UPFC统一潮流控制器

UPFC（统一潮流控制器）

报告人：孙冲UnifiedPowerFlowController

FACTS控制器

FACTS控制技术经数十年的不断发展完善，实现的功能也日趋强大，FACTS家族也由最初的几种发展到现在的数十种。最初，FACTS控制技术采用反并联晶闸管控制结构，这种技术的应用主要有静止无功补偿器(SVC)、可控串联补偿器（TCSC）、可控移相器（TCPS）等。随着电力电子技术的进步，出现了基于GTO电压源换流器的新一代FACTS控制器，主要有串联潮流控制器(SPFC)、静止移相器(SPS）、高级无功发生器(ASVC)、统一潮流控制器(UPFC)等，以及最新一代新型控制器：线间潮流控制器(IPFC)、广义统一潮流控制器(GUPFC)。UPFC基本原理UPFC的结构3UPFC的简单介绍12UPFC的工作原理45UPFC安装地点世界上第一台UPFC装置是美国电力公司（APE）、西屋公司（WESTINGHOUSE）以及美国电力科学研究院（EPRI）于1998年在KENTUCKY东部的INZE变电站138KV高压输电线路上安装的UPFC系统，其串联部分即同步静止串联补偿器(SSSC)和并联部分即静止同步补偿器（STATCOM容量各为160MVA，合计320MVA，其中并联部分于1997年7月完成，串联部分SSSC于1998年6月投入运行。2003年5月韩国在kangjin变电站安装了额定容量80MVA的UPFC装置，该装置由40MVA的串联部分和40MVA的并联部分组成我国在UPFC领域的研究起步较晚。最早开展UPFC物理模型和设备研制方面工作的是电力科学院，在1995年完成一套UPFC的试验装置。哈尔滨工业大学和清华大学完成了一套物理模型容量为4KVA的试验装置，并在清华大学的国家重点实验室做了试验研究取得良好的效果UPFC的基本原理UPFC的提出及作用

统一潮流控制器(UPFC)的概念，最先是由L．Gyugyi等人于1992年提出的。国外对UPFC的研究较早，1998年世界上第一台装置，在美国地区的138KV的高压输电线路上的成功运行，足以说明UPFC的硬件实现是完全可行的，目前运行良好。而我国起步较晚，在1995年以后才开始研究。UPFC的基本思想是一种统一的可控硅控制装置，只需改变其控制规律，就能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相和端电压调节等4种基本功能，以及这些功能间的相互组合作用。UPFC既能在电力系统稳定方面实现潮流调节，合理控制有功功率、无功功率的流动，提高线路的输送能力，实现优化运行，又能在动态方面，通过快速无功吞吐，动态地支撑接入点的电压，提高系统电压稳定性，若适当控制，还可以改善系统阻尼，提高功角稳定性。UPFC的结构统一潮流控制器（UPFC）的系统结构是由共用直流侧大电容的两个完全相同的电压源型变流器及两个变压器组成将UPFC看作是一台STATCOM装置和一台SSSC装置用直流侧并联起来。STATCOM——静止同步补偿器（StaticSynchronousCompensator,简称STATCOM，又称SVG）。STATCOM并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿。SSSC——静止同步串联补偿器（StaticSynchronousSeriesCompensator）

SSSC串联在输电线路，基于同步电压源的原理，向电路中注入一个与线路电流相差90°的可控电压，它不再利用电容器或电抗器产生或吸收无功功率来实现无功补偿，而通过产生一个具有可控幅值和相角、同步、近似正弦的电压差来和系统交换无功功率实现补偿。并且它可以与线路交换有功功率增加线路传输能力。UPFC的结构并联侧的工作原理统一潮流控制器并联侧的调节目的有二：一是有功调节，即稳定直流侧大电容上的电压，从电网吸取有功功率补充串联侧所需要的有功功率和整个UPFC的有功功率消耗；二是无功调节，即可以输出无功功率以稳定接入点的端电压。并联侧的工作原理1.无功功率控制模式在无功功率控制模式下，根据给定值感性或容性无功的需求，将其转化为无功电流的给定值，将给定值与电流实际值进行比较，将差值转化为电压作为并联变流器的输入信号。并联部分可以向系统发送或吸收一定的有功功率以维持直流电容电压的稳定和满足系统内部的有功功率损耗。2.节点电压控制模式在电压控制模式下，并联部分可以控制接入点的电压，使其维持在给定值。

UPFC的结构串联侧工作原理变流器2通过串联在线路中的变压器给输电线路注入了幅值和相角可变的电压，可以看作是一个同步交流电压源，线路电流流经这一电压源从而导致了有功功率和无功功率在电压源以及交流线路之间的交换。其中与交流线路交换的无功需求是由变流器自身产生的，而有功功率的需求则被转化为直流功率形式，也就是说直流电容可作为这一串联电压源的有功功率储备，从而对线路进行有功和无功功率的控制。所以，统一潮流控制器的主要功能是由变流器2实现的。

串联侧工作原理

1.直接电压注入模式在这种工作模式下，UPFC只产生给定的电压矢量，幅值和相角的大小可以任意给定。实际电压与给定进行比较，误差通过处理作为串联变流器的输入。

2.输电线阻抗补偿模式控制注入电压的幅值与输电线电流的幅值成比例，这样，从输电线上看，UPFC可等效为一个串联阻抗，即调节线路的阻抗，该阻抗可以是一个复阻抗。如果注入电压矢量与输电线电流矢量正交，就意味着对输电线进行感性或容性的补偿。因此，该工作模式可以用来配合已经存在的输电线串联电容补偿。

3.相角调节模式根据输入母线电压矢量控制注入电压矢量，但其大小满足以下要求，即使得输出电压偏移给定的角度，但幅值保持不变。同样将实际电压与给定进行比较，对误差进行处理后作为串联变流器的输入。

4.潮流控制模式在这种控制模式下，UPFC需独立地控制线路的有功和无功功率。实现原理是通过向线路注入一个适当的补偿电压同时使电路产生一个理想的电流向量，从而达到调节线路潮流的目的。其中串联变流器的给定值是线路希望达到的有功和无功功率传输能力，通过计算将传输功率转换为电流的给定值，将实际电流值经反馈与给定值比较，对误差进行处理后，得到串联变流器的输入控制值。这是传统的输电线补偿所不能做到的，对潮流规划和控制带来了很大的方便。同时也可以有效减少系统扰动带来的影响（如阻尼功率振荡）。UPFC对电能质量影响1）对短期电压降落的影响2）UPFC对雷击过电压的影响3）UPFC对线路谐波的影响作为一种统一的晶闸管控制装置的UPFC，它的加入必然会引起输电线路参数，如阻抗值和相位角的变化，在一定程度上影响线路的暂态过程。此外，UPFC按一定规律开闭不同电路，从本质而言，它仍是一谐波源，因此必然会向系统注入谐波，影响电力系统的动态电能质量。同时它也可以减少系统自己产生的谐波。3）UPFC对线路谐波的影响可以看出UPFC对电能质量是有明显的改善作用，对电力谐波也起到一定的抑制作用，但是必须选取合适的参数，并加上滤波器，才可以把UPFC向系统注入的谐波减到最小。UPFC对潮流控制UPFC的安装地点由于电力电子技术和半导体技术的限制，并不能够在任何地方都安装UPFC；这在技术上，尤其是经济上是不允许的。所以选取UPFC安装地点一般会考虑以下3个方面：考虑紧急控制有效程度考虑稳态潮流控制电力市场下的UPFC安装地点综合量化评价在选择UPFC的装设地点时，必须考虑紧急控制的有效程度；即在所选择的地点，UPFC可以提供最大的系统稳定裕度。但是UPFC的最主要功能是控制电力系统潮流，在电力市场的运营下，发电厂是独立单位，不完全受电网调度的指令，是根据市场规律和经济效益为基本出发点的，在这种环境下，选择适当的地点来发挥UPFC的最大功效是很重要的。对实际系统而言，不同系统对于紧急控制和稳态潮流控制的要求也不同，可以得出以下一些一般性原则：1）要以电力系统的安全为主。在充分考虑了系统的稳定裕度的前提下，再考虑系统潮流控制的要求。具体的，可以在稳定裕度的灵敏度系数大的几个安装地点中，再考虑稳态潮流控制时这些安装地点的影响效果指标。2）充分考虑电力市场条件下的经济问题。有些电网由于其网架结构设计合理，电气联系很紧密，电网本身就有很高的稳定裕度。在这种情况下（电网安全稳定基本可以得到保证），就主要以稳态潮流控制的UPFC安装地点的评价为主，这样就可以节省不必要的投资。参考文献1、基