李群(1967), 男, 博士, 研究员级高级工程师, 从事柔性输电技术、FACTS技术在电力系统中的应用、新能源并网技术相关工作(E-mail:
张宁宇(1985), 男, 博士, 高级工程师, 从事柔性输电技术、海上风电并网与控制技术相关工作
王新宝(1981), 男, 硕士, 工程师, 从事柔性交流输电技术、海上风电并网与控制技术相关工作
统一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)、静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator, SSSC)、可控串联补偿装置(thyristor controlled series compensation,TCSC)和移相器(phase-shifting transformer,PST)能够调节线路参数、灵活控制潮流变化,均已在国内外电网中实现工程应用,对均衡输电通道潮流、提升供电能力有重要作用。文中对UPFC、SSSC、TCSC和PST的理论研究和工程实践进行了综述。首先,分析了4种潮流控制装置的基本结构和控制原理,并介绍了国内外已投运工程的运行情况;其次,从结构、换流器技术、选址定容、控制策略、故障保护5个方面对潮流控制装置的关键技术研究现状进行概述;最后,展望了潮流控制装置在未来电网中的典型应用场景,并对潮流控制技术的研究方向进行了分析。
Unified power flow controller (UPFC), static synchronous series compensator (SSSC), thyristor controlled series compensation (TCSC) and phase shifter (PST) can be able to adjust line parameters and flexibly control power flow. They have been applied in domestic and foreign power grids, and have played an important role in balancing power flow in transmission channels and improving power supply capacity. The theoretical research and engineering practice of UPFC, SSSC, TCSC and PST are summarized. Firstly, the basic structure and power flow control principle of four kinds of power flow control devices are analyzed, and projections of power flow control devices are introduced. Then, the key technologies of power flow control devices are summarized from five aspects: topology, converter technology, location and capacity, control strategy and fault protection. Finally, the typical application scenarios of power flow control devices in the future power grid are prospected, and the research direction of power flow control technology in the future is analyzed.
近年来,随着我国经济水平的快速增长以及电力系统的不断建设,电网结构和运行方式愈加复杂。在电网实际运行中,潮流、电压面临的主要问题有:关键输电断面潮流分布不均、局部电网供电能力不足;大规模可再生能源随机性强,电网潮流大范围波动难以灵活控制;城区负荷日益增长,区内电源减少,电网无功支撑匮乏等。研究电网潮流灵活控制技术并实现工程应用是解决上述问题的重要途径[
灵活控制电网潮流不仅可以均衡线路负载,减少有功损耗,改善运行经济性,而且可以提高电网稳定性。传统电力系统采用固定式串联补偿装置改变线路阻抗,虽然能改变线路的潮流分布,但灵活性较差。随着电力电子技术的日益成熟,统一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)[
近年来,国内研究机构通过联合攻关、共同研发,先后攻克了基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)技术的潮流控制装置结构设计、控制保护策略、选址定容优化等关键技术,实现了UPFC、SSSC等设备的研制及工程应用。2003年天生桥—百色500 kV TCSC工程投运、2015年12月南京西环网220 kV UPFC工程投运、2017年12月苏州500 kV UPFC工程投运,均实现了成套装备的长期稳定运行,为国内电网的潮流均衡和供电能力提升发挥了重要作用,也为先进潮流控制装置的推广应用奠定了基础。此外,上海蕴藻浜220 kV UPFC、天津石各庄220 kV SSSC工程陆续投运,实现了不同场景下的电网潮流灵活精准控制。
文中综合灵活潮流控制技术的理论研究和工程应用实际情况,首先分析了UPFC、SSSC、TCSC和PST等4种潮流控制装置的基本结构和原理,并介绍了国内外已投运工程的运行情况;然后,从结构、选址定容、控制策略和故障保护等方面重点介绍了灵活潮流控制关键技术研究现状;最后,结合国内新型电力系统的基本特征,针对大规模新能源随机性、间接性和波动性加剧电网潮流分布不均的问题,展望了潮流控制装置在未来电网中的应用可行性。
美国西屋科技中心的L.Gyugyi博士于1991年提出了UPFC的概念。目前,UPFC是柔性交流输电系统(flexible alternating current transmission system,FACTS)元件中最具代表性、功能最强大的控制装置[
UPFC结构
The structure of UPFC
串联换流器在首端节点电压${\dot V_{\rm{s}}}$和末端节点电压${\dot V_{\rm{r}}}$之间输出幅值和相角可调的电压,实现有功功率和无功功率的灵活精准控制。并联侧换流器可以向电网输出或吸收无功功率,同时具备向串联侧提供有功和电网无功电压支撑能力。
SSSC属于串联型的FACTS装置[
SSSC结构
The structure of SSSC
SSSC先通过换流器产生近似超前或滞后线路电流90°的三相正弦同步电压[
TCSC主要包括电容器组、旁路电感、双向晶闸管及可变电阻器等,其结构如
TCSC结构
The structure of TCSC
TCSC通过控制晶闸管触发角改变流过电抗器的电流值,进而改变电抗值,主要有3种调节模式:晶闸管闭锁模式、容抗调节模式和感抗调节模式。压敏电阻器对串联电容器有过压保护作用,电网故障电流与允许的持续时间决定压敏电阻器容量。
PST包括串联变压器、并联变压器和变换装置[
PST结构
The structure of PST
PST先通过并联变压器得到线路电压,再通过变换装置得到串入线路的补偿电压[
随着电网不断建设,网架结构日趋复杂,输电线路轻重载、潮流分布不均现象普遍存在,限制了输电能力的提升。为解决上述问题,多个国家先后开展了UPFC、SSSC、PST等潮流控制装置的工程应用。
2015年12月,为解决南京220 kV西环网中关键输电断面输电能力不足、新的输电通道难以建设等实际问题,南京建成投运了世界首个基于MMC的220 kV UPFC工程。该工程投运以来,长期稳定运行,缓解了南京西环网输电断面的重载问题,最大提升西环网供电能力60万kW,在保障主城西部、河西新城、奥体新城等安全供电方面发挥重要作用[
目前已投运的南京220 kV UPFC、苏州南部500 kV UPFC、天津石各庄220 kV SSSC等工程采用电力电子技术,可以快速调节电网中的电压、电流、功角等电气参数,能有效改善系统阻尼,抑制谐波。文献[
此外,灵活潮流控制装置占地面积小、布置灵活,可解决城区电网土地资源稀缺、新建输电走廊施工困难等问题。文献[
TCSC装置相比较于其他FACTS装置,具有结构简单、易于实现的优点,因此自20世纪80年代以来,在世界范围内得到了广泛应用。1992年美国Kayenta投运世界上第一台可连续控制的TCSC装置,由2个容抗为55 Ω的串联电容器组成,其中一个为固定串联补偿,另一个由容抗40 Ω的固定补偿和容抗15 Ω的可控补偿构成。1997年巴西投运了500 kV TCSC装置,成功抑制了低频振荡。2003年广西平果变电站建成国内首个TCSC工程,可控部分补偿度5%,有效提升了线路输电能力。此外,2004年和2007年,先后投运了成碧和冯屯TCSC工程,有效提升了电网输电能力和系统稳定性。
传统机械式PST在欧、美等国家和地区的应用广泛。目前,北美、欧洲等国外电网已投运42台以上机械式PST,最高电压等级500 kV、穿越容量1 630 MV ·A、可调角度±85°。由于欧美电网普遍存在电磁环网,PST调节角度通常较大,具体如
国外部分PST工程应用
Application of some PST projects abroad
序号 | 国家 | 电压等级/ |
穿越容量/ |
调相角度/ |
1 | 荷兰 | 400 | 1 000 | ±30 |
2 | 美国 | 345 | 400 | ±74.5 |
3 | 美国 | 138 | 160 | ±30 |
4 | 美国 | 230 | 300 | ±60 |
5 | 意大利 | 400 | 1 630 | ±30 |
与UPFC不同的是,线间潮流控制器(interline power flow controller,IPFC) 串联于多条输电线路,可同时对多回相邻输电通道潮流进行灵活控制[
IPFC结构
The structure of IPFC
文献[
PST按控制回路形式主要分为机械式和电力电子式,前者控制回路为机械式有载调压开关,后者控制回路为电力电子装置。机械式PST有载调压机构的典型结构如
机械式PST典型结构
Typical structure of mechanical PST
机械式PST通过有载调压机构的调节可以控制线路有功,其投资和占地与电力电子设备相比较小,能够满足系统稳态运行的需求。但其响应速度较慢,无法满足电力系统快速响应的需求,只能分级、逐级调节,可调级数取决于并联变压器副边绕组抽头的数量。
分级可控PST的典型结构如
分级可控PST结构
The structure of hierarchical controllable PST
分级可控PST的可调级数取决于并联变压器副边绕组的数量和变比,如2个变比为1 ∶3的绕组,可调级数为±4级;3个变比为1 ∶3 ∶9的绕组,可调级数为±13级。可调级数越大,每级的调节精度越高,但同时变压器的绕组数量及电力电子器件的数量也随之增加,成本增大。
分级可控PST可实现补偿电压的快速调节,在满足系统稳态潮流控制需求的同时,可参与系统动态稳定的调节,如抑制系统振荡、增强暂态稳定性等。其控制相对简单,工作时无谐波,但无法连续平滑调节。
连续可控PST的变压器主体结构与分级可控PST类似,其并联变压器及阀组的结构如
连续可控PST结构
The structure of continuous controllable PST
并联变压器副边仅2个抽头,分别与2组反并联的晶闸管阀连接,通过连续控制晶闸管的触发角,使其轮流导通,可实现输出电压基波分量幅值的连续变化。由于晶闸管只能在电流过零时关断,因此工作时不能随意控制晶闸管的导通和关断,必须根据负载的状况合理控制,其控制策略较为复杂。控制电压在不停变化时会向系统注入大量低次谐波,须安装滤波器。
换流器大致可分为3类:两电平VSC、多电平VSC以及MMC。性能上看,两电平VSC谐波大、控制复杂、损耗大、体积大,且容量小、串联技术难度大,须耦合变压器提高容量。多电平VSC体积大,电容均压较为复杂和困难,实际工程应用中通常不超过5个电平,同样须耦合变压器。而MMC采用多个桥式结构子模块级联的方式,可以在输出端叠加出很高的电压,具有输出谐波少、电压输出品质高等特点[
MMC通用结构
The general structure of MMC
近年来,随着电力电子结构和换流装置结构的发展,基于MMC的灵活潮流控制技术得到广泛研究。文献[
基于上述研究成果,MMC换流技术在南京UPFC、苏州UPFC和天津SSSC等工程中得到应用。MMC-UPFC不仅可以发挥UPFC控制电网潮流和增强电力系统稳定性的作用,而且凭借MMC的新型换流技术优势使交流侧输出的电压波形十分平滑[
MMC结构高度模块化,易于扩充,方便扩展,能够使设备满足不同电压和功率等级的需要,可以实现任意多电平的输出。基于MMC的南京220 kV和苏州500 kV UPFC工程已分别稳定运行7 a和5 a,说明MMC技术已成熟,后续可大范围推广应用至潮流控制装置。
SSSC、UPFC、TCSC和PST在电网中的安装位置将直接影响潮流控制效果,而安装容量的大小则会影响经济性。因此,研究潮流控制装置在电网中的选址十分必要。
文献[
目前,灵活潮流控制装置的选址定容研究主要集中在单个指标的优化问题上,而选址定容多目标优化研究还处于起步阶段。为此,应当从可靠性、稳定性和经济性等多个方面构建潮流控制设备选址定容的综合性评价标准,实现多目标优化。
控制策略是UPFC、SSSC、TCSC和PST等潮流控制装置的核心技术。为了更好地控制电网潮流分布,研究各潮流控制装置的控制策略具有重要且长远的意义。
潮流控制装置基本的控制方式包括比例积分(proportional integral,PI)控制、交叉解耦控制等线性控制方式。线性控制方式首先对系统进行线性化处理,然后采用线性化算法对配置问题进行求解,当系统出现大范围变化时,不同控制元件之间的相互影响将会使原有的控制策略不再适用。随着模糊控制、人工神经网络、遗传算法等智能控制算法的蓬勃发展,各种智能技术也先后应用到潮流控制设备的控制策略中。
文献[
电力系统中,各个元件的控制目标不同,如果不加以协调,那么潮流控制装置和其他电气元件之间可能出现严重的交互影响。文献[
到目前为止,潮流控制设备的协调控制技术研究已经取得了一定的进展。文献[
现阶段针对潮流控制设备控制策略的研究主要集中在控制器本身,通过算法上的不断优化提高控制器的精度,但综合考虑电网参数以及线路运行信息的控制策略研究很少。此外,由于多个潮流控制设备的负交互影响会对系统的稳定性造成极大影响,因此协调控制也是未来控制器控制策略的研究方向之一。
广域测量系统(wide area measurement system,WAMS)通过在电网中关键测量点布置同步相角测量单元,可以对全电网中主要数据实现快速、实时的测量和采集。电力系统采用WAMS可以精确地测量相对功角和角频率等变化量,并快速传输信息,便于潮流控制装置的控制。文献[
此外,WAMS技术在潮流控制设备之间的协调控制研究也在逐渐兴起,文献[
含潮流控制装置的电力系统运行状态和控制策略复杂,对保护配置的要求较高,因此安装潮流控制装置时必须考虑潮流控制设备的保护问题。
文献[
鉴于潮流控制设备控制器的控制参数会随着系统不同运行工况和故障发生变化,后续继续开展各种潮流控制设备对原有保护系统的影响,进而提出新的保护配置方法。
潮流控制装置结构紧凑、占地面积小,可灵活调节潮流分布,解决局部线路或断面重载问题,提升电网供电能力。对于网架结构相对固定、潮流分布存在不均、输电走廊资源稀缺的电网,潮流控制装置能够消除关键断面输电瓶颈,有效挖掘电网输、供电潜能,在我国电网的可行应用场景可分为为以下几类:
(1) 均衡主变负载分布,提升分区电网供电能力。受制于分区电网内部电源与负荷分布情况,部分分区存在主变负载严重不均,“短板效应”限制了分区受电能力。通过关键通道加装PST可调节均衡主变负载,并在负荷增加过程中实现主变负载均匀增加,从而提升分区电网供电能力,如
提升分区电网供电能力
Improve the power supply capacity of district grid
(2) 均衡线路潮流分布,提升关键断面输电能力。受制于供需分布及通道建设资源,江苏电网存在关键断面“卡脖子”现象,通道潮流不均进一步抑制了设备供电潜能,造成“1+1<2”情况,如主网过江断面、南京西环网220 kV受电断面等。可在重载线路上加装潮流控制装置,将部分潮流转移至轻载线路,实现平行线路之间的潮流均衡,进而提升关键断面输电能力,如
提升关键断面输电能力
Improve the transmission capacity of key sections
(3) 大规模新能源潮流疏散控制。“十四五”期间集中式、分布式光伏以及海上风电等大规模并网,其自身的强间歇性、随机性和波动性导致送出通道潮流波动性,新能源有功出力较大时部分输电通道存在
新能源送出通道潮流概率分布
Probability distribution of power flow in new energy transmission channel
(4) 实现110 kV电网合环运行,均衡220 kV主变负载。负荷和新能源逆向分布,相邻220 kV主变存在同时升压、降压的情况,新建通道、扩建主变等工程难以实施,主变间110 kV联络线加装PST,可均衡主变负载,解决主变重轻载问题,提升新能源就地消纳能力, 如
均衡220 kV主变负载
Balancing the load of 220 kV transformers
(5) 抑制系统振荡和提升电网运行稳定性。潮流控制装置除优化潮流分布、提升供电能力外,可等效连续、快速、大范围地改变线路阻抗,从而抑制系统振荡,有效提高电力系统稳定性。以TCSC为例,通过优化控制策略,可有效提升系统阻尼特性,抑制电网频率振荡。
随着电网规模增大、运行复杂度提高,未来对电网的灵活性、实用性要求也相应提高。UPFC、SSSC、TCSC和PST作为潮流控制设备的典型代表,在电网系统中具有巨大发展前景。
总体而言,对于潮流控制装置的控制策略、故障保护和选址定容已经开展了不少研究,但随着潮流控制装置在电网中不断应用,潮流控制设备之间相互配合、协调控制等方面仍然存在着技术瓶颈。
未来须继续深入研究UPFC、SSSC、TCSC和PST,不仅在潮流控制设备控制算法、选址定容等自身的技术方面进行突破,还要兼顾设备间、设备与其他电气元件间的协调控制问题,使不同元件之间能够协调配合,提升电力系统的稳定性。
本文得到国网江苏省电力有限公司科技项目“基于晶闸管的可控移相器设计及应用关键技术研究”(J2020148)资助,谨此致谢!
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