UPFC接入大電網新能源系統的綜合輸電控制技術*

王金星，劉青

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引 言

近年來國內外風能、太陽能等新能源發電規模快速擴大，發電容量迅速提高[1]，世界能源供給將實現石油、煤炭、天然氣和新能源“四分天下”[2]。同時因新能源電力自身的間歇性和波動性，局部電網對其的接納能力有限，導致國內外的“棄風棄光”現象較為突出。新能源電力的大量浪費對大功率輸電技術的穩定性、靈活性提出了新的更高要求，隨著高壓、特高壓柔性交流輸電技術的迅速發展，基于新能源電力接入電網的柔性交流輸電技術已成為當下的熱門課題。

隨著我國用電負荷快速增長，對電網輸送容量和安全的要求越來越高，但受到土地資源、社會因素、環境保護、運營成本等多方面的限制，建設新的輸電走廊越來越困難，因此充分發掘利用現有電力網絡的輸電能力，通過先進的技術手段解決電網在潮流控制、運行穩定性、電能質量等方面問題，對于電力工業而言，變得日益迫切并更具吸引力[3]。以UPFC、STATCOM、SSSC、SVC等為代表的柔性交流輸電技術(FACTS)應運而生，在調整電網潮流、提高輸電線路輸送容量、提升電力系統暫穩態和中長期穩定性、阻尼電力系統低頻振蕩以及限制短路電流等方面具有良好效果。

儲能系統能較明顯地提升電力系統運行的穩定性、靈活性和可靠性，為大規模新能源電力的接納并網提供了一個重要的解決方案。隨著近年抽水蓄能、熱能存儲、壓縮空氣、電化學、超導磁等儲能技術研究的進一步深入，電力儲能將在抑制電力系統功率振蕩、“削峰填谷”、大規模新能源消納等方面發揮越來越重要的作用。

模塊化多電平換流器(modular multi-level converter，MMC)通過將多個子模塊級聯疊加的方式來實現高電壓、低諧波的輸出，是一種新型的電壓變換方式，在未來電網具有廣闊的應用和發展前景[4-5]。廣域測量系統(Wide Area Measurement System，WAMS)采用同步相角測量單元(Phase Measurement Unit，PMU)，實現全網數據在高精度同步時鐘下的實時、高速、精確采集，為電網潮流計算、穩定性分析、繼電保護整定等提供數據同步的技術支持[6]。

因此，以UPFC為代表的FACTS裝置接入含新能源系統的柔性輸電控制技術值得深入研究。結合FACTS、新能源發電、儲能、MMC、WAMS等新興技術，針對大電網新能源系統的潮流、穩定運行和電能質量等控制問題，分析和總結了UPFC輸電控制技術的最新研究進展；針對大電網新能源系統存在的波動性和間歇性問題，提出UPFC控制技術與儲能技術、新能源預測技術相結合是未來解決大電網新能源系統輸電問題的重要方法。

1 新能源發電特性分析

新能源發電功率輸出特性分析是研究新能源電力并網和控制的基礎，其目的是使新能源發電更平穩地輸出電功率。受自然環境和天氣影響，以風能和太陽能為代表的新能源電力呈現出較為明顯的波動性和間歇性，導致含新能源發電的電力網絡存在頻率波動和系統失穩風險。某風電場250小時功率輸出特性曲線如圖1所示，易知風力發電呈現出較明顯的功率輸出波動性和間歇性，且無明顯的波動和間歇規律。

光伏發電功率輸出的最大限制因素是光照輻射強度，光照輻射強度受天氣陰晴和云層厚度及其移動情況影響很大。某光伏電站光照輻射強度的波動情況如圖2所示，由單位面積1分鐘、15分鐘、1小時采樣輻射功率曲線和晴朗天空的理想輻射功率曲線組成。從1分鐘采樣的輻射功率曲線可以看出，單位面積光照輻射強度隨時間變化存在較為明顯的波動，著采樣時長的增加，該采樣時間段的平均輻射強度值波動趨于減小。由此可知，瞬時光照輻射強度隨天氣和云層移動變化較快，而光照輻射強度在較長時間段內研究較為穩定。

圖1 風電場功率輸出波動曲線

圖2 單位面積光照輻射功率波動曲線

風能和太陽能作為新能源發電的主要組成部分，其功率輸出以天為單位表現出一定的周期性，可利用該特征進行相應的發電控制和電力調度研究。某天24小時風電場、光伏電站及其二者之和的功率輸出曲線如圖3所示，由圖易知風電場夜間組成。功率輸出較大，白天功率輸出相對較小，而光伏發電在白天功率輸出相對較大，夜間輸出功率為零，二者功率輸出具有一定的互補性。若合理配置風電場機組容量和光伏電站容量，可使風電和光伏發電功率輸出之和的特性曲線接近于電力負荷的功率特性曲線。

圖3 某天24小時新能源功率輸出曲線

2 FACTS接入電力系統輸電控制技術

2.1 FACTS裝置的應用研究及最新進展

FACTS利用先進電力電子技術徹底改變了交流輸電網的控制和操作方式，擺脫了過去機械、慢速、間斷、不精確的工作方法，現正向智能化、電子化、快速、連續、精準的方向迅速發展。美國電力科學研究院指出，FACTS隨著科技的發展也在與時俱進，未來將面臨著更多來自增大輸電容量、維持電網安全穩定、優化系統運行、環境保護和柔性直流輸電競爭等方面的壓力[7]。

最近二十余年，眾多性能各異的FACTS裝置(如SVC、TCSC、STATCOM、SSSC、UPFC、SMES、IPFC等)先后被投入到美國、歐洲、日本的實際電網中，其分類及代表器件的功能應用如表1所示。

表1 FACTS裝置的分類和應用

21世紀初，在我國已有多臺SVC、STATCOM和TCSC裝置運行于500 kV變電站，并取得了良好的經濟和社會效益。2015年11月，南京220 kV西環網UPFC工程建成并投運，是我國首個擁有自主知識產權、采用MMC技術的UPFC工程。2016年11月，世界上電壓等級最高、容量最大的蘇州南部電網500 kV的UPFC工程在江蘇省蘇州市開工建設，它將是世界上第一次實現500 kV電網潮流的精準、靈活、快速控制，并將顯著提高蘇州電網消納新能源的能力。

FACTS自20世紀80年代中期被提出以來，其概念在不斷地發展，但主要目標仍然是應用大功率、高性能的電力電子器件，實現對輸電線路電壓、阻抗、相角、功率、潮流的綜合全面靈活控制，達到提高線路輸電容量、提高電網靈活性和穩定性的目標。仿真和FACTS工程應用表明，電力系統在加入FACTS裝置后，系統暫態失穩的風險明顯降低，且同容量的FACTS裝置中UPFC的綜合控制效果較好。

2.2 FACTS裝置研究內容及控制技術研究現狀

目前，FACTS技術的研究主要包括：FACTS裝置在電網中的安裝位置、FACTS參數控制方法對電網暫穩態特性的影響、新型控制策略的設計和優化、以及各種FACTS裝置間交互影響的協調等。

FACTS裝置可以從系統級和設備級兩個層次來穩定大規模新能源電力接入系統引起的電壓波動，為電網提供緊急的無功支撐，并可結合不同FACTS 裝置的投資費用、靈敏度等得到配置FACTS的多目標折衷方案和最佳安裝地點[8-9]。

FACTS交互影響是指在多變量控制系統內的一個操作輸入變量影響若干個測量輸出變量,或者一個輸出變量被一系列輸入變量所影響。交互影響協調控制一般分為智能控制、線性控制和非線性控制等，基于WAMS、模糊理論、免疫算法及協同進化算法的多目標協調控制方法將是未來我國解決FACTS交互影響的研究的重要方向[10]。

FACTS用于提高線路輸送容量和穩定線路電壓一直是FACTS技術研究的重心。采用FACTS暫態穩定控制、小擾動穩定控制、阻尼控制等方法，可以有效消除特高壓、大容量、高效率、低損耗電力集中外送的主要限制因素。針對以UPFC為代表的FACTS裝置的非線性特征和不確定性問題，已存在一些非線性最優控制策略和非線性魯棒控制策略的研究[11]。

3 UPFC接入電力系統的輸電控制技術

3.1國內外UPFC研究現狀

統一潮流控制器(UPFC)是目前最為靈活、功能最全、技術最復雜的柔性交流輸電裝置[12]，通常可以把它理解為擁有公共直流側電容的STATCOM和SSSC組合起來的FACTS裝置。但UPFC的功能不能等于一個STATCOM和一個SSSC功能的簡單疊加，UPFC靈活性的控制功能遠遠大于二者之和，其結構模型如圖4所示。UPFC可以同時調控輸電線路的有功潮流和無功潮流，提供可控的并聯無功補償，提升系統電壓的暫穩態及中長期穩定能力，還可以阻尼電力系統振蕩，提高電網輸送電能的穩定極限，增加電力系統的穩定運行裕度，限制短路電流等。

圖4 UPFC結構模型

電力系統潮流是自然流動的，電源和負荷功率的變化都會引起電網潮流相應的改變。因電源、負荷分布位置和輸電線路參數不同，某些輸電線路的潮流容易激增，出現功率越限的現象，另外一些輸電線路則易出現潮流較小，輸電通道利用不充分。UPFC是輸電線路上加裝的柔性潮流控制裝置，通過調控節點電壓和線路阻抗等參數來跟蹤控制電網的功率流動，其調控方式靈活多樣、調控效果精確可靠，可有力保障電力系統的安全穩定可靠運行。目前，國內外UPFC的研究主要包括以下兩個方面：

(1)UPFC的數學模型及其在電力系統中的應用；

(2)UPFC的交互影響及協調控制策略。

3.2 UPFC數學模型及其輸電控制技術研究

(1)UPFC數學模型

UPFC數學模型是研究和設計其控制策略的基礎，一般分為靜態數學模型和動態數學模型。靜態模型通常用于分析和計算含UPFC的電網潮流，動態模型則主要研究當電網運行狀態突變時，UPFC對電網穩定性、潮流、電壓的控制作用[13]。目前UPFC的靜態模型主要有電源型模型、阻抗型模型、解耦型模型、功率注入型模型等[14]，這些模型都是建立在直流側電壓不變的基礎上，保證流入UPFC并聯側的有功功率等于損耗功率加上流出其串聯側的有功功率。UPFC的動態特性，則是在考慮UPFC直流側電壓變化的基礎上分析和研究的。

UPFC控制功能強大，集電壓、潮流、穩定性等多種控制功能于一身，能良好地調節UPFC接入點母線電壓和所在線路的功率流動，其并聯側補償無功功率及維持母線電壓恒定，等效于調節變壓器一側分接頭開關的作用。

(2)UPFC穩定性控制研究

UPFC強大的柔性輸電控制能力，一般通過在UPFC控制系統內安裝相應的控制器來實現，每個控制器通常被給予一個特定的控制功能。UPFC裝置的控制系統主要包括有功功率、無功功率、交流電壓、交流頻率、直流電壓、直流電流六個控制器。UPFC良好的控制性能主要通過對某個或某幾個控制器進行優化分析和協調控制來實現，直流電壓控制器是UPFC其他控制器正常工作的基礎。UPFC投入系統運行的目標和作用主要包括系統潮流控制、電壓穩定控制和抑制功率振蕩三個方面。

系統潮流控制主要研究UPFC在潮流計算中的數學模型和相關控制器、控制策略的設計。對UPFC進行交叉耦合控制，可實現UPFC串聯側變流器輸出電壓d軸分量調節輸電系統的無功功率，輸出電壓的q軸分量調節輸電系統的有功功率，并能達到較好的調節控制效果[15]。

電力系統電壓穩定控制一般分為電壓暫態穩定控制和電壓穩態穩定控制兩種。暫態電壓控制比穩態電壓控制略為復雜，需要考慮直流側電壓的變化。采用非線性的控制策略，調節UPFC并聯側輸出電流的橫、縱分量能夠分別有效調控并聯側母線電壓、直流側電壓；調節UPFC串聯側變壓器的輸出電壓的橫、縱分量可分別調控輸電線路的有功和無功功率[16]，從而在考慮直流側電壓變化的基礎上較好地實現電力系統電壓的暫態穩定控制。

電力系統振蕩是指當電網存在短路、故障切除等干擾時，引起同步發電機間電勢差和相角差以及各節點電壓和電流隨時間不斷變化的現象。工程實踐表明，對UPFC控制系統設計狀態反饋線性控制器，可較好的抑制大電網的低頻振蕩。

4 UPFC接入大電網新能源系統關鍵輸電控制技術

隨著全球能源互聯網、智能電網和特高壓戰略的實施和推進，柔性交直流輸電將向著高電壓、大容量、高效率、低損耗、多目標、多裝置協同控制的方向快速發展，實現跨網、跨國、遠距離和大規模新能源接入的綜合調節控制[17]。UPFC的發展將面對重大的機遇和挑戰，機遇源于電網對輸送容量和電壓控制等的廣泛需求，挑戰主要是面臨著大功率電力電子器件開發研究、輸電控制的難題，未來將主要集中表現在含儲能的全控型 UPFC功率及能量的優化配置與協調控制方法、基于WAMS的全控型多UPFC協調控制技術等方面。

4.1 儲能FACTS接入電力系統的輸電控制

風能、太陽能發電自身固有的波動性、隨機性和間歇性問題是新能源進一步發展的重大瓶頸。通過先進的電力電子技術，利用儲能設備儲存用電低谷時的多余能量，釋放用電高峰時的備用能量，是解決新能源電力功率間歇性、波動性、隨機性問題和提高新能源系統發電機組利用效率的關鍵。所以，針對電力系統儲能的研究已是迫在眉睫。

電力儲能技術能夠有效緩解電力系統的功率失衡問題，對系統頻率穩定和電網安全有重要的作用，可以較好地抑制了系統的功率振蕩。抽水蓄能技術是目前唯一一種發展完善且可靠性、經濟性較高的儲能技術，但因其受選址要求和生態環境的影響，其大規模開發受到一定的限制。目前以超導磁儲能(SMES)、蓄電池儲能(BESS)、超級電容器儲能(SCES)為代表的新型儲能技術正在快速發展，工程應用也在不斷增多。

將先進的儲能技術與FACTS技術相結合已有相關的研究，并逐漸以其獨特的優勢引起社會的關注。儲能設備與并聯型FACTS結合能夠較好地抑制發電機的功角擺動、抑制系統低頻振蕩和超低頻振蕩的現象[18]，顯著減少切機切負荷、系統連鎖故障的現象，大大提高了電網的暫穩態控制、輸電能力和主動防御能力[19]。

將以電化學、超導磁、飛輪為代表的儲能技術與FACTS技術相結合的研究，目前主要集中在蓄電池儲能系統(BESS)與STATCOM的組合器件STATCOM/BESS和基于飛輪儲能的柔性功率調節器(FPC)。通過電流解耦控制，STATCOM/BESS能實現有功功率和無功功率的獨立調節，使輸電更為柔性化[20]。FPC能夠改變電力網絡的阻尼參數，抑制電力系統的有功功率振蕩，實現儲能裝置與電力網絡功率的動態快速交換，增強電力系統的靈活控制能力和穩定域度。

現有研究成果和過去工程經驗表明，儲能系統用于抑制電力系統功率振蕩的效果良好，含儲能FACTS應用到未來大規模新能源接入的電網具有較好的前景。

4.2 UPFC接入大電網新能源系統的問題及應對措施

FACTS裝置在新能源電力接入系統電源側的應用非常廣泛，在穩定電網新能源電力接入點的電壓、削弱新能源電源的功率振蕩、提升電網暫態穩定性等具有顯著地優勢。目前，國內以風能、光伏為代表的新能源發電集中分布于新疆、青海、內蒙古等地，西北大規模新能源電力面臨著高電壓、遠距離、大容量的集中輸送。為解決系統有功和電壓控制問題，輸電線路的關鍵節點應安裝UPFC裝置，以提高電網的安全穩定水平，抑制系統過電壓和潛供電流，保證大電網電磁暫態安全。

UPFC作為目前FACTS裝置中功能最強大的元件，能夠消除異步風力機因風源的波動性和間歇性而引起的電網電壓崩潰，維持風電場電壓和電網穩定。通過優化UPFC的控制策略能夠調整風力機槳距角的控制系統，增加電網的次同步阻尼，從而削弱風力機組的功率振蕩。

國內外科學研究和工程實踐已經證明，UPFC能夠有效調節新能源電力接入系統的無功潮流和節點電壓，增大輸電線路的輸電容量，改善電力系統的暫態、穩態特性。但當波動性和間歇性新能源大規模接入系統時，較大的風速、光照和負荷波動會將造成系統的頻率波動和功率失衡，需要有足夠的旋轉備用容量和儲能裝置來維持電網的功率平衡和頻率穩定。為解決大規模新能源電力接入引起系統功率失衡和頻率波動問題，本文提出大電網新能源系統的概念，關系結構模型如圖5所示。

圖5 大電網新能源系統關系結構圖

大電網新能源系統由發電、輸配電、用電和儲能交互組成，發電包括風能、光伏等新能源發電和火力發電等，輸配電是利用大功率電力電子裝置實現高電壓、大容量、高效率、低損耗的柔性交直流輸電，用電主要包括照明等阻性負荷和電動機等阻感性負荷，儲能交互是指利用物理、化學、電磁等儲能方式按照一定規律與大電網進行能量交換。

UPFC與儲能技術、新能源功率預測技術相結合，是減少因新能源發電并網而增加旋轉備用容量投資的有效途徑。

5 結束語

近年我國新能源發電和電網建設的快速推進，全球能源互聯互供的要求日益迫切，輸電系統將向特高壓、大容量、高效率、低損耗、集中外送的方向發展。新能源電力的接入在給電網帶來清潔能源的同時，也增加了電力系統穩定運行控制的難度。通過先進控制方法和新興技術，全網統一標準、分層分級和多目標多裝置協同控制，將是FACTS控制技術的發展趨勢，UPFC因其強大的控制能力將在大電網新能源系統中發揮日趨重要的作用。

以UPFC/BESS為代表的含儲能型的柔性輸電裝置，能夠平衡新能源電力和負荷的波動，解決大電網新能源系統的潮流和穩定控制問題，使大電網內源、網、荷的功率設備得到高效利用和合理調度，為大電網新能源系統的輸電控制提供了一種重要的研究方案。

迫于新能源電力消納和安全穩定運行的要求，UPFC接入大電網新能源系統的輸電控制技術研究將主要集中在以下四方面。

(1)結合UPFC技術與WAMS技術，全網統一時間坐標下的精準潮流控制和功率調度；

(2)結合UPFC技術與MMC技術，柔性輸電裝置的模塊化多電平結構設計和優化分析；

(3)結合UPFC技術與儲能技術，用于控制大電網新能源系統的源、網、荷的功率波動；

(4)UPFC裝置內部器件的精簡電子化，如基于級聯多電平VSC的無變壓器UPFC[21]。