[科普中国]-统一潮流控制器

简介

电力系统是一个复杂的非线性动态系统,由输配电线路和多种设备相互联系、相互影响而形成巨维数电力网络,目前正沿着高电压、大容量、大规模、远距离方向发展。随着全球经济一体化,电力业界面临来自环境保护、产业调整、电力需求及电力市场等方面前所未有的挑战,可概括为2:

a.增大输电能力。电力需求稳定增长,然而在地理上分布不均,可得到的电源往往远离日益增长的负荷中心,由于政策法规、环境保护及费用等因素制约,新拟建电源及线路遭到减缩,这使得提高输电能力的需求更为突出,据EPRI(美国电力科学研究院)估计,许多输电走廊都将运行在现有的稳定极限附近。

b.保持系统稳定。由于电网中存在的电磁环网和过负荷线路,导致电压质量恶化和电力系统稳定性下降,近几年来多次发生灾变性重大电力事故,因此要求在不降低现有传输功率的可行性和安全性情况下,最大程度地利用现有发电和输电设备的效能。

c.优化系统运行。因运行变化或电力市场所决定的功率输送的变化次数快速增加,系统的控制变得更为复杂,需要对整体系统的潮流进行优化,这种优化需要在越来越大的地区内综合考虑全局的运行情况。

FACTS的概念是由EPRI的Hingorani博士1988年首先提出的。这一技术是日新月异的电力电子技术与电力系统的阻抗控制元件、功角控制元件以及电压控制元件(如串补电容、并联电容、电抗、移相器、电气制动电阻等)相结合的产物,也是现代控制技术、计算机技术、通信技术取得巨大进展的结果。FACTS的主要内涵是用大功率晶闸管元件代替附加在这些传统元件上的机械式开关。FACTS改变了过去交流输电慢速、不精确化控制和优化技术,从而使电力系统中影响潮流分布的电压、线路阻抗及功率角等3个主要电气参数可按照系统的需要迅速调整。在不改变网络结构的情况下,使网络的功率输送能力以及潮流和电压的可控性大为提高,给交流输电系统带来很大的飞跃,也为电力业界解决上述面临的挑战提供了契机。目前,UPFC已成为实现FACTS的主要技术手段。

由于诸多显而易见的优越性,加上大功率晶闸管的造价日趋降低,目前我国和美国、瑞典、巴西、德国、英国、日本等国家都在积极开展FACTS设备制造或应用的研究。

统一潮流控制器的概念美国西屋科技中心(Westinghouse Science and Technology Center)的L. Gyugyi博士于1991年提出了统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，缩写为UPFC)的概念。 UPFC是FACTS家族中最复杂的也是最有吸引力的一种装置，它综合了许多FACTS器件的灵活控制手段3，被认为是最有创造性，且功能最强大的FACTS元件，它的成功运行被称作 FACTS技术发展的重要里程碑(milestone of FACTS technology)。UPFC是由并联补偿的静止同步补偿器(STATCOM)和串联补偿的静止同步串联补偿器(SSSC)相结合组成的新型潮流控制装置，它的结构由两个电压源型变流器为主构成，还包括直流电容、串联变压器、并联变压器和控制系统。它是将一个由变流器产生的交流电压串入加在输电线相电压上，使其幅值和相角均可连续变化，仅仅通过控制规律的变化，就能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同的功能，可大幅度改变输电线路的潮流，增强系统阻尼，抑制次同步振荡以及提高整个电力系统的静态稳定性和暂态稳定性，性能明显优于功能单一的FACTS器件。

UPFC的结构作为第3代FACTS元件之一的UPFC,也是最有力、最全面的晶闸管控制装置,由两个共用直流侧电容的电压源变换器(Voltage-Sourced Converters)组成,变换器1通过变压器T1并联接入系统,除了向变换器2提供有功功率外,还可通过T1向系统吸收或注入无功功率,可看作是可控的并联静止无功补偿器。变换器2通过变压器T2串联接入系统,向线路注入一个幅值和相角可调的串联电压,控制线路的潮流,如图所示4。

通过控制规律调节功率和线路参数,UPFC可分别或同时实现串联补偿、并联补偿、移相等几种不同的功能,提高线路传输能力、稳定性及阻尼振荡,具有独特的实时控制传输线路潮流的特性。与其它FACTS控制器相比,UPFC控制范围较大,控制方式更为灵活。世界第一台UPFC即将在美国电力公司(AEP)的Inez变电所试运行。

UPFC系统的基本控制功能在柔性交流输电系统中，几乎所有的FACTS装置都只能调节影响电力线输送功率的三个参数中的一个，但UPFC可以同时调节三个参数，即可以同时补偿线路参数、调节节点电压幅值和节点电压相位。此外，还能实现并联补偿、串联补偿等基本功能以及这些基本功能间的相互组合作用。

UPFC可以同时调节其并联部分和串联部分的输出来控制电网的参数，其基本功能：

(1)电压调节功能

当输入节点电压Y，幅值突然发生变化的时候，为了使线路上传输的有功、无功功率能够及时得到修正，采用了电压调节功能。UPFC串联注入电压和输入节点电压的相位相一致，控制幅值使得输出的总电压的幅值与指定的参考值相同，从而消除电压闪变，改变、修正系统的潮流，稳定电压。

(2)相角调节功能

当负载需求的有功功率增加时，发电机通过调节功角来改变系统提供的有功功率，满足负载的要求。但是这样会引起发电机端电压下降，而且发电机的内部损耗增大，因此采用UPFC的相角调节模式，负载需要的有功功率通过串联侧的注入电压来补偿，发电机的功角不变，从而在不必调控输电线路两端电压相位的情况下，可连续调控输电线传输有功功率的大小，使电力系统中功率流向经济合理。

(3)线路阻抗补偿功能

感性负载电流流过线路电抗的时候会使负载端电压下降，远距离传输线路上的电抗值XL很大，进而使得输电线输送功率极限能力下降，危害电力系统运行稳定性。因此要进行线路阻抗补偿。补偿电压和线路上的电流，成比例的变化，使得从线路一端看UPFC相当于一个串联的阻抗:指定一个期望的阻抗参考值，大体上相当于一个有极性的电阻和电容或电感组成的阻抗。

(4)动态潮流控制功能

在实际的电力系统运行当中，不仅会有电网电压的闪变，而且线路上传输的有功和无功潮流也会发生变化，因此采用了UPFC的自动潮流控制模式，它实际上是上述几种模式的综合。，控制电压的幅值和相位，改变线路上的电流，从而调节线路潮流。

(5)无功补偿功能

UPFC的并联部分可以独立地向电网提供无功功率，因此可以控制UPFC并联部分向接入节点提供无功补偿，起到支撑输入节点电压的目的。

UPFC的运行方式UPFC较传统的FACTS技术相比有着显而易见的优越性，但也应该看到，由于它必须与系统进行有功功率交换，因而，其控制算法的制定以及实现难度相对要大得多。从总体上说，UPFC的并联电流源和串联电压源可以各自独立或联合运行，独立运行时与系统中单独使用STATCOM和SSSC没有什么两样，而只有联合运行才能真正实现UPFC的所有功能。事实上，独立或联合运行本质上的区别并不在于并联电流源和串联电压源两者是否有物理上的连接，而在于是否通过控制使两者互联的直流母线上呈现有功功率的交换。当然，要想实现UPFC的功能，两者通过直流母线的物理连接是必要的条件4。

由于构成UPFC的并联电流源和串联电压源可以各自输出在其容量限定下的无功功率，同时控制环节能够保证直流母线上有功功率的交换，则UPFC的运行方式可分别由其串联和并联部分的运行方式所决定。为了表达清晰，这里先分别进行描述。

并联部分在统一潮流控制器中，并联变流器的工作原理是通过并联变压器与输电线路进行功率交换，从而实现有功传输及无功补偿。电流可分两部分考虑，即有功分量和无功分量，其中有功分量用来提供串联变流器所需要的有功功率。根据无功分量使用的目的分为三种情况:

直接无功电流注入方式

无功功率控制方式

电压控制方式

串联部分在统一潮流控制器中，串联电压源以串联方式向系统直接注入具有一定幅值和相位的电压V,:来改变线路潮流的分布。具体分为四种控制模式:

直接电压注入模式

母线电压调节方式

相角调节模式

线路串联补偿运行方式

潮流控制运行方式

单独和关联运行方式根据安装的要求，两个变流器可以分开独立运行，并联变流器及相应器件作为一个独立的静止同步补偿器(( STATCOM)运行，串联变流器及相应器件作为一个独立的静止同步串联补偿器(SSSC)运行。当工作在这两种状态时，两个变流器均不能产生或吸收有功功率，也就是说它们都只能作为无功补偿器使用。线路的功率仍然可以控制，但是有功功率和无功功率不能单独控制。

同时，两个变流器也可以关联运行，UPFC的主要功能是通过串联变流器来调节线路的有功和无功，串联变流器所需的有功功率由并联变流器提供，而这一切必须通过中间的直流电容环节来实现。

UPFC的建模由于UPFC的引入,传输线路参数发生变化,潮流方程中将会出现新的状态变量和约束条件,UPFC串联控制引入非节点边界条件,如支路潮流等于整定值,其内部的约束条件应该满足,即并联变换器从系统中吸收的有功功率等于串联变换器注入系统的有功功率。目前含UPFC潮流计算的方法可分为等效功率注入法的解耦方法和联立求解方法两类,后者的收敛特性比较好。但不管采用什么方法计算UPFC潮流,大都采用电源模型,即用2个可控的电源来等效UPFC的串联部分和并联部分,通过控制两个电源参数的变化,调节电力系统的运行状态。

展望FACTS这项新技术在我国具有广阔的应用前景。随着我国超高压、大容量、远距离输电的发展,各大区电网互联已成为发展的必然趋势。现行的电力系统对输电线路的调节与控制仅限于继电保护和重合闸,而系统大量事故和运行问题又发生在输电线上,使之成为电力系统安全经济运行的“瓶颈”3。

FACTS技术的出现为解决这个问题提供了十分重要的控制工具。UPFC的主要作用是控制线路的传输功率和母线电压,研究利用FACTS元件特别是UPFC在现有设备条件下使潮流和电压的可控性大幅度提高,减少互联系统的备用容量,既适合我国电力建设因资金紧张而不适于大规模更新设备的状况,又能够采用新技术改善现有的电力传输水平及电力系统的安全可靠运行,具有理论和实际意义。UPFC一方面可同时全面控制传输线路参数,另一方面由于存在多控制变量而不易控制,对UPFC的数学模型分析和仿真还很不全面,特别是UPFC的控制规律及暂态行为还有待进一步研究,因此,从系统的角度考虑,实现对电力系统的多目标协调控制是UPFC控制器设计的主要目标。