統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)：是一種功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的新一代柔性交流輸電(FACTS)裝置，也是迄今為止通用性最好的FACTS裝置，綜合了多種靈活控制手段，具備無功補(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)、串聯(lián)補(bǔ)償和移相等能力，可以同時(shí)并非常快速的獨(dú)立控制輸電線路的有功功率和無功功率。UPFC可以控制線路的潮流分布，有效地提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
當(dāng)前電網(wǎng)中普遍存在潮流分布不合理、運(yùn)行欠靈活等問題，影響電網(wǎng)輸電能力，迫切需要采用一種新的技術(shù)手段對系統(tǒng)電壓和潮流進(jìn)行靈活動態(tài)的調(diào)節(jié)，提高電網(wǎng)駕馭能力。“統(tǒng)一潮流控制器(簡稱‘UPFC’)能夠有效解決這一系列問題，該技術(shù)是柔性交流輸電技術(shù)(FACTS)的制高點(diǎn)，它能對電網(wǎng)進(jìn)行綜合智能控制。”南瑞繼保電氣研究院副院長沈全榮表示。
4月25日，我國UPFC工程化應(yīng)用攻克了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，由中國電機(jī)工程學(xué)會組織專家對南瑞繼保承擔(dān)的“PCS-8200統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)”項(xiàng)目進(jìn)行了鑒定。與會專家一致認(rèn)為：該項(xiàng)目緊密結(jié)合國內(nèi)電網(wǎng)實(shí)際需求，項(xiàng)目單位掌握了UPFC成套技術(shù)，研制了UPFC關(guān)鍵核心設(shè)備，開發(fā)并建設(shè)了全面的試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，具備了UPFC系統(tǒng)研究、核心裝備制造、試驗(yàn)驗(yàn)證和工程整體實(shí)施能力。關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，填補(bǔ)了行業(yè)空白，滿足工程實(shí)施需要，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
UPFC取得多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新
南瑞繼保近年在柔性交、直流輸電領(lǐng)域取得了豐碩的成果，其中，世界上容量最大、電壓等級最高的SVC和可控高抗以及世界首個(gè)五端柔性直流輸電工程相繼成功投運(yùn)，UPFC是上述柔性交直流高端裝備技術(shù)之后的又一重大技術(shù)突破。
目前世界上現(xiàn)有三套UPFC工程，均采用GTO器件串聯(lián)、低電平換流橋、變壓器多重化拓?fù)錁?gòu)成，這種換流閥技術(shù)存在損耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、可靠性低、可維護(hù)性差，上述技術(shù)瓶頸阻礙了UPFC的應(yīng)用。
技術(shù)突破的核心，不是簡單的功能疊加或性能改進(jìn)，而在于創(chuàng)新地對已知問題作出具有突破性的解決方案。雖然南瑞繼保已經(jīng)具備了柔性交、直流輸電技術(shù)的豐富經(jīng)驗(yàn)，但是要為柔性交流輸電技術(shù)最高端的UPFC作技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)首次采用模塊化多電平換流閥等多項(xiàng)技術(shù) (MMC技術(shù))，并非易事。
“我們從2011年就開始進(jìn)行研究和技術(shù)攻關(guān)，UPFC系統(tǒng)非常復(fù)雜，從一次到二次設(shè)備，從控制到運(yùn)行處理，從故障到過電壓等，整體涵蓋的范圍廣，涉及內(nèi)容眾多，需要系統(tǒng)性的考慮和解決。特別在UPFC數(shù)字仿真建模、主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化、雙回線路UPFC控制策略研究、接入系統(tǒng)分析、核心裝備研制等方面取得了突破。我們創(chuàng)新性地提出了三個(gè)換流閥互為備用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行方式，具有很好的靈活性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。”沈全榮說。
PCS-8200統(tǒng)一潮流控制器在成套裝置和設(shè)計(jì)方面，還實(shí)現(xiàn)了雙環(huán)線路功率解耦控制策略和多換流器協(xié)調(diào)控制策略;提出了UPFC系統(tǒng)的整體保護(hù)配置方案;研制了高安全裕度、低損耗和高可靠性的模塊化多電平換流閥;研制了結(jié)構(gòu)緊湊、耐受沖擊電流大的TBS閥組，能夠有效地保護(hù)串聯(lián)變壓器和換流閥組。
UPFC技術(shù)可帶來多重效益
在國內(nèi)UPFC成套技術(shù)尚屬于空白的情況下，投入巨大的人力物力攻克UPFC關(guān)鍵技術(shù)，出于怎樣的考慮?沈全榮表示：“首先是電網(wǎng)的需求，某些區(qū)域電網(wǎng)在規(guī)劃中,發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行中有一些以往技術(shù)手段解決不了的潮流問題，潮流分配不均，有些線路潮流過重，這種情況下只能增加線路分流，但是由于輸電走廊有限，尤其是居民居住地區(qū)，用地有限，很難再新建一條電纜通道增加線路輸電能力，而且投資大。UPFC可以解決上述問題。其次是基于我們?nèi)嵝灾绷鬏旊姷入娏﹄娮蛹夹g(shù)已經(jīng)成熟，且有舟山五端柔直工程的成功應(yīng)用作為技術(shù)支撐。”
目前國內(nèi)大中型城市電網(wǎng)，其出線走廊很少，如果要增加線路，可能需要開挖電纜隧道。沈全榮進(jìn)一步介紹，新建一條大約10千米的220千伏電纜隧道耗資約十億元。若給雙回線路直接安裝潮流控制器，總投資則只需要約2億元，相當(dāng)于電纜隧道耗資的五分之一;另外UPFC技術(shù)具有杠桿撬動作用，注入一定向量的電壓，可以撬動電網(wǎng)潮流的分布，具有3~5倍的潮流放大效應(yīng)。綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。
隨著特高壓交直流電網(wǎng)的快速發(fā)展，形成了特高壓、500千伏和220千伏的三級電磁環(huán)網(wǎng)，電網(wǎng)的潮流分布日趨復(fù)雜，而采用UPFC技術(shù)，既能在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方面實(shí)現(xiàn)潮流優(yōu)化調(diào)節(jié)，合理控制有功功率、無功功率，最大限度提高線路的輸送能力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，又能在動態(tài)方面，通過快速無功吞吐，動態(tài)地支撐接入點(diǎn)的電壓，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。據(jù)了解，在長三角、西北等大部分區(qū)域電網(wǎng)均有進(jìn)行潮流優(yōu)化的迫切需求，因此UPFC應(yīng)用前景非常廣闊。這項(xiàng)技術(shù)解決了城市建設(shè)中電網(wǎng)潮流分配的根本性問題，是電力電子領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的革命性突破，具有里程碑意義。