统一潮流控制器技术现状及应用分析--《江苏电机工程》2016年01期
统一潮流控制器技术现状及应用分析
【摘要】：统一潮流控制器(UPFC)是功能最全面、技术最复杂的柔性交流输电技术,文中在介绍UPFC的技术原理、运行方式等基础上,重点分析了UPFC的换流器技术发展,并介绍了国外UPFC的应用情况和使用背景。文中对南京西环网UPFC示范工程的必要性进行了研究,并详细介绍了工程的接入系统、UPFC拓扑结构、换流器结构、串并联侧接入和直流场方案等,并对工程的综合效益进行了分析,结果表明UPFC技术对于解决南京西环网潮流控制问题具有十分重要的作用。
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【关键词】：
【分类号】：TM721.2【正文快照】：
随着电网规模的扩大,区域内发电和负荷分布不均衡、输变电设备潮流分布不均匀问题日益突出,设备重载和轻载问题并存,而受制于重载设备的承受能力、电网供电能力难以得到充分利用。此外,由于城市规划的限制,线路改造和电网扩建难度日益增大[1,2]。因此,在现有网架的基础上如何
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统一潮流控制器
随着负荷的发展,南京西环网存在输电能力不足、潮流分布不均匀,输电通道＂卡脖子＂的问题,研究了南京西环网现状及远景所面临的供电能力不足的问题,并进行多种可采取措施的对比分析,得出在南京西环网加装统一潮流控制器（UPFC）的必要性。同时,通过相关电气计算,得到了UPFC对电网的影响及作用。
为研究统一潮流控制器(UPFC)用于抑制电力系统低频振荡的效果，采用PID控制策略设计了UPFC，并利用遗传算法(GA)和粒子群算法(PSO)分别对UPFC参数进行了优化。对含UPFC的单机无穷大系统进行仿真，仿真结果显示，UPFC对阻尼电力系统低频振荡起到一定的作用，经过参数优化后系统的暂态变短，相关量的波动降低，且粒子群优化算法用于抑制阻尼电力系统低频振荡的效果优于遗传算法。
&正&潮流分布不均是制约220 kV分区电网供电能力提升的重要因素,研究了统一潮流控制器(UPFC)提升电网供电能力的新技术,并基于功率注入法在机电暂态仿真程序PSASP中自定义建模。仿真中首先设置安装点目标功率值,再根据潮流计算结果反推UPFC控制参数,实现了含UPFC的实际大电网潮流调控分析。通过UPFC的潮流控制均衡变电站负载,降低N-1、N-2故障情况下的线路过载倍数,提升了电网分区的供电能力和安全稳定性。江苏电网2014年规划数据验证了所提方案的有效性。
风电场因风速变化的不规律性将导致并网系统电压失稳。统一潮流控制器（UPFC）是柔性交流输电系统（FACTS）中功能最为全面的器件,能够维持风电场电压及并网系统的稳定运行。根据异步风力发电机的数学模型,以及UPFC的工作原理和控制策略,在DIgSILENT/PowerFactory中搭建了安装UPFC的风电并网系统模型,通过仿真风速突变时风电场的电压和功率情况。仿真结果表明,UPFC能够控制线路潮流,并能维持风电机组和系统的稳定。
统一潮流控制器自身结构复杂、变量多，为了简化其控制器的设计过程，建立只考虑并一串联变流器交流侧电流状态和直流电容电压状态的UPFC的5阶非线性模型。采用双环控制策略来设计UPFC控制器，通过PI外环控制直流电容电压，选取并一串联变流器交流侧电流作为系统控制输出，通过状态反馈精确线性化将原非线性系统线性化为4个线性子系统，并应用变结构控制原理实现并一串联变流器交流侧输出电流的内环控制。仿真结果验证了该控制策略的有效性。
为了更加有效地实现对电力系统潮流分布的控制,以进一步提高电力系统无功优化的有效性,达到使系统损耗最小的目的,提出了基于粒子群智能优化算法的计及UPFC的无功优化方法。以系统有功网损最小为目标函数,为了有效利用UPFC对潮流的调节作用,采用UPFC的节点注入功率模型。通过IEEE-30测试算例就系统有功网损和电压稳定性,对基于粒子群算法系统装设UPFC装置前后进行比较,发现采用文中方法后,不仅降低了系统的有功网损,提高了电压质量,而且与粒子群算法相比,还减少了算法的迭代次数,仿真结果验证了文中模型和算法的有效性和可行性。
在此以基于矩阵变换器为基础的统一潮流控制器为研究对象,介绍了当前统一潮流控制器的发展状况以及控制策略现状,在此基础上提出预测直接功率控制策略用于该系统,并建立了预测模型,以便有效提高系统的动静态性能。通过Matlab仿真平台搭建了系统模型,通过仿真试验对比了PI控制和预测直接功率控制的波形效果。仿真结果表明了所提控制策略的正确性和有效性,有利于电力系统安全可靠运行和数字化实现。
随着电力电子技术的发展,电力系统输电的稳定性和经济性有了显著的提高。本文结合FACT装置中的统一潮流控制器对系统可用输电能力进行了研究,简要说明了UPFC的工作原理,给出了计算模型,并分析了仿真结果,从而验证了研究的有效性。
以系统限流指标、统一潮流控制器最大补偿度、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）电压电流限值和直流电压限值为依据,改进了限流式统一潮流控制器（UPFC-FCL）的短路数学模型.为保证短路过程中直流电容电压不超过限值,提出了一种新的直流电容计算方法.将直流电容纳入短路限流回路,对直流限流电感的选择进行了优化,提高了装置的可靠性和经济性.建立了100 V/3 kV·A小样机实验模型,验证了限流式统一潮流控制器设计参数的合理性和有效性.
针对统一潮流控制器（UPFC）的系统短路保护问题,提出了一种基于故障电流控制的新型限流式统一潮流控制器（UPFC-FCL）拓扑结构。通过在限流电抗支路上投切耗能电阻,配合UPFC并联侧控制,限制线路故障电流的上升速率和幅值并保护设备安全。详细阐述了拓扑结构与工作原理,并进行了数学建模和关键参数设计。仿真结果表明,该新型UPFC-FCL能较精确地控制故障电流并可灵活调整限流值以配合继电保护电流整定值和断路器遮断电流,故障消除后恢复迅速且适用于多次故障和自动重合闸等情况,同时降低了装置成本以及UPFC的损坏风险。
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来源： 江苏电力作者：
日期： 15.12.16
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　　中电新闻网讯 12月11日，国家电网公司重大科技示范项目――南京220千伏西环网统一潮流控制器（英文简称UPFC）工程正式投运。
　　这是我国首个自主知识产权的UPFC工程，也是世界上首个采用模块化多电平换流（MMC）技术的UPFC工程。它通过为输电通道加装“红绿灯”，实现了对电网潮流的精准控制，并有效提升供电能力，标志着我国柔性输电技术走在了世界最前列。
　　近年来，南京用电呈逐年增长态势，今夏最高用电负荷再次刷新历史纪录。作为南京的负荷中心，220千伏西环网用电负荷占全市近1/3，今年最高负荷同比增长13.7%，增加了26.4万千瓦，致使线路负荷加重，出现“拥堵”现象，其北部输电通道两条线路的负载率已超过70%。据测算，明年夏季用电高峰时，其中一条故障，另一条就会超载，导致两线全部中断供电，引发大面积停电。
　　传统的解决输电通道“拥堵”办法是更换大导线或新建线路。据国网江苏电科院总工李群介绍，对南京西环网而言，前者需要停电，显然不行。假如增加一条空中输电线，需投资10亿元以上，但现实是即使有钱，拥挤不堪的城市中新线路已“无地自容”。建地下输电通道则更为困难，不仅投资巨大，而且时间很长，无法满足用电需求。
　　为此，2013年起，国网江苏省电力公司先后提出了建设500千伏秋藤变电站至西环网的220千伏输电通道和西环网UPFC工程建设规划。其中，UPFC工程于去年底被国家电网公司确立为重大科技示范工程，今年4月项目获省发改委核准，6月全面开工建设。
　　该工程总投资2.2亿元，此次投运后通过加装的3套换流器控制电流的流向和流量，实现了对西环网南北输电通道负荷的精准控制，提升该区域供电能力30%、约60万千瓦，年可增供电量约25亿千瓦时，替代了一条投资10亿元以上的220千伏线路，实现节约土地360亩。同时将500千伏秋藤变扩建及配套送出工程建设推迟2年以上，节约动态投资1.7亿多元。
　　李群介绍，这是世界上运行的第三个UPFC工程，其率先采用的MMC技术比美韩两国此前所用的多电平技术更先进，能更好地保护电网设备。工程的成功投运，对土地资源紧张的城市核心区充分挖掘现有电网的供电能力，具有十分重要的示范引领作用。
　　南瑞继保董事长沈国荣院士告诉记者，随着特高压工程建设的加快推进，UPFC工程在500千伏电网中的推广应用前景更加广阔，将在确保其安全可靠运行中发挥更大作用。
责任编辑：周小博　 投稿邮箱：网上投稿
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