统一潮流控制器系列标准研制与应用

李群 林金娇

摘要：电网潮流灵活、精准控制是现代电网发展的瓶颈问题，也是世界性难题。统一潮流控制器（UPFC）系列标准研究和制定前，UPFC技术和市场被美国企业独家垄断。历时十余年，项目组攻克了核心技术、关键设备、工程应用等系列难题，国际首创模块化多电平UPFC技术并实现工程应用，在此基础上创新编制了UPFC系列标准，打破了美国企业独家垄断，并实现了技术超越，在引领电网“高效、绿色、活力”高质量发展，推动我国电力装备产业结构升级做出重要贡献。论文阐述了统一潮流控制器系列标准的研制背景、内容、创新特色和应用成效。

关键词：统一潮流控制器 电力潮流 标准

Abstract： The flexible and accurate control of power flow is a bottleneck problem in the development of modern power grid， which is also a world difficult problem. Before the research and formulation of Unified Power Flow Controller （UPFC） series standards， the technology and market of UPFC were monopolized by American enterprises. Over the past ten years， the project team has overcome a series of problems such as core technology， key equipment， engineering application， etc. And it initiated the modular multi-level UPFC technology and realized engineering application. On this basis， the UPFC series standards were developed innovatively， which broke the exclusive monopoly of American enterprises， and achieved technological transcendence. The UPFC series standards made important contributions to leading the power grid to develop in an efficient， environment-friendly and dynamic way， and promoting the upgrading of industrial structure of domestic electric power equipment. This paper describes the development background， content， innovative features and application effect of the UPFC series standards.

Key words： Unified Power Flow Controller （UPFC）， power flow， standard

1 概述

電网中功率的分布和流向称为潮流，潮流的灵活精准控制是电力领域的世界性难题。根据国际大电网委员会统计，21世纪以来全球13次大停电中12次由潮流失控引起。我国电网规模和复杂度已达世界之最，潮流失控风险高，且潮流分布不均限制了约10%～30%的供电能力，每年用于改善潮流分布、提高潮流输送能力的投资超过4000亿元。发电调节、负荷转移等传统潮流控制手段速度慢、效果差，研究新型潮流控制技术，是我国电网发展亟需解决的关键问题。

统一潮流控制器是国际公认的功能最强大的潮流调控装置，其核心部件包括换流器、串联变压器、控制保护系统等，是一种技术先进、构造复杂的大型电力装备，在枢纽变电站建设运行中，调节输电系统电压、相角和阻抗，实现潮流灵活、精准、快速控制。

长期以来，全球UPFC技术和市场被美国企业独家垄断，我国UPFC的装备研制和工程应用处于空白。在国家863计划等项目支持下，项目团队历时10余年，攻克UPFC技术壁垒，国际首创模块化多电平的新一代UPFC技术，成功研制UPFC成套装备并实现工程应用。基于技术创新成果，构建了国际首套UPFC技术系列标准，形成了统一潮流控制器工程设计导则等10项标准，覆盖规划、设计、生产、检验、调试、运维等环节，为UPFC在我国的工程应用和国外市场开拓提供了重要保障。

2 标准主要内容

该系列标准包括Q/GDW 11547—2016《统一潮流控制器工程设计导则》等10 项UPFC企业标准，是我国首创UPFC技术成果的体现。根据美国电力研究院发布的技术报告（① Inez Unified Power Flow Controller： Enhancements and Field Operation Support，EPRI，A. Edris.  ② Convertible Static Compensator （CSC） for New York Power Authority Final Report. EPRI， A. Edris.），我国UPFC关键技术指标与代表国际最高水平的美国Marcy、Inez等工程进行了比较，均优于国外同类技术最高水平。基于该系列标准，项目组牵头制定UPFC领域IEC、IEEE标准6项、行业标准4项，主导编制UPFC系列团体标准1部（共计24项），为指导UPFC研制及应用构建了标准布局。

核心技术方面，国际上首次提出拓扑可灵活变换的模块化多电平UPFC技术，拥有完全自主知识产权，取得了UPFC核心技术的重大突破，获得授权发明专利12项，含美国专利2项，打破了国外UPFC技术垄断。核心技术主要指标明显优于国外最高水平，在总体损耗方面，国外技术约2%，该系列标准技术小于0.8%;在谐波方面，国外技术大于2%，该系列标准技术小于1%;占地面积减小约30%，可节省换流器容量超过 25%。

成套设备方面，突破了UPFC换流器、串联变压器、控制保护、晶闸管旁路开关（TBS）等成套装备关键技术，首次构建UPFC成套装备技术要求体系及配合原则，提出了综合需求匹配的UPFC成套设计方法，实现了系统参数及功能性能的优化配合，获得授权发明专利7项。依托该系列标准技术要求，TBS耐冲击电流70 kA，国外技术要求42 kA;串联变压器网侧绕组全绝缘设计，网側绕组端间雷电全波冲击耐受电压达4倍额定电压，抗短路能力达50千安/2秒，远高于传统变压器要求，国外技术未见特殊要求;具有9种控制功能，国外技术仅3种。

工程应用方面，提出了基于多目标优化的UPFC工程选址定容技术原则，发明了基于电网潮流动态优化调节的UPFC在线调控运行技术，实现了UPFC应用于电网调度运行的规范化;攻克串联变压器、换流阀等设备试验方法，首创UPFC成套设备系统带电试验技术，规范了UPFC工程调试流程和要求，获得发明专利13项。依托该系列标准技术要求，投运的UPFC设备最高电压500 kV，最大容量750 MV·A，国外分别为345 kV和320 MV·A;UPFC功率控制响应时间低于90 ms，控制误差低于0.5%，显著高于国外300 ms和1%的同类技术要求;提出将UPFC综合用于调节线路潮流并优化电网潮流分布，而国外仅用于调节线路潮流。

3 标准创新特色

该系列标准在UPFC核心技术标准化、成套设备规范化、工程应用系统化、技术体系国际化等方面取得了创新突破。

（1）国际首创模块化多电平UPFC技术及规范，取得电力潮流控制技术重大突破。首创采用IGBT功率器件和可转换拓扑结构的模块化多电平UPFC技术;解决了国外UPFC技术可靠性低、损耗大、谐波高和运维复杂等问题。见图1。

（2）发明UPFC成套装备技术并形成技术规范，推动电力智能装备产业发展。发明耐冲击、高可靠的 UPFC 成套装备关键技术，形成设计方法和技术要求;提出UPFC成套设备配合原则，实现了系统参数及功能性能的优化配合。见图2。

（3） 提出UPFC选址定容、调控运行技术和规范，指导工程应用、提升供电能力。提出综合需求匹配的UPFC规划设计方法;规范整体功能和性能检测流程和方法;提出电网潮流动态优化调控运行技术及运维技术要求。见图3。

（4）创建新一代UPFC整体技术架构，发起并主导UPFC技术国际标准。提出含UPFC研发、制造、应用全环节技术架构;在IEC、IEEE分别牵头成立UPFC技术标准工作组;主导编制IEC标准2项、IEEE标准4项。见图4。

4 标准应用与成效

UPFC系列标准基于我国首创并研发的新一代UPFC技术形成，目前国内所有UPFC工程均采用了该系列标准。该标准中模块化多电平换流器及控制保护等核心技术已应用于江苏、浙江、内蒙古等多省市、自治区百余项MMC型STATCOM（又称SVG，UPFC的并联部分）工程中，有效解决了众多电网的动态电压支撑不足、供电能力受限等问题，并出口至北美、东南亚等地。

该系列标准解决了潮流控制的世界级难题，提升了驾驭大电网运行的能力，充分挖掘了电网供电潜能，有效降低潮流越限、失控风险，降低电网因供电能力不足而拉闸限电的负面影响，保障了社会供电安全。目前我国所有UPFC工程均依据此标准，在南京建成国际首个模块化多电平UPFC工程，首次实现我国电网潮流灵活控制，提升南京地区供电能力60万kW;在苏州建成世界上容量最大、电压等级最高的UPFC工程，提升清洁能源消纳能力130万kW。

依托该系列标准建成的UPFC、 SVG 等工程，支撑了我国特高压直流等工程对清洁能源电力的输送，并发挥了对风电、光伏等波动性清洁能源送出的潮流调控和电压动态支撑作用，提升清洁能源消纳能力，有力支撑了国家绿色发展战略。

该系列标准打破美国潮流控制技术独家垄断，依托其形成以全国产大容量 MMC 换流阀、控制保护、串联变压器等设备为核心的智能电力装备产业链，推动产业优化升级，提高了民族装备制造业的核心竞争力，为打通国产装备出口壁垒，成果列入“中国制造 2025”先进设备。

5 结论

该系列标准为国内外首套UPFC技术标准，是第一批“国家科技成果转化为技术标准试点”支撑项目，在UPFC核心技术标准化、成套设备规范化、工程应用系统化、技术体系国际化等方面实现了技术突破，通过自主创新的先进技术解决制约现代电网发展的核心问题，打破美国企业电力潮流控制技术独家垄断。该系列标准为UPFC 工程应用提供技术指导和标准保障，填补了柔性交流输电领域国内外空白，将电网运行水平提升至新高度，提升国产装备核心竞争力，提升了中国在柔性输电技术应用领域的话语权。