串并联混合型补偿设备

串并联混合型补偿设备主要内容统一潮流控制器（UPFC）2晶闸管控制移相器1对于输电系统而言，线路输送的功率由下式表示1晶闸管控制移相器（TCPST）假定相角调节器只改变系统电压相量的相角而不改变电压的大小，且受端系统与发端系统的电压相量大小相等系统中安装移相器后，其功角特性具有如下特点①系统安装移相器后不会改变最大传输有功功率的数值②系统安装移相器后其最大传输功率对应的功率角可在一定的范围之内变化在系统故障时可以用于提高系统的暂态稳定极限、阻尼系统振荡、控制输电线上潮流的流向等。1晶闸管控制移相器（TCPST）早在上个世纪三十年代，世界上第一台移相器已经在美国投运，用以对电网潮流进行调控。而到九十年代中期，世界上投入运行的大型移相器已经有几十台，单台最大容量已经达到100MW，这时的移相器是依靠机械刀闸切换变压器抽头来实现对电力系统潮流的调控。但是由于机械式移相器的响应速度十分缓慢，只能用于电力系统地稳态调整，而且其转换容量和最大相角都受到限制。随着电力电子技术的发展，晶闸管等电力电子在器件在移相器技术中得到很好的应用，形成了全新的可控移相器技术。1晶闸管控制移相器（TCPST）TCPST（thyristorcontrolledphaseshiftingtransformer）是一种采用晶闸管开关调节、可提供快速可变相角的移相变压器，也称为晶闸管控制相位调节器（thyristorcontrolledphaseangleregulator，TCPAR）或晶闸管控制移相器（thyristorcontrolledphaseshiftor，TCPS）。与机械式移相变不同，其用晶闸管替代机械开关对移相变进行改造，从而克服机械开关的不足。1晶闸管控制移相器（TCPST）TCPST的基本原理：其单相结构如图所示，每相包括一个并联和一个串联的变压器绕组，二者之间通过一个基于晶闸管的电力电子拓扑电路连接起来，并联绕组的原边连接到另外两相，产生一个相位与控制相电压垂直的电压相量，它通过电力电子电路进行适当调节（即改变极性和幅值等）后叠加到控制相电压上，从而达到可控移相的目的。TCPST的单相结构图1晶闸管控制移相器（TCPST）1晶闸管控制移相器（TCPST）移相变从不同的角度可进行不同的分类按调节特性分，有纵向调节、横向调节和斜向调节；按本体结构分，可分为机械式移相变和晶闸管式移相变。机械式移相变从设计结构方面分，其移相变有4个特征：单核型、双核型；对称型、非对称型1晶闸管控制移相器（TCPST）移相器由并联变压器ET、串联变压器BT和切换开关S组成。并联变压器和串联变压器也称为激励变压器和加压变压器。并联变压器的二次侧和串联变压器的一次侧只画出了c相，其他两相具有相同的结钩。开关S由一对反向并联的晶闸管组成，与前面介绍的TCSCT中的开关具有完全相同的工作原理。1晶闸管控制移相器（TCPST）S1～S5在任何情况下只允许导通一个，其余断开。由图可以看出，并联变压器的变比随开关S1～S4的导通情况变化。当S1～S4都断开时，S5必须导通，将串联变压器的一次侧短路，以避免将串联变压器的激磁阻抗串进线路。输出的电压不能连续调节，如果级差较大，则在很多对补偿电压要求较高的场合就不适用。为此人们又设计出新型的TCPST，即尽量减少级差，使输出电压调节范围广且具有一定的精度。1晶闸管控制移相器（TCPST）1晶闸管控制移相器（TCPST）采用多级TCPST串联的方式，实现了具有-nE，-(n-1)E，-0，-(n-1)E，nE，共2n+1级移相器。但它的缺点就是所用晶闸管数量较多，因而成本较高n级串联的TCPS1晶闸管控制移相器（TCPST）为了适当降低成本，人们又设计出如图8所示的TCPST。为充分利用投切产生的电压等级数，各串联电压采用3n的形式配置，这样仅用三个绕组，就可以产生-13E，-12E，-11E，-10E，……0E……11E，12E，13E共27种输出电压。按这种方式配置，E可以选择较小，获得级差小的多级控制，增加了补偿的精度，减少了投切过程中的冲击，同时所需要的变压器绕组数少，因而成本可以大幅度降低3n级串联的TCPS1晶闸管控制移相器（TCPST）TCPST的功能包括:稳态运行时调节传输线路的潮流;调节平行线路间的功率分配;控制电网中的环流。小干扰时防止发电机轴的扭转振动;防止区域间低频振荡;减轻电力系统谐波。大干扰时增强系统传输稳定性减轻发电机轴的瞬间扭转应力主要内容统一潮流控制器（UPFC）2晶闸管控制移相器12统一潮流控制器（UPFC）2.1原理传输线的潮流可以表示为：电力输送系统的基本结构线路两端电压相位关系电力输送系统中影响功率潮流的主要是3个参数：线路两端电压、线路阻抗和功率传输角。调节参数就可实现对线路潮流的控制。并联型补偿器（STATCOM装置）它可以有效地产生无功电流，补偿系统的无功功率，维持节点电压。串联型补偿器（SSSC装置），可以有效地补偿输电系统线路的电压，控制线路的潮流。两者功能都很强，但STATCOM对线路电压的补偿能力较弱，SSSC装置对无功电流的补偿能力不强。因此综合两者的优点，诞生了统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，UPFC)。2统一潮流控制器（UPFC）2.1原理UPFC基本原理是通过调节电压、相角、阻抗来实现系统电压、潮流的控制。UPFC由串联部分和并联部分组成，其核心设备是电压源换流器，分别做为串联、并联运行，直流侧背靠背联接。UPFC装置可以看作是一台STATCOM装置与一台SSSC装置的直流侧并联构成。2统一潮流控制器（UPFC）2.2UPFC运行特性（1）UPFC串联侧工作方式UPFC的串联侧主要控制目的是进行潮流控制如图所示的是UPFC串联侧等效电路，潮流控制的基本原理就是在线路中附加一个幅值相位可控的串联电压源（VSM），通过该串联电压源控制输电线路潮流。2统一潮流控制器（UPFC）2.2UPFC运行特性（1）UPFC串联侧工作方式（a）串联补偿UPFC的串联补偿是通过串联变压器Tse，由串联变流器VSC2向系统注入一个与UPFC所在线路电流IS相垂直的电压VSM来实现，等效于在线路上串入一个电感或者电容，起到串联补偿（SSSC）的作用。2统一潮流控制器（UPFC）2.2UPFC运行特性（1）UPFC串联侧工作方式（b）移相作用UPFC的移相作用是由变流器VSC2通过串联变压器向输电系统注入一个电压源，其与送端电压叠加，获得一个与送端电压幅值相同，而相位相差一定角度的电压。假定移相角度为σ，则：当σ>0时，即超前移相当σ<0时，即滞后移相2统一潮流控制器（UPFC）2统一潮流控制器（UPFC）2.2UPFC运行特性（2）UPFC并联侧工作方式（a）无功补偿并联变流器可以工作在无功补偿状态下，在UPFC并联侧装置的容量范围内提供一定量的无功功率对系统进行补偿。系统状态变化时，UPFC可以通过自动调节维持输出无功功率的大小和性质。2统一潮流控制器（UPFC）2.2UPFC运行特性（2）UPFC并联侧工作方式（b）节点电压调节UPFC对节点电压的调节是通过控制向节点补偿的无功功率来实现的，其参考输入是给定电压，反馈量是该点实际电压，其调节范围受UPFC容量限制。（c）直流侧电容电压调节UPFC通过从输电系统吸收或者注入有功功率来维持直流侧电压稳定，其参考输入是直流侧给定电压，反馈是该点实际电压。2统一潮流控制器（UPFC）2.3UPFC技术的最新发展（1）故障限流型UPFC(FCL-UPFC)正常运行时，限流电抗通过快速开关旁路，UPFC接入线路优化系统潮流。在交流系统发生故障时，UPFC串联侧换流器通过TBS迅速退出(约2～5ms)，串联变压器以漏抗值串入线路对系统进行故障限流;TBS导通后约5ms，FCL模块的快速机械开关分开，限流电抗器通过串联变压器耦合间接串入线路，进一步限制故障电流。2统一潮流控制器（UPFC）2.4UPFC可有效解决电网运行控制难题(4)技术发展快，应用场景更加灵活随着UPFC新技术的发展，UPFC的应用场景可以灵活选择，并有所侧重，如上海的示范应用偏重于电网的电压支撑和无功平衡，相对来说潮流控制的量级低于江苏的工程应用最新的UPFC研发成果，则进一步发挥了UPFC的优势，为限制故障电网和精准控制线路潮流提供了更加灵活的技术方案。2统一潮流控制器（UPFC）2.6江苏南京220千伏西环网UPFC工程2015年12月，江苏南京220千伏西环网UPFC工程顺利投运，实现晓庄至铁北双线输送功率精准控制，达到120MVA的预设调控目标。这是我国首个自主知识产权的UPFC工程，也是国际上首个使用模块化多电平换流(MMC)技术的UPFC工程。南京UPFC工程的优化双回结构示意图2统一潮流控制器（UPFC）2.6江苏南京220千伏西环网UPFC工程3个互为备用的MMC换流器C1,C2,C3可以通过转换刀闸与3个交流侧相联接｡3个交流侧分别是W1并联交流侧､W2串联I交流侧和W3串联II交流侧｡并联交流侧采用2台并联变压器互为备用，分别接至燕子矶站的2条35kV母线。正常情况下，1台并联变压器运行､另1台热备用,当运行并联变压器故障时，通过设备自投功能可以快速切换至备用变压器｡南京UPFC工程的优化双回结构示意图2统一潮流控制器（UPFC）2.6江苏南京220千伏西环网UPFC工程2个串联交流侧各安装1台串联变压器(26.5kV/20.8kV)，通过其高压侧绕组串联接入220kV线路，串联变压器高压侧分相，低压侧采用星型接法并经高阻接地。串联变压器两侧各配置１台机械旁路断路器(W2/W3.QF1和W2/W3.QF2)，用于隔离换流器与串联线路。同时，串联变压器低压侧与中性点间配置1台三相晶闸管旁路开关(TBS),用于对换流器进行快速保护。3个换流器采用完全相同的结构和容量，均可接入并联交流侧，C1可接于2个串联交流侧，C2和C3分别接于串联I交流侧和串联II交流侧2统一潮流控制器（UPFC）2.6江苏南京220千伏西环网UPFC工程该UPFC工程主要有以下运行方式：(a)双回线路UPFC运行方式换流器C1接入并联交流侧，换流器C2接入串联I交流侧，换流器C3接入串联II交流侧。所有换流器的直流侧连接至公共直流母线。并联交流侧的一台并联变压器运行，另一台热备用，启动电阻旁路刀闸W1.DS4合位；串联交流侧的串联变压器两侧旁路开关分位，TBS阀带电保持不触发状态。2统一潮流控制器（UPFC）2.6江苏南京220千伏西环网UPFC工程(a)双回线路UPFC运行方式该运行方式下，并联侧主要起支撑公共直流母线电压作用，同时对并联交流侧电网进行无功补偿；串联侧控制其串联接入的线路的潮流，有功功率和无功功率可独立控制。2统一潮流控制器（UPFC）(b)单回线路UPFC运行方式当某条线路故障或检修时，南京UPFC系统可运行于单回线路UPFC运行方式。(c)其它运行方式南京UPFC工程还有双回线路SSSC运行方式、单回（线路I／线路II）SSSC运行方式以及STATCOM运行方式。在不需要对西环网进行潮流控制时，南京UPFC系统运行于STATCOM运行方式，对电网提供一定的无功补偿。当换流器／线路故障或者检修时，系统还能相应的调整为双回／单回线路SSSC运行方式。目前UPFC实际投入运行的案例不多，但是都取得了良好的效果，在有功无功潮流控制、电压调节、阻尼低频振荡、次同步谐振方面起到重大作用，充分说明了UPFC装置广阔的应用前景。2统一潮流控制器（UPFC）2.7UPFC苏州南部500kV电网的应用2018年苏州南部500kV电网应用UPFC苏州南部500kV电网存在直流小方式下供电能力受限、无功支撑不足、直流换相失败风险大及直流双极闭锁后应急拉限电多等问题。对于上述问题，采用常规的线路增容、新增输电通道等方案实施难度较大，技术经济不合理。同时，苏州南部500kV电网结构在规划期内保持稳定，其影响潮流分布的主要因素—锦苏直流运行方式的季节性变化长期存在。2统一潮流控制器（UPFC）2.7UPFC苏州南部500kV电网的应用与常规方案相比，500kVUPFC具有较好的经济效益和社会效益。苏州南部电网500kVUPFC示范工程对于苏州进一步拓展发展空间、节约土地资源、加强电网安全运行具有十分重要的意义。苏州南部UPFC工程的建成投产对在更高电压等级应用UPFC具有示范作用，对柔性交流输电技术在更高电压等级的应用和推广具有积极的意义。苏州南部500kVUPFC示范工程结构如图2统一潮流控制器（UPFC）2.7UPFC苏州南部500kV电网的应用示范工程500kVUPFC采用2个串联侧换流器＋1个并联侧换流器的结构，其中串联侧换流器接入梅里—木渎双线，并联侧换流器接入木渎500kV母线。3台换流器的容量均为250MVA，3台联结变压器容量为300MVA，直流侧电压为±90kV借鉴南京西环网UPFC示范工程，采用2个串联侧换流器和1个并联侧换流器的结构具有较好的经济性和可靠性。与南京西环网UPFC示范工程不同的是，苏州南部电网中需要利用UPFC的动态无功支撑能力改善苏州南部电网无功支撑不足的问题，因此将并联侧换流器通过变压器直接接在木渎500kV母线。2统一潮流控制器（UPFC）500kVUPFC接入苏州南部电网后，苏州南部存在的主要问题均得到不同程度的改善。（1）提高苏州南部电网供电能力。冬季直流小方式下，UPFC能够均衡苏州南部电网各输电通道潮流，增加苏州南部电网整体供电能力，能够满足地区15000MW饱和负荷的潮流控制需求。在利用UPFC控制潮流的作用下，梅里—木渎发生N-1故障时，非故障线路潮流将被控制在2950MW，满足线路长期稳定运行的要求2统一潮流控制器（UPFC）（2）提高苏州南部电网无功支撑能力安装UPFC后，苏州南部电网的事故后恢复电压有了不同程度的改善以梅里—木渎N-1故障为例，安装UPFC后，苏州南部电网的事故后恢复电压提高约10kV。同时UPFC并联侧换流器的快速无功支撑能力，能够为大直流受端电网提供快速动态无功支撑，提高故障后的电压恢复速率。（3）减少直流换相失败风险仿真结果显示，UPFC可以避免34条500kV线路单相永故障后引起的锦苏直流换相失败减少一半。2统一潮流控制器（UPFC）（4）减少锦苏直流双极闭锁后拉限电容量。在夏季高峰、锦苏直流满送方式下，若发生锦苏直流双极闭锁，需采取措施调整运行方式将苏州南部电网各输电通道潮流控制到稳定限额之下。安装UPFC