統一潮流控制器技術現狀及應用分析

陳　剛，劉建坤，李　群

（1.江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

專論與綜述

統一潮流控制器技術現狀及應用分析

陳剛1，劉建坤2，李群2

（1.江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

統一潮流控制器（UPFC）是功能最全面、技術最復雜的柔性交流輸電技術，文中在介紹UPFC的技術原理、運行方式等基礎上，重點分析了UPFC的換流器技術發展，并介紹了國外UPFC的應用情況和使用背景。文中對南京西環網UPFC示范工程的必要性進行了研究，并詳細介紹了工程的接入系統、UPFC拓撲結構、換流器結構、串并聯側接入和直流場方案等，并對工程的綜合效益進行了分析，結果表明UPFC技術對于解決南京西環網潮流控制問題具有十分重要的作用。

柔性交流輸電；統一潮流控制器；模塊化多電平換流器；潮流控制；穩定性

隨著電網規模的擴大，區域內發電和負荷分布不均衡、輸變電設備潮流分布不均勻問題日益突出，設備重載和輕載問題并存，而受制于重載設備的承受能力、電網供電能力難以得到充分利用。此外，由于城市規劃的限制，線路改造和電網擴建難度日益增大［1，2］。因此，在現有網架的基礎上如何提高電網的輸電能力、改善電網的潮流分布、保證電網的安全運行是當前亟待解決的問題。統一潮流控制器（UPFC）是目前為止功能最全面、控制范圍最廣且特性最優越的柔性交流輸電裝置［3-5］。UPFC通過調節串聯側和并聯側換流器輸出電壓的幅值和相角，可以獨立或同時對受控母線的電壓幅值、受控線路的有功和無功功率進行快速控制［6］，為改善電網的潮流分布、提高線路輸電能力提供了新思路和新技術。目前，國內還未有UPFC的實際工程投產，其研究主要集中在仿真建模、控制策略等方面，其中電源型模型［7］詳細地闡述了UPFC的基本原理，功率注入模型［8］在不改變原有電網節點導納矩陣的基礎上嵌入UPFC進行潮流計算，動態模型［9］結合不同控制器有效地對系統的潮流、節點電壓和暫態穩定控制進行分析［10-12］。但是，大多數研究僅限于理論層面，針對實際電網工程中的應用研究還較少。

文中對UPFC的技術原理和發展歷程進行了概括總結，闡述了UPFC的運行方式，介紹了模塊化多電平換流器（MMC）技術的結構原理及特點，討論了UPFC的作用及其在國外實際電網中的應用現狀。研究了在南京西環網加裝UPFC的必要性，并提出了南京西環網UPFC工程的接入系統、UPFC拓撲結構、換流器結構、串并聯側接入和直流場的詳細方案，方案對于UPFC工程的示范推廣具有重要參考價值。

1　UPFC技術及發展

1.1 統一潮流控制器技術原理

UPFC的典型結構如圖1所示，它由2個共用直流側的電壓源換流器（VSC）組成［13］。VSC1通過控制直流電壓恒定來維持UPFC內部有功功率的平衡，為串聯部分的有功功率提供了通道，同時向系統提供無功功率補償，以便支撐和調整節點1的電壓。VSC2可以在其能力的范圍內調節節點2的電壓幅值和相角，從而控制了節點2與系統受端之間的有功功率、無功功率［7，14］。

圖1 UPFC的典型結構

在UPFC的眾多穩態模型中，電源型模型最能夠詳細解釋UPFC的基本原理，該模型的等效電路如圖2所示。加裝UPFC后，線路潮流為：

由式（1）可以看出，通過調節串聯側等效電壓源的幅值和相角，能夠改變注入節點i和節點j的附加功率，從而改變線路潮流分布，達到調節功率的目的。

圖2串聯電壓源和并聯電流源的UPFC等效電路

1.2 UPFC的運行方式

如圖1所示，UPFC的串聯電壓源換流器VSC2的結構等效于靜止同步串聯補償器（SSSC）。其主要運行方式［15］有：（1）恒阻抗模式：VSC2注入的可控電壓源的幅值與線路電流成一固定比值，相位可超前或滯后線路電流90°，其相應補償電抗為容性或感性；（2）恒電壓模式：VSC2的注入可控電壓源幅值固定，補償電抗隨著線路電流的變化而變化，相位同樣可超前或滯后線路電流90°；（3）恒功率模式：VSC2的注入可控電壓源的幅值與相位同時在不斷變化，保證線路潮流固定在某一參考值。

并聯電壓源換流器VSC1的結構等效于一臺靜止同步補償器（STATCOM）。其主要運行方式［16］有：（1）恒無功模式：VSC1的注入可控電流源的幅值與相位不斷變化，保持恒定無功功率注入；（2）恒電壓模式：VSC1通過調節可控電流源的幅值和相位，無功功率可控，保持電壓恒定。

將SSSC和STATCOM運行方式進行組合可以得到UPFC運行方式，其綜合了SSSC和STATCOM運行方式的優點，可獨立控制線路有功、線路無功和節點電壓幅值。值得指出的是，由于無法實現有功交換，獨立的SSSC裝置只能為所串入的線路提供同線路電流相位垂直的串聯電壓，從而保證其直流側電壓恒定，而UPFC從結構上作為SSSC和STATCOM的組合，將STATCOM通過直流側與SSSC耦合后接入電網，可為串聯側提供有功支撐，實現串聯側和并聯側的有功交換，從而可以任意調節串聯側電壓與線路電流之間的相角差，因此可實現比單獨SSSC更為強大的潮流控制能力。

1.3換流器技術

VSC是UPFC最為核心的部件，具有多種拓撲形式，常見的有兩電平、三電平及多電平等［17，18］。目前實際工程中廣泛采用的VSC多為兩電平拓撲結構，圖3給出了其拓撲示意圖。該拓撲的優點是結構相對簡單，通常采用脈寬調制技術（PWM），控制相對容易；缺點是過高開關頻率導致較大損耗、低電壓等級以及串聯IGBT引起的動靜態均壓和電磁干擾等，這些缺點限制了其在實際工程中的進一步應用。

圖3兩電平VSC拓撲結構

三電平及多電平VSC拓撲主要有箝位型和級聯型。根據箝位器件的不同，箝位型拓撲可分為二極管箝位型、飛跨電容型［19，20］。圖4（a）和圖4（b）分別為二極管箝位型三電平和飛跨電容型三電平拓撲示意圖。相比于兩電平VSC，采用箝位型多電平結構可以有效地提升換流器容量，同時減小可關斷器件的電壓應力，但該種拓撲存在直流側均壓問題且難以模塊化生產的困難。

圖4三電平VSC拓撲結構

MMC是由德國慕尼黑聯邦國防軍大學的學者Rainer Marquardt在2001年提出［21］，該換流器采用模塊化設計，通過調整子模塊的串聯個數實現電壓及功率等級的靈活變化，且可以擴展到任意電平輸出。

三相MMC的拓撲結構如圖5所示，該換流器采用三相結構，每相分為上下2個橋臂，每個橋臂由若干個結構、參數相同的子模塊（SM）與電抗器L串聯構成［22］。單個SM的結構由上下2個IGBT及其反向并聯二極管和直流電容組成。穩態運行時，單個SM有投入和切除2種狀態，S1導通S2關斷時為投入狀態式，SM輸出電壓為電容電壓UC；S1關斷S2導通時為切除狀態，SM輸出電壓為0。通過調整相單元上下橋臂SM處于投入狀態的個數即可合成所期望的電壓，該輸出電壓是所有SM輸出電平的代數和，此外需要保證任何時刻每個相單元中上下橋臂投入的SM個數之和為定值以維持直流電壓的恒定［23］。

圖5 MMC拓撲結構

MMC的調制技術對MMC的工作性能產生直接影響。目前常用的MMC的調制技術主要有：最近電平逼近調制（NLM）、載波移相脈寬調制（CSP-SPWM）、空間矢量脈寬調制（SVPWM）和特定次諧波消除調制方式（SHEPWM）［24-27］。其中，NLM調制采用階梯波逼近正弦波，原理簡單，動態響應速度快，易于硬件實現，缺點是在換流器輸出電平數較少或調制系數較低時，波形質量差，輸出的諧波含量增加；CSP-SPWM在較低的器件開關頻率下可以實現較高的等效開關頻率，采用CSP-SPWM時MMC各功率單元的開關頻率相同，各單元能量分布均衡，且諧波特性良好，但實現方式較為復雜；SVPWM在電平數較高時受到限制；SHEPWM在計算開關點時需要求解非線性超越方程，計算復雜，動態特性較差［23］。因此，在實際工程中，NLM和CSP-SPWM的應用較為廣泛。

與傳統的兩電平、三電平VSC相比，MMC拓撲有著顯著優勢：MMC的輸出波形十分平滑，幾乎接近于標準正弦電壓，因此MMC可大大減少濾波器容量甚至不需要裝設濾波裝置，從而節省了系統諧波抑制設備的投資；MMC開關器件的開關頻率低，開關損耗也相應減少；MMC結構的高度模塊化，可以滿足不同的電壓等級和功率等級的需要，能夠實現任意電平的輸出，方便容量升級，利于集成化、降低成本和提高系統可靠性［24-29］。

2　國外UPFC工程應用情況

國外已有3座投入實際運行的UPFC工程。主要包括美國INEZ變電站的 UPFC工程，紐約州的Marcy 345 kV變電站的CSC工程以及韓國Kangjin變電站的UPFC工程，3個工程的具體應用情況如下所述。

2.1美國INEZ變電站UPFC工程

世界上首臺UPFC于1998年投運，由AEP、EPRI和西屋電氣公司共同開發，安裝在美國AEP系統的INZE地區的765/138 kV電網［30，31］。整個UPFC由2臺完全相同、額定容量為160 MV·A的換流器組成。為了充分利用2個換流器，用2臺相同的并聯變壓器和1臺串聯變壓器通過母線和隔離開關與換流器連接。通過開關切投可實現不同運行方式，2個換流器可以以UPFC模式工作，或者斷開換流器之間直流側開關后可以以STATCOM+SSSC或者2個STATCOM的方式運行。解決了向INZE地區供電的幾條重負荷的長輸電線路線損大且母線電壓低的問題［32］。

2.2 紐約Marcy變電站可轉換式靜止補償器（CSC）工程

2004年，紐約州的Marcy 345 kV變電站安裝了CSC［33，34］，其內部包含了1臺完整UPFC的結構。整個設備由 2臺±100 MV·A的 VSC換流器、1個 200 MV·A的并聯變壓器和2個100 MV·A的串聯變壓器組成。并聯變壓器與Marcy變電站母線相連，2個串聯變壓器分別串接于變電站的兩回出線上。通過開關的轉換可以實現4種運行方式（SATCOM、SSSC、UPFC、IPFC）的轉換。該項目的投運在不增加新的線路的情況下解決了Utica—Albany聯絡線輸送的電力接近線路傳送極限的問題，提高了系統的傳輸容量和線路電壓的穩定性、防止意外事故的發生，同時使得電網的運行更加經濟。

2.3韓國Kangjin地區UPFC工程

為解決韓國Kangjin地區由于附近的發電廠出力下降及附近輸電線路斷開導致變電站主變過負荷的問題，2003年在Kangjin地區安裝了1臺±80 MV·A的UPFC［35］。該臺UPFC由1組2個并聯換流器和1組2個串聯換流器組成，換流器都為40 MV·A，采用4重化三相三電平結構，同時用帶中間抽頭的變壓器連接各組換流器來降低6n+1次諧波。在串聯變壓器和換流器之間接有晶體管旁路開關電路，系統發生故障時斷開旁路開關電路，使UPFC退出運行，防止過電流損壞換流器。

3　南京西環網UPFC示范工程

3.1南京西環網UPFC工程必要性分析

南京西環網為南京主城220 kV環網西部，主要供電范圍為南京鼓樓區、建鄴區以及棲霞新港地區、雨花經濟開發區，是南京城網的主要負荷中心。由于電網結構及電源、負荷分布特點，南京西環網存在較嚴重的潮流分布不均情況，其中500 kV龍王山變向西環網的220 kV輸電通道潮流偏重，尤其是西環網內220 kV曉莊南送下關、中央門斷面潮流過重情況尤為突出，而500 kV東善橋變向西環網的220 kV輸電通道較輕，影響了南京西環網的整體供電能力和安全可靠水平。南京西環網2015年底電網結構如圖6所示。

圖6西環網結構圖（2015年底）

2014、2015年高峰方式下，曉莊—下關/曉莊—中央門斷面潮流重載，最大潮流已接近800 MW，超過650 MW穩定限額，需要采用安自裝置切除華能南京機組來滿足N-1；2016至2019年，隨著新建500 kV變電站的投運，曉莊南送斷面潮流降低，但仍無法滿足N-1校核，需要保留安自裝置；2020年及以后，為滿足該區域電網供電，500 kV秋藤變投運，曉莊南送斷面潮流隨之減輕，但秋藤變配套送出的綠博園—碼頭線路潮流過重，仍難以滿足N-1校核。

為解決南京西環網潮流分布不均和供電能力受限的問題，可考慮的常規方案如下：

第一類方案：新建線路通道或對原有通道實施增容改造，可將華能南京電廠至曉莊單回線路開斷環入碼頭變（方案1），或曉莊—下關/曉莊—中央門—下關線路更換倍容量導線（方案2）。經詳細論證，方案1需建設2×9 km的220 kV電纜，投資規模巨大、建設難度大，且華能南京機組關停后作用降低；方案2政策處理難度大，且改造時的停電安排難以實施。

第二類方案：通過調整分區結構（開斷西環網）解決潮流不均供電能力受限的問題。該類方案安全風險大，存在400 MW城區負荷短時停電的可能。

對此，根據詳細研究分析，考慮在西環網裝設UPFC來均衡西環網各輸電通道潮流，提升西環網的供電能力。

3.2 UPFC的系統方案

3.2.1 UPFC接入方案和容量

根據網架拓撲和潮流分析，UPFC最適合的安裝地點為曉莊變，但由于場地限制，該工程考慮在曉莊變附近的鐵北開關站裝設UPFC裝置，將曉莊—經港雙線開斷環入鐵北站，并將原鐵北—曉莊線路作為備用線路運行。具體安裝方案見圖7。

圖7 UPFC的安裝方案

根據近期和遠景年對UPFC潮流控制要求的計算分析，在各種可能運行方式下，對UPFC的容量要求如表1所示。遠景年（2020年）西環網結構如圖8所示。

根據計算結果，UPFC串聯側最大容量需求為59.32 MV·A，對此確定配置串聯側換流器2組，各60 MV·A；此外，由于南京西環網內電纜較多，無功調節需求較大，且考慮串聯側換流器同并聯側換流器可互為備用因素，并聯側配置換流器1組，容量同為60 MV·A。工程計劃2015年底投運。

3.2.2 UPFC拓撲結構

表1 UPFC容量需求

圖8西環網結構圖（2020年）

如圖9所示，3個換流器均通過隔離刀閘連接至串聯變壓器，再通過2個串聯變壓器分別接入鐵北—曉莊220 kV雙回線路；同時，3個換流器均通過隔離刀閘連接至1個起動電阻，再通過2個并聯側變壓器分別接入站內35 kV母線的2個分段；3個換流器采用背靠背的連接方式，通過隔離刀閘連接至直流公共母線上。采用此結構后，通過串聯側和并聯側刀閘的開斷組合，3個換流器可組合成雙線UPFC、單線UPFC、雙線SSSC、單線SSSC及STATCOM等運行方式。

圖9南京UPFC工程系統主接線

3.2.3換流器結構

工程采用半橋式MMC，每相上、下橋臂各26個子模塊，并配置2個冗余子模塊，每個子模塊可以獨立控制，交流電壓由每相中2個橋臂的子模塊旁路比例來控制。每個橋臂裝設橋臂電抗器，用于抑制閥側和直流側發生短路故障時的橋臂電流上升速度。

3.2.4串聯換流器接入系統方案

串聯側共設置2臺三繞組（含平衡線圈）串聯聯結變壓器，串聯變壓器使用III/Yn/△接法，Y側中性點通過高阻接地，△側為平衡繞組。串聯聯結變壓器高壓側采用III接線組別實現分相串入曉莊—經港雙回220 kV線路中，變壓器低壓側繞組連接換流器，該側為Y接法，中性點經高阻接地以保證SSSC模式有可靠的接地點；為了減小線路故障后閥側的故障電壓，提供線路3N次諧波的通路，改變變壓器零序阻抗，串聯變壓器采用帶平衡繞組的結構。經計算，配置串聯變壓器的容量為70/70/25 MV·A，變壓器各側的電壓為26.5/ 20.8/10 kV。

3.2.5并聯換流器接入系統方案

并聯換流器經過2組互為備用的三相雙繞組并聯聯結變壓器分別接入35 kV母線的2個分段上，由于鐵北開關站無220 kV變壓器，而燕子磯變同鐵北開關站為一址兩站，因此方案中將UPFC并聯側接入燕子磯變35 kV母線。根據UPFC正常工作需要，為換流閥和直流極提供參考地電位，換流器側需要配置接地點，同時為防止換流器側諧波電流注入35 kV系統，并聯變壓器采用DYn接法，星側中性點經高阻接地。經計算，配置并聯變壓器容量為60 MV·A，變壓器各側電壓為35±2×2.5%/20.8 kV。

3.2.6直流場方案

南京西環網UPFC工程直流場采用三端背靠背的連接方式，3個換流器布置在1個閥廳，直流場區主接線采用雙極直流接線，直流電壓等級為±20 kV，采用戶內直流場布置。UPFC正常工作時，并聯側換流器控制直流電壓，為串聯側換流器控制線路潮流提供所需要的有功功率，直流系統功率主要取決于串聯側換流器與線路交流的有功功率。經計算，配置直流系統容量為40 MW。

3.3 UPFC工程綜合效益分析

3.3.1 UPFC近期對電網作用分析

2015年底加裝UPFC裝置之后，UPFC可控制曉莊南送斷面潮流，使其滿足N-1校核。經計算，可使南京西環網的供電能力由2500～3200 MW（考慮安自切機）提高到3500 MW，供電能力提升300～1000 MW；可以為南京城區電網提供±60 MVar的動態無功調節能力。

3.3.2 UPFC遠期對電網適應性分析

2020年及以后，如圖8所示，南京電網將投運500 kV秋藤變向西環網供電，在一定程度上減緩了西環網北部220 kV送電斷面的潮流，但由于負荷的增加，綠博園送出斷面潮流仍無法滿足N-1校核，仍需通過UPFC的潮流調節能力，優化向西環網供電主要輸電斷面的潮流分布。經計算，UPFC通過使曉莊南送斷面提高300 MW，優化500 kV秦淮、秋藤送出潮流分布，可解決秋藤變投運后220 kV綠博園—碼頭線路N-1過載問題，并使得西環網供電能力由3100 MW提高到3600 MW。UPFC對西環網供電能力提升作用可參見表2。

表2 UPFC對西環網供電能力提升一覽表　MW

3.3.3 UPFC經濟社會效益分析

經濟效益方面，通過裝設UPFC，由于其對南京西環網供電能力的提升作用，可使得秋藤擴建及配套送出工程推遲至少2年，節約投資約1.7億元以上，秋藤建成后，通過UPFC的調節作用，每年可增供電量約25億kW·h，每年增收利潤約5000萬元。

社會效益方面，工程可為國內高度城市化地區電網采用智能輸電技術提升供電能力，破解電網建設難題起到示范作用；此外，工程可為將來500 kV電網應用UPFC積累運行經驗，并可為在更高電壓等級電網應用，提高跨省、跨區電網間潮流控制水平，增強我國交直流混聯大電網輸電能力提供新的技術手段。

4　結束語

作為功能強大、特性優越的FACTS裝置，UPFC綜合了多種靈活控制手段，可以控制線路阻抗、電壓和相角，同時能夠調節輸電線路的有功和無功潮流，為解決目前電網中潮流分布不均、無功動態調節能力不足等問題提供了新的解決手段。

相比國外已應用的UPFC裝置，南京西環網UPFC工程是在世界范圍內首個使用MMC技術的UPFC工程，是新開發的功能更強大、配置更靈活的FACTS裝置，其應用對滿足電網對潮流優化、電壓支撐等多方面需求，提高系統的可控性、穩定性和靈活性具有重要意義［36］。文中分析了南京西環網UPFC工程的應用必要性，并提出了UPFC工程的接入系統、整體拓撲結構、換流器結構、串并聯側和直流場的詳細方案，工程方案具有極高的科技示范作用和巨大的推廣價值，也為更高電壓等級電網的工程應用奠定基礎。

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State of the Art and Application Analysis of Unified Power Flow Controller

CHEN Gang1，LIU Jiankun2，LI Qun2
（1.Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China；2.Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

As the most comprehensive and complicated FACTS technology，unified power flow controller's technical principle and operation mode are introduced in this paper.Also the converter technology is detailed analyzed as well as the application and background overboard.This paper also discusses the necessity，system scheme，typical topology，converter access technology and DC field scheme of the UPFC project in Nanjing western power grid.At last，the comprehensive benefits of UPFC are demonstrated.Analysis results show that UPFC plays an important role in solving the power flow control problems facing Nanjing western power grid.

flexible AC transmission；unified power flow controller；modular multilevel converter；power flow control；stability

TM761

A

1009-0665（2016）01-0001-06

2015-11-20

陳剛（1972），男，江蘇蘇州人，高級工程師，主要從事電力系統調度運行、電力系統規劃以及柔性交直流輸電等研究工作；

劉建坤（1980），男，山東濰坊人，高級工程師，主要從事電力系統仿真分析、電力系統規劃和運行以及柔性交直流輸電等研究工作；

李群（1967），男，江蘇靖江人，研究員級高級工程師，主要從事電力系統分析、電能質量以及柔性交直流輸電等研究工作。