程可研.