李 群， 林金嬌， 李 鵬

(國網(wǎng)變電站智能設(shè)備檢測技術(shù)重點實驗室 (國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院), 江蘇 南京211103)

0 引言

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，關(guān)鍵輸電斷面輸電能力不足、新建輸電通道受限將成為普遍問題。統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)作為最新一代柔性交流輸電系統(tǒng)裝置，綜合了柔性交流輸電設(shè)備(flexible AC transmission system，F(xiàn)ACTS)的多種靈活控制手段，為解決這一問題提供了有效手段[1-5]。電網(wǎng)運行對高可靠、易維護的高壓大容量UPFC技術(shù)的需求日益迫切。近年來，隨著換流器技術(shù)發(fā)展，模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)采用模塊化結(jié)構(gòu)，其可擴展性強，而柔性輸電技術(shù)在高電壓大功率輸電領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，也推動了新一代UPFC技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[6-7]。通過UPFC關(guān)鍵技術(shù)研究，我國研制了世界首套基于MMC技術(shù)的UPFC成套設(shè)備，并于2015年12月在南京220 kV 電網(wǎng)實現(xiàn)示范應(yīng)用，解決了220 kV南京電網(wǎng)潮流缺乏靈活有效控制手段的問題，為南京電網(wǎng)供電能力提升發(fā)揮了重要作用，并為在更高電壓等級電網(wǎng)應(yīng)用UPFC積累了運行經(jīng)驗[8-9]。

隨后，結(jié)合蘇州500 kV南部電網(wǎng)供電能力提升、特高壓直流功率消納等問題，開展了UPFC在蘇南500 kV電網(wǎng)中應(yīng)用研究，并于2017年12月，投運了世界上電壓等級最高、容量最大的UPFC工程——500 kV蘇南UPFC。本文針對蘇南500 kV UPFC工程應(yīng)用情況，開展其控制功能需求分析，梳理UPFC基本控制性能指標及控制要求，并通過系統(tǒng)調(diào)試驗證其實際控制性能和運行效果，為后續(xù)工程建設(shè)、標準制定累積了重要參考和數(shù)據(jù)。

1 蘇南UPFC工程

蘇州南部電網(wǎng)是蘇州電網(wǎng)的重要組成部分，其負荷約占蘇州電網(wǎng)的70%，主要電源為錦蘇特高壓直流(7200 MW)，并通過3個500 kV輸電通道受電，如圖1所示。

圖1 蘇南UPFC工程接線Fig.1 The connection diagram of Suzhou 500 kV power grid UPFC project

錦蘇直流對蘇州南部電網(wǎng)提供了有效的電力支撐，但由于其為水電直流，受季節(jié)性影響冬季枯水期送電大幅減少(僅20%左右)，因此蘇州南部電網(wǎng)的電力受進隨季節(jié)變化潮流分布影響較大，在直流小方式下梅里至木瀆斷面存在電力受進 “卡脖子”的問題。經(jīng)分析在蘇州南部電網(wǎng)500 kV木瀆—梅里安裝UPFC，可有效消除近期及遠景冬季直流小方式下的過載問題，有助于充分消納錦蘇直流輸送功率，提升蘇南地區(qū)電網(wǎng)的動態(tài)無功/電壓支撐能力。

蘇南UPFC站址位于木瀆變電站，結(jié)構(gòu)如圖2所示，其并聯(lián)換流器和串聯(lián)換流器通過采用直流背靠背連接方式，并聯(lián)換流器經(jīng)過并聯(lián)變壓器接入木瀆500 kV開關(guān)場，兩組串聯(lián)換流器經(jīng)串聯(lián)變壓器串入木瀆—梅里雙回線路。并聯(lián)側(cè)具備動態(tài)無功支撐功能，串聯(lián)側(cè)可快速、穩(wěn)定、靈活地調(diào)節(jié)線路潮流。

圖2 500 kV蘇南UPFC工程結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of Southern Suzhou 500 kV power grid UPFC project

蘇南500 kV UPFC工程投運后主要作用包括一下幾項：

(1) 蘇南電網(wǎng)冬季大負荷方式情況，錦蘇直流小方式下，消除梅里木瀆斷面N-1過負荷的問題；

(2) 夏季大方式情況，錦蘇直流大方式下發(fā)生雙極閉鎖時，通過提升地區(qū)電網(wǎng)供電能力，減小蘇南地區(qū)切負荷量；

(3) 通過UPFC無功電壓控制，提高蘇南地區(qū)電網(wǎng)電壓恢復(fù)水平，有助于一定程度上減少錦蘇直流發(fā)生換相失敗次數(shù)。

根據(jù)近遠期潮流控制需求，經(jīng)計算分析確定蘇南UPFC工程換流器容量取2×250 MV·A(串聯(lián)側(cè))及1×250 MV·A(并聯(lián)側(cè))，其他關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)主要參數(shù)如表1。

表1 主要設(shè)備及參數(shù)Tab.1 Main equipments and parameters

設(shè)備名稱參數(shù)名稱參數(shù)數(shù)量/組3 拓撲結(jié)構(gòu)MMC換流器橋臂子模塊數(shù)量112+11(冗余)額定容量/(MV·A)250額定直流電壓/kV±90數(shù)量/臺2 結(jié)構(gòu) 三相分體串聯(lián)變壓器額定容量/(MV·A)300/300/100電壓變比/kV43.5/105/10漏抗/p.u.0.2/0.3/0.075接線形式III/Yn/△11數(shù)量/臺1結(jié)構(gòu)三相共體并聯(lián)變壓器額定容量/(MV·A)300/300/100電壓變比/kV505±8×1.25%/94/36漏抗/p.u.0.1接線形式Y(jié)N0/YN/d11晶閘管級數(shù)27級串聯(lián)晶閘管旁路開關(guān)TBS額定電壓/kV105故障電流耐受能力50 kA/100 ms機械旁路開關(guān)合閘時間/ms≤40

進一步，為實現(xiàn)上述蘇南500 kV UPFC的作用，需配置一系列的控制保護策略。蘇南UPFC工程根據(jù)MMC結(jié)構(gòu)UPFC的特點，采用基于線路功率外環(huán)和換流器電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)對線路有功功率和無功功率獨立解耦控制，具備準確和快速的潮流調(diào)節(jié)能力。除了UPFC基本控制功能外，蘇南UPFC工程配置了雙回線N-1控制、串聯(lián)側(cè)故障重啟等控制功能，提升了電網(wǎng)故障時的支撐能力和穿越能力。

2 UPFC控制性能指標

UPFC基本控制功能包括線路潮流控制和并聯(lián)側(cè)無功電壓控制，對于控制要求包括穩(wěn)態(tài)控制性能和動態(tài)控制性能。前者主要考察控制系統(tǒng)對于潮流的穩(wěn)態(tài)控制能力，后者主要考察控制系統(tǒng)在電網(wǎng)動態(tài)過程中的控制性能[10-16]。

2.1 穩(wěn)態(tài)誤差指標

功率穩(wěn)態(tài)誤差包括線路有功功率、線路無功功率及UPFC并聯(lián)側(cè)無功功率的誤差。電壓誤差測量是對UPFC并聯(lián)側(cè)接入點電壓的誤差測量。按下式計算獲得穩(wěn)態(tài)誤差量E：

(1)

式中：MC為測量值；MR為參考值；MN為基準值。其中，參考值為對應(yīng)測量量的設(shè)定參考值，MN按如下原則確定：

(1) 若測量量為并聯(lián)側(cè)電壓，則基準值MN取并聯(lián)側(cè)接入點的額定電壓；

(2) 若測量量為并聯(lián)側(cè)無功功率，則取并聯(lián)換流器額定功率；

(3) 若測量量為線路有功功率或無功功率，則按如下公式計算：

(2)

式中：ULN為UPFC接入線路的額定電壓；ILlim為UPFC接入線路的熱穩(wěn)定限額；ISVN為UPFC串聯(lián)變壓器閥側(cè)額定電流值；kT為串聯(lián)變壓器閥側(cè)與網(wǎng)側(cè)的電壓變比。

(4) 若測量量為輸電斷面有功功率，則取為被控輸電斷面功率限額。

2.2 動態(tài)響應(yīng)指標

系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)指標包括響應(yīng)時間、穩(wěn)定時間、最大過沖、超調(diào)量，其中響應(yīng)時間、最大過沖如圖3所示。

圖3 動態(tài)響應(yīng)指標示意Fig.3 Dynamic response indicator diagram

響應(yīng)時間是指當(dāng)輸入階躍控制信號后，輸出電氣量從0目標值達到90%目標值所用的時間，且期間沒有產(chǎn)生過沖。超調(diào)量是指當(dāng)輸入階躍控制信號后，輸出電氣量超出穩(wěn)態(tài)值的最大過沖(最大偏移量)與階躍量之比。

3 蘇南UPFC控制功能

蘇南UPFC工程以梅里—木瀆雙回線潮流和木瀆母線電壓為控制目標，工程根據(jù)MMC結(jié)構(gòu)UPFC的特點，提出了基于線路功率外環(huán)和換流器電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)協(xié)調(diào)控制策略，解決了UPFC換流器功率與線路潮流之間沒有直接耦合關(guān)系的應(yīng)用難題，實現(xiàn)對線路有功功率和無功功率獨立解耦控制。并創(chuàng)新地提出和實現(xiàn)了一系列附加控制策略，提升了電網(wǎng)異?；蚬收瞎r時UPFC工程的支撐能力和故障穿越能力。

3.1 基本控制

蘇南UPFC工程通過內(nèi)外雙環(huán)控制將線路功率、并聯(lián)側(cè)無功指令轉(zhuǎn)化為對換流器輸出電壓的控制指令，達到改善潮流、動態(tài)無功支撐的目的。

3.1.1 并聯(lián)側(cè)控制

蘇南UPFC 并聯(lián)側(cè)換流器控制方式為控制直流電壓恒定，同時控制并聯(lián)側(cè)輸出無功功率或交流電壓。以無功控制為例，采用并聯(lián)變壓器閥側(cè)電壓UV定相，進行dq分解，分別形成閥側(cè)電壓的d軸分量UVd，q軸分量UVq以及閥側(cè)電流的d軸分量iVd，q軸分量iVq。并聯(lián)側(cè)換流器與電網(wǎng)交換有功功率PV和無功功率QV可以表示為：

(3)

因此，根據(jù)并聯(lián)側(cè)有功功率參考值PV_ref和無功功率QV_ref參考值(腳標“_ref”表示相應(yīng)電氣量的參考值，即控制目標，下文同)，通過逆模型計算出并聯(lián)側(cè)閥側(cè)電流dq軸分量參考值，如圖4所示。

圖4 閥側(cè)電流計算Fig.4 Valve side current calculation

3.1.2 串聯(lián)側(cè)控制

蘇南UPFC串聯(lián)側(cè)換流器通過控制串聯(lián)變壓器交流側(cè)串入線路電壓的幅值和相角來調(diào)節(jié)線路潮流達到指令值。線路有功和無功解耦控制，線路有功按指令值控制，線路無功可以選擇按無功指令值控制，或者恒定功率因數(shù)控制。并根據(jù)需求，串聯(lián)側(cè)配置了限額控制模式，正常時串聯(lián)換流器輸出一個小的固定電壓相量，線路功率隨系統(tǒng)潮流波動，基本為自然潮流，當(dāng)線路電流越限時進行限制防止線路過載。

串聯(lián)側(cè)換流器控制采用線路電壓UL定相進行dq分解，分別形成線路電壓的d軸分量ULd，q軸分量ULq以及線路電流的d軸分量iLd，q軸分量iLq。線路輸送的有功功率PL和無功功率QL可以表示為：

(4)

穩(wěn)態(tài)外環(huán)控制采用開環(huán)-閉環(huán)復(fù)合控制策略，主要目標是保證外環(huán)線路有功、無功功率控制的性能。其中開環(huán)部分采用逆模型設(shè)計思路，根據(jù)線路有功功率和無功功率指令直接得到線路電流指令，以提高線路功率外環(huán)控制器的響應(yīng)速度；閉環(huán)部分則引入線路有功功率和無功功率偏差調(diào)節(jié)器，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。外環(huán)控制原理如圖5所示，其中串聯(lián)變壓器閥側(cè)電壓、閥側(cè)電流分別用Uv，iv表示。

對于串并聯(lián)側(cè)MMC的控制器電流內(nèi)環(huán)，采用控制精度高、動態(tài)響應(yīng)速度快、能夠快速跟蹤電流變化的無差拍控制策略。

圖5 外環(huán)控制Fig.5 Outer loop controller

3.2 雙回線N-1控制

線路故障切除將引起電網(wǎng)潮流變化，可能導(dǎo)致其他線路過載，危害電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定。為解決這一問題，蘇南UPFC工程配置了雙回線N-1控制功能。

雙回線控制方式下，梅里—木瀆雙回線任一條線路故障切除時，通過UPFC的雙回線N-1控制功能，由另一條正常運行線路，轉(zhuǎn)代雙回線功率。并且，當(dāng)雙回線功率超過單回線過載能力時，UPFC將自動調(diào)節(jié)單回線輸送電流為運行范圍上限。梅里—木瀆雙回線N-1故障時，通過雙回線N-1控制功能，消除或減少了對電網(wǎng)潮流分布的影響。

雙回線N-1控制功能通過雙回線路協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)，以線路1為主控線路時，其策略如圖6所示。圖中Pref1，Pref2分別表示兩回線路中線路1與線路2的參考值；Pset1，Pset2，Pset_double分別表示線路1、線路2、雙回線的設(shè)定值；Pset_1limit表示線路1運行范圍上限，P2表示線路2實際功率。

3.3 串聯(lián)側(cè)故障穿越策略

UPFC利用串聯(lián)換流器交流側(cè)產(chǎn)生幅值、相位可調(diào)的電壓，通過串聯(lián)變壓器將這個電壓串入線路實現(xiàn)改變線路兩端電壓的幅值與相位差，從而獨立地控制輸電線路有功功率和無功功率。在這一結(jié)構(gòu)下，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或異常運行工況，產(chǎn)生的大電流將通過變壓器直接耦合入UPFC串聯(lián)側(cè)換流器，威脅換流閥設(shè)備安全。因此交流電網(wǎng)故障時，可能出現(xiàn)將UPFC停運以保障設(shè)備安全的情況。

面對換流器固有的弱電流耐受能力，蘇南UPFC工程配置了串聯(lián)側(cè)自動重啟策略，故障時短時閉鎖串聯(lián)側(cè)，故障恢復(fù)后UPFC自動重啟，提升了UPFC的故障穿越能力。

影響UPFC工程串聯(lián)側(cè)運行的故障可分為UPFC本體故障和電網(wǎng)故障，電網(wǎng)故障包括UPFC所串入線路故障，串聯(lián)變壓器故障以及電網(wǎng)遠端故障(除了所串入線路和變壓器外的其他電網(wǎng)故障)。蘇南UPFC工程某串聯(lián)側(cè)因過流短時隔離后，UPFC切換至單回線UPFC方式或STATCOM方式運行，同時進入自動重啟策略。

自動重啟策略主要包含重啟命令判別和重啟執(zhí)行判別兩個模塊。重啟命令判別綜合電網(wǎng)狀態(tài)、保護動作和開關(guān)位置等多種信息，判斷故障狀態(tài)與故障區(qū)域，故障區(qū)域為線路故障和電網(wǎng)遠端故障時，延時進入重啟執(zhí)行判別，否則將該串聯(lián)側(cè)被長久隔離并切換UPFC運行方式。重啟執(zhí)行判別主要檢測兩個部分，一是電網(wǎng)狀態(tài)，包括線路運行狀態(tài)以及近端電網(wǎng)電壓水平等，保證故障已恢復(fù)或隔離，電網(wǎng)具備重啟條件；二是檢測UPFC并聯(lián)換流器及直流線路運行狀態(tài)，保證UPFC系統(tǒng)具備重啟該串聯(lián)側(cè)的能力。若滿足重啟執(zhí)行判別條件，即時執(zhí)行該串聯(lián)側(cè)重啟，否則將該串聯(lián)側(cè)被長久隔離。重啟策略基本流程如圖7所示。

圖7 重啟策略判別流程Fig.7 Process of the restart strategy

4 試驗驗證

4.1 基本控制性能

4.1.1 穩(wěn)態(tài)性能試驗

對線路有功功率、線路無功功率、并聯(lián)側(cè)無功功率、并聯(lián)側(cè)電壓分別設(shè)置控制指令，穩(wěn)態(tài)后按式(1)計算每種控制下的穩(wěn)態(tài)誤差，典型試驗結(jié)果如表2所示。由試驗數(shù)據(jù)可見，蘇南UPFC工程的功率類穩(wěn)態(tài)控制誤差不超過1%，并聯(lián)交流電壓控制誤差不超過0.1%。

表2 蘇南UPFC工程穩(wěn)態(tài)控制誤差Tab.2 Steady state control error of Southern Suzhou UPFC project

4.1.2 動態(tài)性能試驗

對線路有功功率、線路無功功率、并聯(lián)側(cè)無功功率分別開展不同指令下的動態(tài)階躍試驗，考驗控制器的快速響應(yīng)特性，結(jié)果如表3?？梢?，不同控制目標動態(tài)控制特性差別較大。其中雙回線有功、無功階躍超調(diào)量在30%內(nèi)、上升時間在40 ms內(nèi)，并聯(lián)側(cè)無功階躍超調(diào)量在10%內(nèi)、上升時間在10 ms內(nèi)。

表3 雙回線功率穩(wěn)態(tài)控制波形Tab.3 Wareform of double loop power steady state control

4.2 附加控制功能

4.2.1 雙回線路N-1控制試驗

蘇南UPFC工程以雙線UPFC運行方式運行，雙回線功率均為-350 MW。設(shè)置線路2的電流限制為760 A，拉開線路1模擬線路停運。線路1停運后，73 ms時線路2開始功率轉(zhuǎn)代，約170 m線路2完成功率專代，調(diào)節(jié)后線路2電流受限保持760 A，輸送功率為-656 MW，過程錄波如圖8和圖9所示。

圖8 線路1停運波形Fig.8 Waveform of line 1 outage

圖9 線路2功率轉(zhuǎn)代波形Fig.9 Waveform of line 2 for power transfer

4.2.2 UPFC故障重啟試驗

工程系統(tǒng)試驗中，通過模擬線路發(fā)生單相瞬時性故障引起串聯(lián)2換流器過流閉鎖，檢查串聯(lián)側(cè)自動重啟策略。錄波如圖10—11所示，試驗結(jié)果表明故障后，串聯(lián)側(cè)2短時閉鎖，并經(jīng)過約5.6 s后自動執(zhí)行重啟成功，期間串聯(lián)側(cè)1保持正常運行。

圖10 串聯(lián)側(cè)2被隔離波形Fig.10 Being isolated waveform of series connect unit 2

圖11 串聯(lián)側(cè)2重啟波形Fig.11 Restarting waveform of series connect unit 2

5 結(jié)論

本文在梳理UPFC基本控制性能指標和功能要求的基礎(chǔ)上，針對蘇南UPFC工程應(yīng)用需求，研究了其控制功能實現(xiàn)方式，并對工程實際控制性能展開測試和分析，主要結(jié)論如下：

(1) 蘇南UPFC工程中，對線路功率、并聯(lián)側(cè)無功功率控制誤差可保持在1%以下，并聯(lián)側(cè)電壓穩(wěn)態(tài)誤差可保持在0.1%以下。不同控制目標動態(tài)控制特性別差較大。對線路無功功率展開50 Mvar以內(nèi)的階躍試驗，對線路有功功率、并聯(lián)側(cè)無功展開100 MW或100 Mvar以內(nèi)的階躍試驗。其中雙回線有功、無功階躍超調(diào)量在30%以內(nèi),上升時間在40 ms以內(nèi);并聯(lián)側(cè)無功階躍超調(diào)量在10%以內(nèi),上升時間在10 ms以內(nèi)。

(2) 蘇南UPFC工程中，創(chuàng)新地提出和實現(xiàn)了一系列附加控制策略，提升了電網(wǎng)故障下UPFC工程的運行能力。其配置了雙回線N-1控制功能，梅木—木瀆單回線路故障時，實現(xiàn)了另一回線路自動功率轉(zhuǎn)代，提升了N-1故障下電網(wǎng)穩(wěn)定性。該工程配置了串聯(lián)側(cè)故障重啟功能，克服了串聯(lián)側(cè)接入結(jié)構(gòu)下，電力電子設(shè)備固有的弱電流耐受能力對UPFC工程運行能力的限制，提升了UPFC故障穿越能力。