統(tǒng)一潮流控制器

統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)的概念最早由美國(guó)Westinghouse公司的L. Gyugyi在1992年提出，是迄今為止功能最全面的FACTS裝置。

UPFC由兩個(gè)(或多個(gè))共用直流部分的電壓源換流器分別以并聯(lián)和串聯(lián)的方式接入輸電系統(tǒng)，可以同時(shí)或選擇性地控制輸電線(xiàn)路的電壓、阻抗、相位，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路有功、無(wú)功潮流控制，并可提供獨(dú)立可控并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償。UPFC具有靈活控制系統(tǒng)潮流、提高電網(wǎng)傳輸能力及改善系統(tǒng)穩(wěn)定性等多種功能。

技術(shù)原理：

典型的UPFC裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示，由兩個(gè)背靠背、共用直流母線(xiàn)的電壓源換流器構(gòu)成。其中，換流器1、換流器2對(duì)應(yīng)的換流變壓器分別以并聯(lián)、串聯(lián)形式接入，有功功率可以在兩個(gè)換流器之間雙向流動(dòng)，每個(gè)換流器的交流輸出端都可獨(dú)立地發(fā)出或吸收無(wú)功功率。

圖中，換流器2的功能是通過(guò)串聯(lián)變壓器給線(xiàn)路注入幅值和相角均可控的電壓向量。通過(guò)調(diào)整注入電壓的幅值、相位，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、阻抗調(diào)節(jié)、相角調(diào)節(jié)等多種功能，可以對(duì)線(xiàn)路有功和無(wú)功潮流進(jìn)行獨(dú)立解耦控制。

換流器1的功能是通過(guò)公共直流母線(xiàn)提供或吸收換流器2進(jìn)行潮流控制時(shí)與系統(tǒng)交換的有功功率，以維持直流母線(xiàn)電壓恒定，保證換流器2正常工作，同時(shí)換流器1還能發(fā)出或吸收無(wú)功，發(fā)揮動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償功能。

從結(jié)構(gòu)上看，UPFC是將靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(static synonous series compensator, SSSC)作為串聯(lián)電壓源、靜止同步補(bǔ)償器(static synonous compensator, STATCOM)作為并聯(lián)電流源集成到一起而形成的潮流控制器，但其功能較SCCC、STATCOM更為強(qiáng)大。

其關(guān)鍵在于兩者具有公共的直流母線(xiàn)，從而可以實(shí)現(xiàn)SCCC與STATCOM間的有功功率交換。UPFC中的SCCC可向系統(tǒng)注入任意幅值和相位的電壓，從而實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)路端電壓控制、線(xiàn)路電抗控制、相角控制、自動(dòng)潮流控制等功能。

工程應(yīng)用：

目前，國(guó)外已投運(yùn)三套UPFC裝置，如下圖所示：

UPFC裝置的成功投運(yùn)，解決了當(dāng)?shù)仉妷褐尾蛔愫洼旊娋€(xiàn)路過(guò)負(fù)荷等問(wèn)題，為UPFC工程化提供了寶貴的工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

上述UPFC工程的電壓源換流器均采用門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(gate-turn-off thyristor, GTO)串聯(lián)、低電平換流橋、變壓器多重化拓?fù)錁?gòu)成，由于GTO閥驅(qū)動(dòng)復(fù)雜、損耗大，同時(shí)變壓器多重化結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，從而導(dǎo)致?lián)Q流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低且維護(hù)成本高。

隨著電子器件的不斷發(fā)展，使得采用新型器件(如絕緣柵雙極晶體管，insulated-gate-bipolar transistor, IGBT)構(gòu)建模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)成為可能。

與早期基于GTO器件的電壓源換流器相比，基于MMC技術(shù)的電壓源換流器具有顯著的優(yōu)勢(shì)：

技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

1.MMC換流器的IGBT器件驅(qū)動(dòng)功率小，損耗低。

2.MMC換流器無(wú)需耦合變壓器和濾波器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，占地面積小，成本低且可維護(hù)性好。

3.MMC換流器由于其模塊化特性，電壓、容量等級(jí)易于擴(kuò)展，便于大容量、高電壓等級(jí)換流器的工程實(shí)現(xiàn)。

因此，國(guó)內(nèi)在開(kāi)展UPFC成套裝置研發(fā)時(shí)選擇采用MMC換流器。

2016年11月，世界上電壓等級(jí)最高、容量最大的UPFC工程——江蘇南部電網(wǎng)500kV UPFC示范工程開(kāi)工建設(shè)，標(biāo)志著我國(guó)UPFC技術(shù)已較為成熟，具備推廣應(yīng)用的條件。

目前，國(guó)內(nèi)已有3個(gè)UPFC工程投產(chǎn)或在建：

南京220kV西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程(220kV/ 180MVA，已投運(yùn))

上海蕰藻浜220kV UPFC工程(220kV/ 100MVA，在建)

江蘇蘇州南部電網(wǎng)500kV UPFC示范工程(500kV/ 750MVA，在建)

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