【汇总】你应该了解的电力系统新技术

05.统一潮流控制器

统一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)的概念最早由美国Westinghouse公司的L. Gyugyi在1992年提出，是迄今为止功能最全面的FACTS装置。

UPFC由两个(或多个)共用直流部分的电压源换流器分别以并联和串联的方式接入输电系统，可以同时或选择性地控制输电线路的电压、阻抗、相位，实现线路有功、无功潮流控制，并可提供独立可控并联无功补偿。UPFC具有灵活控制系统潮流、提高电网传输能力及改善系统稳定性等多种功能。

技术原理：

典型的UPFC装置结构如下图所示，由两个背靠背、共用直流母线的电压源换流器构成。其中，换流器1、换流器2对应的换流变压器分别以并联、串联形式接入，有功功率可以在两个换流器之间双向流动，每个换流器的交流输出端都可独立地发出或吸收无功功率。

图中，换流器2的功能是通过串联变压器给线路注入幅值和相角均可控的电压向量。通过调整注入电压的幅值、相位，能够实现电压调节、阻抗调节、相角调节等多种功能，可以对线路有功和无功潮流进行独立解耦控制。

换流器1的功能是通过公共直流母线提供或吸收换流器2进行潮流控制时与系统交换的有功功率，以维持直流母线电压恒定，保证换流器2正常工作，同时换流器1还能发出或吸收无功，发挥动态无功补偿功能。

从结构上看，UPFC是将静止同步串联补偿器(static synonous series compensator, SSSC)作为串联电压源、静止同步补偿器(static synonous compensator, STATCOM)作为并联电流源集成到一起而形成的潮流控制器，但其功能较SCCC、STATCOM更为强大。

其关键在于两者具有公共的直流母线，从而可以实现SCCC与STATCOM间的有功功率交换。UPFC中的SCCC可向系统注入任意幅值和相位的电压，从而实现了线路端电压控制、线路电抗控制、相角控制、自动潮流控制等功能。

工程应用：

目前，国外已投运三套UPFC装置，如下图所示：

UPFC装置的成功投运，解决了当地电压支撑不足和输电线路过负荷等问题，为UPFC工程化提供了宝贵的工程运行经验。

上述UPFC工程的电压源换流器均采用门极可关断晶闸管(gate-turn-off thyristor, GTO)串联、低电平换流桥、变压器多重化拓扑构成，由于GTO阀驱动复杂、损耗大，同时变压器多重化结构复杂、成本高，从而导致换流器结构复杂、可靠性低且维护成本高。

随着电力电子器件的不断发展，使得采用新型器件(如绝缘栅双极晶体管，insulated-gate-bipolar transistor, IGBT)构建模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)成为可能。

与早期基于GTO器件的电压源换流器相比，基于MMC技术的电压源换流器具有显著的优势：

技术优点

1.MMC换流器的IGBT器件驱动功率小，损耗低。

2.MMC换流器无需耦合变压器和滤波器，结构简单，可靠性高，占地面积小，成本低且可维护性好。

3.MMC换流器由于其模块化特性，电压、容量等级易于扩展，便于大容量、高电压等级换流器的工程实现。

因此，国内在开展UPFC成套装置研发时选择采用MMC换流器。

2016年11月，世界上电压等级最高、容量最大的UPFC工程——江苏苏州南部电网500kV UPFC示范工程开工建设，标志着我国UPFC技术已较为成熟，具备推广应用的条件。

目前，国内已有3个UPFC工程投产或在建：

南京220kV西环网UPFC示范工程(220kV/ 180MVA，已投运)

上海蕰藻浜220kV UPFC工程(220kV/ 100MVA，在建)

江苏苏州南部电网500kV UPFC示范工程(500kV/ 750MVA，在建)

编者：王雅婷、周勤勇、秦晓辉、张一驰、张彦涛、电力系统研究所

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