摘要：报道了500 kV统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)示范工程在苏州南部电网的应用情况，工程于2017年年底建成投产，建成后将成为世界上电压等级最高、容量最大的UPFC工程。首先介绍了苏州南部500 kV电网发展概况和存在的问题，分析了利用常规解决措施(线路导线增容、新增输电通道)解决上述问题时遇到的困难。然后给出了利用UPFC解决苏州南部500 kV电网中存在问题的方案，详细论述了在苏州南部500 kV电网应用UPFC的接入方案、接入效果、工程实施难度和投资成本。最后通过技术经济比较，分析了苏州南部UPFC示范工程的经济效益和社会效益。分析结果显示，示范工程投运后可以有效缓解苏州南部电网中存在的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，同时较常规解决措施具有较好的经济性和较小的实施难度。苏州南部UPFC工程对在更高电压等级上应用UPFC技术能起到积极的示范作用。
关键词：统一潮流控制器(UPFC) 苏州南部电网 潮流控制 无功支撑
引言
“十三五”期间，江苏电网将建成“六交四直”特高压工程，形成华东特高压环网及苏北特高压环网，区外来电总规模达到约50 000 MW，占最大负荷的39%。同时，风电、光伏等可再生能源装机也将大规模增长。随着电网的发展，电网在更高电压等级层面也面临着新的挑战。
江苏500 kV电网在发展中主要面临如下问题：潮流分布不均、影响电网输电能力;由于可再生能源的出力波动及区外来电(如水电直流)的季节性变化，电网潮流复杂多变、难以控制;随着负荷增长，苏州南部负荷中心动态无功支撑不足问题日趋显著;随着社会经济发展，特别是在人口密集、负荷密度高的苏南负荷中心，建设新的输电走廊非常困难，甚至无法实施。
统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作为最新一代的FACTS(flexible AC transmission system)装置，既能够实现潮流的快速、精确控制，又能够提供动态电压支撑，提高系统电压稳定性。同时UPFC可以安装在已有线路上，无需新建输电走廊，为解决电网在发展中面临的主要问题提供了一种有力的技术手段[1-6]。目前世界上已经有4个UPFC工程投入运行，其接入系统电压等级、单个换流器容量和工程名称具体如下[7-10]：138 kV/160 MV˙A的AEP UPFC工程;154 kV/40 MV˙A的KEPCO UPFC工程;345 kV/100 MV˙A的MARCY UPFC工程;220 kV/60 MV˙A的南京西环网UPFC工程。
可见，已有UPFC工程接入的电压等级相对较低，UPFC在500 kV甚至更高电压等级的应用尚无实际工程。利用UPFC装置解决江苏500 kV电网在发展过程中遇到的问题，在开展220 kV UPFC工程应用研究与实施的同时[11]，也同步开展了500 kV UPFC应用的前期研究工作。经全面梳理江苏电网枢纽点(特高压交直流站)附近、重要断面(如过江通道)和重要负荷中心应用UPFC的需求及效果，最终决定在苏州南部电网(木渎变电站)装设500 kV UPFC。苏州南部电网发展成熟，500 kV电网结构在规划期内保持稳定，较其他地区更加适合开展500 kV UPFC的试点示范应用。
本文首先介绍苏州南部电网的概况及存在问题以及利用常规方法解决上述问题时遇到的困难，然后提出利用UPFC解决苏州南部电网中存在问题的方案，论证了方案实施的可行性，最后通过全面的技术经济比较，分析了苏州南部UPFC示范工程的经济效益和社会效益。
1 苏州南部500 kV电网应用UPFC的必要性
1.1 苏州南部电网概况
苏州南部电网包括苏州市区及吴江地区。2015年，该地区最大负荷10 270 MW。预计“十三五”期间，苏州南部地区负荷仍将平稳增长，2018、2020年该地区最大负荷将达到12 000 MW、13 000 MW，饱和负荷将达到约15 000 MW。苏州南部电网的主要电源为锦苏直流，并通过梅里—木渎、石牌—玉山—车坊以及华能苏州—(石牌)—车坊3个500 kV输电通道供电，如图1所示。
1.2 苏州南部电网存在的问题
苏州南部500 kV电网的主要电源—锦苏直流(扣除网损，苏州换流站出力约6 700 MW)为水电直流，季节性强(夏季通常满送，冬季枯水期送电降至10%～20%)。从而使得苏州南部电网的受进电力规模及潮流分布季节变化较大。经分析，苏州南部500 kV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、直流双极闭锁后应急拉限电多等问题。
(1)直流小方式下供电能力受限。冬季锦苏直流小方式下，梅里—木渎双线潮流过重。2018—2020年，双线功率约3 400 MW，N-1后剩下1回线潮流3 060 MW，超过线路输送能力(约2 950 MW)。地区达到饱和负荷时，梅里—木渎双线潮流达到3 890 MW，N-1后潮流达3 450 MW，超过线路输送能力500 MW(见图2)。
(2)无功支撑不足。苏州南部500 kV电网负荷总量大，常规电源少，而锦苏直流不能向该地区提供无功支撑，无功电压支撑能力不足。
(3)直流换相失败风险大。2016年夏季小方式，华东特高压直流全部满功率运行工况下，对江苏电网进行了故障扫描。仿真结果显示，江苏省有69条500 kV线路发生单永N-1故障会导致锦苏直流发生换相失败。
(4)直流双极闭锁后应急拉限电多。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，苏州南部电网需要通过交流输电通道受进的功率将增加约6 700 MW。此时，苏州南部电网相关通道潮流大幅增加，引起输电通道潮流重载，其中梅里—木渎双线负载最重。华东网调要求，需采取措施调整运行方式，在0.5 h内将苏州南部电网各输电通道潮流控制到稳定限额之下。经初步估算，2018年夏季高峰，锦苏直流双极闭锁后在事故应急处理中需要拉限负荷2 000 MW。
1.3 常规规划解决方案
(1)线路导线增容方案。梅里—木渎双线若采用导线增容改造方案，预计停电改造的建设周期约6个月。在改造停运期间，苏州南部电网仅通过2个500 kV通道供电，一旦发生直流双极闭锁等故障，事故后需拉限负荷3 500 MW;线路改造时需要将木渎变500 kV系统全停，但木渎变负荷无法转移。可见，本方案基本不可行。
(2)新增输电通道方案。若采用新增输电通道的方案，需新建500 kV梅里—锡南—木渎双回线路(2×60 km)(见图3)。该线路需穿越无锡市区、苏州市区，不仅投资巨大(约15亿元)，而且建设难度极大。可见，本方案技术经济性欠佳。同时，新增输电通道后，控制点(石牌)处的短路电流上升1.1 kA，超过开断极限。
由于现有线路导线增容和新增输电通道等常规方案在实施难度和经济性上存在的欠缺，通过上述措施解决苏州南部500 kV电网发展过程中遇到问题的阻碍较大。在规划期内，苏州南部500 kV电网结构将保持稳定。
2 苏州南部500 kV电网应用UPFC的可行性
经方案分析论证，可以通过在木渎—梅里双线装设UPFC来解决苏州南部500 kV电网发展过程中遇到的问题。利用UPFC潮流控制能力均衡苏州南部电网输电通道的潮流，解决冬季直流小方式下的供电能力受限问题和夏季直流大方式下发生双极闭锁后出现的拉限负荷过多的问题。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和直流换相失败风险较大的问题。
本节将对UPFC的具体接入方案，接入后的效果以及实施难度和经济性进行详细论述。
2.1 UPFC接入方案
根据潮流控制需求，同时借鉴南京西环网UPFC示范工程的工程设计经验，最终确定的500 kV UPFC示范工程结构如图4所示。示范工程500 kV UPFC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500 kV母线。3台换流器的容量均为250 MV˙A，3台联结变压器容量为300 MV˙A，直流侧电压为±90 kV。
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[12]。南京西环网电源较多，无功支撑能力较强，对UPFC无功支撑能力没有需求，因此南京西环网UPFC示范工程在设计时将并联侧装置接在临近的35 kV母线以降低变压器绝缘需求、占地面积与投资。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500 kV母线。
2.2 UPFC接入效果
500 kV UPFC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15 000 MW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2 950 MW，满足线路长期稳定运行的要求(见图5)
(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，对比图2和图5中的电压分布可以看出，安装UPFC后，苏州南部电网的事故后恢复电压提高约10 kV。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。针对2016年夏季小方式，在相同的仿真参数下分别对安装UPFC前后的江苏电网进行了故障扫描。仿真结果显示，UPFC可以避免34条500 kV线路单永故障后引起的锦苏直流换相失败(UPFC装设前为69条，减少一半)。
(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后，利用UPFC均衡苏州南部电网输电通道潮流，可以减少锦苏直流双极闭锁后拉限电容量1 000～1 200 MW。
2.3 UPFC工程实施难度
经现场踏勘，500 kV UPFC站选址在500 kV木渎变电站北侧，紧邻500 kV木渎变北侧围墙，拟与木渎变共用该围墙。站址占地面积不到4 hm2，土地性质现为基本农田，工程实施难度较小，如图6所示。同时，示范工程500 kV UPFC的关键设备主要有电压源换流器、串联变压器、晶闸管旁路开关(TBS)、控制保护系统等，在设计过程中均不存在技术上的障碍。
(1)电压源换流器。根据潮流控制需求，示范工程500 kV UPFC换流器额定容量为250 MV˙A，直流电压为±90 kV。2014年投运的舟山多端柔性直流工程换流器最大容量400 MV˙A，直流电压±200 kV[13]。据调研，目前舟山工程已进入稳定运行期，2015年以来换流器一直运行正常。500 kV UPFC换流器在设备制造技术和可靠性上已经有比较好的基础。
(2)串联变压器。500 kV串联变压器制造是UPFC工程应用的难点，其特点为容量小、绝缘水平高、短路电流大。串联变压器的一次侧绕组采用500 kV全绝缘，目前500 kV全绝缘变压器在制造上比较成熟。500 kV串联变压器漏抗小但短路电流耐受能力要求高，经初步估算，本工程所接入的线路在近、远期流过的最大短路电流不超过55 kA，与南京220 kV西环网UPFC工程串联变压器的设计条件(线路短路电流50 kA)接近。因此，通过借鉴南京UPFC工程串联变压器设计的经验，示范工程500 kV串联变的设计和制造不存在障碍。
(3)晶闸管旁路开关。示范工程晶闸管旁路开关(TBS)的额定工作电压暂定为105 kV，该电压等级的晶闸管阀目前在国内制造较为成熟。结合线路最大故障电流和串联变压器变比选择，预估TBS所需要通过的故障电流不超过63 kA，而南京西环网UPFC工程的TBS短路电流通过能力为70 kA/(60 ms)，大于本工程的设计水平，因此，通过借鉴南京UPFC工程TBS阀的设计经验，本工程所采用的TBS技术上不存在障碍。
(4)控制保护系统。500 kV UPFC控制保护系统的难点主要有：换流器的多目标协调控制、换流器的平滑启动和停运控制、换流器低调制比运行控制、并联换流器在故障穿越控制和串联侧换流器的故障重启控制、系统调度和运行策略等。在南京西环网UPFC工程经验[14-16]的基础上进一步研究500 kV UPFC控制保护系统技术，针对500 kV UPFC的系统结构的特点以及系统的控制目标，可以得到控制保护装置的配置和上层的控制策略。
2.4 UPFC工程投资成本
苏州南部500 kV UPFC示范工程建设规模如下。
(1)500 kV UPFC配电装置部分：采用3/2接线，500 kV出线7回(至同里变2回、梅里变2回、木渎变3回)。
(2)500 kV UPFC成套设备部分：建设换流器3台，容量3×250 MV˙A;配套建设500 kV联结变压器3台，容量3×300 MV˙A;500 kV断路器5台;±90 kV直流场设备。
(3)500 kV线路部分：同里变—木渎变双线、梅里变—木渎变双线的木渎变电站侧均改接至500 kV UPFC配电装置，新建线路长度约1 km。
(4)配套木渎变、梅里变等500 kV变电站间隔(保护)改造及光通信工程。
苏州南部500 kV UPFC工程投资估算如表1所示，由表1中数据可以看出，苏州南部500 kV UPFC工程总投资约为9.3亿元。
3 技术经济比较
与新增输电通道的方案相比，装设UPFC的方案在满足输电能力需求的前提下，其优势如下：(1)不增加短路电流，避免了系统短路电流越限的问题;(2)能够减少锦苏直流换相失败风险;(3)工程实施具备可行性;(4)投资上优势显著(较新增输电通道减少5.7亿元)。因此，最终选定在木渎变装设UPFC的方案。
苏州南部电网500 kV UPFC示范工程于2016年11月正式开工建设，2017年年底建成投运后，使电网潮流由自然分布转变为智能化灵活控制，在不新建输电通道的前提下，有效解决苏州南部500 kV电网发展中存在的问题，提升苏州南部电网输电能力和安全稳定水平，提高500 kV电网对特高压交直流电网的承接能力和支撑作用。同时，苏州南部电网500 kV UPFC示范工程建成后将成为世界上电压等级最高、容量最大的UPFC工程，将显著提高电网的整体科技含量，对柔性交流输电技术在更高电压等级的应用和推广，能起到很好的示范作用。
4 结语
苏州南部500 kV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500 kV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。因此，苏州南部电网是应用UPFC等柔性输电技术比较理想的场合。考虑到该地区同时存在潮流控制及无功电压问题，最终决定应用具有潮流和无功电压综合调节能力的UPFC来解决上述问题。
在苏州南部500 kV电网中应用UPFC能够较好地解决苏州南部电网中存在的问题，与常规方案相比，具有较好的经济效益和社会效益。苏州南部电网500 kV UPFC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。同时，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。
作者：杨林 , 蔡晖 , 汪惟源 , 宋鹏程 , 徐政 , 陈刚 , 窦飞
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