UPFC接入大电网新能源系统的综合输电控制技术*

王金星，刘青

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

0 引 言

近年来国内外风能、太阳能等新能源发电规模快速扩大，发电容量迅速提高[1]，世界能源供给将实现石油、煤炭、天然气和新能源“四分天下”[2]。同时因新能源电力自身的间歇性和波动性，局部电网对其的接纳能力有限，导致国内外的“弃风弃光”现象较为突出。新能源电力的大量浪费对大功率输电技术的稳定性、灵活性提出了新的更高要求，随着高压、特高压柔性交流输电技术的迅速发展，基于新能源电力接入电网的柔性交流输电技术已成为当下的热门课题。

随着我国用电负荷快速增长，对电网输送容量和安全的要求越来越高，但受到土地资源、社会因素、环境保护、运营成本等多方面的限制，建设新的输电走廊越来越困难，因此充分发掘利用现有电力网络的输电能力，通过先进的技术手段解决电网在潮流控制、运行稳定性、电能质量等方面问题，对于电力工业而言，变得日益迫切并更具吸引力[3]。以UPFC、STATCOM、SSSC、SVC等为代表的柔性交流输电技术(FACTS)应运而生，在调整电网潮流、提高输电线路输送容量、提升电力系统暂稳态和中长期稳定性、阻尼电力系统低频振荡以及限制短路电流等方面具有良好效果。

储能系统能较明显地提升电力系统运行的稳定性、灵活性和可靠性，为大规模新能源电力的接纳并网提供了一个重要的解决方案。随着近年抽水蓄能、热能存储、压缩空气、电化学、超导磁等储能技术研究的进一步深入，电力储能将在抑制电力系统功率振荡、“削峰填谷”、大规模新能源消纳等方面发挥越来越重要的作用。

模块化多电平换流器(modular multi-level converter，MMC)通过将多个子模块级联叠加的方式来实现高电压、低谐波的输出，是一种新型的电压变换方式，在未来电网具有广阔的应用和发展前景[4-5]。广域测量系统(Wide Area Measurement System，WAMS)采用同步相角测量单元(Phase Measurement Unit，PMU)，实现全网数据在高精度同步时钟下的实时、高速、精确采集，为电网潮流计算、稳定性分析、继电保护整定等提供数据同步的技术支持[6]。

因此，以UPFC为代表的FACTS装置接入含新能源系统的柔性输电控制技术值得深入研究。结合FACTS、新能源发电、储能、MMC、WAMS等新兴技术，针对大电网新能源系统的潮流、稳定运行和电能质量等控制问题，分析和总结了UPFC输电控制技术的最新研究进展；针对大电网新能源系统存在的波动性和间歇性问题，提出UPFC控制技术与储能技术、新能源预测技术相结合是未来解决大电网新能源系统输电问题的重要方法。

1 新能源发电特性分析

新能源发电功率输出特性分析是研究新能源电力并网和控制的基础，其目的是使新能源发电更平稳地输出电功率。受自然环境和天气影响，以风能和太阳能为代表的新能源电力呈现出较为明显的波动性和间歇性，导致含新能源发电的电力网络存在频率波动和系统失稳风险。某风电场250小时功率输出特性曲线如图1所示，易知风力发电呈现出较明显的功率输出波动性和间歇性，且无明显的波动和间歇规律。

光伏发电功率输出的最大限制因素是光照辐射强度，光照辐射强度受天气阴晴和云层厚度及其移动情况影响很大。某光伏电站光照辐射强度的波动情况如图2所示，由单位面积1分钟、15分钟、1小时采样辐射功率曲线和晴朗天空的理想辐射功率曲线组成。从1分钟采样的辐射功率曲线可以看出，单位面积光照辐射强度随时间变化存在较为明显的波动，着采样时长的增加，该采样时间段的平均辐射强度值波动趋于减小。由此可知，瞬时光照辐射强度随天气和云层移动变化较快，而光照辐射强度在较长时间段内研究较为稳定。

图1 风电场功率输出波动曲线

图2 单位面积光照辐射功率波动曲线

风能和太阳能作为新能源发电的主要组成部分，其功率输出以天为单位表现出一定的周期性，可利用该特征进行相应的发电控制和电力调度研究。某天24小时风电场、光伏电站及其二者之和的功率输出曲线如图3所示，由图易知风电场夜间组成。功率输出较大，白天功率输出相对较小，而光伏发电在白天功率输出相对较大，夜间输出功率为零，二者功率输出具有一定的互补性。若合理配置风电场机组容量和光伏电站容量，可使风电和光伏发电功率输出之和的特性曲线接近于电力负荷的功率特性曲线。

图3 某天24小时新能源功率输出曲线

2 FACTS接入电力系统输电控制技术

2.1 FACTS装置的应用研究及最新进展

FACTS利用先进电力电子技术彻底改变了交流输电网的控制和操作方式，摆脱了过去机械、慢速、间断、不精确的工作方法，现正向智能化、电子化、快速、连续、精准的方向迅速发展。美国电力科学研究院指出，FACTS随着科技的发展也在与时俱进，未来将面临着更多来自增大输电容量、维持电网安全稳定、优化系统运行、环境保护和柔性直流输电竞争等方面的压力[7]。

最近二十余年，众多性能各异的FACTS装置(如SVC、TCSC、STATCOM、SSSC、UPFC、SMES、IPFC等)先后被投入到美国、欧洲、日本的实际电网中，其分类及代表器件的功能应用如表1所示。

表1 FACTS装置的分类和应用

21世纪初，在我国已有多台SVC、STATCOM和TCSC装置运行于500 kV变电站，并取得了良好的经济和社会效益。2015年11月，南京220 kV西环网UPFC工程建成并投运，是我国首个拥有自主知识产权、采用MMC技术的UPFC工程。2016年11月，世界上电压等级最高、容量最大的苏州南部电网500 kV的UPFC工程在江苏省苏州市开工建设，它将是世界上第一次实现500 kV电网潮流的精准、灵活、快速控制，并将显著提高苏州电网消纳新能源的能力。

FACTS自20世纪80年代中期被提出以来，其概念在不断地发展，但主要目标仍然是应用大功率、高性能的电力电子器件，实现对输电线路电压、阻抗、相角、功率、潮流的综合全面灵活控制，达到提高线路输电容量、提高电网灵活性和稳定性的目标。仿真和FACTS工程应用表明，电力系统在加入FACTS装置后，系统暂态失稳的风险明显降低，且同容量的FACTS装置中UPFC的综合控制效果较好。

2.2 FACTS装置研究内容及控制技术研究现状

目前，FACTS技术的研究主要包括：FACTS装置在电网中的安装位置、FACTS参数控制方法对电网暂稳态特性的影响、新型控制策略的设计和优化、以及各种FACTS装置间交互影响的协调等。

FACTS装置可以从系统级和设备级两个层次来稳定大规模新能源电力接入系统引起的电压波动，为电网提供紧急的无功支撑，并可结合不同FACTS 装置的投资费用、灵敏度等得到配置FACTS的多目标折衷方案和最佳安装地点[8-9]。

FACTS交互影响是指在多变量控制系统内的一个操作输入变量影响若干个测量输出变量,或者一个输出变量被一系列输入变量所影响。交互影响协调控制一般分为智能控制、线性控制和非线性控制等，基于WAMS、模糊理论、免疫算法及协同进化算法的多目标协调控制方法将是未来我国解决FACTS交互影响的研究的重要方向[10]。

FACTS用于提高线路输送容量和稳定线路电压一直是FACTS技术研究的重心。采用FACTS暂态稳定控制、小扰动稳定控制、阻尼控制等方法，可以有效消除特高压、大容量、高效率、低损耗电力集中外送的主要限制因素。针对以UPFC为代表的FACTS装置的非线性特征和不确定性问题，已存在一些非线性最优控制策略和非线性鲁棒控制策略的研究[11]。

3 UPFC接入电力系统的输电控制技术

3.1国内外UPFC研究现状

统一潮流控制器(UPFC)是目前最为灵活、功能最全、技术最复杂的柔性交流输电装置[12]，通常可以把它理解为拥有公共直流侧电容的STATCOM和SSSC组合起来的FACTS装置。但UPFC的功能不能等于一个STATCOM和一个SSSC功能的简单叠加，UPFC灵活性的控制功能远远大于二者之和，其结构模型如图4所示。UPFC可以同时调控输电线路的有功潮流和无功潮流，提供可控的并联无功补偿，提升系统电压的暂稳态及中长期稳定能力，还可以阻尼电力系统振荡，提高电网输送电能的稳定极限，增加电力系统的稳定运行裕度，限制短路电流等。

图4 UPFC结构模型

电力系统潮流是自然流动的，电源和负荷功率的变化都会引起电网潮流相应的改变。因电源、负荷分布位置和输电线路参数不同，某些输电线路的潮流容易激增，出现功率越限的现象，另外一些输电线路则易出现潮流较小，输电通道利用不充分。UPFC是输电线路上加装的柔性潮流控制装置，通过调控节点电压和线路阻抗等参数来跟踪控制电网的功率流动，其调控方式灵活多样、调控效果精确可靠，可有力保障电力系统的安全稳定可靠运行。目前，国内外UPFC的研究主要包括以下两个方面：

(1)UPFC的数学模型及其在电力系统中的应用；

(2)UPFC的交互影响及协调控制策略。

3.2 UPFC数学模型及其输电控制技术研究

(1)UPFC数学模型

UPFC数学模型是研究和设计其控制策略的基础，一般分为静态数学模型和动态数学模型。静态模型通常用于分析和计算含UPFC的电网潮流，动态模型则主要研究当电网运行状态突变时，UPFC对电网稳定性、潮流、电压的控制作用[13]。目前UPFC的静态模型主要有电源型模型、阻抗型模型、解耦型模型、功率注入型模型等[14]，这些模型都是建立在直流侧电压不变的基础上，保证流入UPFC并联侧的有功功率等于损耗功率加上流出其串联侧的有功功率。UPFC的动态特性，则是在考虑UPFC直流侧电压变化的基础上分析和研究的。

UPFC控制功能强大，集电压、潮流、稳定性等多种控制功能于一身，能良好地调节UPFC接入点母线电压和所在线路的功率流动，其并联侧补偿无功功率及维持母线电压恒定，等效于调节变压器一侧分接头开关的作用。

(2)UPFC稳定性控制研究

UPFC强大的柔性输电控制能力，一般通过在UPFC控制系统内安装相应的控制器来实现，每个控制器通常被给予一个特定的控制功能。UPFC装置的控制系统主要包括有功功率、无功功率、交流电压、交流频率、直流电压、直流电流六个控制器。UPFC良好的控制性能主要通过对某个或某几个控制器进行优化分析和协调控制来实现，直流电压控制器是UPFC其他控制器正常工作的基础。UPFC投入系统运行的目标和作用主要包括系统潮流控制、电压稳定控制和抑制功率振荡三个方面。

系统潮流控制主要研究UPFC在潮流计算中的数学模型和相关控制器、控制策略的设计。对UPFC进行交叉耦合控制，可实现UPFC串联侧变流器输出电压d轴分量调节输电系统的无功功率，输出电压的q轴分量调节输电系统的有功功率，并能达到较好的调节控制效果[15]。

电力系统电压稳定控制一般分为电压暂态稳定控制和电压稳态稳定控制两种。暂态电压控制比稳态电压控制略为复杂，需要考虑直流侧电压的变化。采用非线性的控制策略，调节UPFC并联侧输出电流的横、纵分量能够分别有效调控并联侧母线电压、直流侧电压；调节UPFC串联侧变压器的输出电压的横、纵分量可分别调控输电线路的有功和无功功率[16]，从而在考虑直流侧电压变化的基础上较好地实现电力系统电压的暂态稳定控制。

电力系统振荡是指当电网存在短路、故障切除等干扰时，引起同步发电机间电势差和相角差以及各节点电压和电流随时间不断变化的现象。工程实践表明，对UPFC控制系统设计状态反馈线性控制器，可较好的抑制大电网的低频振荡。

4 UPFC接入大电网新能源系统关键输电控制技术

随着全球能源互联网、智能电网和特高压战略的实施和推进，柔性交直流输电将向着高电压、大容量、高效率、低损耗、多目标、多装置协同控制的方向快速发展，实现跨网、跨国、远距离和大规模新能源接入的综合调节控制[17]。UPFC的发展将面对重大的机遇和挑战，机遇源于电网对输送容量和电压控制等的广泛需求，挑战主要是面临着大功率电力电子器件开发研究、输电控制的难题，未来将主要集中表现在含储能的全控型 UPFC功率及能量的优化配置与协调控制方法、基于WAMS的全控型多UPFC协调控制技术等方面。

4.1 储能FACTS接入电力系统的输电控制

风能、太阳能发电自身固有的波动性、随机性和间歇性问题是新能源进一步发展的重大瓶颈。通过先进的电力电子技术，利用储能设备储存用电低谷时的多余能量，释放用电高峰时的备用能量，是解决新能源电力功率间歇性、波动性、随机性问题和提高新能源系统发电机组利用效率的关键。所以，针对电力系统储能的研究已是迫在眉睫。

电力储能技术能够有效缓解电力系统的功率失衡问题，对系统频率稳定和电网安全有重要的作用，可以较好地抑制了系统的功率振荡。抽水蓄能技术是目前唯一一种发展完善且可靠性、经济性较高的储能技术，但因其受选址要求和生态环境的影响，其大规模开发受到一定的限制。目前以超导磁储能(SMES)、蓄电池储能(BESS)、超级电容器储能(SCES)为代表的新型储能技术正在快速发展，工程应用也在不断增多。

将先进的储能技术与FACTS技术相结合已有相关的研究，并逐渐以其独特的优势引起社会的关注。储能设备与并联型FACTS结合能够较好地抑制发电机的功角摆动、抑制系统低频振荡和超低频振荡的现象[18]，显著减少切机切负荷、系统连锁故障的现象，大大提高了电网的暂稳态控制、输电能力和主动防御能力[19]。

将以电化学、超导磁、飞轮为代表的储能技术与FACTS技术相结合的研究，目前主要集中在蓄电池储能系统(BESS)与STATCOM的组合器件STATCOM/BESS和基于飞轮储能的柔性功率调节器(FPC)。通过电流解耦控制，STATCOM/BESS能实现有功功率和无功功率的独立调节，使输电更为柔性化[20]。FPC能够改变电力网络的阻尼参数，抑制电力系统的有功功率振荡，实现储能装置与电力网络功率的动态快速交换，增强电力系统的灵活控制能力和稳定域度。

现有研究成果和过去工程经验表明，储能系统用于抑制电力系统功率振荡的效果良好，含储能FACTS应用到未来大规模新能源接入的电网具有较好的前景。

4.2 UPFC接入大电网新能源系统的问题及应对措施

FACTS装置在新能源电力接入系统电源侧的应用非常广泛，在稳定电网新能源电力接入点的电压、削弱新能源电源的功率振荡、提升电网暂态稳定性等具有显著地优势。目前，国内以风能、光伏为代表的新能源发电集中分布于新疆、青海、内蒙古等地，西北大规模新能源电力面临着高电压、远距离、大容量的集中输送。为解决系统有功和电压控制问题，输电线路的关键节点应安装UPFC装置，以提高电网的安全稳定水平，抑制系统过电压和潜供电流，保证大电网电磁暂态安全。

UPFC作为目前FACTS装置中功能最强大的元件，能够消除异步风力机因风源的波动性和间歇性而引起的电网电压崩溃，维持风电场电压和电网稳定。通过优化UPFC的控制策略能够调整风力机桨距角的控制系统，增加电网的次同步阻尼，从而削弱风力机组的功率振荡。

国内外科学研究和工程实践已经证明，UPFC能够有效调节新能源电力接入系统的无功潮流和节点电压，增大输电线路的输电容量，改善电力系统的暂态、稳态特性。但当波动性和间歇性新能源大规模接入系统时，较大的风速、光照和负荷波动会将造成系统的频率波动和功率失衡，需要有足够的旋转备用容量和储能装置来维持电网的功率平衡和频率稳定。为解决大规模新能源电力接入引起系统功率失衡和频率波动问题，本文提出大电网新能源系统的概念，关系结构模型如图5所示。

图5 大电网新能源系统关系结构图

大电网新能源系统由发电、输配电、用电和储能交互组成，发电包括风能、光伏等新能源发电和火力发电等，输配电是利用大功率电力电子装置实现高电压、大容量、高效率、低损耗的柔性交直流输电，用电主要包括照明等阻性负荷和电动机等阻感性负荷，储能交互是指利用物理、化学、电磁等储能方式按照一定规律与大电网进行能量交换。

UPFC与储能技术、新能源功率预测技术相结合，是减少因新能源发电并网而增加旋转备用容量投资的有效途径。

5 结束语

近年我国新能源发电和电网建设的快速推进，全球能源互联互供的要求日益迫切，输电系统将向特高压、大容量、高效率、低损耗、集中外送的方向发展。新能源电力的接入在给电网带来清洁能源的同时，也增加了电力系统稳定运行控制的难度。通过先进控制方法和新兴技术，全网统一标准、分层分级和多目标多装置协同控制，将是FACTS控制技术的发展趋势，UPFC因其强大的控制能力将在大电网新能源系统中发挥日趋重要的作用。

以UPFC/BESS为代表的含储能型的柔性输电装置，能够平衡新能源电力和负荷的波动，解决大电网新能源系统的潮流和稳定控制问题，使大电网内源、网、荷的功率设备得到高效利用和合理调度，为大电网新能源系统的输电控制提供了一种重要的研究方案。

迫于新能源电力消纳和安全稳定运行的要求，UPFC接入大电网新能源系统的输电控制技术研究将主要集中在以下四方面。

(1)结合UPFC技术与WAMS技术，全网统一时间坐标下的精准潮流控制和功率调度；

(2)结合UPFC技术与MMC技术，柔性输电装置的模块化多电平结构设计和优化分析；

(3)结合UPFC技术与储能技术，用于控制大电网新能源系统的源、网、荷的功率波动；

(4)UPFC装置内部器件的精简电子化，如基于级联多电平VSC的无变压器UPFC[21]。