统一潮流控制器(UPFC)简介

1. UPFC 的原理和功能简述
2.1 UPFC 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dc V 提供电源，其中有功
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。

E V s
图2-1 UPFC 的原理结构
并联换流器在公用直流联结处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dc V 保持恒定。

同STATCOM 原理相同，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B V 保持为0和max B V 以内，并且
使相角B ϕ保持在0和360︒之间，并通过串联变压器将电压B V 叠加到线
路电压上。

通过控制B V 的幅值和相角，UPFC 就可实现传统的电力传输
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
UPFC 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。

s pq
U U ••
+
pq
U •s pq U •+s pq U ••+(a)(b)(c)(d)
图2-2 UPFC 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。

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，提高功角稳定性。

2.UPFC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。

美国INEZ地区UPFC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3-1 INEZ UPFC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。

Big Sandy线路曲折变压器
（中间耦合变压器）
串联
主变
并联
主变
并联备
用变
冷却散热系统
（户外部分）
UPFC大楼
（换流阀+控制系统）
图3-2 INEZ UPFC 整体布局
UPFC大楼占地约米×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3-3 UPFC阀厅布局
韩国Kangjin UPFC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UPFC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 UPFC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3-4 Kangjin UPFC工程电气主接线
Kangjin UPFC工程变压器主要参数如表3-1所示。

变压器变比(kV)容量(MVA)连接形式
并联变压器(154//40Y-Δ
串联变压器40Open Y-Δ
耦合变压器Open Y-Δ
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。

换流器
的额定交流电压为，额定交流电流为。

美国纽约地区CSC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。

图3-5 CSC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3-6 CSC工程的整体布局
户内建筑体积约为米×米×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。

逆变器正常工作时直流电压较高(± kV)，阀厅必须注重防尘和除湿，因此独立配备风道。

阀厅大小约为米×米，高度为米。

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3-7 Marcy CSC户内设备布局
附录A UPFC装置详细原理
UPFC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, 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0～Upq，相角变化范围为0～360。

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。

图A-1 UPFC 结构示意图
UPFC 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。

含UPFC 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。

s U •r U •
•
r •
（a ）简化电路 （b ）相量关系
图A-2 接入UPFC 装置的输电系统及相量图
假设输电系统送端、受端及UPFC 串联注入电压为
222cos sin 22cos sin 22cos sin 22j s j r j pq pq pq U Ue U j U Ue U j U U e U j δδδρδδδδδδρρ••-⎛⎫•+ ⎪⎝⎭⎧⎛⎫==+⎪ ⎪⎝⎭⎪
⎪⎪⎛⎫==-⎨ ⎪⎝⎭⎪
⎪⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪==+++ ⎪ ⎪⎢⎥⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎩
（A-1） 可以推导输电系统受端功率为
(
)()()22sin sin cos 1cos pq r pq r UU U P X X UU U Q X X δδρδδρ⎧=++⎪⎪⎪⎨⎪=-++⎪⎪⎩
（A-2） 当π2ρδ=-时，Upq 对线路功率P 的作用最大。

图A-3绘出了不同Upq 的功角特性曲线。

，UPFC 可以控制线路功率P 在较大范围内变化，因此能够较好地适应输电系统对功率变化的需求。

图A-3 接入UPFC 装置的双机系统功角特性曲线⎛⎫ ⎪⎝⎭π2ρδ=- 将式（A-2）作适当变换，可得
()2
2222
max sin cos 1pq r r UU U U P Q X X X δδ⎛⎫⎛⎫⎛⎫-+--≤ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ (A-3) δ取不同值时，输电系统受端有功功率r P 与无功功率r Q 之间的关系曲线如图A-4所示。

可以看出，UPFC 大大扩展了输电系统的原有的运行范围，特别是δ=90?时，如果没有UPFC 的补偿，输电系统已经到达稳定运行极限，而加入UPFC 后，系统的运行范围（蓝色曲线）已经大大超出原有范围（红色曲线），而系统仍然能够稳定运行，所以UPFC 能大大扩展系统P-Q 运行范围。

如果一个系统中安装适当数量的UPFC ，
对于系统的优化运行（优化潮流分布、提高系统稳定极限、增大系统稳定裕度）具有重要意义。

图A-4 UPFC控制的输电系统受端P-Q运行范围
UPFC的动态性能
为了考察UPFC的动态特性，在PSCAD/EMTDC环境下建立了UPFC 的动态仿真模型。

该模型忽略了装置输出谐波的影响，考虑了并联侧、直流侧和串联侧动态，可用于潮流控制、暂稳控制、阻尼控制等研究。

UPFC装设在双回线中一回线路的首端。

随着指令阶跃变化，UPFC可实现对受控线路有功、无功功率的独立、快速、精确、连续控制，如图A-5所示。

图A-5 UPFC潮流控制性能
当系统遭受动态干扰并引发功率振荡时，UPFC可对输电线路的功率进行强制控制从而能很好地阻尼系统振荡。

通常将阻尼控制和潮流控制综合进行考虑，在潮流控制的基础上叠加阻尼控制。

实际可采用线路有功功率偏差作为阻尼控制的输入信号，通过阻尼控制器，输出阻尼控制信号damp-sig，用以调节线路功率控制的参考值，从而达到增加系统阻尼、平息振荡的目的。

系统遭受小干扰后，UPFC不进行控制、UPFC采用移相控制附加阻尼控制，以及采用自动潮流控制附加阻尼控制时，发电机电磁功率，角度变化率，以及串联注入电压和线路电流的波形如图A-6所示。

(a) UPFC未进行控制 (b)移相控制+阻尼控制 (c)自动潮流控制+阻尼控制
图A-6 UPFC阻尼功率震荡仿真波形
由仿真波形可见，在系统发生功率振荡时，UPFC可通过不同的控制方式阻尼功率振荡，效果也有所不同。

附录B UPFC装置初步设计
电气主接线
单套UPFC装置的电气主接线如图B-1所示。

两台背靠背换流器分别通过并联耦合变压器TR-SH和串联耦合变压器TR-SE接入系统。

两台换流器直流侧通过直流开关SWDC相连。

TR-SH容量为50MVA，一次侧接入220kV母线，二次侧连接并联侧换流器；TR-SE容量为50MVA，系统侧绕组串联接入220kV线路；阀侧绕组连接串联侧换流器。

BPSW 为晶闸管旁路开关，角接在TR-SE的阀侧，主要用于快速转移流过串联侧换流器的故障电流。

220kV母线
MMC-VSC1MMC-VSC2
图B-1 UPFC电气主接线图
平面布局
整体设备布局如图B-3所示，包括两台UPFC。

图中阀厅为2层，两层分别放置一套UPFC阀体和35kV开关柜。

其余均为一层，包括所有的进线开关、变压器和传感器，220kV开关柜选择GIS开关柜。

图B-3 UPFC装置平面布局（两台）。