500 kV蘇南UPFC控制功能研究及性能試驗

李 群， 林金嬌， 李 鵬

(國網變電站智能設備檢測技術重點實驗室 (國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院), 江蘇 南京211103)

0 引言

隨著電網的發展，關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裝置，綜合了柔性交流輸電設備(flexible AC transmission system，FACTS)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]。電網運行對高可靠、易維護的高壓大容量UPFC技術的需求日益迫切。近年來，隨著換流器技術發展，模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)采用模塊化結構，其可擴展性強，而柔性輸電技術在高電壓大功率輸電領域的應用推廣，也推動了新一代UPFC技術的發展和應用[6-7]。通過UPFC關鍵技術研究，我國研制了世界首套基于MMC技術的UPFC成套設備，并于2015年12月在南京220 kV 電網實現示范應用，解決了220 kV南京電網潮流缺乏靈活有效控制手段的問題，為南京電網供電能力提升發揮了重要作用，并為在更高電壓等級電網應用UPFC積累了運行經驗[8-9]。

隨后，結合蘇州500 kV南部電網供電能力提升、特高壓直流功率消納等問題，開展了UPFC在蘇南500 kV電網中應用研究，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，并通過系統調試驗證其實際控制性能和運行效果，為后續工程建設、標準制定累積了重要參考和數據。

1 蘇南UPFC工程

蘇州南部電網是蘇州電網的重要組成部分，其負荷約占蘇州電網的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提供了有效的電力支撐，但由于其為水電直流，受季節性影響冬季枯水期送電大幅減少(僅20%左右)，因此蘇州南部電網的電力受進隨季節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。經分析在蘇州南部電網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，提升蘇南地區電網的動態無功/電壓支撐能力。

蘇南UPFC站址位于木瀆變電站，結構如圖2所示，其并聯換流器和串聯換流器通過采用直流背靠背連接方式，并聯換流器經過并聯變壓器接入木瀆500 kV開關場，兩組串聯換流器經串聯變壓器串入木瀆—梅里雙回線路。并聯側具備動態無功支撐功能，串聯側可快速、穩定、靈活地調節線路潮流。

圖2 500 kV蘇南UPFC工程結構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生雙極閉鎖時，通過提升地區電網供電能力，減小蘇南地區切負荷量；

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

根據近遠期潮流控制需求，經計算分析確定蘇南UPFC工程換流器容量取2×250 MV·A(串聯側)及1×250 MV·A(并聯側)，其他關鍵設備及系統主要參數如表1。

表1 主要設備及參數Tab.1 Main equipments and parameters

設備名稱參數名稱參數數量/組3 拓撲結構MMC換流器橋臂子模塊數量112+11(冗余)額定容量/(MV·A)250額定直流電壓/kV±90數量/臺2 結構 三相分體串聯變壓器額定容量/(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數量/臺1結構三相共體并聯變壓器額定容量/(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YN0/YN/d11晶閘管級數27級串聯晶閘管旁路開關TBS額定電壓/kV105故障電流耐受能力50 kA/100 ms機械旁路開關合閘時間/ms≤40

進一步，為實現上述蘇南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MMC結構UPFC的特點，采用基于線路功率外環和換流器電流內環的雙環協調控制策略，實現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節能力。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、串聯側故障重啟等控制功能，提升了電網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側無功電壓控制，對于控制要求包括穩態控制性能和動態控制性能。前者主要考察控制系統對于潮流的穩態控制能力，后者主要考察控制系統在電網動態過程中的控制性能[10-16]。

2.1 穩態誤差指標

功率穩態誤差包括線路有功功率、線路無功功率及UPFC并聯側無功功率的誤差。電壓誤差測量是對UPFC并聯側接入點電壓的誤差測量。按下式計算獲得穩態誤差量E：

(1)

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

(1) 若測量量為并聯側電壓，則基準值MN取并聯側接入點的額定電壓；

(2) 若測量量為并聯側無功功率，則取并聯換流器額定功率；

(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接入線路的熱穩定限額；ISVN為UPFC串聯變壓器閥側額定電流值；kT為串聯變壓器閥側與網側的電壓變比。

(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 動態響應指標

系統動態響應指標包括響應時間、穩定時間、最大過沖、超調量，其中響應時間、最大過沖如圖3所示。

圖3 動態響應指標示意Fig.3 Dynamic response indicator diagram

響應時間是指當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，且期間沒有產生過沖。超調量是指當輸入階躍控制信號后，輸出電氣量超出穩態值的最大過沖(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MMC結構UPFC的特點，提出了基于線路功率外環和換流器電流內環的雙環協調控制策略，解決了UPFC換流器功率與線路潮流之間沒有直接耦合關系的應用難題，實現對線路有功功率和無功功率獨立解耦控制。并創新地提出和實現了一系列附加控制策略，提升了電網異常或故障工況時UPFC工程的支撐能力和故障穿越能力。

3.1 基本控制

蘇南UPFC工程通過內外雙環控制將線路功率、并聯側無功指令轉化為對換流器輸出電壓的控制指令，達到改善潮流、動態無功支撐的目的。

3.1.1 并聯側控制

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

(3)

因此，根據并聯側有功功率參考值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側閥側電流dq軸分量參考值，如圖4所示。

圖4 閥側電流計算Fig.4 Valve side current calculation

3.1.2 串聯側控制

蘇南UPFC串聯側換流器通過控制串聯變壓器交流側串入線路電壓的幅值和相角來調節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，或者恒定功率因數控制。并根據需求，串聯側配置了限額控制模式，正常時串聯換流器輸出一個小的固定電壓相量，線路功率隨系統潮流波動，基本為自然潮流，當線路電流越限時進行限制防止線路過載。

串聯側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)

穩態外環控制采用開環-閉環復合控制策略，主要目標是保證外環線路有功、無功功率控制的性能。其中開環部分采用逆模型設計思路，根據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控制器的響應速度；閉環部分則引入線路有功功率和無功功率偏差調節器，以消除穩態誤差。外環控制原理如圖5所示，其中串聯變壓器閥側電壓、閥側電流分別用Uv，iv表示。

對于串并聯側MMC的控制器電流內環，采用控制精度高、動態響應速度快、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潮流變化，可能導致其他線路過載，危害電網靜態穩定。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，轉代雙回線功率。并且，當雙回線功率超過單回線過載能力時，UPFC將自動調節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潮流分布的影響。

雙回線N-1控制功能通過雙回線路協調控制實現，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 串聯側故障穿越策略

UPFC利用串聯換流器交流側產生幅值、相位可調的電壓，通過串聯變壓器將這個電壓串入線路實現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。在這一結構下，當電網發生故障或異常運行工況，產生的大電流將通過變壓器直接耦合入UPFC串聯側換流器，威脅換流閥設備安全。因此交流電網故障時，可能出現將UPFC停運以保障設備安全的情況。

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

影響UPFC工程串聯側運行的故障可分為UPFC本體故障和電網故障，電網故障包括UPFC所串入線路故障，串聯變壓器故障以及電網遠端故障(除了所串入線路和變壓器外的其他電網故障)。蘇南UPFC工程某串聯側因過流短時隔離后，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行判別兩個模塊。重啟命令判別綜合電網狀態、保護動作和開關位置等多種信息，判斷故障狀態與故障區域，故障區域為線路故障和電網遠端故障時，延時進入重啟執行判別，否則將該串聯側被長久隔離并切換UPFC運行方式。重啟執行判別主要檢測兩個部分，一是電網狀態，包括線路運行狀態以及近端電網電壓水平等，保證故障已恢復或隔離，電網具備重啟條件；二是檢測UPFC并聯換流器及直流線路運行狀態，保證UPFC系統具備重啟該串聯側的能力。若滿足重啟執行判別條件，即時執行該串聯側重啟，否則將該串聯側被長久隔離。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 穩態性能試驗

對線路有功功率、線路無功功率、并聯側無功功率、并聯側電壓分別設置控制指令，穩態后按式(1)計算每種控制下的穩態誤差，典型試驗結果如表2所示。由試驗數據可見，蘇南UPFC工程的功率類穩態控制誤差不超過1%，并聯交流電壓控制誤差不超過0.1%。

表2 蘇南UPFC工程穩態控制誤差Tab.2 Steady state control error of Southern Suzhou UPFC project

4.1.2 動態性能試驗

對線路有功功率、線路無功功率、并聯側無功功率分別開展不同指令下的動態階躍試驗，考驗控制器的快速響應特性，結果如表3。可見，不同控制目標動態控制特性差別較大。其中雙回線有功、無功階躍超調量在30%內、上升時間在40 ms內，并聯側無功階躍超調量在10%內、上升時間在10 ms內。

表3 雙回線功率穩態控制波形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開始功率轉代，約170 m線路2完成功率專代，調節后線路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

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

圖10 串聯側2被隔離波形Fig.10 Being isolated waveform of series connect unit 2

圖11 串聯側2重啟波形Fig.11 Restarting waveform of series connect unit 2

5 結論

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

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

(2) 蘇南UPFC工程中，創新地提出和實現了一系列附加控制策略，提升了電網故障下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，實現了另一回線路自動功率轉代，提升了N-1故障下電網穩定性。該工程配置了串聯側故障重啟功能，克服了串聯側接入結構下，電力電子設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。