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1、11.1.UPFCUPFC 的原理和功能简述的原理和功能简述UPFC 的原理简述的原理简述UPFC 的原理结构如图 2-1 所示。图 2-1 中并联换流器的作用相当于静止同步补偿器（STATCOM） ，串联换流器的作用相当于静止同步串联补偿器（SSSC） ，两者通过直流电容上的电压提供电源，其中dcV有功功率可以在 2 个换流器的交流端向任一方向自由流动，并且可以在其交流输出端独立的发出或吸收无功功率。并联变压器并联换流器串联换流器串联变压器控制器测量变量参数设定变量参考量BVdcVEaVEbVEcVFcVFbVFaV EVFVlVsV图 2-1 UPFC 的原理结构并联换流器在公用直流联结处
2、提供或吸收串联换流器所需要的有功能量，经换流后到交流端送入与输电线路并联的变压器，因此在稳态时，不考虑自身损耗，UPFC 的两侧有功功率相等，直流电容器既不发出也不吸收有功功率，电压保持恒定。同 STATCOM 原理相同，dcV并联换流器能够可控的产生或吸收无功功率，当系统需要时，可为线路提供动态无功补偿；串联换流器可控制保持为 0 和以内，并BVmaxBV2且使相角保持在 0 和之间，并通过串联变压器将电压叠加B360BV&到线路电压上。通过控制的幅值和相角，UPFC 就可实现传统的电BV&力传输中的串联补偿和移相等功能。UPFC 的详细原理可见附录 A。2.2 UPFC 的功能的功能UPF
3、C 是由串联补偿的 SSSC 和并联补偿的 STATCOM 有机结合构成的新型潮流控制装置，能同时调节线路阻抗、节点电压幅值和相位，仅通过控制规律的改变，就能实现并联补偿、串联补偿和移相等多种功能，达到优化系统潮流分布、最大化电网传输能力、改善系统动态响应性能等目的。sUspqUU spqUU sUspqUU pqUIsUspqUU pqUsUspqUU pqU(a)(b)(c)(d)图图 2-2 UPFC 主要控制功能主要控制功能图 2-2 为 UPFC 的各种控制功能。图 2-2(a)为电压调节功能，即UPFC 串联注入电压与送端电压的方向相同或相反，即只调节电压的幅值，不改变电压的相位。
4、图 2-2(b)为串联补偿功能，补偿电压与线路电流的相位垂直。图 2-2(c)为相角调节功能，即不改变电压的幅值，只改变电压的相角，此时 UPFC 产生的补偿电压在图中所示的弧线上，相当于移相器。图 2-2(d)为自动潮流控制功能，此时 UPFC 是前面三种功能的综合。UPFC 的控制器可以根据系统的需求，选择一种或多种3功能的组合作为其控制目标。UPFC 不同于其它 FACTS 装置之处在于，它能同时控制母线电压、线路有功和无功潮流。在电网中应用 UPFC，第一，能够合理控制线路潮流，实现经济运行；第二，有助于实现无功优化，提高系统电压稳定性；第三，施以合适的控制，UPFC 能够改善系统阻尼
5、，提高功角稳定性。2.2.UPFCUPFC 工程应用现状工程应用现状自从 UPFC 技术发明之后，美国、德国、韩国等国的大公司和研究机构先后研制了三套高电压、大容量的 UPFC 装置，并已经在电力系统中实际运行。本节对这三套 UPFC 装置的工程背景、系统构成等情况进行简单介绍。3.1 美国美国 INEZ 地区地区 UPFC 工程工程（1）工程概况美国电力公司（AEP）与美国电力研究院（EPRI） 、西屋公司合作，研制了世界上第一套 UPFC 装置（138kV、320MVA） ，安装在东肯塔基州的 Inez 变电站，于 1998 年 6 月投运，大幅提高了电网输送能力和电压稳定性。Inez 变
6、电站的地区负荷为 2000MW，由几条长距离重负荷的138kV 线路供电，其周边地区有发电厂和 138kV 变电站。系统电压由20 世纪 80 年代早期安装在 Beaver Creek 的 SVC 及几个 138kV 及更低电压等级的输变电站的并联电容器组支撑。尽管该地区安装了很多并4联电容器组，138kV 线路两端压降仍可高达 7%8%。系统正常运行时，许多 138kV 线路输送的功率高达 300MVA，远远超过了线路自然功率，电网对紧急事故的稳定裕度很小，一旦发生故障，就可能导致大面积的停电事故。经过分析和计算机模拟研究表明，Inez 地区迫切需要增加线路传输容量并提供电压支撑，除了新建线
7、路、变电站扩容外，AEP 还决定在 Inez 变电站安装一套 UPFC，作为 AEP 输电系统升级改造的一部分。（2）系统构成Inez UPFC 工程的电气主接线如图 3-1 所示。通过开关操作，UPFC可运行在 160Mvar STATCOM，320Mvar STATCOM，160Mvar SSSC，320MVA UPFC 模式。并联侧变压器采用主、备用相结合的方式，增强了 UPFC 的可靠性、灵活性。图图 3-1 INEZ UPFC 系统主接线系统主接线整体布局如图 3-2 所示。换流阀安装于室内，变压器、连接电抗安装于户外。5B Bi ig g S Sa an nd dy y线线路路曲曲
8、折折变变压压器器（中中间间耦耦合合变变压压器器）串串联联 主主变变并并联联 主主变变并并联联备备 用用变变冷冷却却散散热热系系统统 （户户外外部部分分）U UP PF FC C大大楼楼 （换换流流阀阀+ +控控制制系系统统）图图 3-2 INEZ UPFC 整体布局整体布局UPFC 大楼占地约 30.5 米61 米，包括换流阀厅、控制室、配电室、电源室等，如图 3-3 所示。图图 3-3 UPFC 阀厅布局阀厅布局3.2 韩国韩国 Kangjin UPFC 工程工程（1）工程概况韩国电力公司(KEPCO)和韩国电科院(KEPRI)、Hyosung 公司、西门子公司合作，研制了世界上第二套 UP
9、FC 装置（154kV，80MVA） ，安装在朝鲜半岛南半部的 Kangjin 变电站，于 2003 年投运，解决该地区电压偏低和电网过负荷问题。Kangjin 地区主要由 345kV 长线路供电，线路 Shinkwangju- Shinkangjin 或 Kwangyang-Yeosu 发生故障会导致 Kangjin 地区电压严重6偏低，154kV 线路过负荷。由于路权问题，该地区的新建线路计划被推迟，因此急需 FACTS 技术提供电压支撑和潮流转移手段。为了保障该地区电网正常运行，电力公司在 Kangjin 变电站安装 UPFC，向系统提供无功支撑，改善系统潮流分布。Kangjin UPF
10、C 工程是 FACTS 技术在韩国 345kV 骨干电网系统应用前的验证性项目。（2）系统构成Kangjin UPFC 工程的电气主接线形式如图 3-4 所示，UPFC 能运行在 40Mvar STATCOM，40Mvar SSSC 和 80MVA UPFC 模式。图图 3-4 Kangjin UPFC 工程电气主接线工程电气主接线Kangjin UPFC 工程变压器主要参数如表 3-1 所示。表表 3-1 变压器参数变压器参数变压器变比变比(kV)容量容量(MVA)连接形式连接形式并联变压器(154/1.732)/14.84540Y- 串联变压器6.061/14.84540Open Y- 耦
11、合变压器4.857/8.23922.2Open Y-Kangjin UPFC 工程的串、并联侧换流器结构相同，均采用三相三电平换流器二重化方式，构成容量为 40MVA 的 24 脉动换流器。换流7器的额定交流电压为 14.845kV，额定交流电流为 1.55kA。3.3 美国纽约地区美国纽约地区 CSC 工程工程纽约电力公司和美国电科院，西门子公司合作，研制了世界上第一套 CSC(Convertible Static Compensator，也称广义 UPFC)装置（345kV，200MVA） ，安装在纽约州 Marcy 变电站，于 2004 年 6 月投运，解决区域间电力输送瓶颈问题，促进该
12、地区实现电力经济调度。Marcy 变电站位于纽约州的东南部地区，该地区负荷持续增长（预计每年增加 3%） ，却没有相应的新增电源计划，所需电力主要由7 条 115kV 到 345kV 的区域联络线馈入。受电压稳定性限制，联络线传输功率最低仅为线路额定传输容量的 25%，最高也不超过 75%，因此需要采取有效手段挖掘已有线路的输电能力。研究表明，导致该地区线路输送能力受限的系统约束随着负荷实时变化，多种补偿需求相互交织。电力公司在 Marcy 变电站安装灵活性最强的 CSC 装置，满足该地区电网在多种运行工况下的补偿需求。（2）系统构成如图 3-5 所示，通过开关操作，纽约 CSC 工程的系统接
13、线形式能够灵活变化，实现 100MVA STATCOM，200MVA STATCOM，100MVA SSSC，200MVA SSSC，200MVA UPFC，200MVA IPFC 等多种运行模式。8图图 3-5 CSC 工程电气主接线图工程电气主接线图NYPA CSC 工程的整体布局如图 3-6 所示，包括变压器、隔离开关、空芯电抗器、CT、互联铝母线等传统户外设备，以及换流器、冷却系统、控制、保护等户内设备。图图 3-6 CSC 工程的整体布局工程的整体布局户内建筑体积约为 28.96 米35.66 米8.23 米，包括换流阀厅、控制室、配电室、电池电源室和机械设备室，如图 3-7 所示。
14、逆变器正常工作时直流电压较高(6.014 kV)，阀厅必须注重防尘和除湿，因此独立配备风道。阀厅大小约为 21.95 米29.87 米，高度为 6.1 米。9两台换流器各自采用独立的冷却系统，大部分热量由水循环系统送至风冷系统，冷却系统中的水/风热交换器位于户外，并紧靠大楼的一侧，同侧室内为冷却系统的水泵和净化设备。图图3-7 Marcy CSC户内设备布局户内设备布局10附录附录 A UPFC 装置详细原理装置详细原理A.1 UPFC 的结构的结构UPFC 的结构如图 A-1 所示。UPFC 的功率回路包括两个共用直流母线的电压源换流器（Voltage Sourced Converter,
15、VSC） ，其中VSC1 通过并联耦合变压器并联在母线路上，VSC2 通过串联耦合变压器串联在线路中。两个 VSC 的直流电压由公共直流电容器组提供。VSC2 输出电压相量串联注入线路中，其幅值变化范围为 0Upq，相角变化范围为 0360。在这一过程中，VSC2 与线路既可以交换有功功率，又可以交换无功功率。虽然无功功率是由 VSC2 内部发出或吸收的，但有功功率的发出或吸收需要直流储能元件。VSC1 主要用来向 VSC2 提供有功功率，同时维持直流母线的电压恒定。这样，从交流系统吸收的净有功功率就等于两个 VSC 及其耦合变压器的损耗。11图图 A-1 UPFC 结构示意图结构示意图UPF
16、C 的控制系统从功能上可分为内部控制和外部控制。其中，内部控制就是对两个 VSC 的运行进行控制，它产生规定的串联注入电压指令，同时吸收期望的并联无功电流。内部控制还要为 VSC 阀提供触发信号，使 VSC 输出电压按照图 A-1 所示的控制结构对内部参考输入具有适当的响应。UPFC 的外部控制决定了它的运行功能，其参考输入决定了 UPFC 的运行模式和补偿要求，可由现场工作人员进行设置，也可由专门的自动控制系统进行最优控制。A.2 含含 UPFC 的输电系统运行特性的输电系统运行特性图 A-2 为 UPFC 接入输电系统示意图，串联侧的补偿功能用电压相量 Upq 表示。sUrUpqUXrUsUpqU2UPr jQrCP2U（a）简化电路 （b）相量关系图图 A-2 接入接入 UPFC 装置的装置的输电输电系系统统及相量及相量图图假设输电系统送端、受端及 UPFC 串联注入电压为（A-1）222cossin2
